天然放射现象、核反应与核能

1、学案正标题一、考纲要求1.掌握原子核的衰变、半衰期等知识.2.会书写核反应方程，并能根据质能方程求解核能问题二、知识梳理1.原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成，两者统称为核子(2)原子核常用表示，X为元素符号，上角标A表示核的质量数，下角标Z表示核的电荷数（原子序数)(3)同位素是具有相同的质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置2.天然放射现象(1)天然放射现象：某些元素自发放射某些射线的现象称为天然放射现象，这些元素称为放射性元素(2)三种射线的本质：射线是氦核，射线是电子，射线是光子3.原子核的衰变(1)衰变：原子核自发地放出某种粒子而转变成新核的变化可分为衰变、衰变

2、，并伴随着射线放出(2)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间放射性同位素的应用利用射线：放射性同位素放出的射线应用于工业、探伤、农业、医疗等作示踪原子4.核反应、核力与核能(1)核反应规律：在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒(2)核力概念：组成原子核的核子之间存在的作用力核力特点a核力是强相互作用(强力)的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多b核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内c每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性(3)质量亏损爱因斯坦质能方程：Emc2质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象(4)结合能：克服核力束缚

3、，使原子核分解为单个核子时需要的能量，或若干个核子在核力作用下结合成原子核时需要的能量5.核裂变和核聚变(1)重核裂变定义：使重核分裂成几个质量较小的原子核的核反应铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，一种典型的反应是生成钡和氪，同时放出三个中子，核反应方程为：链式反应：由重核裂变产生中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫做核裂变的链式反应链式反应的条件：a.要有足够浓度的；b.铀块体积需大于临界体积，或铀块质量大于临界质量(2)轻核聚变定义：两个轻核结合成较重的核，这样的核反应叫聚变聚变发生的条件：使物体达到几百万度的高温三、要点精析1.衰变规律及实质(1)两种衰变的比较衰变类型衰变衰

4、变衰变方程衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出中子转化为质子和电子22衰变规律质量数守恒、电荷数守恒(2)射线：射线经常是伴随着衰变或衰变同时产生的其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子2.原子核的人工转变用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程(1)卢瑟福发现质子的核反应方程为：.(2)查德威克发现中子的核反应方程为：.(3)居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：.3.确定衰变次数的方法因为衰变对质量数无影响，先由质量数的改变确定衰变的次数，然后再根据衰变规律确定衰变的次数4.半衰期(1)公式：N余N原，m

5、余m原(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关5.衰变次数的确定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素，则表示该核反应的方程为nm根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程AA4n ZZ2nm由以上两式联立解得n，mZZ由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组方法二：因为衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定衰变的次数，然后根据衰变规律确定衰变的次数6.核反应类型(1)核反应的四种类型：衰变、人工转变、裂变和聚变(2)核反应过程一

6、般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接(3)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程(4)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(5)核反应遵循电荷数守恒7.计算核能的几种方法(1)根据Emc2计算，计算时m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E的单位是“J”(2)根据Em931.5 MeV计算因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，所以计算时m的单位是“u”，E的单位是“MeV”(3)根据平均结合能来计算核能原子核的结合能平均结合能核子数(4)有时可

7、结合动量守恒和能量守恒进行分析计算，此时应注意动量、动能关系式p22mEk的应用8.核反应类型、核能(1) 核反应类型及核反应方程类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发衰变自发人工转变人工控制(卢瑟福发现质子)(查德威克发现中子)约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子01e重核裂变比较容易进行人工控制310轻核聚变目前无法控制注意：核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒(2)核能释放的两种途径的理解中等大小的

8、原子核的比结合能最大，这些核最稳定使较重的核分裂成中等大小的核使较小的核结合成中等大小的核两种途径都可以使核子的比结合能增加，都可以释放能量四、典型例题1.【2015重庆-1】图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物质发生衰变放出的部分粒子的经迹，气泡室中磁感应强度方向垂直纸面向里。以下判断可能正确的是Aa、b为粒子的经迹 Ba、b为粒子的经迹Cc、d为粒子的经迹Dc、d为粒子的经迹【答案】D【解析】射线是不带电的光子流，在磁场中不偏转，故选项B错误。粒子为氦核带正电，由左手定则知受到向上的洛伦兹力向上偏转，故选项A、C错误；粒子是带负电的电子流，应向下偏转，选项D正确。故选D。考点：本题考查

9、放射线的性质、带电粒子在磁场中的运动。2.【2015山东-39（1）】【物理-物理3-5】发生放射性衰变为，半衰期约为5700年。已知植物存活其间，其体内与的比例不变；生命活动结束后，的比例持续减少。现通过测量得知，某古木样品中的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。下列说法正确的是_。（双选，填正确答案标号）A该古木的年代距今约为5700年B、具有相同的中子数C衰变为的过程中放出射线D增加样品测量环境的压强将加速的衰变【答案】AC【解析】试题分析：因古木样品中的比例正好是现代植物所制样品的二分之一，则可知经过的时间为一个半衰期，即该古木的年代距今约为5700年，选项a正确；、具有相同的质子数

10、，由于质量数不同，故中子数不同，选项b错误；根据核反应方程可知，衰变为的过程中放出电子，即发出射线，选项c正确；外界环境不影响放射性元素的半衰期，选项d错误；故选ac.考点：半衰期；核反应方程.3.【2015广东-18】科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚核反应获得能量，核反应方程分别为：X + Y + + 4.9MeV和+ + X + 17.6MeV，下列表述正确的有AX是中子BY的质子数是3，中子数是6C两个核反应都没有质量亏损D氘和氚的核反应是核聚变反应【答案】AD【解析】本题中考查了原子物理的基础知识。题目中有原子物理的两个核反应方程，根据质量数和电荷数守恒规律，由第二个核反应方程得到

11、X为中子()，选项A正确；再由第一个方程得到Y质子数为3，质量数为6，则中子数 = 质量数 质子数 = 3 ，选项B错误；两个核反应都产生了能量，根据爱因斯坦质能方程可知一定有质量亏损，选项C错误；氘和氚的核反应是核聚变反应，选项D正确。【考点】核反应方程；结合能、质量亏损；聚变反应4.【2015北京-14】下列核反应方程中，属于衰变的是（）ABCD【答案】B【解析】衰变是指某一原子核自发的变成另一种原子核，并放出 粒子的过程。可以很容易的选出 B 正确；A 选项为人工转变方程；C 选项为轻核聚变；D 选项为 衰变【考点】原子物理衰变5.【2015北京-17】实验观察到，静止在匀强磁场中 A

12、点的原子核发生衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意如图。则（）A轨迹 1 是电子的，磁场方向垂直纸面向外B轨迹 2 是电子的，磁场方向垂直纸面向外C轨迹 1 是新核的，磁场方向垂直纸面向里D轨迹 2 是新核的，磁场方向垂直纸面向里【答案】D【解析】由动量守恒可知，原子核静止在磁场中，发生衰变后的新核与电子的动量大小相等，方向相反。由，得，粒子运动的半径与电荷量成反比。新核带电量大于电子，因此 R 较小，知轨迹 2 为新核轨迹，由左手定则可知，磁场方向垂直纸面向里。【考点】衰变，动量守恒，带电粒子在磁场中的圆周运动6.【2015安徽-14】图示是粒子（氦原子核）

13、被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属原子核静止不动。图中所标出的粒子在各点处的加速度方向正确的是AM点BN点CP点DQ点【答案】C【解析】由库仑定律，可得两点电荷间的库仑力的方向在两者的两线上，同种电荷相互排斥，由牛顿第二定律，加速度的方向就是合外力的方向，故C正确，ABD错误。考点：考查库仑定律和牛顿第二定律。7.【2015江苏-12】【选修3-5】（12分）（1）波粒二象性时微观世界的基本特征，以下说法正确的有_A光电效应现象揭示了光的粒子性B热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性C黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释D动能相等的

14、质子和电子，它们的德布罗意波也相等（2）核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，是常用的核燃料。受一个中子轰击后裂变成和两部分，并产生_个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要_（选填“大于”或者“小于”）它的临界体积。（3）取质子的质量，中子的质量，粒子的质量，光速，请计算粒子的结合能，（计算结果保留两位有效数字）【答案】（1）AB（2）3大于（3）4.310 12J【解析】（1）光电效应说明光的粒子性，所以A正确；热中子在晶体上产生衍射图样，即运动的实物粒子具有波的特性，即说明中子具有波动性，所以B正确；黑体辐射的实验规律说明电磁辐射具有量子化，即黑体辐射是不连续的、一份一份的，

15、所以黑体辐射用光的粒子性解释，即C错误；根据的德布罗意波长公式，又质子的质量大于电子的质量，所以动能相等的质子和电子，质子的德布罗意波较短，所以D错误。（2）由质量数和电荷数守可知：，可见产生了3个中子，链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积。（3）根据爱因斯坦质能方程，可求：8.【2015海南-17】运动的原子核放出粒子后变成静止的原子核Y。已知X、Y和粒子的质量分别是M、和，真空中的光速为c，粒子的速度远小于光速。求反应后与反应前的总动能之差以及粒子的动能。【答案】，【解析】反应后由于存在质量亏损，所以反应前后总动能之差等于质量亏损而释放出的能量，故根据爱因斯坦质能方程可得

16、反应过程中三个粒子组成的系统动量守恒，故有，联立可得9.(2015天津-1)物理学重视逻辑，崇尚理性，其理论总是建立在对事实观察的基础上，下列说法正确的是A天然放射现象说明原子核内部是有结构的B电子的发现使人们认识到原子具有核式结构Ca粒子散射实验的重要发现是电荷是量子化的D密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的【答案】A【解析】卢瑟福的粒子散射实使人们认识到原子的核式结构，电子的发现使人们认识到原子并不是自然界中的最小粒子，是有结构的，所以选项BC错误；天然放射性现象使人们认识到原子核是由更小的核子组成，选项A正确；密立根油滴实验测定了元电荷的大小，D错误。考点：近代物理学史10.(20

17、14新课标35(1)关于天然放射性，下列说法正确的是_A所有元素都可能发生衰变B放射性元素的半衰期与外界的温度无关C放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D、和三种射线中，射线的穿透能力最强E一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线【答案】BCD【解析】自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项A错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素无关，选项B、C正确；、和三种射线电离能力依次减弱，穿透能力依次增强，选项D正确；原子核发生衰变时，不能同时发生和衰变，射线伴随这两种衰变产生，故选项E错误11.(2014天津6)下列说法正确的是( )A玻尔对氢原子光谱的研究导致原子的核式结

18、构模型的建立B可利用某些物质在紫外线照射下发出荧光来设计防伪措施C天然放射现象中产生的射线都能在电场或磁场中发生偏转D观察者与波源互相远离时接收到波的频率与波源频率不同【答案】BD【解析】卢瑟福的粒子散射实验导致了原子的核式结构模型的建立，A错误根据紫外线的荧光效应，可知B正确天然放射现象中产生的射线不带电，在电场和磁场中都不偏转，故C错误根据多普勒效应可知观察者与波源互相远离时接收到的波的频率比波源频率低，D正确12.(2014福建30(1)如图所示，放射性元素镭衰变过程中释放出、三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是_(填选项前的字母)A表示射线，表示射线B表示射线，表示

19、射线C表示射线，表示射线D表示射线，表示射线【答案】C【解析】根据三种射线的偏转轨迹可知表示射线，表示射线，表示射线选项C正确13.(2014北京14)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)( )A(m1m2m3)cB(m1m2m3)cC(m1m2m3)c2D(m1m2m3)c2【答案】C【解析】由质能方程Emc2，其中mm1m2m3，可得E(m1m2m3)c2，选项C正确14.(2014重庆1)碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有( )ABCD【答案】

20、C【解析】经过n个半衰期剩余碘131的含量mmn.因32天为碘131的4个半衰期，故剩余碘131含量：mm4，选项C正确15.【2014上海卷】核反应方程式Be+HeC+X中的X表示A质子B电子C光子D中子【答案】D【解析】核反应同时遵循质量数和电荷数守恒，根据质量数守恒，可知X的质量数是1，电荷数是0，所以该粒子是中子，D项正确。【考点】核反应16.【2014新课标全国卷】在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。下列说法符合历史事实的是（填正确答案标号，选对1个给2分，选对2个得4分，选对3个得5分，每选错1个扣3分，最低得分0分）。A密立根通过油滴实验测得了基本电荷

21、的数值B贝克勒尔通过对天然放射性现象的研究，发现了原子中存在原子核C居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋（P0）和镭（Ra）两种新元素D卢瑟福通过粒子散射实验，证实了在原子核内存在质子E.汤姆孙通过阴极射线在电场和在磁场中的偏转实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成，并测出了该粒子的比荷【答案】ACE【解析】密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值为1.610-19C，A正确；贝克勒尔通过对天然放射性研究发现了中子，B错误；居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋（Po）和镭（Ra）两种新元素，C正确；卢瑟福通过粒子散射实验，得出了原子的核式结构理论， D错误；汤姆逊通过对阴极射线在电场及在磁场中偏转的实验，

22、发现了阴极射线是由带负电的粒子组成，并测定了粒子的比荷，E正确。考点：原子物理部分的物理学史知识。17.【2014江苏卷】氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤。它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。其衰变方程是。已知的半衰期约为3.8天，则约经过天，16g的衰变后还剩1g。【答案】，15.2【解析】试题分析：根据衰变过程中，质量数与电荷数守恒可知，,该衰变过程中，所释放的粒子的质量数为4，即为粒子。设半衰期为，半衰期的定义：，而n为发生半衰期的次数，；代入数据可得t=15.2天。18.【2014上海卷】链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒

23、子是A质子B中子C粒子D粒子【答案】B【解析】重核的裂变需要中子的轰击，在链式反应中，不断放出高速的中子使裂变可以不断进行下去，B项正确。【考点】核反应、裂变19.原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，放出能量这几种反应的总效果可以表示为6kd243.15 MeV由平衡条件可知( )Ak1，d4Bk2，d2Ck1，d6Dk2，d3【答案】B【解析】核反应的基本规律是质量数和电荷数守恒，所以624kd2,612kd，解得k2，d2，因此B正确20.关于核衰变和核反应的类型，下列表述中正确的有( )A是衰变B是衰变C是轻核聚变D2

24、是重核裂变【答案】AC【解析】衰变是放射出氦核的天然放射现象，A正确；衰变是放射出电子的天然放射现象，而B是发现质子的原子核人工转变，故B错；C是轻核的聚变，D是衰变现象，故C正确，D错21.已知氦原子的质量为MHe u，电子的质量为me u，质子的质量为mp u，中子的质量为mn u，u为原子质量单位，且由爱因斯坦质能方程Emc2可知：1 u对应于931.5 MeV的能量，若取光速c3108 m/s，则两个质子和两个中子聚变成一个氦核，释放的能量为( )A2(mpmn)MHe931.5 MeVB2(mpmnme)MHe931.5 MeVC2(mpmnme)MHec2 JD2(mpmn)MHe

25、c2 J【答案】B【解析】核反应方程为22，质量亏损m2(mpmn)(MHe2me)2(mpmnme)MHe，所以释放的能量为Em931.5 MeV2(mpmnme)MHe931.5 MeV，选项B正确22.下列说法正确的是( )A原子核发生衰变时要遵守电荷守恒和质量守恒的规律B射线、射线、射线都是高速运动的带电粒子流C氢原子从激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子D发生光电效应时光电子的动能只与入射光的强度有关【答案】C【解析】原子核发生衰变时遵循电荷数守恒和质量数守恒的规律，衰变过程中释放能量，质量发生亏损，A错误；射线是高速氦核子流，射线是高速电子流，两者都是高速运动的带电粒子流，射线是

26、高能电磁波，不带电，B错误；根据玻尔的跃迁理论，氢原子的能级是量子化的，因而能级差是一些特定的值，根据跃迁公式hEmEn，知氢原子从激发态向基态跃迁时只能辐射一些特定频率的光子，C正确；根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0，知光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，D错误23.铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：ab2，则ab可能是 ( )ABCD【答案】D【解析】核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，通过核反应前后的质量数和电荷数相等不难得出A、B、C错误，D正确24.核聚变与核裂变相比几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来

27、源几乎取之不尽，是理想的获取能源的方式EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的，它成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置已知两个氘核聚变生成一个氦核和一个中子的核反应方程是23.26 MeV，若有2 g氘全部发生聚变，则释放的能量是(NA为阿伏加德罗常数) ( )A0.53.26 MeVB3.26 MeVC0.5NA3.26 MeVDNA3.26 MeV【答案】C【解析】根据核反应方程可知，两个氘核聚变释放的能量为3.26 MeV，那么2 g氘核(即1 mol氘核)聚变释放的能量为0.5 NA3.26 MeV，C正确25.云室处于一个垂直于纸面

28、向外的匀强磁场中，静止的原子核在云室中发生了一次衰变，其衰变产物在磁场中运动的圆轨迹如图所示已知新核Y的质量为M，粒子的质量为m，衰变后粒子的速度大小为v，假设原子核衰变时释放的能量都转化为粒子和新核的动能(1)试写出核衰变方程(2)求原子核衰变时释放的能量【答案】(1).(2)【解析】(1)衰变方程为.(2)原子核在衰变前后动量守恒，设衰变后新核的速度为v1，则Mv1mv.根据题意可知，衰变时释放的总能量E.联立以上二式解得E26.(钍)经过一系列衰变和衰变，变成(铅)以下说法中正确的是( )A铅核比钍核少8个质子B铅核比钍核少16个中子C共经过4次衰变和6次衰变 D共经过6次衰变和4次衰变

29、【答案】ABD【解析】设衰变次数为x，衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得2322084x90822xy解得x6，y4C错，D正确铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A正确铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B正确27.约里奥居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素衰变成的同时放出另一种粒子，这种粒子是_【答案】【解析】写出衰变方程故这种粒子为(正电子)28.(1)现有三个核反应方程：01e；3；.下列说法正确的是( )A是裂变，是衰变，是聚变B是聚变，是裂变，是衰变C是衰变，是裂变，是聚变D是衰变，是聚变，是裂变(2)现有四个核反应：A.

30、B.X3C.D._是发现中子的核反应方程，_是研究原子弹的基本核反应方程，_是研究氢弹的基本核反应方程求B中X的质量数和中子数【答案】(1)C (2)D B A 144 88【解析】(1)中Na核释放出粒子，为衰变.r3为铀核在被中子轰击后，分裂成两个中等质量的核，为裂变而为聚变，故C正确(2)人工转变核反应方程的特点：箭头的左边是氦核与常见元素的原子核，箭头的右边也是常见元素的原子核D是查德威克发现中子的核反应方程，B是裂变反应，是研究原子弹的基本核反应方程，A是聚变反应，是研究氢弹的基本核反应方程由电荷数守恒和质量数守恒可以判定，X质量数为144，电荷数为56，所以中子数为1445688.

31、29.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：x，式中x是某种粒子已知：、和粒子x的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u931.5 MeV/c2，c是真空中的光速由上述反应方程和数据可知，粒子x是_，该反应释放出的能量为_MeV(结果保留3位有效数字)【答案】(1) (或中子) 17.6【解析】核反应方程必须满足质量数和电荷数守恒，可知x是n(中子)聚变前后质量亏损是：m(2.014 13.016 14.002 61.008 7) u0.018 9 u释放能量Emc20.018 9931.5 MeV17.6 MeV.

32、30.2011年3月11日日本福岛核电站发生核泄漏事故，其中铯137()对核辐射的影响大，其半衰期约为30年(1)请写出铯137()发生衰变的核反应方程_已知53号元素是碘()，56号元素是钡(Ba)(2)若在该反应过程中释放的核能为E，则该反应过程中的质量亏损为_(真空中的光速为c)(3)泄漏出的铯137要到约公元_年才会有87.5%的原子核发生衰变【答案】(1)(2)(3)2101【解析】(1)铯137()发生衰变的核反应方程为(2)由爱因斯坦的质能方程得Emc2可知，该反应过程中的质量亏损为.(3)泄漏出的铯137有87.5%的原子核发生衰变，还剩12.5%，设衰变的时间为t，则，因半衰期30年，则t90年，即要到约公元2101年31.钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发