2023高中物理步步高大一轮 第十六章 第2讲　原子核

1、第2讲原子核目标要求1.了解原子核的组成及核力的性质，了解半衰期及其统计意义.2.认识原子核的结合能，了解核裂变及核聚变，能根据质量数、电荷数守恒写出核反应方程考点一原子核的衰变及半衰期1原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数2天然放射现象放射性元素自发地发出射线的现象，首先由贝克勒尔发现天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构3三种射线的比较名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领射线氦核eq oar(4,2)He2e4 u最强最弱射线电子eq oar(0,1)eeeq f(1,1 837) u较强较强射线光子00最弱最强4.原子核的衰变(1)衰变：原子核

2、自发地放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变(2)衰变、衰变衰变类型衰变衰变衰变方程eq oar(M,Z)Xeq oar(M4,Z2)Yeq oar(4,2)Heeq oar(M,Z)Xeq oar(M,Z1)Yeq oar(0,1)e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2eq oar(1,1)H2eq oar(1,0)neq oar(4,2)Heeq oar(1,0)neq oar(1,1)Heq oar(0,1)e衰变规律电荷数守恒、质量数守恒(3)射线：射线经常是伴随着衰变或衰变同时产生的5半衰期(1)公式：N余N原，m余m原. (2)影响因素

3、：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的外部条件(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关(选填“有关”或“无关”)6放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同(2)应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害1三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是射线、射线、射线()2衰变中的电子来源于原子核外电子()3发生衰变时，新核的电荷数不变()4如果现在有100个某放射性元素的原子核，那么经过一个半衰期后还剩50个() 考向1原子核的衰变例1(多选)天然放射性元素eq

4、oar(232, 90)Th(钍)经过一系列衰变和衰变之后，变成eq oar(208, 82)Pb(铅)下列判断中正确的是()A衰变过程共有6次衰变和4次衰变B铅核比钍核少8个质子C衰变所放出的电子来自原子核外D钍核比铅核多24个中子答案AB解析由于衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定衰变的次数，xeq f(232208,4)6，再结合电荷数的变化情况和衰变规律来判定衰变的次数(设为y)，2xy90828，y2x84，钍核中的中子数为23290142，铅核中的中子数为20882126，所以钍核比铅核多16个中子，铅核比钍核少8个质子，衰变所放出的电子来自原子核内，A、B正确例2

5、(多选)有一匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，一个原来静止在A处的原子核，发生衰变放射出某种粒子，两个新核的运动轨迹如图所示，已知两个相切圆半径分别为r1、r2.下列说法正确的是()A原子核发生衰变，根据已知条件可以算出两个新核的质量比B衰变形成的两个粒子带同种电荷C衰变过程中原子核遵循动量守恒定律D衰变形成的两个粒子电荷量的关系为q1q2r1r2答案BC解析衰变后两个新核速度方向相反，受力方向也相反，根据左手定则可判断出，带同种电荷，所以衰变是衰变，衰变后的新核由洛伦兹力提供向心力，有Bqvmeq f(v2,r)，可得req f(mv,qB)，衰变过程遵循动量守恒定律，即mv相同，

6、所以电荷量与半径成反比，有q1q2r2r1，但无法求出质量，故A、D错误，B、C正确 考向2半衰期例3(2021全国乙卷17)医学治疗中常用放射性核素113In产生射线，而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的对于质量为m0的113Sn，经过时间t后剩余的113Sn质量为m，其eq f(m,m0)t图线如图所示从图中可以得到13Sn的半衰期为()A67.3 d B101.0 dC115.1 d D124.9 d答案C解析由题图可知从eq f(m,m0)eq f(2,3)到eq f(m,m0)eq f(1,3)，113Sn恰好衰变了一半，根据半衰期的定义可知113Sn的半衰期为T1/

7、2182.4 d67.3 d115.1 d，故选C.考点二核反应及核反应类型1核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发eq oar(238, 92)Ueq oar(234, 90)Theq oar(4,2)He衰变自发eq oar(234, 90)Theq oar(234, 91)Paeq oar(0,1)e人工转变人工控制eq oar(14, 7)Neq oar(4,2)Heeq oar(17, 8)Oeq oar(1,1)H(卢瑟福发现质子)eq oar(4,2)Heeq oar(9,4)Beeq oar(12, 6)Ceq oar(1,0)n(查德威克发现中子)eq oar(

8、27,13)Aleq oar(4,2)Heeq oar(30,15)Peq oar(1,0)neq oar(30,15)Peq oar(30,14)Sieq oar(0,1)e约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子重核裂变容易控制eq oar(235, 92)Ueq oar(1,0)neq oar(144, 56)Baeq oar(89,36)Kr3eq oar(1,0)neq oar(235, 92)Ueq oar(1,0)neq oar(136, 54)Xeeq oar(90,38)Sr10eq oar(1,0)n轻核聚变现阶段很难控制eq oar(2,1)Heq oar(3,1)

9、Heq oar(4,2)Heeq oar(1,0)n2.核反应方程式的书写(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础如质子(eq oar(1,1)H)、中子(eq oar(1,0)n)、粒子(eq oar(4,2)He)、粒子(eq oar(0,1)e)、正电子(eq oar(0,1)e)、氘核(eq oar(2,1)H)、氚核(eq oar(3,1)H)等(2)掌握核反应方程遵循的规律：质量数守恒，电荷数守恒(3)由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“”表示反应方向例4下列说法正确的是()A.eq oar(238, 92)Ueq oar(234, 90)ThX中X为中

10、子，核反应类型为衰变B.eq oar(2,1)Heq oar(3,1)Heq oar(4,2)HeY中Y为中子，核反应类型为人工转变C.eq oar(235, 92)Ueq oar(1,0)neq oar(136, 54)Xeeq oar(90,38)SrK，其中K为10个中子，核反应类型为重核裂变D.eq oar(14, 7)Neq oar(4,2)Heeq oar(17, 8)OZ，其中Z为氢核，核反应类型为轻核聚变答案C解析根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，A选项反应中的X质量数为4，电荷数为2，为粒子，核反应类型为衰变，选项A错误；B选项反应中的Y质量数为1，电荷数为0，为中子，核反

11、应类型为轻核聚变，选项B错误；C选项反应中的K质量数总数为10，电荷数为0，则K为10个中子，核反应类型为重核裂变，选项C正确； D选项反应中的Z质量数为1，电荷数为1，为质子，核反应类型为人工转变，选项D错误例5(多选)(2020全国卷19)下列核反应方程中，X1、X2、X3、X4代表粒子的有()A.eq oar(2,1)Heq oar(2,1)Heq oar(1,0)nX1B.eq oar(2,1)Heq oar(3,1)Heq oar(1,0)nX2C.eq oar(235, 92)Ueq oar(1,0)neq oar(144, 56)Baeq oar(89,36)Kr3X3D.eq

12、oar(1,0)neq oar(6,3)Lieq oar(3,1)HX4答案BD解析eq oar(2,1)Heq oar(2,1)Heq oar(1,0)neq oar(3,2)He，A错eq oar(2,1)Heq oar(3,1)Heq oar(1,0)neq oar(4,2)He，B对eq oar(235, 92)Ueq oar(1,0)neq oar(144, 56)Baeq oar(89,36)Kr3eq oar(1,0)n，C错eq oar(1,0)neq oar(6,3)Lieq oar(3,1)Heq oar(4,2)He，D对考点三质量亏损及核能的计算核力和核能(1)核力：原

13、子核内部，核子间所特有的相互作用力(2)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开需要的能量，叫作原子的结合能，也叫核能(3)比结合能：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫平均结合能比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定(4)核子在结合成原子核时出现质量亏损m，其对应的能量Emc2.原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加m，吸收的能量为Emc2.1原子核的结合能越大，原子核越稳定()2核反应中，出现质量亏损，一定有核能产生()核能的计算方法(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Em9

14、31.5 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)根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能核子比结合能核子数例6(2019全国卷15)太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环的结果可表示为4eq oar(1,1)Heq oar(4,2)He2eq oar(0,1)e2，已知eq oar(1,1)H和eq oar(4,2)He的质量分别为mp1.007 8 u和m4.002 6 u,1 u931 MeV/c2，c为光速在4个eq oar(1,1)H转变成1个eq oar(4,2)He的过程中，释放的能量约为(

15、)A8 MeV B16 MeV C26 MeV D52 MeV答案C解析因电子质量远小于质子的质量，计算中可忽略不计，核反应质量亏损m41.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量E0.028 6931 MeV26.6 MeV，选项C正确例7(多选)用中子(eq oar(1,0)n)轰击铀核(eq oar(235, 92)U)产生裂变反应，会产生钡核(eq oar(141, 56)Ba)和氪(eq oar(92,36)Kr)并释放中子(eq oar(1,0)n)，达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(eq oar(235, 92)U)裂变时，释放的能量约为200 MeV

16、(1 eV1.61019 J)以下说法正确的是()A.eq oar(235, 92)U裂变方程为eq oar(235, 92)Ueq oar(144, 56)Baeq oar(89,36)Kr2eq oar(1,0)nB.eq oar(235, 92)U裂变方程为eq oar(235, 92)Ueq oar(1,0)neq oar(144, 56)Baeq oar(89,36)Kr3eq oar(1,0)nC.eq oar(235, 92)U发生链式反应的条件与铀块的体积有关D一个eq oar(235, 92)U裂变时，质量亏损约为3.61028 kg答案BCD解析eq oar(235, 92

17、)U的裂变方程为eq oar(235, 92)Ueq oar(1,0)neq oar(144, 56)Baeq oar(89,36)Kr3eq oar(1,0)n，方程两边的中子不能相约，故A错误，B正确；铀块需达到临界体积才能维持链式反应持续不断进行下去，故C正确；一个铀核(eq oar(235, 92)U)裂变时，释放的能量约为200 MeV，根据爱因斯坦质能方程得，质量亏损meq f(E,c2)eq f(2001061.61019,91016) kg3.61028 kg，故D正确例8花岗岩、砖砂、水泥等建筑材料是室内氡的最主要来源人呼吸时，氡气会随气体进入肺脏，氡衰变放出的射线像小“炸弹

18、”一样轰击肺细胞，使肺细胞受损，从而引发肺癌、白血病等一静止的氡核eq oar(222, 86)Rn发生一次衰变生成新核钋(Po)，此过程动量守恒且释放的能量全部转化为粒子和钋核的动能已知m氡222.086 6 u，m4.002 6 u，m钋218.076 6 u,1 u相当于931 MeV的能量(结果保留3位有效数字)(1)写出上述核反应方程；(2)求上述核反应放出的能量E；(3)求粒子的动能Ek.答案(1)eq oar(222, 86)Rneq oar(218, 84)Poeq oar(4,2)He(2)6.89 MeV(3)6.77 MeV解析(1)根据质量数和电荷数守恒有eq oar(

19、222, 86)Rneq oar(218, 84)Poeq oar(4,2)He(2)质量亏损m222.086 6 u4.002 6 u218.076 6 u0.007 4 uEm931 MeV解得E0.007 4 u931 MeV6.89 MeV(3)设粒子、钋核的动能分别为Ek、Ek钋，动量分别为p、p钋，由能量守恒定律得EEkEk钋由动量守恒定律得0p p钋又Ekeq f(p2,2m)故EkEk钋2184解得Ek6.77 MeV.课时精练1(2021湖南卷1)核废料具有很强的放射性，需要妥善处理下列说法正确的是()A放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽B原子核衰变时电荷数守恒

20、，质量数不守恒C改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期D过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害答案D解析根据半衰期的定义可知，放射性元素经过两个完整的半衰期后，还剩原来的eq f(1,4)未衰变，故A错误；原子核衰变时满足电荷数守恒，质量数守恒，故B错误；放射性元素的半衰期是由原子核的自身结构决定的，而与物理环境如压力、温度或浓度无关，与化学状态无关，故C错误；过量放射性辐射包含大量的射线，对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害，故D正确22020年12月4日，新一代“人造太阳”装置中国环流器二号M装置(HL2M)在成都建成并首次实现利用核

21、聚变放电下列方程中，正确的核聚变反应方程是()A.eq oar(2,1)Heq oar(3,1)Heq oar(4,2)Heeq oar(1,0)nB.eq oar(238, 92)Ueq oar(234, 90)Theq oar(4,2)HeC.eq oar(235, 92)Ueq oar(1,0)neq oar(144, 56)Baeq oar(89,36)Kr3eq oar(1,0)nD.eq oar(4,2)Heeq oar(27,13)Aleq oar(30,15)Peq oar(1,0)n答案A解析A项方程是核聚变，B项方程为衰变，C项方程为重核裂变，D项方程为人工核转变故选A.3

22、(2021河北卷1)银河系中存在大量的铝同位素26Al，26Al核衰变的衰变方程为eq oar(26,13)Aleq oar(26,12)Mgeq oar(0,1)e，测得26Al核的半衰期为72万年，下列说法正确的是()A26Al核的质量等于26Mg核的质量B26Al核的中子数大于26Mg核的中子数C将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中，其半衰期不变D银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年后全部衰变为26Mg答案C解析26Al和26Mg的质量数均为26，相等，但是二者原子核中的质子数和中子数不同，所以质量不同，A错误；eq oar(26,13)Al核的中子数为261313个，eq

23、oar(26,12)Mg核的中子数为261214个，B错误；半衰期是原子核固有的属性，与外界环境无关，C正确；质量为m的26Al的半衰期为72万年，144万年为2个半衰期，剩余质量为eq f(1,4)m，不会全部衰变为26Mg，D错误4(多选)(2021浙江6月选考14)对四个核反应方程(1)eq oar(238, 92)Ueq oar(234, 90)Theq oar(4,2)He；(2)eq oar(234, 90)Theq oar(234, 91)Paeq oar(0,1)e；(3)eq oar(14, 7)Neq oar(4,2)Heeq oar(17, 8)Oeq oar(1,1)H

24、；(4)eq oar(2,1)Heq oar(3,1)Heq oar(4,2)Heeq oar(1,0)n17.6 MeV.下列说法正确的是()A(1)(2)式核反应没有释放能量B(1)(2)(3)式均是原子核衰变方程C(3)式是人类第一次实现原子核转变的方程D利用激光引发可控的(4)式核聚变是正在尝试的技术之一答案CD解析(1)是衰变，(2)是衰变，均有能量放出，故A错误；(3)是人工核转变，故B错误；(3)式是人类第一次实现原子核转变的方程，故C正确；利用激光引发可控的(4)式核聚变是正在尝试的技术之一，故D正确5(2021全国甲卷17)如图，一个原子核X经图中所示的一系列、衰变后，生成稳

25、定的原子核Y，在此过程中放射出电子的总个数为()A6 B8 C10 D14答案A解析由题图分析可知，核反应方程为eq oar(238, 92)Xeq oar(206, 82)Yaeq oar(4,2)Hebeq oar(0,1)e，经过a次衰变，b次衰变，由电荷数与质量数守恒可得2382064a；92822ab，解得a8，b6，故放出6个电子，故选A.6(多选)铀核裂变的一种方程为eq oar(235, 92)UXeq oar(94,38)Sreq oar(139, 54)Xe3eq oar(1,0)n，已知原子核的比结合能与质量数的关系如图所示，下列说法中正确的有()AX粒子是中子BX粒子是

26、质子C.eq oar(235, 92)U、eq oar(94,38)Sr、eq oar(139, 54)Xe相比，eq oar(94,38)Sr的比结合能最大，最稳定D.eq oar(235, 92)U、eq oar(94,38)Sr、eq oar(139, 54)Xe相比，eq oar(235, 92)U的质量数最大，结合能最大，最稳定答案AC解析根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，为中子，A正确，B错误；根据题图可知eq oar(235, 92)U、eq oar(94,38)Sr、eq oar(139, 54)Xe相比，eq oar(94,38)Sr的比结合能最大，

27、最稳定，eq oar(235, 92)U的质量数最大，结合能最大，比结合能最小，最不稳定，C正确，D错误7(2020全国卷18)氘核eq oar(2,1)H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6eq oar(2,1)H2eq oar(4,2)He2eq oar(1,1)H2eq oar(1,0)n43.15 MeV表示海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核约为1.01022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9107 J,1 MeV 1.61013 J，则M约为()A40 kg B100 kgC40

28、0 kg D1 000 kg答案C解析根据核反应方程式，6个氘核聚变反应可释放出43.15 MeV的能量，1 kg海水中的氘核反应释放的能量为Eeq f(1.01022,6)43.15 MeV7.191022 MeV1.151010 J，则相当于燃烧的标准煤的质量为Meq f(1.151010,2.9107) kg396.6 kg，约为400 kg.8(多选)(2020浙江7月选考14)太阳辐射的总功率约为41026 W，其辐射的能量来自于聚变反应在聚变反应中，一个质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(eq oar(2,1)H)和一个质量为2 809.5 MeV/c2的

29、氚核(eq oar(3,1)H)结合为一个质量为3 728.4 MeV/c2的氦核(eq oar(4,2)He)，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6 MeV的能量下列说法正确的是()AX粒子是质子BX粒子的质量为939.6 MeV/c2C太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4109 kgD太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2答案BC解析该聚变反应方程为eq oar(2,1)Heq oar(3,1)Heq oar(4,2)Heeq oar(1,0)n，X为中子，故A错误；该核反应中质量的减少量m117.6 MeV/c2，由质能方程知，m氘m氚m氦mXm1，代入数据知1 876.

30、1 MeV/c22 809.5 MeV/c23 728.4 MeV/c2mX17.6 MeV/c2，故mX939.6 MeV/c2，故B正确；太阳每秒辐射能量EPt41026 J，由质能方程知meq f(E,c2)，故太阳每秒因为辐射损失的质量meq f(41026,31082) kg4.4109 kg，故C正确；因为E41026 Jeq f(41026,1.61019) eV2.51039 MeV，则太阳每秒因为辐射损失的质量为meq f(E,c2)2.51039 MeV/c2，故D错误9A、B是两种放射性元素的原子核，原来都静止在同一匀强磁场，其中一个放出粒子，另一个放出粒子，运动方向都与磁场方向垂直图中a、b与c、d分别表示各粒子的运动轨迹，下列说法中正确的是()AA放出的是粒子，B放出的