选修3-5 第二章 第2讲 放射性元素衰变 核能

第2讲

放射性元素的衰变核能知识点1原子核的组成、放射性放射性同位素射线的危害和防护Ⅰ1.天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现。天然放射现象的发现，说明_______具有复杂的结构。2.放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫_______。具有放射性的元素叫_______元素。原子核放射性放射性3.三种射线放射性元素放射出的射线共有三种，分别是_______、β射线、γ射线。4.三种射线的比较α射线射线名称比较项目α射线β射线γ射线组成高速氦核流___________光子流（高频电磁波）带电量___-e0高速电子流2e射线名称比较项目α射线β射线γ射线质量4mp静止质量为零符号_____γ速度可达0.1c可达0.99c__垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转_______贯穿本领最弱较强_____对空气的电离作用很强较弱_____c不偏转最强很弱5.原子核的组成（1）原子核由_____和_____组成，_____和_____统称为核子。_____带正电，_____不带电。（2）基本关系：①核电荷数=质子数（Z）=元素的原子序数=___________②质量数（A）=_______=质子数+中子数（3）X元素的原子核的符号为其中A表示_______，Z表示核电荷数。质子中子质子中子质子中子核外电子数核子数质量数6.放射性同位素的应用与防护（1）放射性同位素：有_____放射性同位素和_____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、作_________等。（3）防护：防止放射性对人体组织的伤害。天然人工示踪原子知识点2原子核的衰变、半衰期Ⅰ1.原子核的衰变（1）原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种_______的变化称为原子核的衰变。（2）分类:α衰变：____β衰变：____γ衰变：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射。原子核（3）两个重要的衰变：2.半衰期（1）定义：放射性元素的原子核有_____发生衰变所需的时间。（2）影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的,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。半数知识点3核力结合能、质量亏损Ⅰ1.核力（1）定义：原子核内部，核子间所特有的相互作用力。（2）特点：①核力是强相互作用的一种表现；②核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m之内；③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。2.结合能核子结合为原子核时_____的能量或原子核分解为核子时_____的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。释放吸收3.比结合能（1）定义：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。（2）特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。4.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E=___，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm,这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE=______。mc2Δmc2知识点4裂变反应和聚变反应、裂变反应堆核反应方程Ⅰ1.重核裂变（1）定义:质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。（2）特点①裂变过程中能够放出巨大的能量;②裂变的同时能够放出2～3(或更多)个中子;③裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比较小。（3）典型的裂变反应方程:（4）链式反应：由重核裂变产生的_____使裂变反应一代接一代继续下去的过程。（5）临界体积和临界质量：裂变物质能够发生_________的最小体积及其相应的质量。（6）裂变的应用：_______、核反应堆。（7）反应堆构造：核燃料、减速剂、_____、防护层。中子链式反应原子弹镉棒2.轻核聚变（1）定义：两轻核结合成_________的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫_________。（2）特点:①聚变过程放出大量的能量,平均每个核子放出的能量,比裂变反应中每个核子放出的能量大3至4倍。②聚变反应比裂变反应更剧烈。质量较大热核反应③对环境污染较少。④自然界中聚变反应原料丰富。（3）典型的聚变反应方程:3.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发β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)类型可控性核反应方程典例人工转变人工控制（约里奥—居里夫妇发现放射性同位素及正电子）重核裂变比较容易进行人工控制轻核聚变除氢弹外无法控制【思考辨析】

（1）天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分。()（2）β射线是光子流。()（3）原子核是由质子和电子组成的。()（4）人造放射性同位素被广泛地应用。()（5）发生β衰变时，新核的核电荷数不变。()（6）核力是弱相互作用，作用力很小。()分析：天然放射现象表明原子核并非绝对稳定，也可以变化，即原子核是有结构的，（1）对。β射线本质是高速运动的电子流，（2）错。原子核是由质子和中子组成的，（3）错。与天然放射性物质相比，人造放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状。它的半衰期比天然放射性物质短得多，废料易处理，所以被广泛地应用，（4）对。发生β衰变时，新核的核电荷数增加1，（5）错。核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.5×10-15m之内，核力比库仑力大得多，（6）错。考点1原子核的衰变半衰期【考点解读】1.α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰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1个中子转化为1个质子和1个电子深化理解衰变类型α衰变β衰变匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2.半衰期（1）半衰期的计算根据半衰期的概念,可总结出公式。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期。（2）半衰期的理解：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素具有的衰变速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差别很大。（3）适用条件：半衰期是一个统计规律，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变。【典例透析1】(钍)经过一系列α衰变和β衰变,变成(铅)。以下说法不正确的是()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α衰变和6次β衰变D.共经过6次α衰变和4次β衰变【解题探究】衰变满足的两个守恒规律：（1）___________。（2）___________。电荷数守恒质量数守恒【解析】选C。设α衰变次数为x,β衰变次数为y,由质量数守恒和电荷数守恒得232=208+4x，90=82+2x-y,解得x=6,y=4,C错D对。铅核、钍核的质子数分别为82、90,故A对。铅核、钍核的中子数分别为126、142,故B对。【总结提升】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α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素则表示该核反应的方程为：根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A=A′+4nZ=Z′+2n-m由以上两式联立解得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β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。【变式训练】(2013·上海高考)在一个原子核衰变为一个原子核的过程中，发生β衰变的次数为()A.6次B.10次C.22次D.32次【解析】选A。一个原子核衰变为一个原子核的过程中，发生α衰变的次数为(238-206)÷4=8次，发生β衰变的次数为2×8-(92-82)=6次，选项A正确。

考点2核反应类型与核反应方程【考点解读】（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。深化理解（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。【典例透析2】关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有()A.是α衰变B.是β衰变C.是人工转变D.是重核裂变【解题探究】核反应的四种类型的特点是（1）衰变：____________________________________________________。（2）人工转变：_____________________________________。（3）重核裂变：______________________________________________。（4）轻核聚变：_________________________________。一个原子核自发放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核重核在中子的轰击下分裂成两个中等质量核的过程两个轻核聚合成质量较大的核的过程【解析】选A。衰变是原子核自发地放出α或β粒子的核反应，衰变方程的特点是箭头的左边只有一个原子核，箭头的右边出现α或β粒子；聚变反应的特点是箭头的左边是两个轻核，箭头的右边是较大质量的原子核；裂变方程的特点是箭头的左边是重核与中子反应，箭头右边是中等质量的原子核。人工转变方程的特点是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。综上所述，A正确。【总结提升】核反应方程的书写方法（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（）、中子（）、α粒子（）、β粒子（）、正电子（）、氘核（）、氚核（）等。（2）掌握核反应方程遵守的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律。（3）熟悉核反应的四种基本类型，可以帮助我们理清思路，很快写出正确的核反应方程。【变式训练】(2014·厦门模拟)放射性衰变有多种途径，其中一种途径是先衰变成而可以经一次衰变变成(X代表某种元素)，也可以经一次衰变变成最后都衰变成衰变路径如图所示，则可知图中()A.过程①是β衰变，过程③是α衰变；过程②是α衰变，过程④是β衰变B.过程①是β衰变，过程③是α衰变；过程②是β衰变，过程④是α衰变C.过程①是α衰变，过程③是β衰变；过程②是α衰变，过程④是β衰变D.过程①是α衰变，过程③是β衰变；过程②是β衰变，过程④是α衰变【解析】选A。过程①质量数不变，是β衰变，a=84，过程③质量数减少4，核电荷数减少2，是α衰变，过程②核电荷数减少2，是α衰变，b=206，过程④是β衰变，故选A。1.14C测年法是利用14C衰变规律对古生物进行年代测定的方法，若以横坐标t表示时间，纵坐标m表示任意时刻14C的质量，m0为t=0时14C的质量。下面四幅图中能正确反映14C衰变规律的是()【解析】选C。由公式m=m0·并结合数学知识可知C正确。2.（2012·海南高考改编）一静止的核经α衰变成为核，释放出的总动能为4.27MeV。问此衰变后核的动能为()A.4.0MeVB.0.27MeVC.0.07MeVD.4.2MeV【解析】选C。据题意知,此α衰变的衰变方程为根据动量守恒定律得mαvα=mThvTh①式中,mα和mTh分别为α粒子和Th核的质量,vα和vTh分别为α粒子和Th核的速度的大小,由题设条件知②③式中Ek=4.27MeV是α粒子与Th核的总动能。由①②③式得④代入数据得,衰变后核的动能3.(2013·大纲版全国卷)放射性元素经α衰变成为钋半衰期约为3.8天；但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素的矿石，其原因是()A.目前地壳中的主要来自于其他放射性元素的衰变B.在地球形成的初期，地壳中元素的含量足够高C.当衰变产物积累到一定量以后，的增加会减慢的衰变进程D.主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期【解析】选A。元素半衰期的长短由原子核自身因素决定，一般与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关，C、D错；即使元素氡的含量足够高，经过漫长的地质年代，地壳中也几乎没有氡了，一定是来自于其他放射性元素的衰变，故A对，B错。4.天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示,由此可推知()A.②来自于原子核外的电子B.①的电离作用最强,是一种电磁波C.③的电离作用较强,是一种电磁波D.③的电离作用最弱,属于原子核内释放的光子【解析】选D。从穿透能力上看,③能穿透铝板进入铅板,③必然是γ射线,γ射线是原子核内发出的高频光子,属于电磁波,电离作用弱,故D正确,C错误;②能穿透纸板进入铝板,②必然是β射线,是原子核内发射出的电子流,A错误;纸板能够挡住①,则①是α射线,它的电离作用最强,但它是氦原子核,不是电磁波,B错误。5.(2012·上海高考)在轧制钢板时需要动态地监测钢板厚度,其检测装置由放射源、探测器等构成,如图所示。该装置中探测器接收到的是()A.X射线 B.α射线C.β射线 D.γ射线【解析】选D。放射源发出的只有α、β、γ三种射线,故选项A错误。在α、β、γ三种射线中,只有γ射线能穿透钢板,故选项B、C错误,D正确。6.某放射性元素经过11.4天有的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为()A.11.4天B.7.6天C.5.7天D.3.8天【解析】选D。由可知可知τ=3.8天，选项D正确。7.若干放在天平左盘上，右盘放420g砝码，天平平衡。当Bi发生α衰变经过一个半衰期，欲使天平平衡，应从右盘中取出砝码的质量为()A.210gB.105gC.4gD.2g【解析】选C。原有的2mol经过一个半衰期后，有1mol铋发生衰变生成1mol新的原子核这种新元素的摩尔质量为206g。此时左盘中还有210g未发生衰变的，所以左盘中的总质量为416g，应从右盘取走砝码4g。8.(2013·海南高考改编)原子核具有天然放射性,它经过若干次α衰变和β衰变后会变成新的原子核。下列原子核中,哪种是衰变过程中不能产生的,它是()【解析】选B。发