一轮复习新人教版第十五章第2讲原子核学案

第2讲原子核一、原子核的组成(1)发现:由贝克勒尔发现。(2)概念:元素自发地发出射线的现象。(3)意义:天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂的结构。名称α射线β射线γ射线构成氦核电子光子符号2-γ电荷量+2e-e0质量4u110电离能力最强较强最弱贯穿本领最弱较强最强(1)原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为核子。质子带正电,中子不带电。(2)原子核的符号:ZAX,其中A表示质量数,Z表示(3)基本关系。①核电荷数(Z)=质子数=元素的原子序数=原子的核外电子数。②质量数(A)=核子数=质子数+中子数。二、放射性元素的衰变1.原子核的衰变、半衰期(1)原子核的衰变。①概念:原子核自发地放出α粒子或β粒子,核电荷数变了,它在元素周期表中的位置变了,变成另一种原子核,这种变化称为原子核的衰变。②分类:α衰变:ZAX→Z-β衰变:ZAX→Z+1[注意]γ射线是伴随原子核的α衰变或β衰变而产生的。③规律:质量数守恒和电荷数守恒。(2)半衰期。①定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。②影响因素:放射性元素的半衰期是由核内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。(1)定义:原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程,称为核反应。(2)规律:在核反应中,质量数守恒、电荷数守恒。(3)典型核反应:714N+24He→(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:射线测厚仪、放射治疗、培优保鲜、示踪原子等。(3)防护:防止放射性对人体组织的伤害。三、核力与结合能(1)四种基本相互作用:引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。(2)核力:原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用,即存在一种核力,它使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核,这种作用称为强相互作用。(1)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,也需要能量,这就是原子核的结合能。这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。(2)比结合能:原子核的结合能与核子数之比,叫作比结合能,也叫作平均结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。中等大小的核的比结合能最大,核最稳定。(1)原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。(2)质量亏损表明,的确存在着原子核的结合能。四、裂变反应和聚变反应(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)典型的裂变反应方程:92235U+01n→56144(3)链式反应:重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)临界体积和临界质量:裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用:原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造:核燃料、慢化剂、镉棒、防护层。(1)定义:两个轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行,因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程:12H+13H2(1)如果某放射性元素的原子核有100个,经过一个半衰期后还剩50个。(×)(2)同一种元素的放射性同位素具有相同的半衰期。(×)(3)β衰变中的电子来源于原子核外电子。(×)(4)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。(×)(5)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小些。(×)2.碳14是碳的一种放射性同位素,是通过宇宙射线撞击空气中的氮14原子产生的,其半衰期为5730年,衰变后又转变为氮14。由于其不断地产生、衰变,使得大气中的碳14达到动态平衡,从而使大气及活体生物中碳元素的碳14丰度(碳14原子占碳原子总数的百分比)保持一个定值,而死亡的生物体中的碳14原子却由于衰变而不断减少,这就是碳14测定年代的原理。根据以上描述,以下说法正确的是(B)B.若某待测生物体样本的碳14丰度为大气的12.5%,则可判定该生物体死亡约17190年D.碳14的半衰期会受到环境温度、湿度以及所处化学状态(化合态或游离态)的影响解析:“碳14衰变后又转变为氮14”,说明碳14发生的是β衰变,故A错误;生物体样本的碳14丰度为大气的12.5%,说明经过了三个半衰期,即17190年,故B正确;衰变过程释放核能,质量亏损,故C错误;衰变是原子核的变化,不会受环境温度、湿度及化学状态的影响,故D错误。(12H)的质量为m1,氚核(13H)的质量为m2,反应后氦核(24He)的质量为m12H+13H1+m2=m3+m4C.核反应放出的能量等于(m1+m2-m3-m4)c2解析:该热核反应的核反应方程式是12H+13H→24He+01n,故A说法正确;核反应过程中质量数守恒,但质量不守恒,核反应过程中存在质量亏损,因此m1+m2≠m3+m4,故B说法错误;核反应过程中的质量亏损Δm=m1+m2-m3-m4,释放的核能ΔE=Δmc2=(m1考点一原子核的衰变及半衰期(1)α衰变、β衰变的比较。衰变类型α衰变β衰变衰变方程ZAXZ-ZAXZ+1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211H+2001n→1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)γ射线:γ射线经常伴随着α衰变或β衰变产生。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中,产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子。(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少量原子核,无半衰期可言。(2)根据半衰期的概念,可总结出公式N余=N原(12)tT,m余=m原(12)tT。式中N原、m[例1][α、β衰变及衰变次数的确定](2022·江苏南通模拟)央视曝光“能量石”核辐射严重超标,该“能量石”含有放射性元素钍90232Th,90232Th经多次衰变后变成稳定的铅82208B.82208Pb比D.90解析:根据α衰变和β衰变的特征可知,每经过一次α衰变,质量数减少4,电荷数减少2;每经过一次β衰变,质量数不变,电荷数增加1,所以90232Th变成82208Pb的衰变过程中发生α衰变的次数为n1=232-2084=6,发生β衰变的次数为n2=2n1-(90-82)=4,故A正确;中子数等于质量数减电荷数,所以[例2][半衰期的理解与计算](2022·山东卷,1)碘125衰变时产生γ射线,医学上利用此特性可治疗某些疾病。碘125的半衰期为60天,若将一定质量的碘125植入患者病灶组织,经过180天剩余碘125的质量为刚植入时的(B)A.116 B.18 C.1解析:设碘125刚植入时的质量为m0,则经过n=18060=3个半衰期以后剩余的质量为m=(12)nm0,解得mm考点二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α衰变自发92238U→90β衰变自发90234Th→91人工转变人工控制714N+24He(卢瑟福发现质子)24He+49Be(查德威克发现中子)

1327Al→1530P约里奥·居里夫妇发现放射性同位素,同时发现正电子15301430Si重核裂变比较容易进行人工控制92235U+01n→5692235U+01n→54轻核聚变很难控制12H+13H(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(11H)、中子(01n)、α粒子(24He)、β粒子(-(2)核反应过程遵循两个守恒:①质量数守恒;②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,而不能用“”。(4)核反应的生成物一定要以实验为基础,不能只依据质量数守恒、电荷数守恒凭空杜撰出生成物来写核反应方程。[例3][核反应类型的判断](2022·江苏苏州三模)目前我们学习过的核反应有4种类型,下列关于核反应方程的类型说法正确的是(D)①1124Na→12②92235U+01n→54③919F+24He④12H+13HA.①人工核转变、②核裂变、③核聚变、④衰变B.①衰变、②核裂变、③核聚变、④人工核转变C.①人工核转变、②核聚变、③衰变、④核裂变D.①衰变、②核裂变、③人工核转变、④核聚变解析:1124Na→1224Mg+-10e,属于β衰变,92235U+01n→54140Xe+38[例4][核反应方程的书写](2022·湖南长沙三模)静止在真空匀强电场中的某原子核发生衰变,其衰变粒子与反冲核的初速度方向均与电场方向垂直,且经过相等的时间后形成的轨迹如图所示(a、b表示长度)。原子核重力不计,则该衰变方程可能是(A)A.92238U→2B.88226Ra→2C.90234Th→-D.614C→-解析:由轨迹弯曲方向可以看出,反冲核与衰变粒子的受力方向均与电场强度方向相同,带正电,所以放出的粒子为α粒子,C、D错误;设运动时间为t,上方轨迹粒子带电荷量为q1,质量为m1,下方轨迹粒子带电荷量为q2,质量为m2,由动量守恒有m1v1=m2v2,根据类平抛运动处理规律,则有v1t=9a,q1E2m1t2=a,v2t=b,q2E[例5][核反应生成物的分析](2022·湖北卷,1)上世纪四十年代初,我国科学家王淦昌先生首先提出证明中微子存在的实验方案:如果静止原子核47Be俘获核外K层电子e,可生成一个新原子核X,并放出中微子νe,即47Be+-103e的电荷量与电子的相同解析:根据质量数守恒和电荷数守恒有,X的质量数为7,电荷数为3,可知原子核X是37Li,A正确,C错误;由选项A可知,原子核X是37Li,则核反应方程为47Be+-10考点三质量亏损及核能的计算(1)根据核反应方程,计算出核反应前与核反应后的质量亏损Δm。(2)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。①质能方程ΔE=Δmc2中Δm的单位用“kg”,c的单位用“m/s”,则ΔE的单位为“J”。②ΔE=Δmc2中,若Δm的单位用“u”,则可直接利用ΔE=Δm×931.5MeV/u计算ΔE,此时ΔE的单位为“MeV”,即1u=1.6605×10-27kg,相当于931.5MeV,这个结论可在计算中直接应用。(1)原子核的结合能=核子的比结合能×核子数。(2)核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该核反应所释放(或吸收)的核能。(1)在用粒子轰击原子核或原子核自发地分裂过程中,动量守恒。(2)在动量守恒方程中,各质量都可用质量数表示。(3)核反应中我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线,请思考:(1)24He核与(2)24He核与12H核的结合能约为多少?两个提示:(1)由题图可知24He的比结合能约为7MeV,12H的比结合能约为1MeV;比结合能越大,表明原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定,因此(2)24He的结合能约为7MeV×4=28MeV,1[例6][质能方程的应用](2022·辽宁大连模拟)(多选)卢瑟福用α粒子轰击氮核发现质子的核反应为:714N+24He→817O+11H。已知氮核质量为mN=14.00753u,氦核的质量mHe=4.00387u,氧核的质量为mO=17.00454u,质子(氢核)的质量为mB.该反应吸收能量1.2MeV×106m/s解析:卢瑟福通过α粒子散射实验发现了原子的核式结构,故A错误;该反应由质能方程得ΔE=(mHe+mN-mO-mp)×931MeV≈-1.2MeV,故这一核反应是吸收能量的反应,故B正确;因为该反应吸收能量,生成物更不稳定,比结合能更小,故C错误;设反应后氧核的速率为v,则质子速率为50v,质子质量为m,根据动量守恒有4mv0=17mv+m××106m/s,故D正确。[例7][质能方程与动量守恒定律综合](2023·河北邢台模拟)法国物理学家贝克勒尔发现自然界中有一些物质具有天然放射现象,能够发生衰变反应。一个静止的92238U原子核衰变成一个新核B.90234Th的结合能比C.90234D.90234解析:该核反应方程为92238U→90234Th+24He,即放出的粒子为α粒子,A错误;92238U核子数多于90234Th,所以92238U的结合能比90234Th的大,B错误;核反应前后动量守恒,由于原来92238U静止,可知90234Th的动量与α粒子的动量大小相等、反向相反,故90234[例8][根据比结合能曲线分析结合能](2022·浙江金华模拟)(多选)铀核裂变的一种方程为92235U+X→3894SrC.92235U、3894Sr、D.92235U、3894Sr、解析:根据质量数和电荷数守恒,X的质量数为1,电荷数为0,X为中子,故A正确,B错误;根据题图像可知,3894Sr的比结合能最大,最稳定1.如图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹,气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里。以下判断可能正确的是(D)A.a、b为β粒子的径迹 B.a、b为γ粒子的径迹C.c、d为α粒子的径迹 D.c、d为β粒子的径迹解析:由左手定则可知,a、b为带正电的粒子的径迹,c、d为带负电的粒子的径迹,又因为α粒子带正电,β粒子带负电,γ粒子不带电,所以D项正确。2.(多选)2021年12月30日,中国“人造太阳”——全超导托卡马克核反应实验装置(EAST)实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,领先全世界。“人造太阳”的核反应方程是12H+1301n解析:根据核反应前后质量数和核电荷数守恒,该核反应方程是12H+13H→23.关于放射性同位素的应用,下列说法中正确的是(D)A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电,从而达到消除有害静电的目的B.利用γ射线的强贯穿能力可以为金属探伤,也能进行人体的透视C.用放射线照射作物种子使其DNA发生变异,其结果一定是更优秀的品种D.用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量,以免对人体正常组织造成太大的伤害解析:利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性,使空气分子电离成为导体,将静电导走,故A错误;γ射线对人体细胞伤害太大,不能用来进行人体透视,故B错误;作物种子发生的基因突变不一定都是有益的,还要经过筛选才能培育出优良品种,故C错误;用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有伤害,因此要科学地控制剂量,故D正确。4.(2022·河南安阳模拟)卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子的同时,发现氮原子核变成了氧原子核,产生了氧的一种同位素817O。已知质子的质量为mp,中子的质量为mn,8A.117(8mp+9mn-M)cB.19(9mp+8mn-M)cC.117(M-8mp-17mn)cD.117(M-8mp-9mn)c解析:817O核内有8个质子和9个中子,根据结合能的概念结合质能方程可知,817O核的结合能为E=(8mp+9mn-M)cE17=117(8mp+9mn-M)c5.(2022·海南海口一模)2020年我国完成了探月工程三期任务,实现月面无人采样返回。为应对月球夜晚的低温,“嫦娥五号”的电池除了太阳能电池板之外,还配有一块“核电池”。“核电池”利用了94238Pu的衰变,其衰变方程为94238PuA.m=92,n=4,m234X比B.12H+13HC.94238Pu→D.改变压力、温度或浓度,将改变放射性元素的半衰期解析:根据质量数守恒与电荷数守恒可知m+2=94,n+234=238,解得m=92,n=4,所以该过程发生了α衰变,92234X比6.(2022·福建漳州一模)某核反应堆中存在如下核反应:92235U+56ABa+36C.该核反应方程中A=144D.92解析:该反应为核裂变反应,故A错误;核裂变会产生大量能量,则该核反应过程发生质量亏损,故B错误;根据质量数相同235+1=A+89+3,解得A=144,故C正确;927.(2022·广东佛山模拟)氮14由于受到宇宙射线的作用,不断地形成碳14,它在空气中迅速氧化,形成二氧化碳并进入全球碳循环。动植物一生中都从二氧化碳中吸收碳14,当动植物死亡后,立即停止与生物圈的碳交换,由于衰变,其碳14含量开始减少,减少的速度由放射性衰变决定。若正常生长的树中单位质量中碳14含量为a,而某枯树中单位质量中碳14含量为b。碳14的半衰期用T表示,该枯树死亡时距今的时间用t表示,则下列表达式正确的是(D)A.ba=tT B.bC.ba=12Tt解析:半衰期是一半的放射性元素发生衰变所需要的时间,该枯树死亡时距今的时间相当于tT个半衰期,则ba=8.某些建筑材料含放射性元素氡,氡可以发生α衰变或β衰变,如果人长期生活在氡浓度过高的环境中,受到长期氡放射性的影响,会严重危害人体健康。原来静止的质量为M的氡核(86222Rn)发生一次α衰变生成新核钋(Po)。已知衰变后的α粒子的质量为m、电荷量为q、速度为v,钋核的质量为m(1)写出衰变方程;(2)求衰变过程中的质量亏损。解析:(1)根据核反应中质量数和电荷数守恒有86222Rn→84(2)设新核的速度为v′,根据动量守恒定律有mv=m1v′,衰变过程中释放的核能为ΔE=12mv2+12m1v′根据爱因斯坦质能方程有ΔE=Δmc2,联立解得Δm=m(答案:(1)86222Rn→842189.(2022·河南周口模拟)重元素的放射性衰变共有四个系列,其中一个为U238系列(从92238U开始到稳定的92238U到92238U到C.92238U比D.92238U比解析:从92238U到82206P