高考物理一轮复习讲义专题16.2　原子核（原卷版）

专题16.2原子核【讲】【讲核心素养】课程标准内容及要求核心素养及关键能力核心素养关键能力1.了解原子核的组成和核力的性质。知道四种基本相互作用。能根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。物理规律理解能力2.了解放射性和原子核衰变。知道半衰期及其统计意义。了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护。物理规律理解能力3.认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核聚变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。科学推理分析计算能力【讲考点题型】【知识点一】原子核的衰变及半衰期1.衰变规律及实质(1)α衰变和β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变过程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(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1个中子转化为1个质子和1个电子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e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衰变同时产生。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。2.确定衰变次数的方法因为β衰变对质量数无影响，所以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。3.半衰期(1)公式：N余＝N原(eq\f(1,2))eq\f(t,τ)，m余＝m原(eq\f(1,2))eq\f(t,τ)。(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。4.衰变中的动量问题：满足动量守恒定律。【例1】（2022·全国·高三开学考试）钍基熔盐堆核能系统（TMSR）是第四代先进核能系统的6种候选技术之一、中国是首个尝试将该新型反应堆商业化的国家，这个反应堆的不同寻常之处在于内部循环的是熔融盐而不是水。它有潜力生产相对安全和廉价的核能，产生的长寿命放射性废料也比常规反应堆要少很多。钍234的半衰期是24天，质量为10g的钍经过120天后发生衰变的钍的质量为原来质量的（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念。【变式训练1】（2022·湖南·高三开学考试）一个静止的放射性原子核处于匀强磁场中，由于发生了衰变而在磁场中形成如图所示的两个圆形径迹，两圆半径之比为1:16，下列判断中正确的是（

）A．反冲核在小圆上顺时针运动B．该原子核发生了α衰变C．原来静止的核，其原子序数为16D．让放射性原子核和反冲核均在磁场中做圆周运动，二者周期不同【技巧总结】对半衰期的理解(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eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up8(eq\f(t,τ))，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up8(eq\f(t,τ))。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。【知识点二】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α衰变自发eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰变自发eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工转变人工控制eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(卢瑟福发现质子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克发现中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e重核裂变比较容易进行人工控制eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n轻核聚变很难控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(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\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正电子(0＋1e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)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，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。(3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。【例2】（2022·吉林吉林·模拟预测）能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一、下列释放核能的反应方程中，表述正确的是（）A．SKIPIF1<0是核裂变反应B．SKIPIF1<0是原子核的人工转变C．SKIPIF1<0是SKIPIF1<0衰变D．SKIPIF1<0是聚变反应【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练2】（2022·湖北·鄂南高中高三期中）对两个核反应方程（1）SKIPIF1<0（2）SKIPIF1<0，下列说法正确的是（）A．反应（1）为SKIPIF1<0衰变，X为SKIPIF1<0B．反应（2）为SKIPIF1<0衰变，Y的质子数为90C．反应（2）中产生了SKIPIF1<0，说明SKIPIF1<0中有电子D．已知SKIPIF1<0的半衰期为24天，则16个SKIPIF1<0经过120天后还剩1个【方法总结】解答有关核反应方程问题的技巧(1)熟记常见基本粒子的符号——正确书写核反应方程的基础．如质子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(0－1e)、正电子(eq\o\al(0,1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等．(2)熟悉核反应的四种基本类型——衰变、人工转变、裂变和聚变．(3)掌握核反应方程遵守的规律——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．(4)明白核反应过程是不可逆的——核反应方程只能用箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接．【知识点三】质量亏损及核能的计算1.利用质能方程计算核能(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。①ΔE＝Δmc2中，若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，此时ΔE的单位为“MeV”，即1u＝1.6606×10－27kg，相当于931.5MeV，这个结论可在计算中直接应用。2.利用比结合能计算核能原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数。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。【例3】（多选）（2022·浙江·高三开学考试）2021年12月中国科学院等离子体物理研究所发布了一条核聚变领域的突破性消息：EAST全超导托卡马克装置（东方超环）实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。在聚变反应中，一个氘核（SKIPIF1<0）和一个氚核（SKIPIF1<0）结合为一个氦核（SKIPIF1<0），并放出一个X粒子，同时释放能量，关于核聚变下列说法正确的是（）A．X粒子是中子B．高温剧烈的热运动使原子核有足够的动能克服库仑斥力发生聚变C．氚核的比结合能大于氦核的比结合能D．若该装置每秒释放的能量为SKIPIF1<0，则每秒参与反应的氘核和氚核质量约为SKIPIF1<0【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练3】（2022·安徽·滁州市第四中学高三开学考试）钚的放射性同位素SKIPIF1<0Pu静止时衰变为铀核激发态SKIPIF1<0U和α粒子，而铀核激发态SKIPIF1<0U立即衰变为铀核SKIPIF1<0U，并放出能量为0.097MeV的γ光子．已知：SKIPIF1<0Pu、SKIPIF1<0U和α粒子的质量分为mPu＝239.0521u、mU＝235.0439u和mα＝4.0026u,1u＝SKIPIF1<0，衰变放出的光子的动量可忽略。（1）写出核反应方程；（2）将衰变产生的SKIPIF1<0U和α粒子垂直射入磁感应强度为B的同一匀强磁场，求SKIPIF1<0U和α粒子圆周运动的半径之比；（3）求α粒子的动能（只列关键步骤的式子，不要求准确计算）。【方法技巧】1.核能释放的两种途径的理解(1)使较重的核分裂成中等大小的核。(2)较