专题06 原子核模型（原卷版）-【模型与方法】2023-2024学年高二物理同步模型易点通人教版2019选择性必修第三册

专题06原子核模型一、天然放射现象及三种射线1．天然放射现象(1)1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性。(2)①放射性：物质发射射线的性质。②放射性元素：具有放射性的元素。③天然放射现象：放射性元素自发地发出射线的现象。(3)原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。(4)玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)。2．三种射线(1)α射线：实际上就是氦原子核，速度可达到光速的eq\f(1,10)，其电离能力强，穿透能力较差，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。(2)β射线：是高速电子流，它速度很大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。(3)γ射线：呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土。说明：元素的放射性与它以单质还是化合物的形式存在无关，且天然放射现象不受任何物理变化、化学变化的影响。二、原子核的组成1．质子的发现(如图所示)2．中子的发现(如图所示)3．原子核的组成由质子和中子组成，它们统称为核子。4．原子核的符号5．同位素具有相同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，它们互称同位素。例如，氢有三种同位素分别为eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H。说明：同位素的化学性质相同，物理性质一般不同。三、原子核的衰变1．定义原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。2．衰变分类(1)α衰变：放出α粒子的衰变。(2)β衰变：放出β粒子的衰变。3．衰变过程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He。eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e。4．衰变规律(1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。(2)任何一种放射性元素只有一种放射性，不能同时既有α放射性又有β放射性，而γ射线伴随α衰变或β衰变产生。说明：原子核衰变时质量数守恒，但不是质量守恒，有质量减少(也叫质量亏损)。四、半衰期与核反应1．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)决定因素放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。不同的放射性元素，半衰期不同。(3)应用利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间。2．核反应(1)人工核转变：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H。(2)定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。(3)特点：在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。说明：半衰期是大量原子核衰变的统计规律，只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义。五、放射性同位素的应用与安全1．放射性同位素：很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。2．放射性同位素的应用：(1)射线测厚仪。(2)放射治疗。(3)培优、保鲜。(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后，可以探测出原子到达的位置。3．辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。说明：一般放射性同位素半衰期短，而且强度容易控制，使用更广泛。六、核力与四种基本相互作用1．强相互作用(1)定义：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。(2)特点：①核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多。②是短程力，作用范围只有约10－15m。2．弱相互作用(1)定义：在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，称为弱相互作用。(2)也是短程力，作用范围只有10－18m。3．四种基本相互作用说明：强相互作用是短程力，每个核子只跟相邻的核子发生作用，也叫核力的饱和性。七、结合能和质量亏损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。2．比结合能原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能。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。中等大小的核的比结合能最大，最稳定。3．质能方程物体的能量与它们质量的关系是：E＝mc2。4．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。注意：原子核的核子结合成原子核释放的能量与把它们分开需要的能量相等。八、核裂变1．核裂变的发现(1)核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。(2)铀核裂变用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是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)n。(3)链式反应当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。(4)链式反应的条件发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。2．反应堆与核电站(1)核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。(2)慢化剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水(也叫轻水)。(3)控制棒为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。(4)能量输出核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。九、核聚变1．定义两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。2．举例eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。3．条件(1)轻核的距离要达到10－15m以内。(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应。4．优点(1)轻核聚变产能效率高。(2)地球上聚变燃料的储量丰富。(3)轻核聚变更为安全、清洁。5．约束方法磁约束和惯性约束。【模型演练1】(多选)如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有()A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线B．α射线和β射线的轨迹是抛物线C．α射线和β射线的轨迹是圆弧D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b【规律总结】三种射线的比较方法(1)知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电。α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种。(2)在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线。(3)α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强。【模型演练2】eq\o\al(238,92)U核经一系列的衰变后变为eq\o\al(206,82)Pb核，问：(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？(2)eq\o\al(206,82)Pb与eq\o\al(238,92)U相比，质子数和中子数各少了多少？(3)综合写出这一衰变过程的方程。【规律总结】衰变次数的判断方法(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。(2)每发生一次α衰变，质子数、中子数均减少2。(3)每发生一次β衰变，中子数减少1，质子数增加1。【模型演练3】关于原子核中质子和中子的说法，正确的是()A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在【规律方法】(1)核力是强相互作用力，只存在于相邻核子之间。(2)核力的存在与核子是否带电及电性无关。(3)原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关。【模型演练4】取质子的质量mp＝1.6726×10－27kg，中子的质量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s。请计算α粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)【规律总结】核能的两种单位(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2。(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5MeV。(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J。【模型演练5】(多选)2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范。下列有关核反应的说法正确的是()A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力B．重核裂变反应前后一定有质量亏损C．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)U＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n式中d＝1D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小【规律总结】对重核裂变的两点理解(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。【模型演练6】氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)结合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反应方程如下：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV(1)这个核反应称为________。(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文。式中17.6MeV是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)。【规律总结】(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据。(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算。一、单选题1．（2024·浙江·模拟预测）将放射性同位素氟-18（）注入人体参与人体的代谢过程，如图甲所示，氟-18在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭并产生一对波长相等的光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的医学图像。氟-18的衰变规律如图乙所示，其中纵坐标表示任意时刻放射性元素的原子数与的原子数之比，设正、负电子的质量均为m，光速为c，普朗克常数为h。则（）A．氟-18衰变的方程为B．上述一对光子由氟-18直接产生并释放C．上述一对光子波长为D．经5小时人体内氟-18的残留量是初始时的33.3%2．（2024·河北·一模）研究表明原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数的关系如图所示，一般认为大于铁原子核质量数（56）的为重核，小于则为轻核，下列对该图像的说法错误的是（）A．从图中可以看出，Fe原子核最稳定B．从图中可以看出，重核A裂变成原子核B和C时，释放核能C．从图中可以看出，轻核D和E发生聚变生成原子核F时，释放核能D．从图中可以看出，重核随原子序数的增加，其比结合能变大3．（2024·安徽·模拟预测）下列说法正确的是（）A．β衰变的电子来自原子核外B．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的重核裂变反应C．原子核比结合能越大，表明原子核中核子结合得越牢固，原子核就越稳定D．氢原子跃迁时核外电子从半径较大的轨道跃迁到半径较小的轨道，电子的动能减小，原子总能量减小4．（2024·广西柳州·三模）日本核污染排海核污水中的属于I类致癌物质，威胁着人类的安全。已知的衰变方程为，则下列说法中正确的是（

）A．该核反应中X为中子B．升高温度会使的半衰期减小C．的比结合能大于的比结合能D．一个核的质量小于一个核和一个X核的质量之和5．（23-24高三下·湖北·阶段练习）呼气实验可用于检测胃部有无感染幽门螺杆菌，通过检测呼吸呼出的CO2是否具有放射性即可诊断。已知发生衰变的半衰期为5730年，衰变方程为。下列说法正确的是（）A．X为B．射线比射线的穿透能力弱C．衰变产生的是核外电子被电离产生的D．一般服下药物15分钟后再检测，是为了避免由于的衰变而明显降低检测准确性6．（2024·湖北·二模）原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断中正确的是（

）A．核的结合能约为64MeV B．核比核更稳定C．两个核结合成核时吸收能量 D．核中核子的平均结合能比核中的大7．（23-24高三下·重庆九龙坡·阶段练习）某国政府不顾国际社会的反对，公然决定将大量核废水排放到太平洋，引起了国际舆论的强烈谴责。核废水主要包含63种放射性物质，其中以铯137、锶90、氚、碳14等为主，下列说法正确的是（）A．铯137的半衰期是30年，60年后核废水中的铯137全部衰减殆尽B．锶90发生β衰变的衰变方程可能为C．氚具有放射性，是原子核外电子从高能级向低能级跃迁造成的D．碳14的半衰期为5730年，如果一块古木中的碳14含量是现代植物的0.25倍，则古木的历史约11460年8．（2024·四川·二模）科学史上，有一项发现的核反应方程是。如图，让核和X核从S点沿图示垂直于磁场的方向进入有界匀强磁场区域，若仅考虑磁场对核的洛伦兹力，则在磁场中（

）A．核和X核的径迹均在Ⅰ区B．核的径迹在Ⅱ区，X核的径迹在Ⅰ区C．核和X核运动的半径之比一定为D．核和X核运动的周期之比一定为9．（2024·湖南岳阳·二模）现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分来自太阳，即太阳内部核聚变时释放的核能。已知氘氚核聚变方程为，其中的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为，则一个氘核与一个氚核发生这样的核反应释放的能量为（）A． B． C． D．10．（2024·北京平谷·模拟预测）2023年8月25日，新一代人造太阳“中国环流三号”首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录。核聚变是一种核反应的形式。下列关于核反应的说法中正确的是（）A．要使轻核发生聚变，一种可行的方法是将物质加热到几百万开尔文的高温B．氘氚核聚变的核反应方程为C．相同质量的核燃料，重核裂变比轻核聚变释放的核能更多D．核聚变反应过程中没有质量亏损11．（2024·山东枣庄·一模）2023年8月24日，日本福岛核电站启动核污染水排海，核污染水里含高达64种核放射性元素，其中碘129的半衰期为1570万年，其衰变方程为，下列说法正确的是（）A．核污染水被稀释后碘129的半衰期变长 B．衰变生成了电子，说明原子核中存在电子C．X核内的中子数为76 D．的比结合能小于的比结合能12．（23-24高三下·河南·阶段练习）贫铀弹是以含有铀238的硬质合金为主要原料制成的炮弹和枪弹，它利用贫铀合金的高硬度、高比重和高熔点依靠动能来穿透目标，其多用来毁伤坦克等装甲目标。科学研究发现，铀238具有极大的危害性，它的半衰期为45亿年，其衰变方程为，该衰变过程中产生的γ光子照射到逸出功为的金属上，溢出光电子的最大初动能为。已知光电子的质量为m，光速为c，普朗克常量为h。下列说法正确的是（

）A．衰变产生的γ光子具有很强的电离能力 B．原子核中含有92个中子C．γ光子的波长为 D．100个经过90亿年后一定剩余25个二、多选题13．（22-23高二下·湖北恩施·期末）下列说法正确的是（）A．氡的半衰期为3.8天，若有8个氡核，则经过7.6天后剩下2个氡核B．发生衰变时，生成的核与原来的核相比，中子数少1C．比结合能越大，原子核中核子结合得越紧密，原子核越稳定D．核反应中的为氘核14．（2024·陕西西安·模拟预测）关于核反应方程，下列说法正确的是（）A．，该核反应是α衰变B．，该核反应是聚变C．该核反应是聚变D．该核反应是β衰变15．（23-24高三下·重庆·阶段练习）2023年8月25日，“中国环流三号”托卡马克装置首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，是我国核能开发进程中的重要里程碑。该模式下的核反应方程之一为，反应中释放出光子，下列说法正确的是（）A．该核反应属于裂变反应B．该核反应方程中的X为质子C．的比结合能大于的比结合能D．光子的静止质量为0，所以它的动量也为016．（2024·浙江·二模）2023年8月24日，日本政府不顾周边国家的反对执意向海洋排放福岛第一核电站的核污水，核污水中的放射性物质会对海水产生长久的、风险不可控的污染。如核污水中的具有放射性，其发生衰变时的核反应方程为，该核反应过程中放出的能量为Q。设的结合能为，的结合能为，X的结合能为，已知光在真空中的传播速度为c，则下列说法正确的是（）A．的比结合能大于的比结合能B．该核反应过程中放出的能量C．该核反应过程中的质量亏损可以表示为D．衰变过程中放出的光子是由新原子核从高能级向低能级跃迁产生的17．（