2025版高考物理一轮复习第十三章原子结构原子核课时2原子核学案新人教版

PAGE12-课时2原子核一、原子核的组成1.原子核由质子和中子组成,两者统称为核子。2.原子核常用表示,X为元素符号,上角标A表示核的质量数,下角标Z表示核的电荷数(即原子序数)。3.同位素是具有相同的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。二、自然放射现象1.自然放射现象:某些元素自发放射某些射线的现象称为自然放射现象,这些元素称为放射性元素。2.三种射线的本质:α射线是氦核,β射线是电子,γ射线是光子。三、原子核的衰变和放射性同位素的应用1.衰变:原子核自发地放出某种粒子而转变成新核的变更。可分为α衰变、β衰变,并伴随着γ射线放出。2.半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所须要的时间。3.放射性同位素的应用(1)利用射线:放射性同位素放出的射线应用于工业、探伤、农业、医疗等。(2)作示踪原子。四、核反应、核力与核能1.核反应规律:在核反应中,质量数守恒,电荷数守恒。2.核力(1)概念:组成原子核的核子之间存在的作用力。(2)核力特点①核力是强相互作用(强力)的一种表现,在它的作用范围内,核力比库仑力大得多。②核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m③每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。3.质量亏损(1)爱因斯坦质能方程:E=mc2。(2)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。4.结合能:克服核力束缚,使原子核分解为单个核子时须要的能量,或若干个核子在核力作用下结合成原子核时放出的能量。五、核裂变和核聚变1.重核裂变(1)定义:使重核分裂成几个质量较小的原子核的核反应。(2)铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,一种典型的反应是生成钡和氪,同时放出三个中子,核反应方程为+→++3。(3)链式反应:由重核裂变产生中子使裂变反应一代接一代接着下去的过程叫做核裂变的链式反应。(4)链式反应的条件:①要有足够浓度的铀235;②铀块体积需大于临界体积,或铀块质量大于临界质量。2.轻核聚变(1)定义:两个轻核结合成较重的核,这样的核反应叫聚变。(2)聚变发生的条件:使物体达到几百万度的高温。考点一自然放射现象、原子核的组成1.自然放射现象自然放射现象是元素自发地放出射线的现象,首先由贝可勒尔发觉。自然放射现象的发觉,说明原子核具有困难的结构。2.三种射线的比较种类α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流高频电磁波带电荷量2e-e0符号γ质量4mp(mp=1.67×10-27kg静止质量为零速度0.1c0.99cc(光速)在电磁场中偏转偏转不偏转贯穿本事最弱,用纸能拦住较强,穿透几毫米的铝板最强,穿透几厘米的铅板电离作用很强较弱很弱在空气中的径迹粗、短、直细、较长、曲折最长[典例1](多选)关于自然放射现象,下列说法正确的是()A.全部元素都可能发生衰变B.放射性元素的半衰期与外界的温度无关C.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D.α,β和γ三种射线中,γ射线的穿透实力最强解析:自然界中绝大部分元素没有放射现象而不发生衰变,选项A错误;放射性元素的半衰期只与原子核结构有关,与温度、是单质还是化合物无关,选项B,C正确;α,β和γ三种射线电离实力依次减弱,穿透实力依次增加,选项D正确。答案:BCD变式1:如图,放射性元素镭衰变过程中释放出α,β,γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,下列说法正确的是(C)A.①表示γ射线,③表示α射线B.②表示β射线,③表示α射线C.④表示α射线,⑤表示γ射线D.⑤表示β射线,⑥表示α射线解析:γ射线光子流,不带电,故在电场与磁场中均不受力,即为②⑤,α射线是氦核流,带正电,在电场中的受力方向与电场方向一样,③为α射线,在磁场中依据左手定则可以推断④为α射线,β射线是电子流,在电场中与电场方向相反,①带负电,在磁场中依据左手定则,⑥带负电。考点二原子核的衰变、半衰期1.原子核衰变规律衰变类型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中子转化为质子和电子2+2→→+衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2.对半衰期的理解(1)依据半衰期的概念,可总结出公式N余=N原()t/τ,m余=m原()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。(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素确定的,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。(3)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少数原子核,无半衰期可言。[典例2]碘131的半衰期约为8天,若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有()A. B. C. D.解析:半衰期为8天,32天为4个半衰期,m()4=,故C正确。答案:C变式2:曾任美国总统的老布什曾让医生们虚惊了一场,那是在访日宴会上突然昏厥,美国政府连忙将他送回国,医生用123I进行诊断,通过体外跟踪,快速查出了病因。123I的特性是(C)A.半衰期长,并快速从体内清除B.半衰期长,并缓慢从体内清除C.半衰期短,并快速从体内清除D.半衰期短,并缓慢从体内清除解析:利用放射性同位素123I放出的γ射线,穿透本事比α,β射线强。123I的半衰期较短,可以快速从体内消逝,不至于因长时间辐射而对身体造成损害,故C正确。考点三探测射线的方法、放射性的应用与防护1.探测射线的方法:肉眼看不见射线,但利用射线的相关效应,可以探测射线。射线的效应有:(1)使气体或液体电离;(2)使照相乳胶感光;(3)使荧光物质产生荧光。探测射线的常用仪器有:威耳逊云室、气泡室、盖革—米勒计数器。2.放射性的应用与防护(1)放射性同位素的应用:利用射线的穿透本事,医疗方面的放射治疗,植物种子的变异等。(2)放射性的防护:过量的射线对人体组织有破坏作用,运用放射性物质时,必需严格遵守操作规程,留意人身平安,并且要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。[典例3](多选)14C发生放射性衰变成为14N,半衰期约5700年。已知植物存活期间,其体内14C与12C的比例不变;生命活动结束后,14A.该古木的年头距今约5700年B.12C,13CC.14C衰变为14N的过程中放出D.增加样品测量环境的压强将加速14C解析:古木样品中14C的比例正好是现代样品的二分之一,说明该古木恰好经验了一个半衰期的时间,故A正确;12C,13C,14C具有相同的质子数、不同的中子数,故B错误;14C的衰变方程为C→答案:AC变式3: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对里。以下推断可能正确的是(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。考点四核裂变、核聚变核能释放的途径——裂变和聚变(1)重核裂变:例如+→++3①链式反应:在裂变反应中用产生的中子,再被其他铀核浮获使反应接着下去。链式反应的条件:裂变物质的体积大于其临界体积。②一个裂变时释放的能量约200MeV。1kg全部裂变放出的能量相当于2800吨标准煤完全燃烧放出的能量。(2)轻核聚变:例如+→++17.6MeV①一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时(同时放出一个中子),释放出17.6MeV的能量,平均每个核子放出3MeV以上的能量。比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍。②聚变反应的条件:几百万开尔文的高温。[典例4]关于核反应方程+→+X,以下说法中正确的是()A.X是,该核反应属于聚变反应B.X是,该核反应属于裂变反应C.X是,该反应中的核燃料是当前核电站采纳的核燃料D.X是,该反应中的核燃料是当前核电站采纳的核燃料解析:核反应方程满意电荷数守恒和质量数守恒,X是,该核反应属于轻核聚变反应,并不是当前核电站的发电原理,该反应中的核燃料也不是当前核电站采纳的核燃料。答案:A变式4:(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应式是+→++3。下列说法正确的有(AC)A.上述裂变反应中伴随着中子放出B.铀块体积对链式反应的发生无影响C.铀核的链式反应可人工限制D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响解析:裂变反应式中的为中子,铀块体积大于临界体积,才能发生链式反应,且铀核的链式反应是可控的,选项A,C正确,选项B错误;放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响,选项D错误。考点五核力、结合能、爱因斯坦质能方程1.获得核能的途径(1)重核裂变:某些重核分裂成中等质量的核的反应过程,同时释放大量的核能。要使发生裂变时链式反应持续地输出能量,放射物的体积应大于它的临界体积。重核的裂变:如+→++10应用:原子弹、核反应堆。(2)轻核聚变:某些轻核结合成质量较大的核的反应过程,同时释放出大量的核能,要想使氘核和氚核结合成氦核,必需达到几百万度以上的高温,因此聚变反应又叫热核反应。轻核的聚变:如+→+。应用:氢弹、可控热核反应。2.核能的计算方法(1)依据爱因斯坦质能方程列式计算:即ΔE=Δmc2(Δm的单位:kg)。(2)依据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量,则ΔE=Δm×931.5MeV(Δm的单位:u,1u=1.6606×10-27kg(3)核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律,因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。(1)质量数与质量是两个不同的概念。核反应中质量数、电荷数都守恒,但核反应中依旧有质量亏损。(2)核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消逝或质量转化为能量;质量亏损也不是核子个数的削减,核反应中核子的个数是不变的。[典例5]太阳内部持续不断地发生着4个质子()聚变为1个氦核()的热核反应,核反应方程是4→+2X,这个核反应释放出大量核能。已知质子、氦核、X的质量分别为m1,m2,m3,真空中的光速为c。下列说法中正确的是()A.方程中的X表示中子()B.方程中的X表示电子()C.这个核反应中质量亏损Δm=4m1-m2D.这个核反应中释放的核能ΔE=(4m1-m2-2m3)c解析:X表示正电子,故A,B错误;质量亏损Δm=4m1-m2-2m3,故C错误;释放的核能为ΔE=Δmc2=(4m1-m2-2m3)c答案:D变式5:(多选)我国核聚变反应探讨大科学装置“人造太阳”2024年获得重大突破,等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度,为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是(AD)A.核聚变比核裂变更为平安、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核,核子的比结合能增加解析:核聚变没有放射性污染,平安、清洁,故A正确;只有原子序数小的“轻”核才能发生聚变,故B错误;轻核聚变成质量较大的原子核、比结合能增加,总质量减小,故C错误,D正确。考点六核反应方程及核反应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→+人工转变人工限制+→+(卢瑟福发觉质子)+→+(查德威克发觉中子)+→+(约里奥—居里夫妇发觉放射性同位素)→+重核裂变比较简单进行人工限制+→++3+→++10轻核聚变正在逐步实现人工限制+→+[典例6](多选)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,表述正确的有()A.+→+是核聚变反应B.+→+是β衰变C.+→++3是核裂变反应D.+→++2是α衰变解析:β衰变时释放出电子(),α衰变时释放出氦原子核(),可知选项B,D错误;选项A中一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反应;选项C中一个铀235原子核汲取一个中子,生成一个Ba原子核和一个Kr原子核并释放出三个中子是核裂变反应,A,C正确。答案:AC变式6:(多选)自然放射性元素(钍)经过一系列α衰变和β衰变之后,变成(铅)。下列说法中正确的是(AB)A.衰变过程共有6次α衰变和4次β衰变B.铅核比钍核少8个质子C.β衰变所放出的电子来自原子核外轨道D.钍核比铅核多24个中子解析:由于β衰变不会引起质量数的削减,故可先依据质量数的削减确定α衰变的次数为x==6,再结合核电荷数的变更状况和衰变规律来判定β衰变的次数应满意2x-y=90-82=8⇒y=2x-8=4。钍232核中的中子数为232-90=142,铅208核中的中子数为208-82=126,所以钍核比铅核多16个中子,铅核比钍核少8个质子。由于物质的衰变与元素的化学状态无关,所以β衰变所放出的电子来自原子核内→+,所以选项A,B正确。1.(自然放射现象,原子核的组成)关于自然放射现象,下列说法正确的是(D)A.α射线是由氦原子核衰变产生B.β射线是由原子核外电子电离产生C.γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D.通过化学反应不能变更物质的放射性解析:放射线是从原子核中释放出来的,通过化学反应并不能变更物质的放射性。2.(原子核的衰变、半衰期)核电站泄漏的污染物中含有碘131和铯137。碘131的半衰期约为8天,会释放β射线;铯137是铯133的同位素,半衰期约为30年,发生衰变时会辐射γ射线。下列说法正确的是(D)A.碘131释放的β射线由氦核组成B.铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量C.与铯137相比,碘131衰变更慢D.铯133和铯137含有相同的质子数解析:β射线是高速运动的电子流,不是氦原子核,A错误;γ射线的频率大于可见光的频率,依据E=hν可知,γ射线光子能量大于可见光光子能量,B错误;半衰期越短,衰变越快,C错误;铯133和铯137都是铯元素,是质子数相同而中子数不同的同位素,所以D正确。3.(探测射线的方法,射线的应用与防护)医学界通过14C标记的C60发觉一种C60的羧酸衍生物,在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖,则14A.示踪原子 B.电离作用C.催化作用 D.贯穿作用解析:用14C标记C60来查明元素的行踪,发觉可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖,因此144.(核反应方程及核反应类型)完成下列空格。(1)表示放射性元素碘131(I)的β衰变方程是。

A.I→Sb+ B.I→Xe+C.I→I+ D.I→Te+(2)现有四个核反应:A.+→+ B.+→X++3C.Na→Mg+ D.+Be→C+①是发觉中子的核反应方程,是探讨原子弹的基本核反应方程,是探讨氢弹的基本核反应方程。

②B中X的质量数为,中子数为。

解析:(1)碘(I)的原子核内一个中子放出一个电子,变成一个质子,质量数没有发生变更,核电荷数增加1,所以生成54号元素Xe,放出一个电子,B选项正确。解析:(2)①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。D是查德威克发觉中子的核反应方程,B是裂变反应,是探讨原子弹的核反应方程。A是聚变反应,是探讨氢弹的核反应方程。②由电荷数守恒和质量数守恒可以判定,X质量数为144,电荷数为56,所以中子数为144-56=88。答案:(1)B(2)①DBA②144885.(爱因斯坦的质能方程)假设两个氘核在始终线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子,已知氘核的质量是2.0136u,中子的质量是1.0087u,氦核同位素的质量是3.0150u。(1)聚变的核反应方程式是,在聚变核反应中释放出的能量为MeV(保留两位有效数字)。

(2)若氚核和氦核发生聚变生成锂核,反应方程式为+→Li,已知各核子比结合能分别为EH=1.112MeV,EHe=7.075MeV,ELi=5.603MeV,试求此核反应过程中释放的核能。解析:(1)依据题中条件,可知核反应方程式为+→+。核反应过程中的质量亏损Δm=2mD-(mHe+mn)=2×2.0136u-(3.0150+1.0087)u=3.5×10-3u。由于1u的质量与931.5MeV的能量相对应,所以氘核聚变时放出的能量ΔE=3.5×10-3×931.5MeV≈3.3MeV。解析:(2)和分解成7个核子所需的能量为E1=3×1.112MeV+4×7.075MeV=31.636MeV7个核子结合成Li,释放的能量为E2=7×5.603MeV=39.221MeV所以此核反应过程中释放的核能为ΔE=E2-E1=39.221MeV-31.636MeV=7.585MeV。答案:(1)+→+3.3答案:(2)7.585MeV1.(2024·浙江11月选考,15)(多选)一个铍原子核(Be)俘获一个核外电子(通常是最靠近原子核的K层的电子)后发生衰变,生成一个锂核(Li),并放出一个不带电的质量接近零的中微子νe,人们把这种衰变称为“K俘获”。静止的铍核发生了“K俘获”,其核反应方程为Be+→Li+νe,已知铍原子的质量为MBe=7.016929u,锂原子的质量为MLi=7.016004u,1u相当于9.31×102MeV。下列说法正确的是(AC)A.中微子的质量数和电荷数均为零B.锂核(Li)获得的动能约为0.86MeVC.中微子与锂核(Li)的动量之和等于反应前电子的动量D.中微子与锂核(Li)的能量之和等于反应前电子的能量解析:中微子是不带电的,且质量接近于零,依据质量数和电荷数守恒,中微子的质量数和电荷数均为零,A正确;Li核获得的动能约为核衰变时的质量亏损放出的能量E=9.31×102(MBe+Me-MLi)>0.86MeV,B错误;依据动量守恒定律可知中微子与锂核(Li)的动量之和等于反应前电子的动量,C正确;依据能量守恒定律可知中微子