2019届北京专用高考物理一轮复习第十六章原子结构与原子核第2讲原子核讲义

第2讲原子核知识梳理

一、原子核的衰变1.(1)衰变:原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核的变化称为原

子核的衰变。衰变时通常伴随着γ射线放出。(2)3种射线的比较种类本质电离本领穿透本领α射线 He①最强

②最弱

(只能在空气中前进

几厘米,一张薄纸就能把它挡住)β射线 e③较弱

④较强

(能穿透几毫米的铝

板)γ射线光子⑤最弱

⑥最强

(能穿透几厘米的铅

板)2.分类α衰变

X

Y+⑦

He

β衰变

X

Y+⑧

e

3.半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由

原子核内部的因素决定,跟原子所处的⑩物理

、化学状态无关。二、原子核的人工转变和核能的释放1.人工转变一种原子核在其他粒子作用下变成另一种原子核的变化称为人工转

变。利用人工转变,人们发现了质子、中子,认识了原子结构。重要的核反应方程式有发现质子的核反应方程:①

N

He

O

H

(卢瑟福)。发现中子的核反应方程:②

Be

He

C

n

(查德威克)。发现正电子的核反应方程:③

。2.重核裂变重核裂变是重核分裂成④中等质量

的核的反应过程,如

U

n

Xe

Sr+1

n。由于中子的增值使裂变反应能持续地进行的过程称为⑤链式

反

应。发生链式反应的条件是:裂变物质的体积⑥大于或等于

临界体

积。3.轻核聚变轻核聚变是⑦轻核

结合成⑧质量较大

的核的反应过程,如

H

H

He

n。发生聚变反应的条件是:超高温(几百万摄氏度以上)——热核反应。4.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E=⑨mc2

,核子在结合成原子核时出现质量亏损,

由质量亏损可求出释放的核能ΔE=⑩

Δmc2

;反之,由核能也可求出

反应过程的质量亏损。

1.已知天然放射现象放出α、β、γ三种射线。下列说法正确的是

(

)A.α、β、γ三种射线分别是氦原子核、电子和中子B.三种射线中α射线速度最快、β射线电离作用最强、γ射线穿透能力

最强C.α射线轰击氮原子核可以产生质子,核反应方程为

He+

O

HD.英国物理学家J.J.汤姆孙最早用α射线完成著名的“α粒子散射实

验”并提出核式结构的原子模型答案

C

γ射线是高速光子流,A错误。α射线电离作用最强,B错误。

发现质子的核反应方程是

He

N

O

H,C正确。卢瑟福最早用α射线完成著名的“α粒子散射实验”并提出原子核式结构模型,D错误。C2.下列核反应方程的说法中正确的是

()A

N

H

C

He是α衰变方程B

H

H

He+γ是核裂变方程C

U

Th

He是核聚变方程D

He

Al

P

n是原子核人工转变方程答案

D

N

H

C

He是原子核的人工转变方程,A错误

H

H

He+γ是核聚变方程,

Th

He是α衰变方程,B、C均错误

He

Al

P

n是原子核的人工转变方程,D正确。D3.在一个质子和一个中子结合成一个氘核的核反应过程中亏损的质量

为Δm,则此核反应过程中

()A.向外界释放的能量为Δmc2B.向外界释放的能量为ΔmcC.从外界吸收的能量为Δmc2D.从外界吸收的能量为Δmc答案

A

H

n

D,此过程为核聚变,有质量亏损,释放能量ΔE=Δmc2,A正确。A深化拓展考点一衰变规律考点二核反应的四种类型考点三质能方程及核能的释放考点四运用爱因斯坦质能方程分析宇宙的演变深化拓展考点一衰变规律1.三种射线的本质和特性

带电性电离能力穿透能力构成速度实质α射线正强弱 He0.1c氦核流β射线负弱强 e0.99c电子流γ射线中最弱极强光子c光子流2.α衰变和β衰变的比较【情景素材·教师备用】三种射线的穿透能力

1-1

(2015北京理综,14,6分,0.89)下列核反应方程中,属于α衰变的是

()A

N

He

O

H

B

U

Th

HeC

H

H

He

n

D

Th

Pa

eB答案

B

A项属于原子核的人工转变,B项属于α衰变,C项属于聚变反应,D项属于β衰变。1-2

(2017北京昌平二模,18)图为一放射源发出的α、β、γ射线进入同

一匀强磁场(磁场未画出)中的径迹。表中列出了三种射线的本质和特

性。

种类本质质量(u)电荷(e)速度(c)α射线氦核4+20.1β射线电子1/1840-10.99γ射线光子001答案

A带电粒子垂直于磁场方向进入磁场,做匀速圆周运动,Bqv=m

,R=

,

=

=

>1,图中a的轨迹半径大,a为α射线,b为β射线,c不偏转,为γ射线。由左手定则可知磁场方向垂直纸面向

里。由此可知

()A.磁场方向垂直纸面向里,a为α射线,b为β射线B.磁场方向垂直纸面向里,a为β射线,b为α射线C.磁场方向垂直纸面向外,a为β射线,b为α射线D.磁场方向垂直纸面向外,b为α射线,c为γ射线A考点二核反应的四种类型

2-1

(2017北京西城一模,14)下列核反应方程中,属于核聚变的是

(

)A

H

H

He

n

B

Th

Pa

eC

U

Th

He

D

U

n

Ba

Kr+

n

A答案

A

B为β衰变,C为α衰变,D为核裂变,A为核聚变。2-2下列说法正确的是

()A.研制核武器的钚239

Pu)由铀239

U)经过4次β衰变而产生B

U在中子轰击下生成

Sr和

Xe的核反应前后核子总数减少C.20g的

U经过两个半衰期后未衰变的铀核质量变为15gD.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

太大的危害答案

D由铀239

U)经过2次β衰变即可得到钚239

Pu),A错误;核反应过程中核子数是守恒的,故B错误;20g的

U经过两个半衰期后未衰变的铀核质量应为5g,C错误;γ射线是一种放射性射线,超剂量使用对

人体是有害的,D正确。D考点三质能方程及核能的释放1.质能方程爱因斯坦的相对论指出,物体的质量和能量存在着密切联系,即E=mc2,

这就是爱因斯坦的质能方程。2.质能方程的理解质能方程告诉我们质量和能量之间存在着简单的正比关系,物体的能量

增大了,质量也增大;能量减小了,质量也减小。且核反应中释放的能量

与质量亏损成正比,ΔE=Δmc2。3.核反应中释放的核能的计算(1)根据爱因斯坦质能方程,用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)乘以

真空中光速的平方,即ΔE=Δmc2。(2)根据1原子质量单位(1u)相当于931.5MeV,用核子结合成原子核时质

量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV。【情景素材·教师备用】

核反应堆示意图

3-1

(2014北京理综,14,6分)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和

m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中

的光速)

()A.(m1+m2-m3)c

B.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2

D.(m1-m2-m3)c2

答案

C此核反应方程为

H

n

H,根据爱因斯坦的质能方程得ΔE=Δm·c2=(m1+m2-m3)c2,C正确。C3-2

(2017北京理综,23,18分)在磁感应强度为B的匀强磁场中,一个静

止的放射性原子核发生了一次α衰变。放射出的α粒子

He)在与磁场垂直的平面内做圆周运动,其轨道半径为R。以m、q分别表示α粒子的质

量和电荷量。(1)放射性原子核用

X表示,新核的元素符号用Y表示,写出该α衰变的核反应方程。(2)α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流,求圆周运动的周期和环

形电流大小。(3)设该衰变过程释放的核能都转化为α粒子和新核的动能,新核的质量

为M,求衰变过程的质量亏损Δm。

答案见解析

解析(1

X

Y

He(2)设α粒子的速度大小为v,由qvB=m

,T=

,得α粒子在磁场中运动周期T=

环形电流大小I=

=

(3)由qvB=m

,得v=

设衰变后新核Y的速度大小为v',系统动量守恒Mv'-mv=0v'=

=

由Δmc2=

Mv'2+

mv2得Δm=

说明:若利用M=

m解答,亦可。考点四运用爱因斯坦质能方程分析宇宙的演变在宇宙中存在许许多多热核反应,也是宇宙星体演变的主要形式和

规律,故爱因斯坦质能方程应用到宇宙天体中,就成为人类探究宇宙奥

秘的主要方法,也是高考命题的常用手法。【情景素材·教师备用】太阳内部时刻发生着核聚变

4-1太阳的能量来自下面的反应:四个质子(氢核)聚变成一个α粒子,同

时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子νe,若太阳辐射能量的

总功率为P,质子

H、氦核

He、正电子

e的质量分别为mp、mHe、me,真空中的光速为c,求:(1)写出核反应方程式。(2)核反应所释放的能量ΔE。(3)在t时间内参与上述热核反应的质子数目。

答案见解析解析(1)核反应方程式为 H He+ e+νe(2)质量亏损Δm=(4mp-mHe-2me),根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2,核反应释放的能量ΔE=(4mp-mHe-2me)c2(3)设时间t内参与热核反应的质子数为N依据能量关系Pt=N

,得N=

。4-2天文学家测得银河系中氦的含量约为25%。有关研究表明,宇宙

中氦生成的途径有两条:一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的;二是在宇

宙演化到恒星诞生后,由恒星内部的氢核聚变反应生成的。(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核(

H)聚变成氦核(

He),同时放出2个正电子(

e)和2个中微子(νe),请写出该氢核聚变反应的方程,并计算一次反应释放的能量。(2)研究表明,银河系的年龄约为t=3.8×1017s,每秒钟银河系产生的能量

约为1×1037J(即P=1×1037J/s)。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反

应,试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字)。(3)根据你的估算结果,对银河系中氦的主要生成途径作出判断。(可能用到的数据:银河系质量约为M=3×1041kg,原子质量单位1u=1.66×10-27kg,1u相当于1.5×10