2017-2018学年物理人教版选修3-5讲义专题6

一、三种射线与半衰期1．三种射线及实质射线种类α射线β射线γ射线实质高速氦核流高速电子流高速光子流穿透性最弱居中最强电离性最强居中最弱偏转比较α射线、β射线偏转方向相反，β射线弯曲程度更大关系γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的．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(核处于激发态)而辐射出光子2．半衰期：(1)公式：N＝N0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))n＝N0；m＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))n＝m0(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．[复习过关]1．(多选)天然放射性物质的放射线包含三种成分，下面说法中正确的是()A．一张厚的黑纸可以挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线D．β射线是高速电子流，但其中的电子不是原来绕核旋转的核外电子答案ACD解析α、β、γ三种射线中穿透能力最强的是γ射线，α射线穿透能力最弱，电离能力最强的是α射线，γ射线电离能力最弱，故A、C正确；γ射线是高频率的电磁波，它是伴随α或β衰变放出的，不影响原子核的组成，故B错误；β是原子核内的中子变为质子时放出的，因此其来自原子核内部，故D正确．2．放射性元素eq\o\al(238,92)U衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成eq\o\al(210,83)Bi，而eq\o\al(210,83)Bi可以经一次衰变变成eq\o\al(210,a)X(X代表某种元素)，也可以经一次衰变变成eq\o\al(b,81)Tleq\o\al(210,a)X和eq\o\al(b,81)Tl最后都变成eq\o\al(206,82)Pb，衰变路径如图1所示，则()图1A．a＝82，b＝211B.eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(210,a)X是β衰变，eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(b,81)Tl是α衰变C.eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(210,a)X是α衰变，eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(b,81)Tl是β衰变D.eq\o\al(b,81)Tl经过一次α衰变变成eq\o\al(206,82)Pb答案B解析由eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(210,a)X，质量数不变，说明发生的是β衰变，同时知a＝84.由eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(b,81)Tl是核电荷数减2，说明发生的是α衰变，同时知b＝206，由eq\o\al(206,)81Tl→eq\o\al(210,82)Pb发生了一次β衰变．故选B.二、核反应方程及核能计算1．核反应类型(1)α衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He；β衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e(2)人工转变卢瑟福发现质子的核反应方程为：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H查德威克发现中子的核反应方程为：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)neq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e.(3)裂变和聚变裂变：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(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n聚变：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n2．核能计算(1)根据ΔE＝Δmc2计算．(2)根据ΔE＝Δm×931.5MeV计算，Δm的单位是“u”．[复习过关]3．以铀235为核实验材料，下列说法正确的是()A.eq\o\al(235,92)U原子核中有92个质子，143个核子B.eq\o\al(235,92)U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度后半衰期会缩短C.eq\o\al(235,92)U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度后半衰期不变D.eq\o\al(235,92)U的一种核反应方程可能为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(153,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋3eq\o\al(1,0)n答案C4．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法正确的是()A．这个实验的核反应方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(1,0)nB．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C．这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算D．实验中产生γ射线，其穿透能力极强，比X射线还强很多倍答案D解析根据质量数和电荷数守恒可知：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，A错误；裂变反应过程中有质量亏损，所以反应后粒子质量之和小于反应前粒子质量之和，B错误；该反应的能量用爱因斯坦质能方程求解，C错误；γ射线，其穿透能力极强，比X射线强很多，D正确．5．已知氘核的平均结合能为1.1MeV，氦核的平均结合能为7.1MeV，则两个氘核结合成一个氦核时()A．释放出4.9MeV的能量B．释放出6.0MeV的能量C．释放出24.0MeV的能量D．吸收4.9MeV的能量答案C解析依据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He，因氘核的平均结合能为1.1MeV，氦核的平均结合能为7.1MeV，故结合前氘核的能量为E1＝2×1.1MeV，结合后氦核的能量E2＝4×7.1MeV，于是吸收的能量为ΔE＝2E1－E2＝－24.0MeV，式中负号表示释放核能，故选C.6．一个氘核(eq\o\al(2,1)H)和一个氚核(eq\o\al(3,1)H)结合成一个氦核(eq\o\al(4,2)He)，同时放出一个中子，已知氘核质量为m1＝2.0141u，氚核质量为m2＝3.0160u，氦核质量为m3＝4.0026u，中子质量为m4＝1.008665u，求：(1)写出聚变的核反应方程；(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？答案(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)17.5MeV3.5MeV解析(1)核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)此反应过程的质量亏损为Δm＝2.0141u＋3.0160u－4.0026u－1.008665u＝0.018835u，ΔE＝Δmc2＝0.018835×931.5MeV≈17.5MeV.平均每个核子释放的核能为eq\f(17.5,5)MeV＝3.5MeV.三、核反应与动量守恒定律的综合应用参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，核反应中释放的核能，在无光子辐射的情况下，将转化为生成的新核和新粒子的动能．[复习过关]7．一个不稳定的原子核质量为M，处于静止状态．放出一个质量为m的粒子后反冲，已知放出的粒子的动能为E0，则原子核反冲的动能为()A．E0 B.eq\f(m,M)E0C.eq\f(m,M－m)E0 D.eq\f(Mm,M－m)E0答案C解析由动量守恒定律(M－m)v＝mv0＝p，又Ek＝eq\f(p2,2M－m)，E0＝eq\f(p2,2m)由以上各式可得Ek＝eq\f(m,M－m)E0，C正确．8．光子的能量为hν，动量大小为eq\f(hν,c)，如果一个静止的放射性元素的原子核在发生γ衰变时只放出一个γ光子，则衰变后的原子核()A．仍然静止B．沿着与光子运动方向相同的方向运动C．沿着与光子运动方向相反的方向运动D．可能向任何方向运动答案C解析原子核在放出γ光子过程中，系统动量守恒，而系统在开始时总动量为零，因此衰变后的原子核运动方向与γ光子运动方向相反．9．实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意图，如图2.则()图2A．轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外B．轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外C．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里D．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里答案D解析原子核发生β衰变时，根据动量守恒可知两粒子的速度方向相反，动量的方向相反，大小相等；由半径公式r＝eq\f(mv,qB)＝eq\f(p,qB)(p是动量)，分析得知，r与电荷量成反比，β粒子与新核的电荷量大小分别为e和ne(n为新核的电荷数)，则β粒子与新核的半径之比为：ne∶e＝n∶1.所以半径比较大的轨迹1是衰变后β粒子的轨迹，轨迹2是新核的．新核沿逆时针方向运动，在A点受到的洛伦兹力向左，由左手定则可知，磁场的方向垂直纸面向里．10．一个静止的质量为M的不稳定原子核，当它放射出质量为m、速度为v的粒子后，原子核剩余部分的速度为()A．－v B．－eq\f(mv,M－m)C.eq\f(－mv,m－M) D．－eq\f(m,M)答案B解析以原子核为一系统，放射过程中由动量守恒定律：(M－m)v′＋mv＝0得v′＝－eq\f(mv,M－m).11．用中子轰击锂核(eq\o\al(6,3)Li)发生核反应，生成氚核(eq\o\al(3,1)H)和α粒子，并放出4.8MeV的能量．已知1u相当于931.5MeV的能量．(1)写出核反应方程；(2)求出质量亏损；(3)若中子和锂核是以等大反向的动量相碰，则氚核和α粒子的动能比是多少？(4)α粒子的动能是多大？答案(1)eq\o\al(6,3)Li＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(4,2)He＋4.8MeV(2)0.0052u(3)4∶3(4)2.06MeV解析(1)核反应方程为eq\o\al(6,3)Li＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(4,2)He＋