高中物理第四章原子核核能
知识梳理
一、原子核的组成
1.⑴卢瑟福用α射线实验发现了质子,并预言中子的存在;
⑵查德威克发现了中子
⑶汤姆生发现了电子
2.核子:组成原子核的中子和质子的统称。
一、天然放射现象
1.天然放射现象
⑴放射性与放射性元素:物质发射射线的性质称为放射性.具有放射性的元素称为放射性元素.
⑵天然放射现象
原子序数大于82的元素都有放射性.天然放射性元素的种类很多,但它们在地球上的含量很少.原子序数小于83的元素,有的也具有放射性.
元素这种自发地放出射线的现象称为天然放射现象。
2.三种射线
⑴放射性物质放出的射线有三种:α射线、β射线、γ射线.
⑵三种射线的成分和性质
名称
构成
符号
电量
质量
电离能力
贯穿本领
α射线
氦核
+2e
4u
最强
最弱
β射线
电子
-e
0
较强
较强
γ射线
光子
γ
0
0
最弱
最强
二、衰变
1.原子核的衰变:放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新的原子核的变化.
2.两种衰变:α衰变、β衰变.
铀238(
)的α衰变
钍234(
)的β衰变
3.衰变规律:原子核衰变时电荷数和质量数都守恒.
4.实质:α衰变
β衰变
5.γ衰变
α衰变或β衰变后产生的新核往往处于高能级,不稳定,要向低能级跃迁.放出γ光子.
γ射线是伴随着α射线和β射线产生的.
放射性物质发生衰变时,有的发生α衰,有的发生β衰变,同时伴随γ射线.这时三种射线都有.
例:写出镭226、钋210的一次α衰变方程。铜66、磷32的一次β衰变方程。
α衰变、β衰变表示了原子核是可以变化的.每一种元素的衰变快慢一样吗?衰变快慢有什么规律?如何描述这一变化规律?
三、半衰期
1. 半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.符号T.
2. 半衰期反映了放射性元素衰变的速率.
每种放射性元素都有一定的半衰期.氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天,镭226衰变为氡222的半衰期为1620年,铀238衰变为钍234的半衰期为4.5 109年.
3. 放射性元素的半衰期的大小是由核内部本身的因素决定的,与它所处物理状态或化学状态无关.
四、人工转变:
(发现质子的核反应)(卢瑟福)用α粒子轰击氮核,并预言中子的存在
(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的α射线轰击铍
(人工制造放射性同位素)
正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)α粒子轰击铝箔
五、放射性同位素的应用
1. 利用其射线:α射线电离性强,用于使空气电离,将静电泄出,从而消除有害静电。γ射线贯穿性强,可用于金属探伤,也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变,可用于生物工程,基因工程。
2. 作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况,诊断甲状腺疾病的类型,研究生物大分子结构及其功能。
3. 进行考古研究。利用放射性同位素碳14,判定出土木质文物的产生年代。
一般都使用人工制造的放射性同位素(种类齐全,各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短,废料容易处理。可制成各种形状,强度容易控制)。
六、核力与结合能
(一) 核力及其性质
1.核力的定义:组成原子核的核子之间有很强的相互作用力,使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起,这种力称
2.核力有着完全不同于静电力和万有引力的一些性质.
(1)核力是一种强力,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 10-15m之内,核力在大于0.8 10-15m时表现为吸引力,且随距离增大而减小,超过1.5 10-15m,核力急剧下降几乎消失;而在距离小于0.8 10-15m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起。
(3)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。
(二) 重核与轻核
1.重核:排在元素周期表比较靠后的元素对应的原子核
2.轻核:排在元素周期表比较靠前的元素对应的原子核
3.轻核的质子数和中子数一般相等,比较稳定.但大多数重核中子数多于质子数,并且不稳定.排在 83 号以后的原子核都不稳定,它们能自动分解或衰变成更轻的原子核.
(三)结合能
1.结合能:由于核子之间存在着强大的核力,要把原子核拆成核子,需要克服核力做功,也就是说需要提供一定的能量.反过来,根据能量守恒,核子结合成原子核时,也会放出一定能量,我们把这个能量叫做结合能.结合能越大,将原子核拆散需要的能量越多,说明原子核越稳定.
2.平均结合能:原子核的结合能与其核子数之比,称为平均结合能.
平均结合能与原子核的稳定性
结合能并不是由于核子结合成原子核具有的能量,而是把核子分开所需要的能量.
(1)平均结合能的大小能够反映核的稳定程度,平均结合能越大,原子核越难拆开,表示该核越稳定.
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,平均结合能比较小,中等核子数(如铁)的原子核,平均结合能较大.
(3)当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能比较大的原子核时,就释放核能.
六、核反应
1. 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应。
2. 原子核的人工转变
(1)1919年,卢瑟福发现质子核反应方程
(2)查德威克发现中子核反应方程
3. 核反应规律:
在核反应中,质量数和电荷数都守恒
居里夫妇发现正电子
七、质能方程
1.核反应伴随着能量变化
核反应中放出的能量称为核能。一个质子和一个中子结合成氘核,放出2.2Mev能量
2.质量亏损
组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差(或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差)叫质量亏损.
3.质能方程
爱因斯坦质能方程
质量亏损放出能量
和
结合成
核放出能量2.22Mev
4.原子质量单位u 1u 1.6606 10-27kg 相当于931.5Mev的能量
八、裂变
重核分裂成质量较小的核释放出核能的反应,称为裂变
铀核的裂变
1. 铀核裂变的一种典型反应
1939年12月,德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现,用中子轰击铀核时,铀核发生了裂变,铀核裂变的产物是多种多样的,其中一种典型的反应是
2. 裂变反应中的能量的计算
以上述典型反应为例:
裂变前的总质量
,
裂变后的质量
,
,
质量亏损
释放的能量
1kg铀235含有的铀原子核数为
1kg铀235完全反应释放的总能量为
九、聚变
l. 聚变反应
由轻原子核聚合成较重原子核的反应称聚变.
2.聚变反应的特点
聚变反应的特点主要有3个
⑴和裂变相比,聚变反应释放的能量更多。
例如,一个氘核和一个氚核发生聚变,其核反应方程是
根据已知的数据
氘核的质量:mD=2.014102u 氚核的质量:mT=3.016.050u
氦核的质量:mα=4.002603u 中子的质量:mn=1008665u
该反应释放能量为
平均每个核子放出的能量为3.3MeV
⑵聚变材料丰富
1L海水中大约有0.03g氘,如果发生聚变,放出的能量相当于燃烧300L汽油.
常见的聚变反应
在这两个反应中,前一反应的材料是氘,后一反应的材料是氘和氚,而氚又是前一反应的产物.所以氘是实现这两个反应的原始材料,而氘是重水的组成成分,在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的.
⑶安全、无污染。
聚变产物基本上是稳定氦核,没有放射性,不污染周围环境.而裂变产物一般都有放射性,容易引起环境污染.
可见,轻核的聚变是一种理想的解决能源问题的途径.那么,是不是任意的核聚在一起就释放能量呢?
不是.由爱因斯坦质能方程可知,只有在反应中出现质量亏损,即生成物的总质量小于反应物的总质量时,才能放出能量.
题型讲解
1. 放射性元素衰变时放出三种射线,按穿透能力由强到弱的排列顺序是( )
A.a射线,b射线,g射线 B.g射线,b射线,a射线,
C.g射线,a射线,b射线 D.b射线,a射线,g射线
2.放射性元素的原子核在a衰变或b衰变生成新原子核时,往往会同时伴随着___________辐射。已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2,t T1·T2时间测得这两种放射性元素的质量相等,那么它们原来的质量之比mA:mB _________。,
原子核
质量/u
1.0078
3.0160
4.0026
12.0000
13.0057
15.0001
下列判断正确的是( )
A.X是
,Q2>Q1 B.X是
,Q2>Q1 C.X是
,Q2<Q1 D.X是
,Q2<Q1
参考答案
1. 【答案】B
2.【解析】放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时,往往以γ光子的形式释放能量,即伴随γ辐射;根据半衰期的定义,经过t T1·T2时间后剩下的放射性元素的质量相同,则 ,故
3.【答案】①
②3
③
C
点评:①原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核,叫做衰变;原子序数较大的重核分裂成原子序数较小的原子核,叫做重核裂变;原子序数很小的原子核聚合成原子序数较大的原子核,叫做轻核聚变.
②所有核反应都遵循质量数和电荷数守恒的规律,情况复杂时可列方程组求解.
4.【解析】核反应方程:
中的质量亏损为:
Δm1 1.0078 u 12.0000 u-13.0057 u 0.0021 u
根据电荷数守恒、质量数守恒可知:
其质量亏损为:Δm2 1.0078 u 15.0001 u-12.0000 u-4.0026 u 0.0053 u
根据爱因斯坦质能方程得:Q1 Δm1c2,Q2 Δm2c2
故Q1 Q2.
【答案】 B
点评:要注意u为质量单位,并不是能量单位,其中1 u 1.6606 10-27 kg,1 uc2 931.5 MeV.
美国海军学院见习生母亲在酒店被枪杀米歇尔卡明斯(MichelleCummings)和她的丈夫伦纳德(Leonard)于2020年5月庆祝他们的儿子伦纳德卡明斯三世(中锋)承诺在美国海军学院踢足球。(美国有线电视新闻
石门的那些树不知道自己和常德这个地方何时有了那些缘分,一切都发生的那么自然,在无路可走的时候上了火车去了长沙,隔了几天便去了常德,至今还记得那条好似黄河九曲的沅江。而石门便是常德北面一个小县城
东京奥运会丑闻开幕式导演因搞笑大屠杀被解雇东京奥运会开幕式导演小林贤太郎因他参与的搞笑短剧视频丑闻在奥运开幕的前一天被解雇。一则1998年录制的视频小短片在网络上传播开来。那时的小林贤太郎为搞笑二人组合Rahmens的成员
苏伊士运河阻塞事件后中国宣传中欧班列苏伊士运河阻塞事件后中国宣传中欧班列西安长安号中欧国际班列口岸。2021年初苏伊士运河阻塞事件发生近4个月后,中国国家发改委在19日召开的记者会上,介绍中欧班列运行情况时,宣传在该
美国网友向全世界求救救救美国吧美国人民渴望自由当地时间7月18日,SOSUSA登上了推特热搜,成千上万的美国网友在网上呼吁自由抗议贫困不满警察暴行和缺乏免费医疗,甚至还有网友呼吁外国领导人解放美国。有网友发洛杉矶警察向抗议者开
美国在阿富汗空袭塔利班造成3人死亡美国在阿富汗空袭塔利班3人死亡随着美国从阿富汗的撤军接近尾声,美军在阿富汗政府军与伊斯兰激进组织塔利班的交战区展开空袭。据路透社报道,五角大楼发言人约翰柯比22日(当地时间)告诉记
广东惠州外海船只翻覆传出有70多人落水广东惠州外海船只翻覆传70人落水正在紧急救援广东惠州外海船只翻覆传出有70多人落水。根据央视报导,广东惠州红海湾海域25日上午11时有船只翻覆,导致多人落水。当地官方尚未公布落水人
烟花袭上海陆续传出停电强风掀翻地铁顶棚压断铁路电缆烟花袭上海强风掀翻地铁顶棚压断铁路电缆上海下午起陆续传出停电灾情,直到晚上停电户数都还在增加。台风烟花逼近上海,市区已明显可感受到强风暴雨,下午也陆续有民众反映家中已经停电,直到晚
中美就冠状病毒起源调查再次发生争执中美就冠状病毒起源调查再次发生争执美国和中国之间的冲突正在重新点燃世界卫生组织对冠状病毒起源的第二阶段调查。美国公开谴责世卫组织拒绝透露包括对中国武汉病毒研究所进行调查在内的两阶段
伊朗50年来首次干旱造成10人死亡伊朗50年来首次干旱造成10人死亡伊朗正面临着50年来最严重的干旱,抗议水资源短缺的抗议活动无处不在。据美国有线电视新闻网和英国广播公司25日(当地时间)报道,呼吁缺水的抗议活动在
最高检上半年批捕侵害未成年人犯罪逾2万人最高检上半年批捕侵害未成年人犯罪逾2万人7月25日,最高人民检察院发布了2021年1月至6月全国检察机关主要办案数据。最高检指出,未成年人检察工作继续深化,特殊制度进一步落实。今年