（新課標(biāo)）河南省2015高考物理總復(fù)習(xí)講義 第13章 第3講 核反應(yīng)和核能

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1、 第3講　核反應(yīng)和核能 知識一　天然放射現(xiàn)象和衰變 1．天然放射現(xiàn)象 (1)天然放射現(xiàn)象 元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn)．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)． (2)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是α射線、β射線、γ射線． 2．原子核的衰變 (1)原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變． (2)分類 α衰變：X→Y＋He β衰變：X→Y＋e (3)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間．半衰期由原子核內(nèi)部的因素決定，跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)． 知識二　核反應(yīng)和核能 1．核反應(yīng)

2、 在核物理學(xué)中，原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程．在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒． 2．核力 核子間的作用力．核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15 m之內(nèi)，只在相鄰的核子間發(fā)生作用． 3．核能 核子結(jié)合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能． 4．質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損 愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2，原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Δm，這就是質(zhì)量虧損．由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE＝Δmc2. 考點一　衰變和半衰期 一、原子核衰變規(guī)律 衰變類型 α衰變 β衰變 衰變方程 X→Y＋He

3、 AZX→Y＋e 1 / 7 衰變實質(zhì) 2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體拋射出 中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子 2H＋2n→He n→H＋e 衰變規(guī)律 電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒 二、對半衰期的理解 1．根據(jù)半衰期的概念，可總結(jié)出公式 N余＝N原()t/τ，m余＝m原()t/τ 式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子核數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子核數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，τ表示半衰期． 2．影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)． ————

4、——[1個示范例]—————— 　(2012·大綱全國高考)U經(jīng)過m次α衰變和n次β衰變，變成Pb，則(　　) A．m＝7，n＝3　　　　　　　 B．m＝7，n＝4 C．m＝14，n＝9 D．m＝14，n＝18 【解析】　核反應(yīng)的基本規(guī)律是質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，即235＝4m＋207,92＝2m＋82－n，解得m＝7，n＝4. 【答案】　B ——————[1個預(yù)測例]—————— 　約里奧—居里夫婦因發(fā)現(xiàn)人工放射性元素而獲得了1935年的諾貝爾化學(xué)獎，他們發(fā)現(xiàn)的放射性元素P衰變成Si的同時放出另一種粒子，這種粒子是________.P是P的同位素，被廣泛應(yīng)用于生物

5、示蹤技術(shù)，1 mg P隨時間衰變的關(guān)系如圖13－3－1所示，請估算4 mg的P經(jīng)多少天的衰變后還剩0.25 mg? 圖13－3－1 【解析】　寫出衰變方程P→Si＋e，故這種粒子為e(正電子)，由m－t圖象知P的半衰期為14天，由m余＝m原()得0.25 mg＝4 mg×()，故t＝56天． 【答案】　e(正電子)　56天 考點二　核反應(yīng)方程的書寫 一、類型對比 類型 可控性 核反應(yīng)方程典例 衰變 α衰變 自發(fā) 92U→90Th＋He β衰變 自發(fā) 90Th→91Pa＋　0－1e 人工轉(zhuǎn)變 人工控制 7N＋He→8O＋H (盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)

6、 He＋Be→6C＋n (查德威克發(fā)現(xiàn)中子) Al＋He→P＋n 約里奧—居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子 P→Si＋　0＋1e 重核裂變 比較容易 進(jìn)行人工控制 92U＋n→56Ba＋Kr＋3n 92U＋n→54Xe＋Sr＋10n 輕核聚變 目前無法控制 H＋H→He＋n 二、注意問題 1．核反應(yīng)過程一般都是不可逆的，所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向，不能用等號連接． 2．核反應(yīng)的生成物一定要以實驗為基礎(chǔ)，不能憑空只依據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程． 3．核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；遵循電荷數(shù)守恒．

7、　(2013·上海高考)放射性元素PO衰變?yōu)镻b，此衰變過程的核反應(yīng)方程是________；用此衰變過程中發(fā)出的射線轟擊F，可得到質(zhì)量數(shù)為22的氖(Ne)元素和另一種粒子，此核反應(yīng)過程的方程是________． 【解析】　根據(jù)衰變規(guī)律，此衰變過程的核反應(yīng)方程是PO→Pb＋He.用α射線轟擊F，可得到質(zhì)量數(shù)為22的氖(Ne)元素和另一種粒子，此核反應(yīng)過程的方程是：He＋F→Ne＋H. 【答案】　PO→Pb＋He　He＋F→Ne＋H 考點三　核能的產(chǎn)生和計算 一、獲得核能的途徑 1．重核裂變：重核俘獲一個中子后分裂成為兩個中等質(zhì)量的核的反應(yīng)過程．重核裂變的同時放出幾個中子，并釋

8、放出大量核能．為了使鈾235裂變時發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積應(yīng)大于它的臨界體積． 2．輕核聚變：某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程，同時釋放出大量的核能，要想使氘核和氚核合成氦核，必須達(dá)到幾百萬度以上的高溫，因此聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)． 二、核能的計算方法 1．應(yīng)用ΔE＝Δmc2：先計算質(zhì)量虧損Δm，注意Δm的單位1 u＝1.66×10－27 kg,1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量，u是原子質(zhì)量單位． 2．核反應(yīng)遵守動量守恒和能量守恒定律，因此我們可以結(jié)合動量守恒和能量守恒定律來計算核能． ——————[1個示范例]—————— 　太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個質(zhì)子(H)

9、聚變?yōu)?個氦核(He)的熱核反應(yīng)，核反應(yīng)方程是4H→He＋2X，這個核反應(yīng)釋放出大量核能．已知質(zhì)子、氦核、X的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，真空中的光速為c.下列說法中正確的是(　　) A．方程中的X表示中子(n) B．方程中的X表示電子(e) C．這個核反應(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝4m1－m2 D．這個核反應(yīng)中釋放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2 【解析】　由核質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒可推斷出X為e，A、B錯；質(zhì)量虧損為Δm＝4m1－m2－2m3，釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C錯，D對． 【答案】　D ——————[1個預(yù)測例]—————— 　191

10、9年，盧瑟福用α粒子轟擊氮核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子．科學(xué)研究表明其核反應(yīng)過程是：α粒子轟擊靜止的氮核后形成了不穩(wěn)定的復(fù)核，復(fù)核發(fā)生衰變放出質(zhì)子，變成氧核．設(shè)α粒子質(zhì)量為m1，初速度為v0，氮核質(zhì)量為m2，質(zhì)子質(zhì)量為m0，氧核的質(zhì)量為m3，不考慮相對論效應(yīng)． (1)α粒子轟擊氮核形成不穩(wěn)定復(fù)核的瞬間，復(fù)核的速度為多大？ (2)求此過程中釋放的核能． 【解析】　設(shè)復(fù)核的速度為v，由動量守恒定律得m1v0＝(m1＋m2)v 解得v＝. (2)核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m0－m3 反應(yīng)過程中釋放的核能ΔE＝Δm·c2＝(m1＋m2－m0－m3)c2. 【答案】　(1)

11、v＝　(2)(m1＋m2－m0－m3)c2 1．(2011·浙江高考)關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A．α射線是由氦原子核衰變產(chǎn)生 B．β射線是由原子核外電子電離產(chǎn)生 C．γ射線是由原子核外的內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生 D．通過化學(xué)反應(yīng)不能改變物質(zhì)的放射性 【解析】　α射線是氦核流，A錯；β射線是原子核內(nèi)的一個中子變成一個質(zhì)子而放出的，B錯；γ射線是原子核受激發(fā)而產(chǎn)生的，C錯；物質(zhì)的放射性和半衰期與溫度以及化學(xué)狀態(tài)等無關(guān)，由核本身的性質(zhì)決定，故D項正確． 【答案】　D 2．(多選)原子核X經(jīng)β衰變(一次)變成原子核Y，原子核Y再經(jīng)一次α衰變變成原子核Z，則下列

12、說法中正確的是(　　) A．核X的中子數(shù)減核Z的中子數(shù)等于2 B．核X的質(zhì)子數(shù)減核Z的質(zhì)子數(shù)等于5 C．核Z的質(zhì)子數(shù)比核X的質(zhì)子數(shù)少1 D．原子核X的中性原子的電子數(shù)比原子核Y的中性原子的電子數(shù)少1 【解析】　由題意可知X→Y＋e， Y→Z＋He，由此可判斷A、B錯誤，C、D正確． 【答案】　CD 3．用中子轟擊氧原子核的核反應(yīng)方程式為8O＋n―→N＋X，對式中X、a、b的判斷正確的是(　　) A．X代表中子，a＝17，b＝1 B．X代表正電子，a＝17，b＝－1 C．X代表正電子，a＝17，b＝1 D．X代表質(zhì)子，a＝17，b＝1 【解析】　根據(jù)質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒可

13、知a＝17，b＝8＋0－7＝1，因此X可表示為e，即正電子，故C項正確，A、B、D三項錯． 【答案】　C 4．(2013·上海高考)在一個U原子核衰變?yōu)橐粋€Pb原子核的過程中，發(fā)生β衰變的次數(shù)為(　　) A．6次　　　　　　　　 B．10次 C．22次 D．32次 【解析】　一個U原子核衰變?yōu)橐粋€Pb原子核的過程中，發(fā)生α衰變的次數(shù)為(238－206)÷4＝8次，發(fā)生β衰變的次數(shù)為2×8－(92－82)＝6次，選項A正確． 【答案】　A 5．(多選)(2013·廣東高考)鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其一種裂變反應(yīng)式是U＋n→Ba＋K

14、r＋3n.下列說法正確的有(　　) A．上述裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出 B．鈾塊體積對鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生無影響 C．鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可人工控制 D．鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響 【解析】　根據(jù)裂變反應(yīng)的規(guī)律和影響半衰期的因素解決問題．裂變反應(yīng)式中的n為中子，鈾塊體積大于臨界體積，才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是可控的，選項A、C正確，選項B錯誤；放射性元素的半衰期不受外界壓強(qiáng)、溫度的影響，選項D錯誤． 【答案】　AC 6．(多選)(2013·新課標(biāo)全國卷Ⅱ)關(guān)于原子核的結(jié)合能，下列說法正確的是(　　) A．原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量

15、 B．一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能 C．銫原子核(Cs)的結(jié)合能小于鉛原子核(Pb)的結(jié)合能 D．比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定 E．自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量大于該原子核的結(jié)合能 【解析】　原子核分解成自由核子時，需要的最小能量就是原子核的結(jié)合能，選項A正確．重核衰變時釋放能量，衰變產(chǎn)物更穩(wěn)定，即衰變產(chǎn)物的比結(jié)合能更大，衰變前后核子數(shù)不變，所以衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能，選項B正確．銫核的核子數(shù)比鉛核的核子數(shù)少，其結(jié)合能也小，選項C正確．比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，選項D錯誤．自由核子組成原子核時

16、，需放出能量，因此質(zhì)量虧損產(chǎn)生的能量小于原子核的結(jié)合能，選項E錯誤． 【答案】　ABC 7．(2013·重慶高考)鈾是常用的一種核燃料，若它的原子核發(fā)生了如下的裂變反應(yīng)： U＋n→a＋b＋2n 則a＋b可能是(　　) A.Xe＋Kr　　　　　　　 B.Ba＋Kr C.Ba＋Sr D.Xe＋Sr 【解析】　利用質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可以判斷出可能的核反應(yīng)方程．選項A不滿足電荷數(shù)守恒也不滿足質(zhì)量數(shù)守恒，選項C不滿足電荷數(shù)守恒；選項B不滿足質(zhì)量數(shù)守恒；只有選項D正確． 【答案】　D 8．(多選)(2012·廣東高考)能源是社會發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問

17、題的途徑之一．下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的有(　　) A.H＋H→He＋n是核聚變反應(yīng) B.H＋H→He＋n是β衰變 C.U＋n→Ba＋Kr＋3n是核裂變反應(yīng) D.U＋n→Xe＋Sr＋2n是α衰變 【解析】　β衰變時釋放出電子(e)，α衰變時釋放出氦原子核(He)，可知選項B、D錯誤；選項A中一個氚核和一個氘核結(jié)合成一個氦核并釋放出一個中子是典型的核聚變反應(yīng)；選項C中一個U 235原子核吸收一個中子，生成一個Ba原子核和一個Kr原子核并釋放出三個中子是核裂變反應(yīng)． 【答案】　AC 9．(2013·山東高考)恒星向外輻射的能量來自于其內(nèi)部發(fā)生的各種熱核反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)

18、到108 K時，可以發(fā)生“氦燃燒”． (1)完成“氦燃燒”的核反應(yīng)方程：He＋________→Be＋γ. (2)Be是一種不穩(wěn)定的粒子，其半衰期為2.6×10－16s.一定質(zhì)量的Be，經(jīng)7.8×10－16s后所剩Be占開始時的________． 【解析】　(1)根據(jù)核反應(yīng)方程和電荷守恒定律可知，He＋He→Be＋γ. (2)Be的半衰期為2.6×10－18 s，經(jīng)過7.8×10－18 s后，也就是經(jīng)過3個半衰期后剩余的質(zhì)量為m′＝()nm＝()3m， 所剩Be占開始時的. 【答案】　(1)He(或α)　(2)(或12.5%) 10

19、．(2012·新課標(biāo)全國高考)氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量，該反應(yīng)方程為：H＋H→He＋x，式中x是某種粒子． 已知：H、H、He和粒子x的質(zhì)量分別為2.014 1u、3.016 1u、4.002 6u和1.008 7u；1u＝931.5 MeV/c2，c是真空中的光速．由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是________，該反應(yīng)釋放出的能量為________MeV(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)． 【解析】　由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，粒子x是中子．由質(zhì)能方程可得ΔE＝Δmc2＝Δm×931.5 MeV/u＝17.6 MeV 【答案】　n(或中子)　17.6 希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！