高考物理一輪復習 3.2放射性元素的衰變 核能課件 滬科版選修3-5.ppt

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第 2 講 放射性元素的衰變 核能,知識點1 原子核的組成、放射性 放射性同位素 射線的危害和防護 Ⅰ 【思維激活1】如圖甲是α、β、γ三種射線穿透能力的示意圖,圖乙是工業(yè)上利用射線的穿透性來檢查金屬內部的傷痕的示意圖,問：,【知識梳理】 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_______具有復雜的結構。 2.放射性和放射性元素：物質發(fā)射某種看不見的射線的性質 叫_______。具有放射性的元素叫_______元素。 3.三種射線：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。,原子核,放射性,放射性,4.三種射線的比較：,高速電子流,2e,c,不偏轉,最強,很弱,5.原子核的組成： (1)原子核由_____和_____組成,_____和_____統(tǒng)稱為核子。 _____帶正電,_____不帶電。 (2)基本關系。 ①核電荷數(shù)=質子數(shù)(Z)=元素的原子序數(shù)=___________。 ②質量數(shù)(A)=_______=質子數(shù)+中子數(shù)。 (3)X元素的原子核的符號為 其中A表示_______,Z表示 核電荷數(shù)。,質子,中子,質子,中子,質子,中子,核外電子數(shù),核子數(shù),質量數(shù),6.放射性同位素的應用與防護： (1)放射性同位素：有_____放射性同位素和_____放射性 同位素兩類,放射性同位素的化學性質相同。 (2)應用：消除靜電、工業(yè)探傷、作_________等。 (3)防護：防止放射性對人體組織的傷害。,天然,人工,示蹤原子,知識點2 原子核的衰變、半衰期 Ⅰ 【思維激活2】如圖所示,縱坐標表示某放射性物質中未衰變的原子核數(shù)(N)與原來總原子核數(shù)(N0)的比值,橫坐標表示衰變的時間,則由圖線可知該放射性物質的半衰期為 天;若將該放射性物質放在高溫、高壓或強磁場等環(huán)境中,則它的半衰期將 (選填“變長”“不變”或“變短”)。,【解析】放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時間叫半衰期,由圖線可知放射性物質的半衰期為3.8天。半衰期由元素本身決定,與原子核所處環(huán)境、狀態(tài)無關,所以將該放射性物質放在高溫、高壓或強磁場等環(huán)境中,它的半衰期將不變。 答案：3.8 不變,【知識梳理】 1.原子核的衰變： (1)原子核放出α粒子或β粒子,變成另一種_______的變化 稱為原子核的衰變。 (2)分類。 α衰變： β衰變： γ衰變：當放射性物質連續(xù)發(fā)生衰變時,原子核中有的發(fā)生 α衰變,有的發(fā)生β衰變,同時伴隨著γ輻射。,原子核,(3)兩個重要的衰變。 2.半衰期： (1)定義：放射性元素的原子核有_____發(fā)生衰變所需的時間。 (2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核_____因素 決定的,跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學狀態(tài) (如單質、化合物)無關。,半數(shù),內部,知識點3 核力、結合能、質量虧損 Ⅰ 【思維激活3】愛因斯坦狹義相對論中的質能方程給出了核能的計算方法,電子與電子的反物質——正電子相遇后,會發(fā)生什么現(xiàn)象呢?是不是放出了能量,該怎樣計算核能呢?(電子質量m=0.91×10-30kg,光速c=3×108m/s),【解析】正、負電子相遇后發(fā)生湮滅現(xiàn)象,之后放出兩個光子,可以用公式E=Δmc2計算出每一個光子的能量：ΔE=Δmc2=0.91×10-30×(3×108)2J=8.19×10-14J= 5.1×105eV。 答案：湮滅現(xiàn)象 放出了兩個光子的能量,利用公式E=Δmc2計算出每個光子的能量為5.1×105eV,【知識梳理】 1.核力： (1)定義：原子核內部,核子間所特有的相互作用力。 (2)特點。 ①核力是強相互作用的一種表現(xiàn); ②核力是短程力,作用范圍在1.5×10-15m之內; ③每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。 2.結合能：核子結合為原子核時_____的能量或原子核分解 為核子時_____的能量,叫作原子核的結合能,亦稱核能。,釋放,吸收,3.比結合能： (1)定義：原子核的結合能與核子數(shù)之比,稱作比結合能,也叫 平均結合能。 (2)特點：不同原子核的比結合能不同,原子核的比結合能越大, 表示原子核中核子結合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。 4.質能方程、質量虧損：愛因斯坦質能方程E=___,原子核的質 量必然比組成它的核子的質量和要小Δm,這就是質量虧損。由 質量虧損可求出釋放的核能ΔE=_____。,mc2,Δmc2,知識點4 裂變反應和聚變反應、裂變反應堆 核反應方程 Ⅰ 【思維激活4】(多選)2013年12月15日， “嫦娥三號”著陸器、巡視器分離(如圖 所示)，“玉兔號”月球車駛上月球表面， 開始了探月征途?？茖W家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的 (氦3)。 它是一種高效、清潔、安全的核聚變燃料，其參與的一種核 聚變反應的方程式為 關于 聚變下 列表述正確的是( ),A.聚變反應不會釋放能量 B.聚變反應產(chǎn)生了新的原子核 C.聚變反應會有質量虧損 D.目前核電站都采用 聚變反應發(fā)電 【解析】選B、C。聚變反應時將質量較小的輕核聚變成質量較大的核,聚變過程會有質量虧損,要放出大量的能量,但目前核電站都采用鈾核的裂變反應。綜上所述,選項B、C正確。,【知識梳理】 1.重核裂變： (1)定義：質量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數(shù)較小的原子核的過程。 (2)特點。 ①裂變過程中能夠放出巨大的能量; ②裂變的同時能夠放出2～3(或更多)個中子; ③裂變的產(chǎn)物不是唯一的。對于鈾核裂變有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比較小。,(3)典型的裂變反應方程： (4)鏈式反應：由重核裂變產(chǎn)生的_____使裂變反應一代接一 代繼續(xù)下去的過程。 (5)臨界體積和臨界質量：裂變物質能夠發(fā)生_________的最 小體積及其相應的質量。 (6)裂變的應用：_______、核反應堆。 (7)反應堆構造：核燃料、減速劑、_____、防護層。,中子,鏈式反應,原子彈,鎘棒,2.輕核聚變： (1)定義：兩輕核結合成_________的核的反應過程。輕核聚 變反應必須在高溫下進行,因此又叫_________。 (2)特點。 ①聚變過程放出大量的能量,平均每個核子放出的能量,比裂 變反應中每個核子放出的能量大3至4倍。 ②聚變反應比裂變反應更劇烈。 ③對環(huán)境污染較少。 ④自然界中聚變反應原料豐富。 (3)典型的聚變反應方程：,質量較大,熱核反應,3.核反應的四種類型：,,,,,,,,,【微點撥】 1.半衰期的三點提醒： (1)半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律,對少數(shù)原子核不適用; (2)原子核質量減少一半與原子核有半數(shù)發(fā)生衰變概念不同; (3)半衰期的大小是由原子核內部自身因素決定的,與外部條件無關。,2.質能方程的三個易錯點： (1)質量虧損并不是質量消失,只是靜止質量變成了運動的質量; (2)質量虧損也不是核子個數(shù)的減少,核反應中核子個數(shù)是不變的; (3)質量和能量這兩個量并不可以相互轉化,只是這兩個量在數(shù)值上有聯(lián)系。,考點1 原子核的衰變 半衰期 1.α衰變、β衰變的比較：,深化 理解,,,,,,,,X,Y,,X,Y,,H+,n,,n,H,,,2.半衰期： (1)半衰期的計算：根據(jù)半衰期的概念,可總結出公式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 元素的原子數(shù)和質量,N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射 性元素的原子數(shù)和質量,t表示衰變時間,τ表示半衰期。 (2)半衰期的理解：半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理 量,同一放射性元素具有的衰變速率一定,不同的放射性元素 半衰期不同,有的差別很大。 (3)適用條件：半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律,是對大量的原子核衰變 規(guī)律的總結,對于一個特定的原子核,無法確定何時發(fā)生衰變。,【題組通關方案】 【典題1】(2013·大綱版全國卷) 放射性元素( )經(jīng)α衰 變成為釙( )，半衰期約為3.8天；但勘測表明，經(jīng)過漫 長的地質年代后，目前地殼中仍存在天然的含有放射性元素 的礦石，其原因是( ) A.目前地殼中的 主要來自于其他放射性元素的衰變 B.在地球形成的初期，地殼中元素 的含量足夠高 C.當衰變產(chǎn)物 積累到一定量以后， 的增加會減慢 的衰變進程 D. 主要存在于地球深處的礦石中，溫度和壓力改變了 它的半衰期,【典題解析】選A。元素半衰期的長短由原子核自身因素決定,與原子所處的物理、化學狀態(tài)以及周圍環(huán)境、溫度無關,C、D錯;即使元素氡的含量足夠高,經(jīng)過漫長的地質年代,地殼中也幾乎沒有氡了,一定是來自于其他放射性元素的衰變,故A對,B錯。,【典題2】(1)(多選) (釷)經(jīng)過一系列α衰變和β衰變, 變成 (鉛)。以下說法正確的是( ) A.鉛核比釷核少8個質子 B.鉛核比釷核少16個中子 C.共經(jīng)過4次α衰變和6次β衰變 D.共經(jīng)過6次α衰變和4次β衰變,(2)約里奧—居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素 衰變成 的同時放出另一種粒子,這種粒 子是________。 是 的同位素,被廣泛 應用于生物示蹤技術,1 mg的 隨時間衰變 的關系如圖所示,請估算4 mg的 經(jīng)多少天 的衰變后還剩 0.25 mg?,【典題解析】(1)選A、B、D。設α衰變次數(shù)為x,β衰變次數(shù) 為y,由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得232=208+4x,90=82+2x-y, 解得x=6,y=4,C錯D對。 鉛核、釷核的質子數(shù)分別為82、90,故A對。 鉛核、釷核的中子數(shù)分別為126、142,故B對。 (2)寫出衰變方程為 故這種粒子為 (正電子) 由m -t圖知 的半衰期為14天,由m余=m原 得 0.25 mg=4 mg× 故t=56天。 答案：(1)A、B、D (2)正電子 56天,【加固訓練】 1.(2014·廣州模擬)銫137發(fā)生衰變的方程是 其半衰期約為30年，則( ) A.式中 來自于銫的核外電子 B.經(jīng)過90年后，受銫137污染的土壤將仍含銫137 C.升高溫度可以有效地加快銫137的衰變速度 D.銫137發(fā)生的衰變是α衰變,【解析】選B。銫的核內中子轉變?yōu)橘|子時放出 故A錯； 溫度、壓強等均不能改變半衰期，C錯；半衰期是原子核有 半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間，所以90年后，土壤里仍會有銫 137，B對；由衰變方程知，銫137發(fā)生的是β衰變，故D錯。,2.(1)原子核 經(jīng)放射性衰變①變?yōu)樵雍? 繼而經(jīng)放 射性衰變②變?yōu)樵雍? 再經(jīng)放射性衰變③變?yōu)樵雍?放射性衰變①、②和③依次為( ) A.α衰變、β衰變和β衰變 B.β衰變、β衰變和α衰變 C.β衰變、α衰變和β衰變 D.α衰變、β衰變和α衰變,(2)法國科學家貝可勒爾在1896年發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象。如圖 反映的是放射性元素鈾核衰變的特性曲線。由圖可知，鈾的半 衰期為_______年；請在下式的括號中，填入鈾在衰變過程中 原子核放出的粒子的符號： +( ),【解析】(1)衰變過程中電荷數(shù)、質量數(shù)守恒，由題意可得衰變方程分別為 選項A正確，選項B、C、D錯誤。 (2)根據(jù)半衰期的定義，由鈾核衰變的特性曲線可知，鈾的半 衰期為1 620年；核反應遵循電荷數(shù)守恒，故衰變過程中放出 的粒子的電荷數(shù)為Z=92-90=2，核反應遵循質量數(shù)守恒，故衰 變過程中放出的粒子的質量數(shù)為A=238-234=4，故鈾核在衰變 過程中原子核放出的粒子的符號為 答案：(1)A (2)1 620,【學科素養(yǎng)升華】 衰變次數(shù)的確定方法 方法一：確定衰變次數(shù)的方法是依據(jù)兩個守恒規(guī)律，設放射性元素AZX經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素A′Z′Y，則表示該核反應的方程為 根據(jù)質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程 A=A′+4n Z=Z′+2n-m,由以上兩式聯(lián)立解得 由此可見確定衰變次數(shù)可歸結為求解一個二元一次方程組。 方法二：因為β衰變對質量數(shù)無影響，可先由質量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。,考點2 核反應類型與核反應方程 1.核反應的四種類型：衰變、人工轉變、裂變和聚變。 2.核反應過程一般都是不可逆的,所以核反應方程只能用單向箭頭連接并表示反應方向,不能用等號連接。 3.核反應的生成物一定要以實驗為基礎,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方程。 4.核反應遵循質量數(shù)守恒而不是質量守恒,核反應過程中反應前后的總質量一般會發(fā)生變化。 5.核反應遵循電荷數(shù)守恒。,深化 理解,【題組通關方案】 【典題3】(多選)(2012·廣東高考)能源是社會發(fā)展的基礎,發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一,下列釋放核能的反應方程,表述正確的有( ) A. 是核聚變反應 B. 是β衰變 C. 是核裂變反應 D. 是α衰變,【典題解析】選A、C。兩個輕核聚合成一個較重的核的反應為核聚變反應,故A對B錯。重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質量的原子核并放出若干個中子的反應為核裂變反應,故C對。原子核放出α或β粒子后變成另一種原子核的反應稱為原子核的衰變。原子核的衰變的反應物只有一種,故D錯。,【典題4】(2014·寶雞模擬)靜止的氮核 被速度為v0的中子 擊中生成碳核 和另一種原子核甲，已知 與甲核的速度 方向與碰撞前中子的速度方向一致，碰后碳核 與甲核的 動量之比為1∶1。 (1)寫出核反應方程式。 (2)求 與甲核的速度各是多大?,【典題解析】(1) (2)設中子質量為m0， 核質量為mC，甲核質量為m甲， 由動量守恒得 m0v0=mCvC+m甲v甲 即m0v0=12m0vC+3m0v甲 又因為 與甲核動量比為1∶1，所以 mCvC=m甲v甲 即12m0vC=3m0v甲 聯(lián)立以上兩個方程，得：,答案:(1) (2),【加固訓練】 1.(多選)在下列四個核反應方程中，X表示α粒子的是( ) 【解析】選B、D。根據(jù)質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，四個選 項中的X分別代表： 選項B、D正確。,2.(1)(多選)關于核衰變和核反應的類型，下列表述正確的有 ( ) A. 是α衰變 B. 是β衰變 C. 是輕核聚變 D. 是重核裂變,(2)現(xiàn)有四個核反應： ① 是發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程, 是研究原子彈的基本核反應方程, 是研究氫彈的基本核反應方程。 ②求B中X的質量數(shù)和中子數(shù)。,【解析】(1)選A、C。衰變是原子核自發(fā)地放出α或β粒子的核反應,衰變方程的特點是箭頭的左邊只有一個原子核,箭頭的右邊出現(xiàn)α或β粒子;聚變反應的特點是箭頭的左邊是兩個輕核,箭頭的右邊是較大質量的原子核;裂變方程的特點是箭頭的左邊是重核與中子反應,箭頭右邊是中等質量的原子核。綜上所述,A、C正確。,(2)①人工轉變方程的特點是箭頭的左邊是氦核與常見元素的原子核,箭頭的右邊也是常見元素的原子核。D是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程。B是裂變反應,是研究原子彈的核反應方程。A是聚變反應,是研究氫彈的核反應方程。 ②由電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可以判定,X質量數(shù)為144,電荷數(shù)為56,所以中子數(shù)為144-56=88。 答案：(1)A、C (2)①D B A ②144 88,【學科素養(yǎng)升華】 核反應方程的書寫方法 (1)熟記常見基本粒子的符號是正確書寫核反應方程的基礎， 如質子( )、中子( )、α粒子( )、β粒子( )、 正電子( )、氘核( )、氚核( )等。 (2)掌握核反應方程遵守的規(guī)律是正確書寫核反應方程或判 斷某個核反應方程是否正確的依據(jù)，所以要理解并應用好質 量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律。 (3)熟悉核反應的四種基本類型，可以幫助我們理清思路， 很快寫出正確的核反應方程。,考點3 核能 1.質能方程的理解： (1)一定的能量和一定的質量相聯(lián)系,物體的總能量和它的質量成正比,即E=mc2。 方程的含義：物體具有的能量與它的質量之間存在簡單的正比關系,物體的能量增大,質量也增大;物體的能量減少,質量也減少。 (2)核子在結合成原子核時出現(xiàn)質量虧損Δm,其能量也要相應減少,即ΔE=Δmc2。 (3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量,相應的質量增加Δm,吸收的能量為ΔE=Δmc2。,深化 理解,2.核能釋放的兩種途徑的理解：中等大小的原子核的比結合能最大,這些核最穩(wěn)定。使較重的核分裂成中等大小的核或使較小的核結合成中等大小的核,核子的比結合能都會增加,都可以釋放能量。,【題組通關方案】 【典題5】(2014·欽州模擬)已知氦原子的質量為MHeu,電子的質量為meu,質子的質量為mpu,中子的質量為mnu(u為原子的質量單位),且由愛因斯坦質能方程E=mc2可知1u對應于931.5MeV的能量。若取真空中的光速c=3×108m/s,則兩個質子和兩個中子聚變成一個氦核,釋放的能量為(已知氦原子核外有兩個電子)( ) A.[2×(mp+mn+me)-MHe]×c2(J) B.[2×(mp+mn)-MHe]×c2(J) C.[2×(mp+mn+me)-MHe]×931.5(MeV) D.[2×(mp+mn)-MHe]×931.5(MeV),【典題解析】選C。核反應方程為 則質量 虧損Δm=[2×(mp+mn)-m氦核](u),所釋放的能量為ΔE=Δm× 931.5(MeV)。而題中已知氦原子質量為MHeu,氦原子由氦原子 核和兩個電子組成,所以m氦核=[MHe-2me](u),則Δm=[2× (mp+mn+me)-MHe](u),C選項正確。,【典題6】钚的放射性同位素 靜止時衰變?yōu)殁櫤思ぐl(fā)態(tài) α粒子,而鈾核激發(fā)態(tài) 立即衰變?yōu)殁櫤? 并放 出能量為0.097 MeV的γ光子。已知： 和α粒子的 質量分別為mPu=239.052 1u、mU=235.043 9u和mα=4.002 6u, 1u=931.5MeV/c2。 (1)寫出衰變方程; (2)已知衰變放出的光子的動量可忽略,求α粒子的動能。,【典題解析】(1)衰變方程為 ① ② 或合起來有 ③ (2)上述衰變過程的質量虧損為 Δm=mPu-mU-mα ④ 放出的能量為ΔE=Δm·c2 ⑤ ΔE是鈾核 的動能EU、α粒子的動能Eα和γ光子的能量 Eγ之和,ΔE=EU+Eα+Eγ ⑥ 可得EU+Eα=(mPu-mU-mα)c2-Eγ ⑦,設衰變后的鈾核和α粒子的速度分別為vU和vα,則由動量守恒 有mUvU=mαvα ⑧ 又由動能的定義知 ⑨ 由⑧⑨式得 ⑩ 由⑦⑩式得 Eα= ［(mPu-mU-mα)c2-Eγ］ 代入題給數(shù)據(jù)得Eα=5.034 MeV 答案：(1) (2)5.034 MeV,【加固訓練】 1.已知氘核的平均結合能為1.1MeV,氦核的平均結合能為7.1MeV,則兩個氘核結合成一個氦核時( ) A.釋放出4.9MeV的能量 B.釋放出6.0MeV的能量 C.釋放出24.0MeV的能量 D.吸收4.9MeV的能量,【解析】選C。根據(jù)題意可寫出兩個氘核結合成一個氦核的核 反應方程為 由于氘核的平均結合能為1.1MeV, 氦核的平均結合能為7.1MeV,故結合前氘核的能量為 E1=2×1.1MeV,結合后氦核的能量為E2=4×7.1MeV,故 ΔE=2E1-E2=-24.0MeV,負號表示釋放能量,選項C正確。,2.(2012·新課標全國卷)氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出 巨大的能量，該反應方程為 式中x是某種粒 子。已知： 和粒子x的質量分別為 2.014 1 u、 3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u= c是真空 中的光速。由上述反應方程和數(shù)據(jù)可知,粒子x是 ,該反 應釋放出的能量為 MeV(結果保留3位有效數(shù)字)。,【解析】根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得x是 (中子)。 核反應中的質量虧損為 Δm=2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u=0.0189u 所以該反應釋放出的能量為ΔE=Δm·c2=17.6MeV 答案： (或中子) 17.6,