（浙江专版）2019版高考物理大一轮复习 第十二章 动量守恒定律 波粒二象性原子结构与原子核 第4课时 原子核学案

第4课时原子核一、原子核、天然放射现象1.原子核的组成(1)质子的发现：1919年，卢瑟福用粒子轰击氮原子核发现了质子，质子是原子核的组成部分。(2)中子的发现：卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子。查德威克利用云室进行实验验证了中子的存在，中子是原子核的组成部分。(3)原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。(4)原子核的符号X元素符号原子核的质量数质子数中子数核电荷数原子核的质子数，即原子的原子序数(5)同位素：具有相同的质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素。例如，氢有三种同位素H、H、H。2.天然放射现象(1)天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。(2)放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是射线、射线、射线。(4)放射性同位素的应用与防护放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。防护：防止放射性对人体组织的伤害。3.原子核的衰变(1)衰变：原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。(2)分类衰变：XYHe衰变：XYe(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，跟原子所处的物理、化学状态无关。二、放射性同位素的应用与防护1.应用射线：应用射线可以测厚度、医疗方面的放射治疗、照射种子培育优良品种等。2.示踪原子：有关生物大分子的结构及其功能的研究，要借助于示踪原子。3.辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。三、核力与结合能1.核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力。2.核力的特点(1)核力是强相互作用的一种表现；(2)核力是短程力，作用范围在1.51015m之内；(3)每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。3.结合能：核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。4.质能方程、质量亏损：爱因斯坦质能方程Emc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能Emc2。四、核裂变及核聚变1.重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程：UnKrBa3n。(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。2.轻核聚变(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程：HHHen17.6 MeV3.粒子和宇宙(1)“基本粒子”不基本直到19世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子。(2)发现新粒子1932年发现了正电子，1937年发现了子，1947年发现了K介子和介子及以后的超子等。(3)夸克模型上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的或，每种夸克都有对应的反夸克。【思考判断】1.人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的( )2.如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个( )3.原子序数小于83的元素都没有放射性( )4.射线是一种高能粒子流，可以用来工业探伤( )5.原子核发生衰变时放出一个电子，说明原子核内有电子( )6.爱因斯坦质能方程反映了物体的质量和能量可以相互转化( )7.核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，也遵循电荷数守恒( )8.轻核聚变须达到几百万摄氏度以上的高温，自然界不存在轻核聚变( )考点一放射性元素的衰变(/c)要点突破1.衰变和衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变方程XYHeXMZ1Ye衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出中子转化为质子和电子2H2nHenHe衰变规律电荷数守恒、质量数守恒2.辐射：辐射是伴随着衰变和衰变同时发生的，辐射不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变过程中，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。3.半衰期：用N0、m0分别表示衰变前的原子核的数目和质量，N、m分别表示衰变后剩余的原子核的数目和质量，为半衰期，t表示衰变过程所经历的时间，则NN0()mm0()。典例剖析【例1】 在轧制钢板时需要动态地监测钢板厚度，其检测装置由放射源、探测器等构成，如图所示。该装置中探测器接收到的是()A.X射线 B.射线C.线射 D.射线解析放射源发出的只有、三种射线，故选项A错误；在、三种射线中，只有射线能穿过钢板，故选项B、C错误，D正确。答案D【例2】 U衰变为Rn要经过m次衰变和n次衰变，则m、n分别为()A.2、4 B.4、2 C.4、6 D.16、6解析由质量数守恒和电荷数守恒得：2382224m，92862mn，联立解得：m4，n2。答案B针对训练1.(多选)对天然放射现象，下列说法正确的是()A.粒子带正电，所以射线一定是从原子核中射出的B.粒子带负电，所以射线有可能是核外电子C.粒子是光子，所以射线有可能是原子发光产生的D.射线、射线、射线都是从原子核内部释放出来的解析粒子是由原子核中2个质子与2个中子相结合产生的，是氦核，因原子核外只有带负电的电子，所以A正确；粒子是电子流，是核内一个中子转化成一个电子和质子，电子是从核中射出的，所以B选项错误；是光子，是原子核从高能态跃迁到低能态时辐射出来的，C错误，选项D正确；天然放射现象中放射出来的三种射线都是原子核内部发生衰变时释放出来的，故本题正确答案为A、D。答案AD2.碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有()A. B. C. D.解析设剩余质量为m剩，则由m剩m()，得m剩m()，选项C正确。答案C考点二核力与结合能(/c)要点突破1.质能方程的三个易错点(1)质量亏损并不是质量消失，只是静止质量变成了运动的质量；(2)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的；(3)质量和能量这两个量并不可以相互转化，只是这两个量在数值上有联系。2.核能的计算方法(1)根据爱因斯坦质能方程列式计算：即Emc2(m的单位：kg)。(2)根据1 u相当于931.5 MeV，则Em931.5 MeV(m的单位：u，1 u1.660 61027 kg)。(3)核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。典例剖析【例1】 (多选)关于质能方程，下列哪些说法是正确的()A.质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量B.物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值C.物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系D.某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的解析质能方程Emc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据Emc2进行计算，故B、D正确。答案BD【例2】 已知Ra、Rn、He的原子质量分别是226.025 4 u，222.017 5 u，4.002 6 u。求出Ra在衰变RaRnHe中放出的能量(以电子伏特为单位)。解析衰变后的质量亏损为m(226.025 4222.017 54.002 6)u0.005 3 u。因为1 u相当于931.5 MeV，因此释放的能量为E0.005 3931.5 MeV4.937 0 MeV4.937 0106 eV。答案4.937 0106 eV针对训练1.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.(m1m2m1)c B.(m1m2m3)cC.(m1m2m3)c2 D.(m1m2m3)c2解析此核反应方程为HnH，根据爱因斯坦的质能方程得Emc2(m1m2m3)c2，故选项C正确。答案C2.钚的放射性同位素Pu静止时衰变为铀核激发态U*和粒子，而铀核激发态U*立即衰变为铀核U，并放出能量为0.097 MeV的光子。已知：Pu、U和粒子的质量分别为mPu239.052 1 u、mU235.043 9 u和m4.002 6 u，1 u的质量相当于931.5 MeV的能量。(1)写出衰变方程；(2)已知衰变放出的光子的动量可忽略，求粒子的动能。解析(1)衰变方程为PuU*HeU*U或合起来有PuUHe(2)上述衰变过程的质量亏损为mmPumUm放出的能量为Em931.5 MeV此能量是铀核U的动能EU、粒子的动能E和光子的能量E之和，即EEUEE设衰变后的铀核和粒子的速度分别为vU和v，则由动量守恒有mUvUmv又由动能的定义知EUmUv，Emv联立解得E5.034 MeV答案(1)见解析(2)5.034 MeV考点三核裂变、核聚变(/c)要点突破1.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制NHeOH(卢瑟福发现质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子PSie重核裂变比较容易进行人工控制UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变很难控制HHHen2.书写核反应方程时应注意(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律。(2)核反应方程中的箭头()表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。典例剖析【例1】 一个氘核和一个氚核经过反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1，m2，m3，m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是()A.这个反应的核反应方程是HHHenB.这个反应既不是聚变反应也不是裂变反应C.辐射出的光子的能量E(m3m4m1m2)c2D.辐射出的光子的波长解析由电荷数守恒及质量数守恒可知A正确；此反应是轻核聚变反应，B错误；由质能方程知此过程中释放的核能为E(m1m2m3m4)c2，C错误；若此核能全部以光子的形式释放时，由Eh知，光子的波长为，D错误。答案A【例2】 在下列四个方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子：UnBaKr3X1PSiX2UThX3ThPaX4以下判断中错误的是()A.X1是中子 B.X2是中子C.X3是粒子 D.X4是电子解析由质量数守恒和电荷数守恒，可知X1、X2、X3、X4依次为n、e、He、e，所以B项错误。答案B针对训练1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是UnBaKr3n。下列说法正确的有()A.上述裂变反应中伴随着中子放出B.铀块体积对链式反应的发生无影响C.铀核的链式反应可人工控制D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响解析n表示中子，所以裂变反应中伴随着中子放出，A项正确；当铀块体积小于临界体积时链式反应不会发生，B项错误；通过控制慢中子数可以控制链式反应，C项正确；铀核的半衰期与所处的物理、化学状态无关，因此不受环境温度影响，D项错误。答案AC2.(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程，表述正确的有()A.HHHen是核聚变反应B.HHHen是衰变C.92Un56BaKr3n是核裂变反应D.92Un54XeSr2n是衰变解析衰变时释放出电子(01e)，衰变时释放出氦原子核(He)，可知选项B、D错误；选项A中一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反应；选项C中一个U 235原子核吸收一个中子，生成一个Ba原子核和一个Kr原子核并释放出三个中子是核裂变反应，A、C正确。答案AC1.(多选)氢有三种同位素，分别是氕(H)、氘(H)、氚(H)，则()A.它们的质子数相等B.它们的核外电子数相等C.它们的核子数相等D.它们的化学性质相同解析氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和核外电子数均相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，A、B两项正确；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，D正确。答案ABD2.下列有关半衰期的说法正确的是()A.放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快B.放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素的半衰期也变短C.把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度D.降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度解析放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映着放射性元素衰变速度的快慢，若衰变越快，半衰期越短；某种元素的半衰期长短由其本身因素决定，与它所处的物理状态或化学状态无关，故A正确，B、C、D错误。答案A3.图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里。以下判断可能正确的是()A.a、b为粒子的径迹 B.a、b为粒子的径迹C.c、d为粒子的径迹 D.c、d为粒子的径迹解析粒子不带电，不会发生偏转，故B错误；由左手定则可判定，a、b粒子带正电，c、d粒子带负电，又知粒子带正电，粒子带负电，故A、C均错误，D正确。答案D4.医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是()A.示踪原子 B.电离作用C.催化作用 D.贯穿作用解析用14C标记C60来查明元素的行踪，发现可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是作示踪原子，故选项A正确。答案A5.(多选)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：XYHeH4.9 MeV和HHHeX17.6 MeV，下列表述中，正确的是()A.X是中子B.Y的质子数是3，中子数是6C.两个核反应都没有质量亏损D.氘和氚的核反应是核聚变反应解析核反应方程遵守电荷数守恒和质量数守恒，则由HHHeX17.6 MeV知X为n，由XYHeH4.9 MeV知Y为Li，其中Y的质子数是3，中子数也是3，故选项A正确，选项B错误；两个核反应都释放出核能，所以都有质量亏损，故选项C错误；nLiHeH4.9 MeV是原子核的人工转变，HHHen17.6 MeV为轻核聚变，故选项D正确。答案AD基础过关1.重核裂变和轻核聚变是人类利用原子能的两种主要方法，下面有关它们的说法正确的是()A.裂变和聚变的过程都有质量亏损B.聚变过程有质量亏损，聚变过程质量有所增加C.裂变过程质量有所增加，聚变过程有质量亏损D.裂变和聚变过程中质量都有所增加解析重核裂变和轻核聚变都要释放能量，也一定要发生质量亏损，所以选项A正确。答案A2.下列说法正确的是()A.自由核子结合成原子核时，一定遵守质量守恒B.在发生核反应时，反应前物质的总质量一定等于反应后所生成物质的总质量C.发生核反应时，若反应前的总质量大于反应后的总质量，这个反应是放能反应D.发生核反应时，若反应前的总质量大于反应后的总质量，这个反应必定吸收能量解析当自由核子结合成原子核时，一定存在质量亏损；核反应前后一般存在质量的变化，若质量减少则放出能量，反之吸收能量，由此知C正确，A、B、D错误。答案C3.某核反应方程 HHHeX。已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.018 0 u，He的质量为 4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u。则下列说法中正确的是()A.X是质子，该反应释放能量B.X是中子，该反应释放能量C.X是质子，该反应吸收能量D.X是中子，该反应吸收能量解析据质量数守恒，电荷数守恒可判定X为中子，核反应中有质量亏损，则该反应释放能量，答案B正确。答案B4.U经过m次衰变和n次衰变，变成Pb，则()A.m7，n3 B.m7，n4C.m14，n9 D.m14，n18解析衰变过程满足质量数守恒和电荷数守恒。写出核反应方程：UPbmHene根据质量数守恒和电荷数守恒列出方程2352074m，92822mn解得m7，n4，故选项B正确，选项A、C、D错误。答案B5.(多选)氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是m1、m2、m3和m4，如果氘核和氚核结合生成氦核，则下列说法中正确的是()A.核反应方程式为 HHHenB.这是一个裂变反应C.核反应过程中的质量亏损mm1m2m3D.核反应过程中释放的核能E(m1m2m3m4)c2解析由氘核和氚核的结合以及电荷数、质量数守恒可知选项A正确；该核反应为聚变反应，选项B错误；核反应过程中的质量亏损为mm1m2m3m4，选项C错误；由爱因斯坦质能方程可知核反应过程中释放的核能Emc2，可知选项D正确。答案AD6.关于核聚变，以下说法不正确的是()A.与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B.世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C.要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到1015 m以内，核力才能起作用D.地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核解析与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理。但核聚变发电还没有投入实际运行。所以B项是不正确的。答案B7.(多选)(2017浙江4月选考)下列说法正确的是()A.、射线都是电磁波B.原子核中所有核子单独存在时，质量总和大于该原子核的总质量C.在LC振荡电路中，电容器刚放电时电容器极板上电量最多，回路电流最小D.处于n4激发态的氢原子，共能辐射出四种不同频率的光子解析射线是高速移动的电子流，属于实物波，不属于电磁波，故A错误；在核子结合成原子核过程中需要释放出结合能，根据质能方程Emc2，所以结合原子核过程中存在质量损失，故B正确；LC振荡电路中放电之前属于充电过程，电场能逐渐增大，磁场能逐渐减小，回路电流逐渐减小，刚刚开始放电时正好是电场能最大，磁场能最小的时刻，所以回路电流此时最小，故C正确；处于n4激发态的氢原子能释放出C6种频率的光子，故D错误。答案BC8.静止的氮核N被速度为v0的中子n击中生成碳核C和另一种原子核甲，已知C与甲核的速度方向与碰撞前中子的速度方向一致，碰后C核与甲核的动量之比为21。(1)写出核反应方程式；(2)求C与甲核的速度各是多大。解析(1)NnCH。(2)设中子质量为m0，C核质量为mC，甲核质量为m甲，由动量守恒得m0v0mCvCm甲v甲，即m0v012m0vC3m0v甲。又因为C与甲核的动量之比为21，所以mCvC2m甲v甲，即12m0vC23m0v甲，联立解得：vC，v甲。答案(1)NnCH(2)能力提升9.(多选)下列说法正确的是()A.NHCHe是衰变方程B.HHHe是核聚变反应方程C.UThHe是核裂变反应方程D.HeAlPn是原子核的人工转变方程解析本题考查了核反应的相关知识，意在考查考生对天然放射现象、重核裂变、轻核聚变、原子核的人工转变等相关知识的记忆及分析判断能力，选项A、D为原子核的人工转变，选项B为轻核聚变，选项C为原子核的衰变，故选项B、D正确。答案BD10.(多选)下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是()A.BeHe6CXB.7NHe8OXC.HgnPt2HXD.UNpX解析由于在核反应中反应前后满足电荷数和质量数守恒，可由已知粒子的电荷数和质量数依据守恒原则确定未知粒子的电荷数和质量数，由此确定该粒子。A项中反应前、后电荷数和质量数分别满足660、94121。即X的电荷数为0，质量数为1，即为中子，A正确；同理，C正确。答案AC11.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为()HCNQ1，HNCXQ2方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核HHeHeCNN质量/u1.007 83.016 04.002 612.000 013.005 715.000 1以下推断正确的是()A.X是He，Q2Q1 B.X是He，Q2Q1C.X是He，Q2Q1 D.X是He，Q2Q1解析根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X的质量数为4、电荷数为2，即X是He；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q1Q2。答案B12.三个粒子结合成一个碳C，已知碳原子的质量为12.000 0 u，氦原子质量为4.002 6 u。(1)写出核反应方程；(2)这个核反应放出的能量是多少焦？(3)这个能量合多少MeV?解析(1)3HeCE。(2)m34.002 6 u12.000 0 u0.007 8 u，m0.007 81.661027 kg12.9481030 kg，Emc21.1651012 J。(3)E eV7.28106 eV7.28 MeV。答案(1)3HeCE(2)1.1651012 J(3)7.28 MeV15