（全国版）2019版高考物理一轮复习 第13章 近代物理初步 第49课时 原子核及核反应学案

第49课时原子核及核反应考点1原子核的衰变与半衰期1原子核的衰变(1)原子核放出粒子或，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。(2)分类：衰变：XYHe；衰变：XYe；辐射：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生衰变，有的发生衰变，同时伴随着辐射。(3)两个典型的衰变方程：衰变：UThHe。衰变：ThPae。2三种射线的比较3半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。1下列说法中正确的是()A贝克勒尔发现了铀和含铀矿物的天然放射现象，从而揭示出原子核具有复杂结构B太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应C把放射性元素放入温度很低的冷冻室中，其衰变变慢，半衰期变长D利用射线的贯穿性可以为金属探伤，也可以进行人体的透视答案A解析贝克勒尔发现了铀和含铀矿物的天然放射现象，从而揭示出原子核具有复杂结构，拉开了人们认识原子核的序幕，A正确；太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核聚变反应，B错误；放射性元素的半衰期与外界条件无关，C错误；利用射线的贯穿性可以为金属探伤，不能对人体进行透视，因为射线对人体细胞有伤害，D错误。2如图所示，放射性元素镭衰变过程中释放出、三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是()A表示射线，表示射线B表示射线，表示射线C表示射线，表示射线D表示射线，表示射线答案C解析射线为电磁波，不带电，在电场、磁场中均不偏转，故和表示射线，A、B、D错误；射线中的粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故表示射线，由左手定则可知在匀强磁场中射线向左偏，故表示射线；射线带负电，同理可以分析和表示射线。C正确。3(多选)在垂直于纸面的匀强磁场中，有一原来静止的原子核，该核衰变后，放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹分别如图所示，由图可以判定()A该核发生的是衰变B该核发生的是衰变C磁场方向一定垂直纸面向里D磁场方向向里还是向外不能判定答案BD解析原来静止的核，放出粒子后，总动量守恒，所以粒子和反冲核的速度方向一定相反，根据图示，它们在同一磁场中是向同一侧偏转的，由左手定则可知它们必带异种电荷，故应为衰变；由于不知它们的旋转方向，因而无法判定磁场是向里还是向外，即都有可能，故B、D正确。考点2核反应类型与核反应方程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)特点：裂变过程中释放出巨大能量。裂变的同时能够释放出23(或更多)个中子。裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小。(3)典型的裂变反应方程：UnKrBa3n。(4)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。(5)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。(6)裂变的应用：原子弹、核反应堆。(7)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)特点：聚变过程放出大量的能量，平均每个核子放出的能量，比裂变反应中每个核子放出的能量大3至4倍。聚变反应比裂变反应更剧烈。对环境污染较少。自然界中聚变反应原料丰富。(3)典型的聚变反应方程：HHHen17.6 MeV3人工转变(1)卢瑟福发现质子：NHeOH。(2)查德威克发现中子：BeHeCn。1中国最新一代“人造太阳”实验装置，于2006年9月28日在合肥成功放电，这是世界首个投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。“人造太阳”以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，由于它和太阳产生能量的原理相同，都是热核聚变反应，所以被外界称为“人造太阳”。你认为“人造太阳”中所涉及的核反应方程是()A.UnSrXe10nB.NHOHC.HHHenD.UThHe答案C解析聚变反应是质量较轻的核聚变生成质量较大的核，由题目知C正确，故选C。2关于重核的裂变，以下说法正确的是()A核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C重核裂变释放大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少D重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能答案D解析重核裂变释放的能量来源于质量亏损，其能量远大于俘获中子吸收的能量，A错误、D正确；只有铀块体积大于临界体积才能发生链式反应，否则中子穿过铀块也不会发生，B错误；重核裂变遵循质量数守恒，C错误。3(2016全国卷)在下列描述核过程的方程中，属于衰变的是_，属于衰变的是_，属于裂变的是_，属于聚变的是_。(填正确答案标号)A.CNeB.PSeC.UThHeD.NHeOHE.UnXeSr2nF.HHHen答案CABEF解析天然放射性元素自发地放出粒子(即氦核He)的衰变属于衰变；放出粒子的衰变属于衰变；重核分裂成几个中等质量原子核的现象为核裂变；轻原子核聚合成较重原子核的反应为核聚变。D属于人工转变。考点3核能1核力(1)定义：原子核内部核子间特有的相互作用力。(2)核力的特点：是强相互作用的一种表现；是短程力，作用范围在1.51015 m之内；每个核子只能与其相邻的核子发生核力作用。2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，也称核能。3比结合能(1)定义：原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能。(2)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。4质能方程、质量亏损：爱因斯坦质能方程是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。例用速度大小为v的中子轰击静止的锂核Li，发生核反应后生成氚核和粒子，生成的氚核速度方向与中子的速度方向相反，氚核与粒子的速度之比为78，中子的质量为m，质子的质量可近似看作m，光速为c。(1)写出核反应方程；(2)求氚核和粒子的速度大小；(3)若核反应过程中放出的核能全部转化为粒子和氚核的动能，求出质量亏损。解析(1)根据质量数守恒与电荷数守恒，则有核反应方程为：nLiHHe。(2)由动量守恒定律得：mnvmHv1mHev2由题意得：v1v278解得v1，v2。(3)氚核和粒子的动能之和为：Ek3mv4mvmv2释放的核能为：EEkEknmv2mv2mv2由爱因斯坦质能方程Emc2得，质量亏损为m。答案(1)nLiHHe(2)(3)(1)应用质能方程解题的流程图根据Emc2计算，计算时m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E的单位是“J”。根据Em931.5 MeV计算，因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，所以计算时m的单位是“u”，E的单位是“MeV”。(2)根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能核子比结合能核子数。(3)利用质能方程计算核能时，不能用质量数代替质量进行计算。1核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少，我国在完善核电安全基础上将加大核电站建设规模，核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素，它可破坏细胞基因，提高罹患癌症的风险。已知钚的一种同位素Pu的半衰期为24100年，其衰变方程为PuXHe，下列有关说法正确的是()AX原子核中含有92个中子B100个Pu经过24100年后一定还剩余50个C由于衰变时释放巨大能量，根据Emc2，衰变过程总质量增加D衰变发出的射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力答案D解析根据核反应方程遵循的规律，X原子核中含有92个质子，235个核子，143个中子，A错误。半衰期是对大量原子核衰变的统计规律，100个Pu经过24100年后不一定还剩余50个，B错误。由于衰变时释放巨大能量，衰变过程总质量减少，放出粒子的质量和生成新核的质量之和小于衰变前核的质量，C错误。衰变发出的射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力，D正确。2“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)是我国自行研制的可控热核反应实验装置。设该实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c。下列说法中不正确的是()A这种装置中发生的核反应方程式是HHHenB由核反应过程质量守恒可知m1m2m3m4C核反应放出的能量等于(m1m2m3m4)c2D这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同答案B解析可控热核反应装置中发生的核反应方程式是HHHen，故A正确；核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1m2m3m4，故B错误；核反应过程中的质量亏损mm1m2m3m4，释放的核能Emc2(m1m2m3m4)c2，故C正确；这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变，它们的核反应原理不相同，故D正确。3某些建筑材料可产生放射性气体氡，氡可以发生或衰变。原来静止的氡核(Rn)发生一次衰变生成新核钋(Po)。取氡核的质量mRn222.0176 u，钋核的质量mPo218.0090 u，粒子的质量m4.0026 u，已知1 u相当于931.5 MeV。(1)写出衰变的核反应方程；(2)该衰变反应中释放出的核能。(结果保留两位有效数字)答案(1)RnPoHe(2)5.6 MeV解析(1)衰变方程为：RnPoHe。(2)该核衰变反应的质量亏损mmRnmPom0.006 u释放的核能E0.006931.5 MeV5.6 MeV。1(2017天津联考)下列说法正确的是()A根据天然放射现象，卢瑟福提出了原子核式结构B一个氢原子从n3能级跃迁到n2能级，该氢原子吸收光子，能量增加C铀(U)经过多次、衰变形成稳定的铅(Pb)的过程中，有6个中子转变成质子D机场、车站等地进行安全检查时，能轻而易举地窥见箱内物品，利用了射线较强的穿透能力答案C解析卢瑟福提出原子的核式结构的实验依据是粒子散射实验，A错误；氢原子从n3能级跃迁到n2能级，氢原子要放出光子，能量减小，B错误；分析可得铀经过8次衰变和6次衰变形成了稳定的铅，而衰变的本质就是中子转变成质子时释放出电子的过程，故C正确；机场、车站等地进行安全检查，利用的是X射线的穿透本领，D错误。2下列说法正确的是()A从高空对地面进行遥感摄影是利用紫外线有良好的穿透能力B玻尔对氢原子光谱的研究导致原子的核式结构模型的建立C衰变的实质是一个中子转化为一个质子和一个电子D目前核电站利用的是核裂变释放的核能答案D解析从高空对地面进行遥感摄影是利用红外线有良好的穿透能力，A错误；卢瑟福根据粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，B错误；衰变的实质是一个中子转化为一个质子和一个电子，C错误；目前核电站利用的是核裂变释放的核能，D正确。314C测年法是利用14C衰变规律对古生物进行年代测定的方法。若以横坐标t表示时间，纵坐标m表示任意时刻14C的质量，m0为t0时14C的质量，下面四幅图中能正确反映14C衰变规律的是()答案C解析由于每经过一个半衰期T,14C的质量减少一半，所以mm0，C正确。4(多选)下列哪些现象能说明放射线来自原子核()A三种射线的能量都很高B放射线的强度不受温度、外界压强等物理条件的影响C元素的放射性与所处的化学状态(单质、化合态)无关D射线、射线都是带电的粒子流答案BC解析能说明放射线来自原子核的证据是，元素的放射性与其所处的化学状态和物理状态无关，B、C正确。5(多选)关于质子与中子，下列说法正确的是()A原子核(除氢核外)由质子和中子构成B质子和中子统称为核子C卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在D卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在答案ABC解析原子核内存在质子和中子，中子和质子统称为核子，卢瑟福只发现了质子，以后又预言了中子的存在，A、B、C正确。6(多选)地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定，推算出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半。铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的原子总数，由此可以判断出()A铀238的半衰期为90亿年B地球的年龄大致为45亿年C被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为14D被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为13答案BD解析由题意、半衰期的含义及铀238衰变后含量随时间的变化规律图象可知：铀238的半衰期和地球的年龄均大致为45亿年，被测定的古老岩石样品在90亿年时铀原子数的相对值为0.25，即占总原子数的，由此可推得其中铅占原子数的，铀、铅原子数之比约为13。B、D正确。7(多选)以下是有关近代物理内容的若干叙述，其中不正确的是()A原子核发生一次衰变，该原子外层就失去一个电子B按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，但原子的能量增大C核衰变中，光子是衰变后转变的新核辐射的D比结合能小的原子核结合成或分解成比结合能大的原子核时一定吸收核能答案AD解析衰变的实质是原子核内的一个中子转为一个质子和一个电子，电子释放出来，不是来自核外电子，故A错误；按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，但原子的能量增大，B正确；核衰变中，衰变后转变的新核不稳定，放出能量才能变得稳定，能量以光子的形式放出，C正确；比结合能小的原子核结合成或分解成比结合能大的原子核时会出现质量亏损，根据爱因斯坦质能方程得知，一定释放核能，故D错误。8以下是物理学史上3个著名的核反应方程xLi2yyNxOyBezCx、y和z是3种不同的粒子，其中z是()A粒子 B质子 C中子 D电子答案C解析将前2个核反应方程化简消去x，得y是He，结合第3个方程由质量数守恒、电荷数守恒可知z是中子n，C正确。9(2017全国卷)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是：HHHen，已知H的质量为2.0136 u，He的质量为3.0150 u，n的质量为1.0087 u,1 u931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为()A3.7 MeV B3.3 MeV C2.7 MeV D0.93 MeV答案B解析释放的核能Emc2(2mHmHemn)c20.0035931 MeV3.3 MeV，B正确。10(2017全国卷)一静止的铀核放出一个粒子衰变成钍核，衰变方程为UThHe。下列说法正确的是()A衰变后钍核的动能等于粒子的动能B衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小C铀核的半衰期等于其放出一个粒子所经历的时间D衰变后粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案B解析静止的铀核在衰变过程中遵循动量守恒，系统的总动量为零，因此衰变后产生的钍核和粒子的动量等大反向，即pThp，B正确。钍核和粒子的质量不等，因此衰变后钍核和粒子的动能不等，A错误。半衰期是有一半铀核衰变所用的时间，并不是一个铀核衰变所用的时间，C错误。由于衰变过程释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知，衰变过程有质量亏损，D错误。11(2015天津高考)物理学重视逻辑，崇尚理性，其理论总是建立在对事实观察的基础上。下列说法正确的是()A天然放射现象说明原子核内部是有结构的B电子的发现使人们认识到原子具有核式结构C粒子散射实验的重要发现是电荷是量子化的D密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的答案A解析天然放射现象说明原子核是可分的，即核内部是有结构的，A项正确；电子的发现使人们认识到原子是可分的，B项错误；粒子散射实验的重要发现是原子具有核式结构，C项错误；密立根油滴实验精确地测出了电子的电荷量，原子光谱的分立性表明原子核外电子轨道是不连续的，D项错误。12(2017江苏高考)(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的有()A.He核的结合能约为14 MeVB.He核比Li核更稳定C两个H核结合成He核时释放能量D.U核中核子的平均结合能比Kr核中的大答案BC解析He核有4个核子，由比结合能图线可知，He核的结合能约为28 MeV，A错误。比结合能越大，原子核越稳定，B正确。两个H核结合成He核时，核子的比结合能变大，结合时要放出能量，C正确。由比结合能图线知，U核中核子平均结合能比Kr核中的小，D错误。13(2015江苏高考)(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，U是核电站常用的核燃料。U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分，并产生_个中子，要使链式反应发生，裂变物质的体积要_(选填“大于”或“小于”)它的临界体积。(2)取质子的质量mp1.67261027 kg，中子的质量mn1.67491027 kg，粒子的质量m6.64671027 kg，光速c3.0108 m/s。请计算粒子的结合能。(结果保留两位有效数字)答案(1)3大于(2)4.31012 J解析(1)核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方程为：UnBaKr3n，即产生3个中子。临界体积是发生链式反应的最小体积，要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积。(2)组成粒子的核子与粒子的质量差为m(2mp2mn)m结合能Emc2代入数据得E4.31012 J。14(2017北京高考)在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个静止的放射性原子核发生了一次衰变。放射出的粒子(He)在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为R。以m、q分别表示粒子的质量和电荷量。(1)放射性原子核用X表示，新核的元素符号用Y表示，写出该衰变的核反应方程；(2)粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流，求圆周运动的周期和环形电流大小；(3)设该衰变过程释放的核能都转化为粒子和新核的动能，新核的质量为M，求衰变过程的质量亏损m。答案(1)XYHe(2)(3)解析(1)XYHe。(2)设粒子的速度大小为v，由qvBm，T，得粒子在磁场中运动周期T环形电流大小I。(3)由qvBm得v设衰变后新核Y的速度大小为v，系统动量守恒Mvmv0v由mc2Mv2mv2得m说明：若利用Mm解答，亦可。12