高中物理2.2《放射性元素的衰变核能》课件（教科版）选修3-5

欢迎进入物理课堂 第2讲放射性元素的衰变核能 考点1三种射线 两种衰变 1 天然放射现象 1 天然放射现象 元素 地放出射线的现象 首先由贝可勒尔发现 天然放射现象的发现 说明 具有复杂的结构 自发 原子核 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 具有放射性的元素叫 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 4 放射性同位素的应用与防护 放射性同位素 有 放射性同位素和 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 等 防护 防止放射性对人体组织的伤害 放射性 放射性 射线 射线 射线 天然 人工 示踪原子 2 原子核的衰变 1 原子核放出 粒子或 粒子 变成另一种 的变化称为 的衰变 2 分类 衰变 衰变 3 半衰期 放射性元素有 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 无关 原子核 原子核 半数 物理 化学状 态 1 三种射线的比较 射线名称 比较项目 射线 射线 射线 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流 高频电磁波 带电量 2e e 0 质量 4mp 静止质量为零 符号 射线名称 比较项目 射线 射线 射线 速度 可达0 1c 可达0 99c c 垂直进入电场或磁场的偏转情况 偏转 偏转 不偏转 贯穿本领 最弱 较强 最强 对空气的电离作用 很强 较弱 很弱 2 衰变 衰变的比较 衰变类型 衰变 衰变 衰变方程 衰变实质 2个质子和2个中子结合成一个整体射出 1个中子转化为1个质子和1个电子 匀强磁场中轨迹形状 衰变规律 电荷数守恒 质量数守恒 动量守恒 3 对半衰期的两点说明 1 根据半衰期的概念 可总结出公式N N0e t m m0e t 式中N0 m0表示衰变前的放射性元素的原子数和质量 N m表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量 t表示衰变时间 为衰变常数 2 影响因素 放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的 跟原子所处的物理状态 如温度 压强 或化学状态 如单质 化合物 无关 考点2核反应的四种类型 核反应的四种类型比较 类型 可控性 核反应方程典例 衰变 衰变 自发 衰变 自发 人工转变 人工控制 约里奥 居里夫妇发现放射性同位素及正电子 重核裂变 比较容易进行人工控制 轻核聚变 除氢弹外无法控制 类型 可控性 核反应方程典例 关于核反应的三点说明 1 核反应过程一般都是不可逆的 所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向 不能用等号连接 2 核反应的生成物一定要以实验为基础 不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程 3 核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒 遵循电荷数守恒 考点3核能 1 核能分散的核子结合成原子核的过程中所 出的能量 释放 2 质能方程 质量亏损爱因斯坦质能方程E 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 E mc2 mc2 1 对核力的三点说明 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 5 10 15m之内 3 每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用 2 结合能与比结合能 1 结合能 把构成原子核的结合在一起的核子分开所需的能量 2 比结合能 定义 原子核的结合能与核子数之比 称做比结合能 也叫平均结合能 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 3 获得核能的途径 1 重核裂变 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 特点 a 裂变过程中能够放出巨大的能量 b 裂变的同时能够放出2 3 或更多 个中子 c 裂变的产物不是惟一的 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 典型的分裂方程 2 轻核聚变 定义 某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程 特点 a 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 b 聚变反应比裂变反应更剧烈 c 对环境污染较少 d 自然界中聚变反应原料丰富 典型的聚变方程 衰变与其射线 例证1 2011 重庆高考 核电站核泄漏的污染物中含有碘131和铯137 碘131的半衰期约为8天 会释放 射线 铯137是铯133的同位素 半衰期约为30年 发生衰变时会辐射 射线 下列说法正确的是 A 碘131释放的 射线由氦核组成B 铯137衰变时辐射出的 光子能量小于可见光光子能量C 与铯137相比 碘131衰变更慢D 铯133和铯137含有相同的质子数 解题指南 解答本题时要把握以下三点 1 半衰期的长短代表了衰变的快慢 2 光子能量大小由频率高低决定 3 同位素的核电荷数相同 自主解答 选D 射线是高速运动的电子流 不是氦原子核 A错误 射线的频率大于可见光的频率 根据E hv可知 射线光子能量大于可见光光子能量 B错误 半衰期越短 衰变越快 C错误 铯133和铯137都是铯元素 是质子数相同而中子数不同的同位素 所以D正确 总结提升 解答本题关键在于搞清三种射线的性质 以及半衰期及同位素的概念 对易错选项及错误原因具体分析如下 核反应类型与核反应方程 例证2 2011 北京高考 表示放射性元素碘衰变的方程是 A B C D 解题指南 解答本题时要把握以下两点 1 在原子核衰变过程中 质量数守恒 电荷数守恒 2 衰变是原子核放出高速电子流 自主解答 选B 碘的原子核内一个中子放出一个电子 变成一个质子 质量数没有发生变化 核电荷数增加1 所以生成54号元素放出一个电子 B选项正确 总结提升 核反应方程的书写方法 1 熟记常见基本粒子的符号 是正确书写核反应方程的基础 如质子中子 粒子 粒子正电子氘核氚核等 2 掌握核反应方程遵守的规律 是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据 所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律 3 熟悉核反应的四种基本类型 可以帮助我们理清思路 很快写出正确的核反应方程 与核能相关的综合问题 例证3 12分 钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态 粒子 而铀核激发态立即衰变为铀核并放出能量为0 097MeV的 光子 已知 和 粒子的质量分别为mPu 239 0521u mU 235 0439u和m 4 0026u 1u 931 5MeV c2 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 解题指南 解答本题时可按以下思路分析 计算质量亏损 计算核能 E mc2 由动量守恒 能量守恒求氦核动能 规范解答 1 衰变方程为 1分 1分 或合起来有 2 上述衰变过程的质量亏损为 m mPu mU m 1分 放出的能量为 E m c2 1分 E是铀核的动能EU 粒子的动能E 和 光子的能量E 之和 E EU E E 1分 可得EU E mPu mU m c2 E 1分 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mUvU m v 1分 又由动能的定义知 2分 由 式得 1分 由 式得代入题给数据得E 5 034MeV 2分 总结提升 计算核能的几种方法 1 根据 E mc2计算 计算时 m的单位是 kg c的单位是 m s E的单位是 J 2 根据 E m 931 5MeV计算 因1原子质量单位 u 相当于931 5MeV的能量 所以计算时 m的单位是 u E的单位是 MeV 3 根据平均结合能来计算核能原子核的结合能 平均结合能 核子数 4 有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算 此时应注意动量 动能关系式p2 2mEk的应用 1 2011 浙江高考 关于天然放射现象 下列说法正确的是 A 射线是由氦原子核衰变产生B 射线是由原子核外电子电离产生C 射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D 通过化学反应不能改变物质的放射性 解题指南 解答本题时应注意理解 1 天然放射现象中三种射线的产生机理 2 影响天然放射现象的因素 解析 选D 射线是在 衰变中产生的 本质是氦核 A错误 射线是在 衰变中产生的 本质是高速电子束 B错误 射线是发生 衰变和 衰变时原子核发生能级跃迁而产生的电磁波 C错误 物质的放射性由原子核内部自身的因素决定 与原子所处的化学状态和外部条件无关 D正确 2 2011 上海高考 天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示 由此可推知 A 来自于原子核外的电子B 的电离作用最强 是一种电磁波C 的电离作用较强 是一种电磁波D 的电离作用最弱 属于原子核内释放的光子 解析 选D 从穿透能力上看 能穿透铝板进入铅板 必然是 射线 射线是原子核内发出的高频光子 属于电磁波 电离作用弱 故D正确 C错误 能穿透纸板进入铝板 必然是 射线 是原子核内发射出的电子流 A错误 纸板能够挡住 则 是 射线 它的电离作用最强 但它是氦原子核 不是电磁波 B错误 3 14C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t 0时14C的质量 下面四幅图中能正确反映14C衰变规律的是 解析 选C 由公式并结合数学知识可知C正确 4 原子核与氘核反应生成一个 粒子和一个质子 由此可知 A A 2 Z 1B A 2 Z 2C A 3 Z 3D A 3 Z 2 解析 选D 写出核反应方程 由质量数守恒和电荷数守恒 列方程 A 2 4 1 Z 1 2 1 解得 A 3 Z 2 故选项D正确 5 1 关于核衰变和核反应的类型 下列表述正确的有 A 是 衰变B 是 衰变C 是轻核聚变D 是重核裂变 2 现有四个核反应 A B C D 是发现中子的核反应方程 是研究原子弹的基本核反应方程 是研究氢弹的基本核反应方程 求B中X的质量数和中子数 解题指南 弄清衰变 人工转变 裂变 聚变的区别并熟记典型的核反应方程 在此基础上求解此题 解析 1 选A C 衰变是原子核自发地放出 或 粒子的核反应 衰变方程的特点是箭头的左边只有一个原子核 箭头的右边出现 或 粒子 聚变反应的特点是箭头的左边是两个轻核 箭头的右边是较大质量的原子核 裂变方程的特点是箭头的左边是重核与中子反应 箭头右边是中等质量的原子核 综上所述 A C正确 2 人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核 箭头的右边也是常见元素的原子核 D是查德威克发现中子的核反应方程 B是裂变反应 是研究原子弹的核反应方程 A是聚变反应 是研究氢弹的核反应方程 由电荷数守恒和质量数守恒可以判定 X质量数为144 电荷数为56 所以中子数为144 56 88 答案 1 A C 2 DBA 见解析 6 1 钍 经过一系列 衰变和 衰变 变成 铅 以下说法正确的是 A 铅核比钍核少8个质子B 铅核比钍核少16个中子C 共经过4次 衰变和6次 衰变D 共经过6次 衰变和4次 衰变 2 约里奥 居里夫妇发现放射性元素衰变成的同时放出另一种粒子 这种粒子是 是的同位素 被广泛应用于生物示踪技术 1mg的随时间衰变的关系如图所示 请估算4mg的经多少天的衰变后还剩0 25mg 解析 1 选A B D 设 衰变次数为x 衰变次数为y 由质量数守恒和电荷数守恒得232 208 4x 90 82 2x y 解得x 6 y 4 C错D对 铅核 钍核的质子数分别为82 90 故A对 铅核 钍核的中子数分别为126 142 故B对 2 写出衰变方程为故这种粒子为 正电子 由m t图知的半衰期为14天 由得0 25mg 4mg 故t 56天 答案 1 A B D 2 正电子56天 总结提升 衰变次数的确定方法方法一 确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律 设放射性元素经过n次 衰变和m次 衰变后 变成稳定的新元素 则表示该核反应的方程为 根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A A 4nZ Z 2n m由以上两式联立解得由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组 方法二 因为 衰变对质量数无影响 可先由质量数的改变确定 衰变的次数 然后再根据衰变规律确定 衰变的次数 7 2011 江苏高考 1 下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中 符合黑体辐射实验规律的是 2 按照玻尔原子理论 氢原子中的电子离原子核越远 氢原子的能量 选填 越大 或 越小 已知氢原子的基态能量为E1 E1 0 电子质量为m 基态氢原子中的电子吸收一频率为v的光子被电离后 电子速度大小为 普朗克常量为h 3 有些核反应过程是吸收能量的 例如 在中 核反应吸收的能量Q mO mH mX mN c2 在该核反应方程中 X表示什么粒子 X粒子以动能Ek轰击静止的核 若Ek Q 则该核反应能否发生 请简要说明理由 解题指南 解答本题时注意理解以下三点 1 黑体辐射强度随温度变化的特点 2 玻尔理论内容 3 核反应的特点以及核能的计算 解析 1 选A 随着温度的升高 辐射强度增加 辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动 A对 2 根据玻尔理论 氢原子中电子离原子核越远 氢原子能量越大 根据能量守恒定律知道 所以电子速度为 3 根据核反应的规律即质量数和电荷数守恒 X的电荷数是2 质量数是4 X表示因为粒子碰撞为完全弹性碰撞 应同时满足能量守恒和动量守恒 而X粒子以动能Ek轰击静止的核 若Ek Q 说明碰后两个粒子的动量都变为零了 不能同时满足能量守恒和动量守恒 所以不能发生 答案 1 A 2 越大 3 不能发生 因为不能同时满足能量守恒和动量守恒 8 2012 泰州模拟 2008年北京奥运会场馆周围80 90 的路灯利用太阳能发电技术来供电 奥运会90 的洗浴热水采用全玻真空太阳能集热技术 科学研究发现太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应 即在太阳内部4个氢核转化成一个氦核和两个正电子并放出能量 已知质子质量mp 1 0073u 粒子的质量m 4 0015u 电子的质量me 0 0005u 1u的质量相当于931 5MeV的能量 1 写出该热核反应方程 2 一次这样的热核反应过程中释放出多少MeV的能量 结果保留四位有效数字 解析 2 m 4mp m 2me 4 1 0073u 4 0015u 2 0 0005u 0 0267u E mc2 0 0267u 931 5MeV u 24 87MeV答案 1 2 24 87MeV 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全