高中物理 19_7《原子核》整合与评价学案 新人教版选修3-5

课时19.7原子核整合与评价1.知道原子核的组成。知道放射性和原子核的衰变。会用半衰期描述衰变速度，知道半衰期的统计意义。2.了解放射性同位素的应用。知道射线的危害和防护。3.知道核力的性质。会根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程。4.认识原子核的结合能。知道裂变反应和聚变反应。5.知道链式反应的发生条件。了解裂变反应堆的工作原理及常用裂变反应堆的类型。知道核电站的工作模式。了解核能的利用。6.初步了解恒星的演化。初步了解粒子物理学的基础知识。主题1：探究粒子情景：粒子(particle)是指能够以自由状态存在的最小物质组分。最早发现的粒子是电子和质子，1932年又发现了中子，确认原子由电子、质子和中子组成，它们比起原子来是更为基本的物质组分，于是称之为基本粒子。此后发现越来越多的这类粒子，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势;此外，这些粒子中的有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构，有些粒子实验显示具有明显的内部结构。看来这些粒子并不属于同一层次，因此基本粒子一词已成为历史，如今统称之为粒子。问题：(1)是谁最先发现了电子、质子和中子?(2)目前人类已经发现了几百种粒子，人们将这些粒子分为哪几大类?分类标准是什么?(3)粒子的运动可以用牛顿运动定律来描述吗?主题2：探究衰变的能量情景：如图所示，当一个静止的原子核X发生衰变时，会释放一个粒子，粒子的速率大约是真空中光速的倍(即0.1c)。同时由于反冲运动，新产生的原子核Y获得相反方向的速度，因此也获得动能。问题：(1)粒子与新核的能量来自什么?(2)如果新核Y的质量数是200，那么你能估计出新核的反冲速率大约是真空中光速c的多少倍吗?(3)如果近似取每个核子的质量为mp=1.6710-27kg，假设新核Y的动能全部以光子的形式释放出去，那么这个光子的频率约为多少(h=6.610-34 Js，结果保留2位有效数字)?主题3：探究质量亏损与质量数守恒情景：原子核的质量总是小于组成该核的全部核子独自存在时的总质量，这两者的差额叫作质量亏损。由爱因斯坦的质能方程可知：当一个系统能量有释放或吸收时必伴有质量改变。因而，质量亏损说明当若干个核子从自由状态结合成原子核时要放出能量。问题：(1)什么叫作质量数?质量数反映了什么?(2)我们说原子核衰变、聚变以及裂变时质量数都是守恒的，可是为什么又说出现了质量亏损?主题4：探究热核反应情景：比原子弹威力更大的核武器氢弹，就是利用核聚变来发挥作用的。 核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘、氚等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦的过程，它的光和热就是由核聚变产生的。核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。问题：(1)核子之间存在巨大的核力，为什么要使氘、氚结合还要克服库仑斥力?(2)为什么聚变要在高温下进行?(3)恒星的光和热是怎样产生的?1.(考查对质能方程的理解)关于爱因斯坦质能方程，下列说法中正确的是()A.E=mc2中的E是物体以光速c运动时的动能B.E=mc2表示一定质量的物体与一定能量相对应C.由E=mc2知，在核反应中，亏损的质量m转化成能量E放出D.E=mc2表明在核反应中亏损的静质量转化为动质量，被放出的能量带走2.(考查衰变的规律)在足够大的匀强磁场中，静止的钠的同位素Na发生衰变，沿与磁场垂直的方向释放出一个粒子后，变为一个新核。新核与放出的粒子在磁场中运动的径迹均为圆，如图所示。以下说法正确的是()A.新核为Mg B.发生的是衰变C.轨迹2是新核的径迹 D.新核沿顺时针方向旋转3.(考查核力的特征)在下列论断中，正确的是()A.组成U核的核子中任何两个核子之间都存在不可忽略的核力作用B.组成U核的中子中任何两个中子之间都存在不可忽略的核力作用C.组成U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的库仑斥力作用D.组成U核的质子中任何两个质子之间，除库仑斥力之外都存在不可忽略的核力作用4.(考查核反应及核能)运动的原子核X放出粒子后变成静止的原子核Y。已知X、Y和粒子的质量分别是M、m1和m2，真空中的光速为c，粒子的速度远小于光速。核反应释放的能量全部转化为粒子的动能，求反应后与反应前的总动能之差以及粒子的动能。拓展一：原子核中动量、能量问题在微观领域，粒子的运动依然遵守动量守恒定律，高中阶段在微观领域应用动量守恒定律时我们不考虑粒子质量的变化，可用质量数来代表粒子的质量，对计算结果没有影响。经典物理的其他规律在微观领域则不再适用，粒子获得的动能来源于核反应过程中的质量亏损，虽然质量亏损一般是很小的，但根据质能方程E=mc2可知释放的能量是巨大的。1.在真空中，原来静止的原子核X在进行衰变时，放出粒子的动能为E0。假设衰变后产生的新核用字母Y表示，衰变时产生的能量全部以动能形式释放出来，真空中的光速为c，原子核的质量之比等于质量数之比，原子核的重力不计。(1)写出衰变的核反应方程。(2)求衰变过程中总的质量亏损。拓展二：核能的计算及相关问题在微观领域，我们把C的原子质量的叫作原子质量单位，用符号u来表示。根据爱因斯坦质能方程E=mc2可知，1 u的质量相当于931.5 MeV的能量。如果要计算宏观物质核反应释放的能量，可以先计算单个原子反应的质量亏损释放的能量，再通过计算宏观物质的物质的量来得到参与反应的原子数，从而得出大量宏观物质所释放的能量。2.核聚变以氘、氚等为燃料，具有安全、洁净、资源无限丰富三大优点，是最终解决人类能源危机的最有效手段。当两个氘核聚变时会产生一个中子和氦核(氦的同位素)。已知氘核的质量mD=2.01360 u，氦核的质量mHe=3.0150 u，中子的质量mn=1.0087 u，1 u的质量相当于931.5 MeV的能量。(1)写出聚变方程，并计算释放的核能。(2)若反应前两个氘核的动能都为0.35 MeV，它们正面对撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转化为动能，则产生的氦核和中子的动能各为多大?拓展三：结合能相关问题把一个原子核内的核子分开，需要克服巨大的核力做功，因此需要消耗能量，这个能量叫作结合能。由于逆过程的对称性，结合能也可以理解为多个核子结合为一个原子核时所释放出的能量。由能量与质量之间的对应关系，我们可以知道原子核分离为单个的核子吸收能量，总质量就增大，反之，多个核子结合为一个原子核，释放能量，总质量就减小。3.中子和质子结合成氘核时，质量亏损为m，相应的能量E=mc2=2.2 MeV是氘核的结合能。下列说法正确的是()A.用能量小于2.2 MeV的光子照射静止的氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子B.用能量等于2.2 MeV的光子照射静止的氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零C.用能量大于2.2 MeV的光子照射静止的氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零D.用能量大于2.2 MeV的光子照射静止的氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零参考答案重点难点探究主题1：(1)汤姆孙首先发现电子，卢瑟福首先发现质子，查德威克首先证实中子的存在。(2)人们根据粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为三大类：参与强相互作用的强子;不参与强相互作用的轻子;传递各种相互作用的媒介子。(3)微观粒子具有波动性，单个微观粒子的空间位置是不可预测的，更不可能用牛顿运动定律来描述其运动，但是我们可以知道大量的粒子运动的统计规律。主题2：(1)衰变时所释放的能量来自衰变前后的质量亏损，即E=mc2=(mX-mY-m)c2。(2)根据动量守恒定律mYvY=mv得新核Y的速率vY=v=210-3c。(3)由EkY=mY，EkY=h可得：=Hz=9.11019Hz。主题3：(1)原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，由于质子与中子的质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，我们把这个倍数叫作原子核的质量数，它反映了原子核内核子数的多少。(2)我们说原子核衰变、聚变以及裂变时质量数都是守恒的，其实是说反应前后核子总数是守恒的，而不是质量守恒。由于不同原子核的结合能不同，原子核进行衰变、聚变以及裂变时都会释放能量，根据爱因斯坦提出的质能关系知，放出能量必然伴随着质量亏损。所以我们说核反应时质量数守恒反映的是总的质量几乎不变，而说质量亏损则反映的是出现的极其少量的质量变化，但正是这极其少量的质量亏损导致巨大的能量释放。主题4：(1)核力是短程力，当核子间距超过1.510-15 m时，核力几乎消失，当带正电的氘核与带正电的氚核距离大于1.510-15 m时库仑斥力是巨大的，因此要使氘核与氚核结合首先要克服库仑斥力，使它们的距离小于1.510-15 m，它们才会在核力的作用下结合。(2)由于要克服巨大的库仑斥力，氘核与氚核要有巨大的动能才会“撞”到一起产生聚变。而粒子的热运动与温度有关，温度越高，粒子平均动能越大，因此，在超高温度下，才会发生核聚变。(3)恒星由于内部在不断地进行核聚变而不断地向外辐射光和热。基础智能检测1.BD2.AC3.C4.(M-m1-m2)c2(M-m1-m2)c2全新视角拓展1.(1)XY+He(2)【解析】(1)衰变的核反应方程为：XY+He。(2)根据动量守恒定律，反冲核Y的动量与粒子的动量大小相等根据公式Ek=可知，反冲核Y的动能为Ek1=E0衰变时释放出的总能量为Ek=E0+Ek1=E0根据爱因斯坦的质能方程Ek=mc2 此衰变过程中总的质量亏损m=。2.(1)HHe+n3.26 MeV(2)氦核的动能为0.99 MeV，中子的动能为2.97 MeV【解析】(1)聚变的核反应方程：HHe+n核反应过程中的质量亏损为m=2mD-(mHe+mn)=0.0035 u释放的核能为E=mc2=3.26 MeV。(2)对撞过程动量守恒，由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的动量为0即0=mHevHe+mnvn反应前后总能量守恒，即mHe+mn=E+2Ek0解得：EkHe=0.99 MeV，Ekn=2.97 MeV。3.AD【解析】只有静止的氘核吸收光子能量大于其结合能时，才能分解为一个质子和一个中子，故A项正确，B项错误;根据能量守恒定律，光子能量大于氘核结合能时，多余的能量以核子动能形式呈现，故C项错误，D项正确。