高考物理一轮复习 3.2放射性元素的衰变 核能课件 沪科版选修3-5.ppt

第2讲放射性元素的衰变核能 知识点1原子核的组成 放射性放射性同位素射线的危害和防护 思维激活1 如图甲是 三种射线穿透能力的示意图 图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图 问 1 图甲中到达铝板和到达混凝土的射线各是什么射线 2 图乙中用于金属内部探伤的是哪种射线 解析 1 射线的穿透能力很弱 一张纸就能挡住 射线的穿透能力很强 能穿透几毫米厚的铝板 射线的穿透能力更强 可以穿透几厘米厚的铅板 故到达铝板的为 和 射线 到达混凝土的是 射线 2 只有 射线才具有足够的穿透力 能进行金属内部的伤痕检查 答案 1 和 射线 射线 2 射线 知识梳理 1 天然放射现象 元素自发地放出射线的现象 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 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 射线 射线 射线 原子核 放射性 放射性 4 三种射线的比较 高速电子流 2e c 不偏转 最强 很弱 5 原子核的组成 1 原子核由 和 组成 和 统称为核子 带正电 不带电 2 基本关系 核电荷数 质子数 Z 元素的原子序数 质量数 A 质子数 中子数 3 X元素的原子核的符号为其中A表示 Z表示核电荷数 质子 中子 质子 中子 质子 中子 核外电子数 核子数 质量数 6 放射性同位素的应用与防护 1 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 2 应用 消除静电 工业探伤 作 等 3 防护 防止放射性对人体组织的伤害 天然 人工 示踪原子 知识点2原子核的衰变 半衰期 思维激活2 如图所示 纵坐标表示某放射性物质中未衰变的原子核数 N 与原来总原子核数 N0 的比值 横坐标表示衰变的时间 则由图线可知该放射性物质的半衰期为天 若将该放射性物质放在高温 高压或强磁场等环境中 则它的半衰期将 选填 变长 不变 或 变短 解析 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间叫半衰期 由图线可知放射性物质的半衰期为3 8天 半衰期由元素本身决定 与原子核所处环境 状态无关 所以将该放射性物质放在高温 高压或强磁场等环境中 它的半衰期将不变 答案 3 8不变 知识梳理 1 原子核的衰变 1 原子核放出 粒子或 粒子 变成另一种 的变化称为原子核的衰变 2 分类 衰变 衰变 衰变 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 原子核 3 两个重要的衰变 2 半衰期 1 定义 放射性元素的原子核有 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原子核 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 半数 内部 知识点3核力 结合能 质量亏损 思维激活3 爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出了核能的计算方法 电子与电子的反物质 正电子相遇后 会发生什么现象呢 是不是放出了能量 该怎样计算核能呢 电子质量m 0 91 10 30kg 光速c 3 108m s 解析 正 负电子相遇后发生湮灭现象 之后放出两个光子 可以用公式E mc2计算出每一个光子的能量 E mc2 0 91 10 30 3 108 2J 8 19 10 14J 5 1 105eV 答案 湮灭现象放出了两个光子的能量 利用公式E mc2计算出每个光子的能量为5 1 105eV 知识梳理 1 核力 1 定义 原子核内部 核子间所特有的相互作用力 2 特点 核力是强相互作用的一种表现 核力是短程力 作用范围在1 5 10 15m之内 每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用 2 结合能 核子结合为原子核时 的能量或原子核分解为核子时 的能量 叫作原子核的结合能 亦称核能 释放 吸收 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 知识点4裂变反应和聚变反应 裂变反应堆核反应方程 思维激活4 多选 2013年12月15日 嫦娥三号 着陆器 巡视器分离 如图所示 玉兔号 月球车驶上月球表面 开始了探月征途 科学家发现在月球上含有丰富的 氦3 它是一种高效 清洁 安全的核聚变燃料 其参与的一种核聚变反应的方程式为关于聚变下列表述正确的是 A 聚变反应不会释放能量B 聚变反应产生了新的原子核C 聚变反应会有质量亏损D 目前核电站都采用聚变反应发电 解析 选B C 聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核 聚变过程会有质量亏损 要放出大量的能量 但目前核电站都采用铀核的裂变反应 综上所述 选项B C正确 知识梳理 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 裂变过程中能够放出巨大的能量 裂变的同时能够放出2 3 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 4 链式反应 由重核裂变产生的 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 的最小体积及其相应的质量 6 裂变的应用 核反应堆 7 反应堆构造 核燃料 减速剂 防护层 中子 链式反应 原子弹 镉棒 2 轻核聚变 1 定义 两轻核结合成 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 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 质量较大 热核反应 3 核反应的四种类型 微点拨 1 半衰期的三点提醒 1 半衰期是一个统计规律 对少数原子核不适用 2 原子核质量减少一半与原子核有半数发生衰变概念不同 3 半衰期的大小是由原子核内部自身因素决定的 与外部条件无关 2 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 考点1原子核的衰变半衰期1 衰变 衰变的比较 深化理解 X Y X Y H n n H 2 半衰期 1 半衰期的计算 根据半衰期的概念 可总结出公式N余 N原 t m余 m原 t 式中N原 m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量 N余 m余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 表示半衰期 2 半衰期的理解 半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量 同一放射性元素具有的衰变速率一定 不同的放射性元素半衰期不同 有的差别很大 3 适用条件 半衰期是一个统计规律 是对大量的原子核衰变规律的总结 对于一个特定的原子核 无法确定何时发生衰变 题组通关方案 典题1 2013 大纲版全国卷 放射性元素 经 衰变成为钋 半衰期约为3 8天 但勘测表明 经过漫长的地质年代后 目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素的矿石 其原因是 A 目前地壳中的主要来自于其他放射性元素的衰变B 在地球形成的初期 地壳中元素的含量足够高C 当衰变产物积累到一定量以后 的增加会减慢的衰变进程D 主要存在于地球深处的矿石中 温度和压力改变了它的半衰期 典题解析 选A 元素半衰期的长短由原子核自身因素决定 与原子所处的物理 化学状态以及周围环境 温度无关 C D错 即使元素氡的含量足够高 经过漫长的地质年代 地壳中也几乎没有氡了 一定是来自于其他放射性元素的衰变 故A对 B错 典题2 1 多选 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 典题解析 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m余 m原得0 25mg 4mg 故t 56天 答案 1 A B D 2 正电子56天 加固训练 1 2014 广州模拟 铯137发生衰变的方程是其半衰期约为30年 则 A 式中来自于铯的核外电子B 经过90年后 受铯137污染的土壤将仍含铯137C 升高温度可以有效地加快铯137的衰变速度D 铯137发生的衰变是 衰变 解析 选B 铯的核内中子转变为质子时放出故A错 温度 压强等均不能改变半衰期 C错 半衰期是原子核有半数发生衰变需要的时间 所以90年后 土壤里仍会有铯137 B对 由衰变方程知 铯137发生的是 衰变 故D错 2 1 原子核经放射性衰变 变为原子核继而经放射性衰变 变为原子核再经放射性衰变 变为原子核放射性衰变 和 依次为 A 衰变 衰变和 衰变B 衰变 衰变和 衰变C 衰变 衰变和 衰变D 衰变 衰变和 衰变 2 法国科学家贝可勒尔在1896年发现了天然放射现象 如图反映的是放射性元素铀核衰变的特性曲线 由图可知 铀的半衰期为 年 请在下式的括号中 填入铀在衰变过程中原子核放出的粒子的符号 解析 1 衰变过程中电荷数 质量数守恒 由题意可得衰变方程分别为选项A正确 选项B C D错误 2 根据半衰期的定义 由铀核衰变的特性曲线可知 铀的半衰期为1620年 核反应遵循电荷数守恒 故衰变过程中放出的粒子的电荷数为Z 92 90 2 核反应遵循质量数守恒 故衰变过程中放出的粒子的质量数为A 238 234 4 故铀核在衰变过程中原子核放出的粒子的符号为答案 1 A 2 1620 学科素养升华 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AZX经过n次 衰变和m次 衰变后 变成稳定的新元素A Z Y 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 然后根据衰变规律确定 衰变的次数 考点2核反应类型与核反应方程1 核反应的四种类型 衰变 人工转变 裂变和聚变 2 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连接并表示反应方向 不能用等号连接 3 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 4 核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒 核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化 5 核反应遵循电荷数守恒 深化理解 题组通关方案 典题3 多选 2012 广东高考 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 是核聚变反应B 是 衰变C 是核裂变反应D 是 衰变 典题解析 选A C 两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应 故A对B错 重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应 故C对 原子核放出 或 粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变 原子核的衰变的反应物只有一种 故D错 典题4 2014 宝鸡模拟 静止的氮核被速度为v0的中子击中生成碳核和另一种原子核甲 已知与甲核的速度方向与碰撞前中子的速度方向一致 碰后碳核与甲核的动量之比为1 1 1 写出核反应方程式 2 求与甲核的速度各是多大 典题解析 1 2 设中子质量为m0 核质量为mC 甲核质量为m甲 由动量守恒得m0v0 mCvC m甲v甲即m0v0 12m0vC 3m0v甲又因为与甲核动量比为1 1 所以mCvC m甲v甲即12m0vC 3m0v甲联立以上两个方程 得 答案 1 2 加固训练 1 多选 在下列四个核反应方程中 X表示 粒子的是 解析 选B D 根据质量数守恒和电荷数守恒可知 四个选项中的X分别代表 选项B D正确 2 1 多选 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 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 14488 学科素养升华 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 考点3核能1 质能方程的理解 1 一定的能量和一定的质量相联系 物体的总能量和它的质量成正比 即E mc2 方程的含义 物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系 物体的能量增大 质量也增大 物体的能量减少 质量也减少 2 核子在结合成原子核时出现质量亏损 m 其能量也要相应减少 即 E mc2 3 原子核分解成核子时要吸收一定的能量 相应的质量增加 m 吸收的能量为 E mc2 深化理解 2 核能释放的两种途径的理解 中等大小的原子核的比结合能最大 这些核最稳定 使较重的核分裂成中等大小的核或使较小的核结合成中等大小的核 核子的比结合能都会增加 都可以释放能量 题组通关方案 典题5 2014 钦州模拟 已知氦原子的质量为MHeu 电子的质量为meu 质子的质量为mpu 中子的质量为mnu u为原子的质量单位 且由爱因斯坦质能方程E mc2可知1u对应于931 5MeV的能量 若取真空中的光速c 3 108m s 则两个质子和两个中子聚变成一个氦核 释放的能量为 已知氦原子核外有两个电子 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 典题解析 选C 核反应方程为则质量亏损 m 2 mp mn m氦核 u 所释放的能量为 E m 931 5 MeV 而题中已知氦原子质量为MHeu 氦原子由氦原子核和两个电子组成 所以m氦核 MHe 2me u 则 m 2 mp mn me MHe u C选项正确 典题6 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 典题解析 1 衰变方程为 或合起来有 2 上述衰变过程的质量亏损为 m mPu mU m 放出的能量为 E m c2 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 可得EU E mPu mU m c2 E 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 又由动能的定义知 由 式得 由 式得E mPu mU m c2 E 代入题给数据得E 5 034MeV答案 1 2 5 034MeV 加固训练 1 已知氘核的平均结合能为1 1MeV 氦核的平均结合能为7 1MeV 则两个氘核结合成一个氦核时 A 释放出4 9MeV的能量B 释放出6 0MeV的能量C 释放出24 0MeV的能量D 吸收4 9MeV的能量 解析 选C 根据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为由于氘核的平均结合能为1 1MeV 氦核的平均结合能为7 1MeV 故结合前氘核的能量为E1 2 1 1MeV 结合后氦核的能量为E2 4 7 1MeV 故 E 2E1 E2 24 0MeV 负号表示释放能量 选项C正确 2 2012 新课标全国卷 氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量 该反应方程为式中x是某种粒子 已知 和粒子x的质量分别为2 0141u 3 0161u 4 0026u和1 0087u 1u c是真空中的光速 由上述反应方程和数据可知 粒子x是 该反应释放出的能量为MeV 结果保留3位有效数字 解析 根据质量数和电荷数守恒可得x是 中子 核反应中的质量亏损为 m 2 0141u 3 0161u 4 0026u 1 0087u 0 0189u所以该反应释放出的能量为 E m c2 17 6MeV答案 或中子 17 6