17-18版 第13章 第3节 原子核

第3节原子核

考点一| 原子核的组成放射性元素的衰变

1．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，首先由贝可勒尔发现．天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构．

(2)三种射线

(3)

①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．

②应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等．

③防护：防止放射性对人体组织的伤害．

2．原子核的组成

(1)原子核由质子(11H)和中子(10n)组成，质子和中子统称为核子．质子带正电，中子不带电．

(2)基本关系

①核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数．

②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．

(3)X元素的原子核的符号为A Z X ，其中A表示质量数，Z表示核电荷数．

(4)同位素：具有相同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．

3．原子核的衰变、半衰期 (1)原子核的衰变

①原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变． ②分类

α衰变：A Z X →A －4Z －2Y ＋42He β衰变：A Z X →A Z ＋1Y ＋0－1e

γ衰变：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．

③两个典型的衰变方程

α衰变：238 92U →234 90Th ＋42He β衰变：234 90Th →234 91Pa ＋0－1e.

(2)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．

(3)公式：N 余＝N 原·? ????12t

τ m 余＝m 原·? ????12t τ

t 表示衰变时间 τ表示半衰期．

1．α衰变、β衰变的比较

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A Z X 经过

n 次α衰变和m 次β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A Z X →A ′Z ′Y ＋n 4

2He ＋m

0－1e ，根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程

A ＝A ′＋4n Z ＝Z ′＋2n －m

由以上两式联立解得n ＝A －A ′4，m ＝A －A ′

2＋Z ′－Z 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β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后根据衰变规律确定β衰变的次数．

3．对半衰期的理解

(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少数原子核，无半衰期可言．

(2)根据半衰期的概率，可总结出公式N 余＝N 原? ????12t τ，m 余＝m 原? ?

???

12t

τ.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，τ表示半衰期．

(3)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．

1．(多选)有关原子核的知识，下列说法正确的是( ) A ．原子核可发生β衰变表明原子核中有电子 B ．放射性元素的原子核经过2个半衰期将全部衰变 C ．在核反应中，动量守恒

D ．在核反应中，质量数和电荷数都守恒

CD [原子核发生β衰变的实质是核内中子转化为质子时产生的，并在转化

过程中释放光子，原子核中没有电子，选项A 错误；放射性元素的原子核经过2个半衰期有3

4发生衰变，选项B 错误；在核反应中，系统动量守恒，质量数和电荷数都守恒，选项C 、D 正确．]

2．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13-3-1所示，由此可推知( )

【导学号：81370433】

图13-3-1

A ．②来自于原子核外的电子

B ．①的电离作用最强，是一种电磁波

C ．③的电离作用较强，是一种电磁波

D ．③的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子

D [三种射线均来自于原子核内，A 错误；从图中可看出，一张纸能挡住①射线，则①射线一定是α射线，其贯穿本领最差，电离能力最强，但不是电磁波，而是高速粒子流，B 错误；铝板能挡住②，而不能挡住③，说明③一定是γ射线，其电离能力最弱，贯穿本领最强，是一种电磁波，属于原子核内以能量形式释放出来的以光速运行的高能光子，D 正确．]

3．(多选)(2016·丽水选考模拟)天然放射性元素232 90Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变之后，变成208 82Pb(铅)．下列诊断中正确的是( )

A ．衰变过程共有6次α衰变和4次β衰变

B ．铅核比钍核少8个质子

C ．β衰变所放出的电子来自原子核外

D ．钍核比铅核多24个中子

AB [由于β衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定α

衰变的次数，x＝232－208

4＝6，再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β

衰变的次数，2x－y＝90－82＝8，y＝2x－8＝4，钍232核中的中子数为232－90＝142，铅208核中的中子数为208－82＝126，所以钍核比铅核多16个中子，铅核比钍核少8个质子，由于物质的衰变与元素的化学状态无关，所以β衰变所放出的电子来自原子核内，11n→11H＋0－1e，所以A、B正确．]

4．(2016·浙江4月选考)下列说法中正确的是()

A．波源的频率越高，波速越大

B．温度升高，放射性元素的半衰期不变

C．氢原子吸收光子从低能级跃迁到高能级

D．光发生全反射时，临界角随入射角增大而变大

答案：BC

考点二| 探测射线的方法、放射性的应用与防护、粒子与宇宙

1．探测射线的方法

(1)射线中的粒子会使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和的蒸气会产生雾滴，过热液体会产生气泡．

(2)射线中的粒子会使照相乳胶感光．

(3)射线中的粒子会使荧光物质产生荧光．

2．放射性同位素的应用与防护

(1)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．

(2)放射性同位素的应用

一是应用它的射线．二是作示踪原子．

(3)辐射与安全

人类一直生活在有放射性的环境之中，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．

3．粒子及分类

(1)反粒子

实验中发现，对应着许多粒子都存在质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反的粒子，这些粒子叫做反粒子．例如，电子的反粒子就是正电子．

(2)粒子的分类

按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：

①强子：参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子．

②轻子：不参与强相互作用的粒子，最早发现的轻子是电子．

③媒介子：是传递各种相互作用的粒子．

(3)夸克模型的提出

1964年提出的夸克模型，认为强子是由更基本的夸克组成的．

对探测仪器的理解

(1)威尔逊云室

(2)气泡室

粒子通过过热液体时，在它的周围产生气泡而形成粒子的径迹．

(3)盖革－米勒计数器

①优点：G－M计数器非常灵敏，使用方便．

②缺点：只能用来计数，不能区分射线的种类．

1．在工业生产中，某些金属材料内部出现的裂痕是无法直接观察到的，如果不能够发现它们，可能会给生产带来极大的危害．自从发现放射线以后，就可以利用放射线进行探测，这是利用了()

A．α射线的电离作用

B．β射线的带电性质

C．γ射线的贯穿本质

D．放射性元素的示踪本领

C[放射性同位素的应用是沿着利用它的射线和作为示踪原子两个方向开展的，放射性同位素放出α、β、γ射线，γ射线的贯穿本领最强，可以用来金属探伤，A、B、D错误，C正确．]

2．(多选)(2017·嵊州选考模拟)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的()

A．利用钴60治疗肿瘤等疾病

B．γ射线探伤

C．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况

D．把含有放射性同位素的肥料施给农作物用以检测农作物吸收养分的规律答案：CD

3．关于粒子，下列说法正确的是()

【导学号：81370434】A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子

B．强子都是带电的粒子

C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论

D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

答案：D

4．将威耳逊云室置于磁场中，一个静止在磁场中的放射性同位素原子核3015P 放出一个正电子后变成原子核3014Si，如图所示能近似反映正电子和Si核轨迹的是()

B[把放出的正电子和衰变生成物Si核看成一个系统，衰变过程中系统的动量守恒，放出的正电子的运动方向跟Si核运动方向一定相反．由于它们都带正电荷，在洛伦兹力作用下的运动轨迹是两个外切圆，C、D可排除．

因为洛伦兹力提供向心力，即q v B ＝m v 2

r . 所以做匀速圆周运动的半径r ＝m v

qB .

衰变时，放出的正电子与反冲核Si 的动量大小相等，因此在同一个磁场中做圆周运动的半径与它们的电荷量成反比，即r e r Si

＝q Si q e

＝14

1.可见正电子运动的圆

半径较大．]

考点三| 核力与结合能 核裂变、核聚变

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：

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1.5×10－15 m 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

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．

3．质能方程、质量亏损

爱因斯坦质能方程E ＝mc 2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm ，这就是质量亏损．由质量亏损可求出释放的核能ΔE ＝Δmc 2.

4．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：

235 92U ＋10n →8936Kr ＋144 56Ba ＋310n.

(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． 5．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：

21H ＋31H →42He ＋1

0n ＋

17.6 MeV

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ΔE ＝Δmc 2(Δm 的单位：kg)． (2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量，则ΔE ＝Δm ×931.5 MeV(Δm 的单位：u,1 u ＝1.660 6×10－27 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．

3．核反应的四种类型

(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．

1．(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是( ) A ．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量 B ．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能

C ．铯原子核(133 55Cs)的结合能小于铅原子核(208

82Pb)的结合能

D ．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能

答案：ABC

2．质子、中子和氘核的质量分别为m 1、m 2和m 3.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)( )

【导学号：81370435】

A ．(m 1＋m 2－m 3)c

B ．(m 1－m 2－m 3)c

C ．(m 1＋m 2－m 3)c 2

D ．(m 1－m 2－m 3)c 2

C [由质能方程ΔE ＝Δmc 2，其中Δm ＝m 1＋m 2－m 3 可得ΔE ＝(m 1＋m 2－m 3)c 2，选项C 正确．]

3．(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，表述正确的是( )

A.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应

B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变

C.23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应

D.23592U＋10n→14054Xe＋9438Sr＋210n是α衰变

AC[β衰变时释放出电子(0－1e)，α衰变时释放出氦原子核(42He)，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U235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，选项A、C正确．] 4．(2016·10月浙江选考)用中子(10n)轰击铀核(23592U)产生裂变反应，会产生钡核(14456Ba)和氪核(8936Kr)并释放出中子(10n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(23592U)裂变时，释放的能量约为200 MeV(1 eV＝1.6×10－19 J)，以下说法正确的是()

A.23592U的裂变方程为23592U→14436Ba＋8936Kr＋10n

B.23592U的裂变方程为23592U＋10n→14436Ba＋8936Kr＋310n

C.23592U发生链式反应的条件与铀块的体积有关

D．一个23592U裂变时，质量亏损约为3.6×10－28 kg

BCD[A.由题意，23592U的裂变方程为23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n，故A错误，B正确；C.要发生链式反应，铀块体积必须大于临界体积，故与铀块体积有关，C正确；D.根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，可得质量亏损约为3.6×10－28 kg，故D正确．]