第五章 原子核 知識點-高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

選修三：第五章：原子核、放射性元素衰變、核力結(jié)合能、核裂變、核聚變原子核組成一、天然放射現(xiàn)象及三種射線1．天然放射現(xiàn)象(1)1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)具有放射性。(2)①放射性：物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)。②放射性元素：具有放射性的元素。③天然放射現(xiàn)象：放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象。(3)原子序數(shù)大于或等于83的元素，都能自發(fā)地發(fā)出射線，原子序數(shù)小于83的元素，有的也能放出射線。(4)居里夫婦發(fā)現(xiàn)了兩種放射性更強的新元素，命名為釙、鐳。2．三種射線射線種類實質(zhì)速度穿透本領(lǐng)電離作用α射線α粒子是氦原子核eq\o\al(4,2)He0.1c穿透能力較差，一張薄紙就能擋住很強β射線β粒子是高速電子流eq\o\al(0,－1)e0.99c穿透能力較強，能穿過幾毫米厚的鋁板較弱γ射線波長很短的電磁波c穿透能力更強，能穿過幾厘米的鉛板幾十厘米混凝土更弱注意：(1)元素的放射性與它以單質(zhì)還是化合物的形式存在無關(guān)，且天然放射現(xiàn)象不受任何物理變化（溫度、壓強）、化學(xué)變化的影響。(2)α射線帶正電、β射線帶負電、γ射線不帶電。(3)α、β是實物粒子，而γ射線是光子流，屬于電磁波的一種。原子核的組成盧瑟?！亮Ｗ愚Z擊氮核——質(zhì)子p——說明原子核可分。N+He→O+11H（p）2．盧瑟?！孪牒藘?nèi)存在與質(zhì)子質(zhì)量相同的中子n。查德維克——實驗證明中子。Be+24He→612C3．原子核的組成：由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電，它們統(tǒng)稱為核子。4．原子核的符號質(zhì)量數(shù)(A)＝核子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)核電荷數(shù)(Z)＝質(zhì)子數(shù)＝元素的原子序數(shù)＝核外電子數(shù)同位素：相同質(zhì)子數(shù)不同的中子數(shù)，在元素周期表中處于同一位置。氫有三種同位素分別為eq\o\al(1,1)H（氫）、eq\o\al(2,1)H（重氫）、eq\o\al(3,1)H（超重氫）。注意：(1)同位素的化學(xué)性質(zhì)相同，物理性質(zhì)一般不同。（元素的化學(xué)性質(zhì)由核外電子決定）(2)元素具有放射性，不論它是以單質(zhì)的形式存在，還是以某種化合物的形式存在，放射性都不受影響，放射性與元素存在的狀態(tài)無關(guān)，放射性僅與原子核有關(guān)。(3)放射性說明原子核也存在著一定結(jié)構(gòu)。(4)原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)決定了核外電子的數(shù)目，進而也決定了元素的化學(xué)性質(zhì)，同種元素的質(zhì)子數(shù)相同，核外電子數(shù)也相同，所以有相同的化學(xué)性質(zhì)，但它們的中子數(shù)可以不同，所以它們的物理性質(zhì)不同。把具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的原子核互稱為同位素。(5)核電荷數(shù)與原子核的電荷量是不同的，組成原子核的質(zhì)子的電荷量都是相同的，所以原子核的電荷量一定是質(zhì)子電荷量的整數(shù)倍，我們把核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)叫核電荷數(shù)，而這些質(zhì)子所帶電荷量的總和才是原子核的電荷量。(6)原子核的質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量是不同的，也與元素的原子量不同。原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的總數(shù)叫作核的質(zhì)量數(shù)，原子核的質(zhì)量等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量的總和。放射性元素的衰變一、衰變1．α衰變：實質(zhì)：2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出2n+211H→2．β衰變：實質(zhì)：中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子n→11H+3．γ射線的產(chǎn)生：γ射線是由于原子核在發(fā)生α衰變和β衰變時原子核處于激發(fā)態(tài)而產(chǎn)生的光（能量）輻射，通常是伴隨α射線和β射線而產(chǎn)生。γ射線的本質(zhì)是能量，不能單獨發(fā)生。二、半衰期1．放射性元素的原子核，有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。2．半衰期描述的對象是大量的原子核，不是個別原子核，這是一個統(tǒng)計規(guī)律3．衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身的因素決定的，與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)。三、放射性的應(yīng)用與防護1．核反應(yīng)：原子核在其它粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核或狀態(tài)變化的過程。盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子N+He→O+11H（p）——人類第一次實現(xiàn)人工轉(zhuǎn)變。2．人工放射性同位素（1）放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。放射性同位素有天然和人造兩種，它們的化學(xué)性質(zhì)相同。（2）天然放射性同位素40多種；人工放射性同位素3000多種。（3）人工放射性同位素的優(yōu)點：放射強度容易控制；形狀容易控制；半衰期短，廢料容易處理。（4）凡是用到射線時，都用人造放射性同位素3．放射性同位素的應(yīng)用（1）利用射線：射線測厚裝置（γ射線）煙霧報警器放射治療培育新品種，延長保質(zhì)期（γ射線）示蹤原子：棉花對磷肥的吸收甲狀腺疾病的診斷核力與結(jié)合能一、四種基本相互作用力作用對象特點作用范圍舉例引力相互作用一切物體之間隨距離增大而減弱長程力,宏觀重力電磁相互作用電荷間、電流間、磁體間表現(xiàn)為引力或斥力長程力,宏觀彈力、摩擦力強相互作用組成原子核的核子間距離增大時,急劇減小短程力,微觀核力弱相互作用基本粒子之間距離增大時,急劇減小,比強相互作用小得多短程力,微觀基本粒子間的力二、結(jié)合能：核子結(jié)合在一起需要的能量比結(jié)合能：結(jié)合能與核子數(shù)比值——比結(jié)合能越大越穩(wěn)定三、質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量。質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯的表現(xiàn)出來.1.愛因斯坦質(zhì)能方程：E=mc2（c=3*108m/s）2.核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：ΔE=Δmc2注：（不要求掌握）①物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量，質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運動質(zhì)量。②質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，只是靜止質(zhì)量的減少③在核反應(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律;④質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。即質(zhì)量不是能量、能量也不是質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化能量，能量也不能轉(zhuǎn)化質(zhì)量，質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。重核的裂變、輕核聚變重核的裂變重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。重核裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的比結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要小。所以在重核分解為兩個中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。3.鏈式反應(yīng)：應(yīng)用：原子彈（不可控）核電站（可控）（1）由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈式反應(yīng)。（2）鏈式反應(yīng)的條件：體積大于臨界體積或質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。4．核電站的主要組成核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：部件名稱慢化劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染5．反應(yīng)堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2～4%)制成，石墨、重水或普通水為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒?？刂瓢舨迦肷钜恍?，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。(3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發(fā)電機發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時，會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。6．核電站發(fā)電的優(yōu)點(1)消耗的核燃料少。(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大。(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。二、輕核聚變應(yīng)用：氫彈1．聚變發(fā)生的條件（1）核力發(fā)生作用的距離10－15m，（2）足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達到幾百萬開爾文的高溫。（所以核聚變又叫熱核反應(yīng)）2．輕核聚變是放能反應(yīng)3．核聚變的特點(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放出更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進行下去。(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆。4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e＋2γ4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別比較項目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變產(chǎn)能效率高燃料儲量情況聚變?nèi)剂蟽α控S富核廢料處理難度聚變更安全清潔可控的核聚變（未實現(xiàn)）兩種猜想：磁約束、慣性約束“基本”粒子一、新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點發(fā)現(xiàn)時間1932年1937年1947年20世紀60年代后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點質(zhì)量與相對應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反比質(zhì)子的質(zhì)量小質(zhì)量介于電子與核子之間其質(zhì)量比質(zhì)子大二、夸克模型1.1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構(gòu)成的。2.夸克的種類：