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

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?cè)雍私M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(guó)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(qiáng)的新元素，命名為釙、鐳。2．三種射線射線種類實(shí)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(qiáng)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(qiáng)，能穿過幾毫米厚的鋁板較弱γ射線波長(zhǎng)很短的電磁波c穿透能力更強(qiáng)，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(qiáng)）、化學(xué)變化的影響。(2)α射線帶正電、β射線帶負(fù)電、γ射線不帶電。(3)α、β是實(shí)物粒子，而γ射線是光子流，屬于電磁波的一種。原子核的組成盧瑟福——α粒子轟擊氮核——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(shí)驗(yàn)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(hào)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(jìn)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(shí)質(zhì)：2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)整體射出2n+211H→2．β衰變：實(shí)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(shí)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(dú)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(shí)間。2．半衰期描述的對(duì)象是大量的原子核，不是個(gè)別原子核，這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)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(hù)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(shí)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(diǎn)：放射強(qiáng)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(shí)，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(cè)厚裝置（γ射線）煙霧報(bào)警器放射治療培育新品種，延長(zhǎng)保質(zhì)期（γ射線）示蹤原子：棉花對(duì)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(duì)象特點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)程力,宏觀彈力、摩擦力強(qiáng)相互作用組成原子核的核子間距離增大時(shí),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(shí),急劇減小,比強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量。3.鏈?zhǔn)椒磻?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?zhǔn)椒磻?yīng)。（2）鏈?zhǔn)椒磻?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(hù)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(jiǎn)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。控制棒插入深一些，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(dòng)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(shí)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(dòng)，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動(dòng)蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面。6．核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)(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(chǔ)量大。(3)對(duì)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(dòng)能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)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(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，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(jìn)行下去。(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)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——?dú)鋸棧阂环N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(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)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(chǔ)量情況聚變?nèi)剂蟽?chǔ)量豐富核廢料處理難度聚變更安全清潔可控的核聚變（未實(shí)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(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)間1932年1937年1947年20世紀(jì)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(diǎn)質(zhì)量與相對(duì)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(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。2.夸克的種類：