（浙江選考）2023屆高三物理一輪復(fù)習(xí)第13章波粒二象性原子結(jié)構(gòu)原子核第3節(jié)原子核教師用書

PAGEPAGE2第3節(jié)原子核考點(diǎn)一|原子核的組成放射性元素的衰變1．天然放射現(xiàn)象(1)天然放射現(xiàn)象元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn)．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)．(2)三種射線名稱構(gòu)成符號電離能力貫穿本領(lǐng)α射線氦核eq\o\al(4,2)He最強(qiáng)最弱β射線電子eq\o\al(0,－1)e較強(qiáng)較強(qiáng)γ射線光子γ最弱最強(qiáng)(3)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)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兩類，放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同．②應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、做示蹤原子等．③防護(hù)：防止放射性對人體組織的傷害．2．原子核的組成(1)原子核由質(zhì)子(eq\o\al(1,1)H)和中子(eq\o\al(1,0)n)組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子．質(zhì)子帶正電，中子不帶電．(2)根本關(guān)系①核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)(Z)＝元素的原子序數(shù)＝核外電子數(shù)．②質(zhì)量數(shù)(A)＝核子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)．(3)X元素的原子核的符號為eq\o\al(A,Z)X，其中A表示質(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù)．(4)同位素：具有相同質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核，在元素周期表中處于同一位置，它們互稱為同位素．3．原子核的衰變、半衰期(1)原子核的衰變①原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變．②分類α衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)eγ衰變：當(dāng)放射性物質(zhì)連續(xù)發(fā)生衰變時，原子核中有的發(fā)生α衰變，有的發(fā)生β衰變，同時伴隨著γ輻射．③兩個典型的衰變方程α衰變：eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變：eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e.(2)半衰期①定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間．②影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系．(3)公式：N余＝N原·eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up10(\f(t,τ))m余＝m原·eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up10(\f(t,τ))t表示衰變時間τ表示半衰期．1．α衰變、β衰變的比擬衰變類型α衰變β衰變衰變方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→AZ＋1Y＋0－1e衰變實(shí)質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋0－1e勻強(qiáng)磁場中軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒2.衰變次數(shù)確實(shí)定方法方法一：確定衰變次數(shù)的方法是依據(jù)兩個守恒規(guī)律，設(shè)放射性元素eq\o\al(A,Z)X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素eq\o\al(A′,Z′)Y，那么表示該核反響的方程為eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A′,Z′)Y＋neq\o\al(4,2)He＋m0－1e，根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程A＝A′＋4nZ＝Z′＋2n－m由以上兩式聯(lián)立解得n＝eq\f(A－A′,4)，m＝eq\f(A－A′,2)＋Z′－Z由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為求解一個二元一次方程組．方法二：因?yàn)棣滤プ儗|(zhì)量數(shù)無影響，可先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)．3．對半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰變時的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對個別或少數(shù)原子核，無半衰期可言．(2)根據(jù)半衰期的概率，可總結(jié)出公式N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up10(\f(t,τ))，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up10(\f(t,τ)).式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，τ表示半衰期．(3)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)．1．(多項(xiàng)選擇)有關(guān)原子核的知識，以下說法正確的選項(xiàng)是()A．原子核可發(fā)生β衰變說明原子核中有電子B．放射性元素的原子核經(jīng)過2個半衰期將全部衰變C．在核反響中，動量守恒D．在核反響中，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒CD[原子核發(fā)生β衰變的實(shí)質(zhì)是核內(nèi)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時產(chǎn)生的，并在轉(zhuǎn)化過程中釋放光子，原子核中沒有電子，選項(xiàng)A錯誤；放射性元素的原子核經(jīng)過2個半衰期有eq\f(3,4)發(fā)生衰變，選項(xiàng)B錯誤；在核反響中，系統(tǒng)動量守恒，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒，選項(xiàng)C、D正確．]2．天然放射性元素放出的三種射線的穿透能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13-3-1所示，由此可推知()【導(dǎo)學(xué)號：81370433】圖13-3-1A．②來自于原子核外的電子B．①的電離作用最強(qiáng)，是一種電磁波C．③的電離作用較強(qiáng)，是一種電磁波D．③的電離作用最弱，屬于原子核內(nèi)釋放的光子D[三種射線均來自于原子核內(nèi)，A錯誤；從圖中可看出，一張紙能擋?、偕渚€，那么①射線一定是α射線，其貫穿本領(lǐng)最差，電離能力最強(qiáng)，但不是電磁波，而是高速粒子流，B錯誤；鋁板能擋?、?，而不能擋?、?，說明③一定是γ射線，其電離能力最弱，貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)，是一種電磁波，屬于原子核內(nèi)以能量形式釋放出來的以光速運(yùn)行的高能光子，D正確．]3．(多項(xiàng)選擇)(2022·麗水選考模擬)天然放射性元素eq\o\al(232,90)Th(釷)經(jīng)過一系列α衰變和β衰變之后，變成eq\o\al(208,82)Pb(鉛)．以下診斷中正確的選項(xiàng)是()A．衰變過程共有6次α衰變和4次β衰變B．鉛核比釷核少8個質(zhì)子C．β衰變所放出的電子來自原子核外D．釷核比鉛核多24個中子AB[由于β衰變不會引起質(zhì)量數(shù)的減少，故可先根據(jù)質(zhì)量數(shù)的減少確定α衰變的次數(shù)，x＝eq\f(232－208,4)＝6，再結(jié)合核電荷數(shù)的變化情況和衰變規(guī)律來判定β衰變的次數(shù)，2x－y＝90－82＝8，y＝2x－8＝4，釷232核中的中子數(shù)為232－90＝142，鉛208核中的中子數(shù)為208－82＝126，所以釷核比鉛核多16個中子，鉛核比釷核少8個質(zhì)子，由于物質(zhì)的衰變與元素的化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，所以β衰變所放出的電子來自原子核內(nèi)，eq\o\al(1,1)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e，所以A、B正確．]4．(2022·浙江4月選考)以下說法中正確的選項(xiàng)是()A．波源的頻率越高，波速越大B．溫度升高，放射性元素的半衰期不變C．氫原子吸收光子從低能級躍遷到高能級D．光發(fā)生全反射時，臨界角隨入射角增大而變大答案：BC考點(diǎn)二|探測射線的方法、放射性的應(yīng)用與防護(hù)、粒子與宇宙1．探測射線的方法(1)射線中的粒子會使氣體或液體電離，以這些離子為核心，過飽和的蒸氣會產(chǎn)生霧滴，過熱液體會產(chǎn)生氣泡．(2)射線中的粒子會使照相乳膠感光．(3)射線中的粒子會使熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光．2．放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)(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兩類，放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同．(2)放射性同位素的應(yīng)用一是應(yīng)用它的射線．二是作示蹤原子．(3)輻射與平安人類一直生活在有放射性的環(huán)境之中，過量的射線對人體組織有破壞作用．要防止放射性物質(zhì)對水源、空氣、用具等的污染．3．粒子及分類(1)反粒子實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)著許多粒子都存在質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反的粒子，這些粒子叫做反粒子．例如，電子的反粒子就是正電子．(2)粒子的分類按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，可將粒子分為三大類：①強(qiáng)子：參與強(qiáng)相互作用的粒子，質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子．②輕子：不參與強(qiáng)相互作用的粒子，最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子．③媒介子：是傳遞各種相互作用的粒子．(3)夸克模型的提出1964年提出的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由更根本的夸克組成的．對探測儀器的理解(1)威爾遜云室(2)氣泡室粒子通過過熱液體時，在它的周圍產(chǎn)生氣泡而形成粒子的徑跡．(3)蓋革－米勒計(jì)數(shù)器①優(yōu)點(diǎn)：G－M計(jì)數(shù)器非常靈敏，使用方便．②缺點(diǎn)：只能用來計(jì)數(shù)，不能區(qū)分射線的種類．1．在工業(yè)生產(chǎn)中，某些金屬材料內(nèi)部出現(xiàn)的裂痕是無法直接觀察到的，如果不能夠發(fā)現(xiàn)它們，可能會給生產(chǎn)帶來極大的危害．自從發(fā)現(xiàn)放射線以后，就可以利用放射線進(jìn)行探測，這是利用了()A．α射線的電離作用B．β射線的帶電性質(zhì)C．γ射線的貫穿本質(zhì)D．放射性元素的示蹤本領(lǐng)C[放射性同位素的應(yīng)用是沿著利用它的射線和作為示蹤原子兩個方向開展的，放射性同位素放出α、β、γ射線，γ射線的貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)，可以用來金屬探傷，A、B、D錯誤，C正確．]2．(多項(xiàng)選擇)(2022·嵊州選考模擬)以下哪些應(yīng)用是把放射性同位素作為示蹤原子的()A．利用鈷60治療腫瘤等疾病B．γ射線探傷C．利用含有放射性碘131的油，檢測地下輸油管的漏油情況D．把含有放射性同位素的肥料施給農(nóng)作物用以檢測農(nóng)作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律答案：CD3．關(guān)于粒子，以下說法正確的選項(xiàng)是()【導(dǎo)學(xué)號：81370434】A．電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最根本的粒子B．強(qiáng)子都是帶電的粒子C．夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位答案：D4．將威耳遜云室置于磁場中，一個靜止在磁場中的放射性同位素原子核eq\o\al(30,15)P放出一個正電子后變成原子核eq\o\al(30,14)Si，如下圖能近似反映正電子和Si核軌跡的是()B[把放出的正電子和衰變生成物Si核看成一個系統(tǒng)，衰變過程中系統(tǒng)的動量守恒，放出的正電子的運(yùn)動方向跟Si核運(yùn)動方向一定相反．由于它們都帶正電荷，在洛倫茲力作用下的運(yùn)動軌跡是兩個外切圓，C、D可排除．因?yàn)槁鍌惼澚μ峁┫蛐牧Γ磓vB＝meq\f(v2,r).所以做勻速圓周運(yùn)動的半徑r＝eq\f(mv,qB).衰變時，放出的正電子與反沖核Si的動量大小相等，因此在同一個磁場中做圓周運(yùn)動的半徑與它們的電荷量成反比，即eq\f(re,rSi)＝eq\f(qSi,qe)＝eq\f(14,1).可見正電子運(yùn)動的圓半徑較大．]考點(diǎn)三|核力與結(jié)合能核裂變、核聚變1．核力(1)定義：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力．(2)特點(diǎn)：①核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)；②核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內(nèi)；③每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用．2．結(jié)合能核子結(jié)合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能．3．質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2，原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Δm，這就是質(zhì)量虧損．由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE＝Δmc2.4．重核裂變(1)定義：質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過程．(2)典型的裂變反響方程：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(144,56)Ba＋3eq\o\al(1,0)n.(3)鏈?zhǔn)椒错懀河芍睾肆炎儺a(chǎn)生的中子使裂變反響一代接一代繼續(xù)下去的過程．(4)臨界體積和臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒错懙淖钚◇w積及其相應(yīng)的質(zhì)量．(5)裂變的應(yīng)用：原子彈、核反響堆．(6)反響堆構(gòu)造：核燃料、減速劑、鎘棒、防護(hù)層．5．輕核聚變(1)定義：兩輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反響過程．輕核聚變反響必須在高溫下進(jìn)行，因此又叫熱核反響．(2)典型的聚變反響方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV1．質(zhì)能方程的三個易錯點(diǎn)(1)質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量消失，只是靜止質(zhì)量變成了運(yùn)動的質(zhì)量；(2)質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的減少，核反響中核子個數(shù)是不變的；(3)質(zhì)量和能量這兩個量并不可以相互轉(zhuǎn)化，只是這兩個量在數(shù)值上有聯(lián)系．2．核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程列式計(jì)算：即ΔE＝Δmc2(Δm的單位：kg)．(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5兆電子伏能量，那么ΔE＝Δm×931.5MeV(Δm的單位：u,1u＝1.6606×10－27kg)．(3)核反響遵守動量守恒定律和能量守恒定律，因此我們可以結(jié)合動量守恒定律和能量守恒定律來計(jì)算核能．3．核反響的四種類型類型可控性核反響方程典例衰變α衰變自發(fā)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芿q\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e重核裂變比擬容易進(jìn)行人工控制eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n輕核聚變很難控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n4.書寫核反響方程時應(yīng)注意(1)必須遵守電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒規(guī)律．(2)核反響方程中的箭頭(→)表示核反響進(jìn)行的方向，不能把箭頭寫成等號．1．(多項(xiàng)選擇)關(guān)于原子核的結(jié)合能，以下說法正確的選項(xiàng)是()A．原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能C．銫原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的結(jié)合能小于鉛原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的結(jié)合能D．自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量大于該原子核的結(jié)合能答案：ABC2．質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3.當(dāng)一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核時，釋放的能量是(c表示真空中的光速)()【導(dǎo)學(xué)號：81370435】A．(m1＋m2－m3)c B．(m1－m2－m3)cC．(m1＋m2－m3)c2 D．(m1－m2－m3)c2C[由質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，其中Δm＝m1＋m2－m3可得ΔE＝(m1＋m2－m3)c2，選項(xiàng)C正確．]3．(多項(xiàng)選擇)能源是社會開展的根底，開展核能是解決能源問題的途徑之一．以下釋放核能的反響方程，表述正確的選項(xiàng)是()A.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是核聚變反響B(tài).eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是β衰變C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n是核裂變反響D.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n是α衰變AC[β衰變時釋放出電子(eq\o\al(0,－1)e)，α衰變時釋放出氦原子核(eq\o\al(4,2)He)，可知選項(xiàng)B、D錯誤；選項(xiàng)A中一個氚核和一個氘核結(jié)合成一個氦核并釋放出一個中子，是典型的核聚變反響；選項(xiàng)C中一個U23