一輪復(fù)習(xí)新人教版第十五章第2講原子核學(xué)案

第2講原子核一、原子核的組成(1)發(fā)現(xiàn):由貝克勒爾發(fā)現(xiàn)。(2)概念:元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象。(3)意義: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)。名稱α射線β射線γ射線構(gòu)成氦核電子光子符號2-γ電荷量+2e-e0質(zhì)量4u110電離能力最強(qiáng)較強(qiáng)最弱貫穿本領(lǐng)最弱較強(qiáng)最強(qiáng)(1)原子核由質(zhì)子和中子組成,質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。質(zhì)子帶正電,中子不帶電。(2)原子核的符號:ZAX,其中A表示質(zhì)量數(shù),Z表示(3)基本關(guān)系。①核電荷數(shù)(Z)=質(zhì)子數(shù)=元素的原子序數(shù)=原子的核外電子數(shù)。②質(zhì)量數(shù)(A)=核子數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)。二、放射性元素的衰變1.原子核的衰變、半衰期(1)原子核的衰變。①概念:原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子,核電荷數(shù)變了,它在元素周期表中的位置變了,變成另一種原子核,這種變化稱為原子核的衰變。②分類:α衰變:ZAX→Z-β衰變:ZAX→Z+1[注意]γ射線是伴隨原子核的α衰變或β衰變而產(chǎn)生的。③規(guī)律:質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。(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(shí)間。②影響因素:放射性元素的半衰期是由核內(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。(1)定義:原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核或者發(fā)生狀態(tài)變化的過程,稱為核反應(yīng)。(2)規(guī)律:在核反應(yīng)中,質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。(3)典型核反應(yīng):714N+24He→(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:射線測厚儀、放射治療、培優(yōu)保鮮、示蹤原子等。(3)防護(hù):防止放射性對人體組織的傷害。三、核力與結(jié)合能(1)四種基本相互作用:引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。(2)核力:原子核中的核子之間存在一種很強(qiáng)的相互作用,即存在一種核力,它使得核子緊密地結(jié)合在一起,形成穩(wěn)定的原子核,這種作用稱為強(qiáng)相互作用。(1)結(jié)合能:原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的,要把它們分開,也需要能量,這就是原子核的結(jié)合能。這個能量也是核子結(jié)合成原子核而釋放的能量。(2)比結(jié)合能:原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比,叫作比結(jié)合能,也叫作平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大,原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。中等大小的核的比結(jié)合能最大,核最穩(wěn)定。(1)原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和,這個現(xiàn)象叫作質(zhì)量虧損。(2)質(zhì)量虧損表明,的確存在著原子核的結(jié)合能。四、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)(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)典型的裂變反應(yīng)方程:92235U+01n→56144(3)鏈?zhǔn)椒磻?yīng):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。(4)臨界體積和臨界質(zhì)量:裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積及其相應(yīng)的質(zhì)量。(5)裂變的應(yīng)用:原子彈、核反應(yīng)堆。(6)反應(yīng)堆構(gòu)造:核燃料、慢化劑、鎘棒、防護(hù)層。(1)定義:兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程。輕核聚變反應(yīng)必須在高溫下進(jìn)行,因此又叫熱核反應(yīng)。(2)典型的聚變反應(yīng)方程:12H+13H2(1)如果某放射性元素的原子核有100個,經(jīng)過一個半衰期后還剩50個。(×)(2)同一種元素的放射性同位素具有相同的半衰期。(×)(3)β衰變中的電子來源于原子核外電子。(×)(4)質(zhì)能方程表明在一定條件下,質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。(×)(5)核聚變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量比裂變時(shí)小些。(×)2.碳14是碳的一種放射性同位素,是通過宇宙射線撞擊空氣中的氮14原子產(chǎn)生的,其半衰期為5730年,衰變后又轉(zhuǎn)變?yōu)榈?4。由于其不斷地產(chǎn)生、衰變,使得大氣中的碳14達(dá)到動態(tài)平衡,從而使大氣及活體生物中碳元素的碳14豐度(碳14原子占碳原子總數(shù)的百分比)保持一個定值,而死亡的生物體中的碳14原子卻由于衰變而不斷減少,這就是碳14測定年代的原理。根據(jù)以上描述,以下說法正確的是(B)B.若某待測生物體樣本的碳14豐度為大氣的12.5%,則可判定該生物體死亡約17190年D.碳14的半衰期會受到環(huán)境溫度、濕度以及所處化學(xué)狀態(tài)(化合態(tài)或游離態(tài))的影響解析:“碳14衰變后又轉(zhuǎn)變?yōu)榈?4”,說明碳14發(fā)生的是β衰變,故A錯誤;生物體樣本的碳14豐度為大氣的12.5%,說明經(jīng)過了三個半衰期,即17190年,故B正確;衰變過程釋放核能,質(zhì)量虧損,故C錯誤;衰變是原子核的變化,不會受環(huán)境溫度、濕度及化學(xué)狀態(tài)的影響,故D錯誤。(12H)的質(zhì)量為m1,氚核(13H)的質(zhì)量為m2,反應(yīng)后氦核(24He)的質(zhì)量為m12H+13H1+m2=m3+m4C.核反應(yīng)放出的能量等于(m1+m2-m3-m4)c2解析:該熱核反應(yīng)的核反應(yīng)方程式是12H+13H→24He+01n,故A說法正確;核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒,但質(zhì)量不守恒,核反應(yīng)過程中存在質(zhì)量虧損,因此m1+m2≠m3+m4,故B說法錯誤;核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損Δm=m1+m2-m3-m4,釋放的核能ΔE=Δmc2=(m1考點(diǎn)一原子核的衰變及半衰期(1)α衰變、β衰變的比較。衰變類型α衰變β衰變衰變方程ZAXZ-ZAXZ+1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211H+2001n→1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)γ射線:γ射線經(jīng)常伴隨著α衰變或β衰變產(chǎn)生。其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變的過程中,產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(原子核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。(1)半衰期是大量原子核衰變時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對個別或少量原子核,無半衰期可言。(2)根據(jù)半衰期的概念,可總結(jié)出公式N余=N原(12)tT,m余=m原(12)tT。式中N原、m[例1][α、β衰變及衰變次數(shù)的確定](2022·江蘇南通模擬)央視曝光“能量石”核輻射嚴(yán)重超標(biāo),該“能量石”含有放射性元素釷90232Th,90232Th經(jīng)多次衰變后變成穩(wěn)定的鉛82208B.82208Pb比D.90解析:根據(jù)α衰變和β衰變的特征可知,每經(jīng)過一次α衰變,質(zhì)量數(shù)減少4,電荷數(shù)減少2;每經(jīng)過一次β衰變,質(zhì)量數(shù)不變,電荷數(shù)增加1,所以90232Th變成82208Pb的衰變過程中發(fā)生α衰變的次數(shù)為n1=232-2084=6,發(fā)生β衰變的次數(shù)為n2=2n1-(90-82)=4,故A正確;中子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)減電荷數(shù),所以[例2][半衰期的理解與計(jì)算](2022·山東卷,1)碘125衰變時(shí)產(chǎn)生γ射線,醫(yī)學(xué)上利用此特性可治療某些疾病。碘125的半衰期為60天,若將一定質(zhì)量的碘125植入患者病灶組織,經(jīng)過180天剩余碘125的質(zhì)量為剛植入時(shí)的(B)A.116 B.18 C.1解析:設(shè)碘125剛植入時(shí)的質(zhì)量為m0,則經(jīng)過n=18060=3個半衰期以后剩余的質(zhì)量為m=(12)nm0,解得mm考點(diǎn)二核反應(yīng)類型及核反應(yīng)方程類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變α衰變自發(fā)92238U→90β衰變自發(fā)90234Th→91人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂?14N+24He(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)24He+49Be(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)

1327Al→1530P約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素,同時(shí)發(fā)現(xiàn)正電子15301430Si重核裂變比較容易進(jìn)行人工控制92235U+01n→5692235U+01n→54輕核聚變很難控制12H+13H(1)熟記常見基本粒子的符號,是正確書寫核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子(11H)、中子(01n)、α粒子(24He)、β粒子(-(2)核反應(yīng)過程遵循兩個守恒:①質(zhì)量數(shù)守恒;②電荷數(shù)守恒。(3)由于核反應(yīng)不可逆,所以書寫核反應(yīng)方程式時(shí)只能用“”表示反應(yīng)方向,而不能用“”。(4)核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),不能只依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒憑空杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程。[例3][核反應(yīng)類型的判斷](2022·江蘇蘇州三模)目前我們學(xué)習(xí)過的核反應(yīng)有4種類型,下列關(guān)于核反應(yīng)方程的類型說法正確的是(D)①1124Na→12②92235U+01n→54③919F+24He④12H+13HA.①人工核轉(zhuǎn)變、②核裂變、③核聚變、④衰變B.①衰變、②核裂變、③核聚變、④人工核轉(zhuǎn)變C.①人工核轉(zhuǎn)變、②核聚變、③衰變、④核裂變D.①衰變、②核裂變、③人工核轉(zhuǎn)變、④核聚變解析:1124Na→1224Mg+-10e,屬于β衰變,92235U+01n→54140Xe+38[例4][核反應(yīng)方程的書寫](2022·湖南長沙三模)靜止在真空勻強(qiáng)電場中的某原子核發(fā)生衰變,其衰變粒子與反沖核的初速度方向均與電場方向垂直,且經(jīng)過相等的時(shí)間后形成的軌跡如圖所示(a、b表示長度)。原子核重力不計(jì),則該衰變方程可能是(A)A.92238U→2B.88226Ra→2C.90234Th→-D.614C→-解析:由軌跡彎曲方向可以看出,反沖核與衰變粒子的受力方向均與電場強(qiáng)度方向相同,帶正電,所以放出的粒子為α粒子,C、D錯誤;設(shè)運(yùn)動時(shí)間為t,上方軌跡粒子帶電荷量為q1,質(zhì)量為m1,下方軌跡粒子帶電荷量為q2,質(zhì)量為m2,由動量守恒有m1v1=m2v2,根據(jù)類平拋運(yùn)動處理規(guī)律,則有v1t=9a,q1E2m1t2=a,v2t=b,q2E[例5][核反應(yīng)生成物的分析](2022·湖北卷,1)上世紀(jì)四十年代初,我國科學(xué)家王淦昌先生首先提出證明中微子存在的實(shí)驗(yàn)方案:如果靜止原子核47Be俘獲核外K層電子e,可生成一個新原子核X,并放出中微子νe,即47Be+-103e的電荷量與電子的相同解析:根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒有,X的質(zhì)量數(shù)為7,電荷數(shù)為3,可知原子核X是37Li,A正確,C錯誤;由選項(xiàng)A可知,原子核X是37Li,則核反應(yīng)方程為47Be+-10考點(diǎn)三質(zhì)量虧損及核能的計(jì)算(1)根據(jù)核反應(yīng)方程,計(jì)算出核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm。(2)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2計(jì)算核能。①質(zhì)能方程ΔE=Δmc2中Δm的單位用“kg”,c的單位用“m/s”,則ΔE的單位為“J”。②ΔE=Δmc2中,若Δm的單位用“u”,則可直接利用ΔE=Δm×931.5MeV/u計(jì)算ΔE,此時(shí)ΔE的單位為“MeV”,即1u=1.6605×10-27kg,相當(dāng)于931.5MeV,這個結(jié)論可在計(jì)算中直接應(yīng)用。(1)原子核的結(jié)合能=核子的比結(jié)合能×核子數(shù)。(2)核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差,就是該核反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能。(1)在用粒子轟擊原子核或原子核自發(fā)地分裂過程中,動量守恒。(2)在動量守恒方程中,各質(zhì)量都可用質(zhì)量數(shù)表示。(3)核反應(yīng)中我們可以結(jié)合動量守恒定律和能量守恒定律來計(jì)算核能。原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示。根據(jù)該曲線,請思考:(1)24He核與(2)24He核與12H核的結(jié)合能約為多少?兩個提示:(1)由題圖可知24He的比結(jié)合能約為7MeV,12H的比結(jié)合能約為1MeV;比結(jié)合能越大,表明原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定,因此(2)24He的結(jié)合能約為7MeV×4=28MeV,1[例6][質(zhì)能方程的應(yīng)用](2022·遼寧大連模擬)(多選)盧瑟福用α粒子轟擊氮核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)為:714N+24He→817O+11H。已知氮核質(zhì)量為mN=14.00753u,氦核的質(zhì)量mHe=4.00387u,氧核的質(zhì)量為mO=17.00454u,質(zhì)子(氫核)的質(zhì)量為mB.該反應(yīng)吸收能量1.2MeV×106m/s解析:盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了原子的核式結(jié)構(gòu),故A錯誤;該反應(yīng)由質(zhì)能方程得ΔE=(mHe+mN-mO-mp)×931MeV≈-1.2MeV,故這一核反應(yīng)是吸收能量的反應(yīng),故B正確;因?yàn)樵摲磻?yīng)吸收能量,生成物更不穩(wěn)定,比結(jié)合能更小,故C錯誤;設(shè)反應(yīng)后氧核的速率為v,則質(zhì)子速率為50v,質(zhì)子質(zhì)量為m,根據(jù)動量守恒有4mv0=17mv+m××106m/s,故D正確。[例7][質(zhì)能方程與動量守恒定律綜合](2023·河北邢臺模擬)法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)自然界中有一些物質(zhì)具有天然放射現(xiàn)象,能夠發(fā)生衰變反應(yīng)。一個靜止的92238U原子核衰變成一個新核B.90234Th的結(jié)合能比C.90234D.90234解析:該核反應(yīng)方程為92238U→90234Th+24He,即放出的粒子為α粒子,A錯誤;92238U核子數(shù)多于90234Th,所以92238U的結(jié)合能比90234Th的大,B錯誤;核反應(yīng)前后動量守恒,由于原來92238U靜止,可知90234Th的動量與α粒子的動量大小相等、反向相反,故90234[例8][根據(jù)比結(jié)合能曲線分析結(jié)合能](2022·浙江金華模擬)(多選)鈾核裂變的一種方程為92235U+X→3894SrC.92235U、3894Sr、D.92235U、3894Sr、解析:根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,X的質(zhì)量數(shù)為1,電荷數(shù)為0,X為中子,故A正確,B錯誤;根據(jù)題圖像可知,3894Sr的比結(jié)合能最大,最穩(wěn)定1.如圖中曲線a、b、c、d為氣泡室中某放射物發(fā)生衰變放出的部分粒子的徑跡,氣泡室中磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直于紙面向里。以下判斷可能正確的是(D)A.a、b為β粒子的徑跡 B.a、b為γ粒子的徑跡C.c、d為α粒子的徑跡 D.c、d為β粒子的徑跡解析:由左手定則可知,a、b為帶正電的粒子的徑跡,c、d為帶負(fù)電的粒子的徑跡,又因?yàn)棣亮Ｗ訋д?β粒子帶負(fù)電,γ粒子不帶電,所以D項(xiàng)正確。2.(多選)2021年12月30日,中國“人造太陽”——全超導(dǎo)托卡馬克核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)實(shí)現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行,領(lǐng)先全世界?！叭嗽焯枴钡暮朔磻?yīng)方程是12H+1301n解析:根據(jù)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)守恒,該核反應(yīng)方程是12H+13H→23.關(guān)于放射性同位素的應(yīng)用,下列說法中正確的是(D)A.放射線改變了布料的性質(zhì)使其不再因摩擦而生電,從而達(dá)到消除有害靜電的目的B.利用γ射線的強(qiáng)貫穿能力可以為金屬探傷,也能進(jìn)行人體的透視C.用放射線照射作物種子使其DNA發(fā)生變異,其結(jié)果一定是更優(yōu)秀的品種D.用γ射線治療腫瘤時(shí)一定要嚴(yán)格控制劑量,以免對人體正常組織造成太大的傷害解析:利用放射線消除有害靜電是利用放射線的電離性,使空氣分子電離成為導(dǎo)體,將靜電導(dǎo)走,故A錯誤;γ射線對人體細(xì)胞傷害太大,不能用來進(jìn)行人體透視,故B錯誤;作物種子發(fā)生的基因突變不一定都是有益的,還要經(jīng)過篩選才能培育出優(yōu)良品種,故C錯誤;用γ射線治療腫瘤對人體肯定有傷害,因此要科學(xué)地控制劑量,故D正確。4.(2022·河南安陽模擬)盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子的同時(shí),發(fā)現(xiàn)氮原子核變成了氧原子核,產(chǎn)生了氧的一種同位素817O。已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp,中子的質(zhì)量為mn,8A.117(8mp+9mn-M)cB.19(9mp+8mn-M)cC.117(M-8mp-17mn)cD.117(M-8mp-9mn)c解析:817O核內(nèi)有8個質(zhì)子和9個中子,根據(jù)結(jié)合能的概念結(jié)合質(zhì)能方程可知,817O核的結(jié)合能為E=(8mp+9mn-M)cE17=117(8mp+9mn-M)c5.(2022·海南?？谝荒?2020年我國完成了探月工程三期任務(wù),實(shí)現(xiàn)月面無人采樣返回。為應(yīng)對月球夜晚的低溫,“嫦娥五號”的電池除了太陽能電池板之外,還配有一塊“核電池”?！昂穗姵亍崩昧?4238Pu的衰變,其衰變方程為94238PuA.m=92,n=4,m234X比B.12H+13HC.94238Pu→D.改變壓力、溫度或濃度,將改變放射性元素的半衰期解析:根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒可知m+2=94,n+234=238,解得m=92,n=4,所以該過程發(fā)生了α衰變,92234X比6.(2022·福建漳州一模)某核反應(yīng)堆中存在如下核反應(yīng):92235U+56ABa+36C.該核反應(yīng)方程中A=144D.92解析:該反應(yīng)為核裂變反應(yīng),故A錯誤;核裂變會產(chǎn)生大量能量,則該核反應(yīng)過程發(fā)生質(zhì)量虧損,故B錯誤;根據(jù)質(zhì)量數(shù)相同235+1=A+89+3,解得A=144,故C正確;927.(2022·廣東佛山模擬)氮14由于受到宇宙射線的作用,不斷地形成碳14,它在空氣中迅速氧化,形成二氧化碳并進(jìn)入全球碳循環(huán)。動植物一生中都從二氧化碳中吸收碳14,當(dāng)動植物死亡后,立即停止與生物圈的碳交換,由于衰變,其碳14含量開始減少,減少的速度由放射性衰變決定。若正常生長的樹中單位質(zhì)量中碳14含量為a,而某枯樹中單位質(zhì)量中碳14含量為b。碳14的半衰期用T表示,該枯樹死亡時(shí)距今的時(shí)間用t表示,則下列表達(dá)式正確的是(D)A.ba=tT B.bC.ba=12Tt解析:半衰期是一半的放射性元素發(fā)生衰變所需要的時(shí)間,該枯樹死亡時(shí)距今的時(shí)間相當(dāng)于tT個半衰期,則ba=8.某些建筑材料含放射性元素氡,氡可以發(fā)生α衰變或β衰變,如果人長期生活在氡濃度過高的環(huán)境中,受到長期氡放射性的影響,會嚴(yán)重危害人體健康。原來靜止的質(zhì)量為M的氡核(86222Rn)發(fā)生一次α衰變生成新核釙(Po)。已知衰變后的α粒子的質(zhì)量為m、電荷量為q、速度為v,釙核的質(zhì)量為m(1)寫出衰變方程;(2)求衰變過程中的質(zhì)量虧損。解析:(1)根據(jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒有86222Rn→84(2)設(shè)新核的速度為v′,根據(jù)動量守恒定律有mv=m1v′,衰變過程中釋放的核能為ΔE=12mv2+12m1v′根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程有ΔE=Δmc2,聯(lián)立解得Δm=m(答案:(1)86222Rn→842189.(2022·河南周口模擬)重元素的放射性衰變共有四個系列,其中一個為U238系列(從92238U開始到穩(wěn)定的92238U到92238U到C.92238U比D.92238U比解析:從92238U到82206P