2018-2019學(xué)年高中物理 第十九章 原子核章末復(fù)習(xí)課學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 第十九章 原子核 章末復(fù)習(xí)課 【知識(shí)體系】 主題1　幾種重要的核反應(yīng)和核能的計(jì)算 1．幾種重要的核反應(yīng)類型． 反應(yīng)類型 核反應(yīng)方程 能量 情況 原子核的衰變 α衰變　U→Th＋He 釋放能量 β衰變　Th→Pa＋e 原子核的人工轉(zhuǎn)變 質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)　N＋He→O＋H —— 中子的發(fā)現(xiàn)　Be＋He→C＋n 放射性同位素的發(fā)現(xiàn) Al＋He→P＋n 重核的裂變 U＋n→Sr＋Xe＋10n 釋放能量 U＋n→Ba＋Kr＋3n 輕核的聚變 H＋H→He＋n 釋放能量 2.核能的計(jì)算． 重核的裂變和輕核的聚變，存在質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦

2、質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，可以判斷兩種核反應(yīng)都會(huì)向外釋放能量，計(jì)算核能的方法如下： (1)質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2是計(jì)算釋放核能多少的主要方法，質(zhì)量虧損Δm的確定是計(jì)算核能的關(guān)鍵． (2)核反應(yīng)中如無光子輻射，核反應(yīng)釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為新核的動(dòng)能和新粒子的動(dòng)能．這種情況下的核能可由下列關(guān)系計(jì)算：反應(yīng)前總動(dòng)能＋反應(yīng)過程中釋放的核能＝反應(yīng)后總動(dòng)能． 3．核反應(yīng)方程是該部分知識(shí)在高考中考查的重點(diǎn)之一，主要考查反應(yīng)方程的書寫、配平及類型判斷等問題．書寫及配平核反應(yīng)方程的依據(jù)是電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒．另外要熟記常見粒子的符號(hào)，如He、H、n、e、e、H、H等． 【典例1】　已知氘核質(zhì)量為2.013 6

3、u，中子質(zhì)量為1.008 7u，He核的質(zhì)量為3.015 0 u．兩個(gè)速率相等的氘核對(duì)心碰撞聚變成He并放出一個(gè)中子，釋放的核能也全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能(質(zhì)量虧損為1 u時(shí)，釋放的能量為931.5 MeV.除了計(jì)算質(zhì)量虧損外，He的質(zhì)量可以認(rèn)為是中子的3倍)． (1)寫出該核反應(yīng)的方程式； (2)該核反應(yīng)釋放的核能是多少？ (3)若測(cè)得反應(yīng)后生成中子的動(dòng)能是3.12 MeV，則反應(yīng)前每個(gè)氘核的動(dòng)能是多少M(fèi)eV? 解析：(1)核反應(yīng)方程為2H→He＋n. (2)質(zhì)量虧損為 Δm＝2.013 6 u×2－3.015 0 u－1.008 7 u＝0.003 5 u. 則釋放的核能為 ΔE＝

4、Δmc2＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV. (3)設(shè)中子和He核的質(zhì)量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2，反應(yīng)前每個(gè)氘核的動(dòng)能為E0，反應(yīng)后中子和He核的動(dòng)能分別為E1、E2. 根據(jù)動(dòng)量守恒得：m1v1－m2v2＝0， 所以＝＝. 根據(jù)E＝mv2得＝＝×＝， 即E2＝＝×3.12 MeV＝1.04 MeV. 由能量轉(zhuǎn)化和守恒定律得E1＋E2＝2E0＋ΔE. 代入數(shù)據(jù)得E0＝0.45 MeV. 答案：(1)2H→He＋n　(2)3.26 MeV　(3)0.45 MeV 名師點(diǎn)評(píng) 　核能計(jì)算常見的方法 (1)利用質(zhì)能方程ΔE＝Δm·c2計(jì)算核能．

5、(2)利用比結(jié)合能計(jì)算核能． 原子核的結(jié)合能＝比結(jié)合能×核子數(shù)． 核反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新原子核的總結(jié)合能之差，等于該次反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能． (3)據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒定律計(jì)算核能． (4)應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算核能． 若要計(jì)算具有宏觀質(zhì)量的物質(zhì)中所有原子核都發(fā)生核反應(yīng)所放出的總能量，其解題的基本思路為： ①根據(jù)物體的質(zhì)量m和摩爾質(zhì)量M，由n＝求出物質(zhì)的量，并求出原子核的個(gè)數(shù)N＝NAn＝NA. ②由題設(shè)條件求出一個(gè)原子核與另一個(gè)原子核反應(yīng)放出或吸收的能量E0(或直接從題目中找出E0)． ③再根據(jù)E＝NE0求出總能量． 針對(duì)訓(xùn)練 1．三個(gè)

6、α粒子結(jié)合成一個(gè)碳C，已知碳原子的質(zhì)量為12.000 0 u，氦原子質(zhì)量為4.002 6 u. (1)寫出核反應(yīng)方程． (2)這個(gè)核反應(yīng)放出的能量是多少焦？ (3)這個(gè)能量合多少M(fèi)eV? 解析：(1)3He→C＋ΔE. (2)Δm＝3×4.002 6 u－12.000 0 u＝0.007 8 u， Δm＝0.007 8×1.66×10－27 kg＝12.948×10－30 kg， ΔE＝Δmc2＝1.165×10－12 J. (3)ΔE＝1.165×10－12/(1.6×10－19) eV＝7.28×106 eV＝7.28 MeV. 答案：(1)3He→C＋ΔE　(2)1.1

7、65×10－12 J (3)7.28 MeV 主題2　原子核的兩種衰變和三種射線 1．原子核的兩種衰變． (1)原子核的衰變是指原子核放出α粒子或β粒子變成新的原子核．α衰變是原子核放出兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的結(jié)合體，β衰變是原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成一個(gè)質(zhì)子時(shí)發(fā)生的，γ射線是在發(fā)生α衰變和β衰變時(shí)，產(chǎn)生的新核由較高能量狀態(tài)向較低能量狀態(tài)躍遷時(shí)發(fā)生的． (2)不論發(fā)生哪種衰變，衰變前后的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)是守恒的． 2．三種放射性射線． 三種射線是指α射線、β射線和γ射線，三種射線的實(shí)質(zhì)和特性如下表所示． 射線類型 粒子 特性 α射線 He(正電) 穿透本領(lǐng)小(空氣中射程只有

8、幾厘米)，電離本領(lǐng)強(qiáng)，速度為 β射線 e(負(fù)電) 穿透本領(lǐng)大(能穿透幾毫米厚的鋁板)，電離作用較弱，速度為 γ射線 高能光子(中性) 穿透本領(lǐng)很大(能穿透幾厘米厚的鉛板)，電離作用很小 3.半衰期． 放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間． 計(jì)算公式：N＝N0或m＝m0，其中n＝，τ為半衰期． [典例?]　2017年1月9日，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)工程獲得國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng).大多數(shù)原子核發(fā)生核反應(yīng)的過程中都伴著中微子的產(chǎn)生，例如核裂變、核聚變、β衰變等.下列關(guān)于核反應(yīng)的說法正確的是（　?。? A.90Th衰變?yōu)?6Rn，經(jīng)過3次α衰變，2次β衰變 B.H＋H→He＋n

9、是α衰變方程，90Th→91Pa＋e是β衰變方程 C.90U＋n→56Ba＋Kr＋3n是核裂變方程，也是氫彈的核反應(yīng)方程 D.高速運(yùn)動(dòng)的α粒子轟擊氮核可從氮核中打出中子，其核反應(yīng)方程為He＋7N→8O＋n 解析：90Th衰變?yōu)?6Rn，經(jīng)過3次α衰變，2次β衰變，故A正確；H＋H→He＋n是核聚變方程，90Th→91Pa＋e是β衰變方程，故B錯(cuò)誤；92U＋n→56Ba＋Kr＋3n是核裂變方程，不是氫彈的核反應(yīng)方程，故C錯(cuò)誤；高速運(yùn)動(dòng)的α粒子轟擊氮核可從氮核中打出質(zhì)子，其核反應(yīng)方程為He＋7N→8O＋H，故D錯(cuò)誤.故A正確，BCD錯(cuò)誤. 答案：A 名師點(diǎn)評(píng) 　確定衰變次數(shù)的方法 (

10、1)X→Y＋nHe＋me. 根據(jù)質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒得 A＝A′＋4n， Z＝Z′＋2n－m. 二式聯(lián)立求解得α衰變次數(shù)n和β衰變次數(shù)m. (2)根據(jù)α衰變和β衰變實(shí)質(zhì)(β衰變質(zhì)量數(shù)不變)直接求解． 針對(duì)訓(xùn)練 2.在核電站泄漏的污染物中含有131I和137Cs兩種放射性元素，它們通過一系列衰變產(chǎn)生對(duì)人體有危害的輻射.在下列四個(gè)式子中，有兩個(gè)能分別反映131I和137Cs的衰變過程，它們分別是　　　　和　　　?。ㄌ钊胝_選項(xiàng)前的序號(hào)）.131I和137Cs原子核中的中子數(shù)分別是　　　　和　　　?。? ①X1→Ba＋n　　　 ②X2→Xe＋e ③X3→Ba＋e ④X4→Xe＋

11、H 解析：根據(jù)衰變過程中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可知X2為I，X3為Cs，中子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)減去核電荷數(shù)，分別為131－53＝78和137－55＝82. 答案：②?、邸?8　82 統(tǒng)攬考情 本章內(nèi)容是介紹原子核物理學(xué)中最基礎(chǔ)的知識(shí)和研究方法，它是進(jìn)入微觀領(lǐng)域的“金鑰匙”，它對(duì)近代物理及其他技術(shù)有極其深遠(yuǎn)的影響．它是高考選考的?？純?nèi)容，考查內(nèi)容主要集中在原子核的結(jié)構(gòu)、原子核的衰變及質(zhì)能聯(lián)系方程等知識(shí)，并以選擇題為主． 真題例析 （2017·全國卷Ⅱ）一靜止的鈾核放出一個(gè)α粒子衰變成釷核，衰變方程為U→Th＋He.下列說法正確的是（　?。? A.衰變后釷核的動(dòng)能等于α粒子的動(dòng)能

12、B.衰變后釷核的動(dòng)量大小等于α粒子的動(dòng)量大小 C.鈾核的半衰期等于其放出一個(gè)α粒子所經(jīng)歷的時(shí)間 D.衰變后α粒子與釷核的質(zhì)量之和等于衰變前鈾核的質(zhì)量 解析：根據(jù)動(dòng)量守恒定律可知衰變后釷核的動(dòng)量大小等于α粒子的動(dòng)量大小，B正確；根據(jù)Ek＝可知衰變后釷核的動(dòng)能小于α粒子的動(dòng)能，A錯(cuò)誤；半衰期是指放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需時(shí)間，C項(xiàng)錯(cuò)誤，衰變后質(zhì)量虧損，因此α粒子與釷核的質(zhì)量之和小于衰變前鈾核的質(zhì)量，D項(xiàng)錯(cuò)誤. 答案：B 針對(duì)訓(xùn)練 （2017·全國卷Ⅰ）大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電.氘核聚變反應(yīng)方程是：H＋H→He＋n.已知H的質(zhì)量為2.013

13、 6 u，He的質(zhì)量為3.015 0 u，n的質(zhì)量為1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2.氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為（　?。? A.3.7 MeV　　　　 B.3.3 MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV 解析：氘核聚變反應(yīng)的質(zhì)量虧損Δm＝2m氘－m氦－mn＝0.003 5 u，則該反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝Δm×931 MeV＝3.258 5 MeV≈3.3 MeV. 答案：B 1.（2017·天津卷）我國自主研究制造的國際熱核聚變核心部件在國際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，這是我國對(duì)國際熱核聚變項(xiàng)目的重大貢獻(xiàn).下列核反應(yīng)方程中屬于聚變反應(yīng)的是（　?。?

14、A.H＋H→He＋n B.7N＋He→8O＋H C.He＋Al→P＋n D.92U＋n→56Ba＋Kr＋3n 解析：因?yàn)镠＋H→He＋n是一個(gè)氘核與一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)氦核，同時(shí)放出一個(gè)中子，屬于聚變反應(yīng)，因此A正確；7N＋He→8O＋H是盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)，他用α粒子轟擊氮原子核，產(chǎn)生氧的同位素——氧17和一個(gè)質(zhì)子，是人類第一次實(shí)現(xiàn)的原子核的人工轉(zhuǎn)變，屬于人工核反應(yīng)，故B錯(cuò)誤；He＋Al→P＋n是小居里夫婦用α粒子轟擊鋁箔時(shí)發(fā)現(xiàn)了放射性磷30，屬于人工核反應(yīng)，故C錯(cuò)誤；92U＋n→56Ba＋Kr＋3n是一種典型的鈾核裂變，屬于裂變反應(yīng)，故D錯(cuò)誤. 答案：A 2.（2017·江蘇

15、卷）（多選）原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示.根據(jù)該曲線，下列判斷正確的有（　?。? A.He核的結(jié)合能約為14 MeV B.He核比Li核更穩(wěn)定 C.兩個(gè)H核結(jié)合成He核時(shí)釋放能量 D.92U核中核子的平均結(jié)合能比Kr核中的大 解析：He核里面有四個(gè)核子，所以結(jié)合能約為28 MeV，A項(xiàng)錯(cuò)誤；比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，所以B項(xiàng)正確；兩個(gè)H核結(jié)合成He核時(shí)發(fā)生聚變反應(yīng)，比結(jié)合能變大，有質(zhì)量虧損，所以釋放能量，C項(xiàng)正確；92U核中核子的平均結(jié)合能比Kr核中的小，D項(xiàng)錯(cuò)誤. 答案：BC 3．(2016·全國Ⅱ卷)在下列描述核過程的方程中，屬于α衰變的是________(填正確答案的字

16、母標(biāo)號(hào)，下同)，屬于β衰變的是________，屬于裂變的是________，屬于聚變的是________． A.C→N＋e　　　　　　 B.P→S＋e C.U→Th＋He D.N＋He→O＋H E.U＋n→Xe＋Sr＋2n F.H＋H→He＋n 解析：天然放射性元素自發(fā)地放出α粒子(即氦核He)的衰變屬于α衰變；放出β粒子的衰變屬于β衰變；重核分裂成幾個(gè)中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象為核裂變；輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng)為核聚變． 答案：C　AB　E　F 4.（2017·北京卷）在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，一個(gè)靜止的放射性原子核發(fā)生了一次α衰變。放射出的α粒子（He）在與磁

17、場(chǎng)垂直的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道半徑為R.以m、q分別表示α粒子的質(zhì)量和電荷量. （1）放射性原子核用X表示，新核的元素符號(hào)用Y表示，寫出該α衰變的核反應(yīng)方程； （2）α粒子的圓周運(yùn)動(dòng)可以等效成一個(gè)環(huán)形電流，求圓周運(yùn)動(dòng)的周期和環(huán)形電流大??； （3）設(shè)該衰變過程釋放的核能都轉(zhuǎn)化為α粒子和新核的動(dòng)能，新核的質(zhì)量為M，求衰變過程的質(zhì)量虧損Δm. 解析：（1）α衰變的核反應(yīng)方程為X→Y＋He. （2）α粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力 qv1B＝m，T＝，解得：T＝. 由電流的定義式可得： I＝＝. （3）衰變過程中由動(dòng)量守恒定律可得： mv1＝Mv2， 由能量守恒可知，釋放的核能為： ΔE＝mv＋Mv， 由質(zhì)能方程可得： ΔE＝Δmc2. 聯(lián)立以上方程可解得： Δm＝. 答案：（1）X→Y＋He?。?）　　（3） 8