高中物理重难点及高考题解

高中物理重难点及高考题解——原子核1一.α粒子散射实验原子的核式结构α粒子散射实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角大于90°，有的甚至被弹回。核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核，带负电的电子在核外空间绕核旋转。原子半径大约为10-10m，核半径大约为10-15～10-14m。1.装置及过程：图为α粒子散射实验的示意图，用放射源产生的α射线轰击金箔(金箔的延展性最好)。利用荧光屏和显微镜围绕金箔沿着图中虚线转动在近360°的范围内观察，用来统计向不同方向散射的粒子的数目。全部设备装在真空中，防止α粒子与尘埃的撞击。2.实验现象：如图大部分α粒子在穿过金箔时距离原子核很远受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有少数的α粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑斥力而发生大角度偏转。按照卢瑟福的核式结构模型、原子内部是十分“空旷”的。【例题】卢瑟福原子核式结构的理论的主要内容有：(2001年，上海)A原子的中心有个核，叫原子核B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中C.原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里D.带负电的电子在核外绕核旋转【分析】【题解】【答案】A、C、D高中物理重难点及高考题解——原子核2二.天然放射现象α射线β射线γ射线半衰期元素自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。放射性物质放出的射线有三种：①α射线是高速α粒子流。α粒子的电荷数是2，质量数是4，实际上就是氦原子核。②β粒子是高速电子流。③γ射线不带电，它是能量很高的电磁波。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做这种元素的半衰期。1.天然放射现象(1)法国科学家贝克勒尔首先发现天然放射现象，揭示了人类研究原子核结构的序幕。(2)原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序数小于83的天然存在的元素有些也具有放射性。2.三种射线的本质和特性，核的衰变(1)α射线：速度约为101光速的氦核流，贯穿本领最弱，电离作用最强。(2)β射线：高速运动的电子流，速度可达光速99%，贯穿本领较弱，电离作用较强。(3)γ射线：光子，贯穿本领很强，电离作用最弱。(4)放射性元素的半衰期与物质所处的物理状态及化学状态无关。它是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，仅与原子核的内部因素有关。它描述放射性元素衰变快慢。(5)半衰期计算公式：N′=N0(21)nm′=m0(21)n其中n=vt式中：N′、m′为衰变后剩余的原子数量和质量，N0、m0为衰变前原子数量和质量，n为半衰期个数，t是所用时间。【例题】图中P为放在匀强电场中的天放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a，b，c三束，以下判断正确的是：A.a为α射线，b为β射线B.a为β射线，b为γ射线C.b为γ射线，c为α射线D.b为α射线，c为γ射线【分析】高中物理重难点及高考题解——原子核3【题解】【答案】B、C【例题】判断古生物年代常用14C定年法。若千万年以前，始祖鸟通过摄食。吸收了植物中含有放射线14C的营养物质，死亡后不再吸收。随着年代的推移始祖鸟中14C含量逐渐减小，古生物学家在对始祖鸟化石的测定中，发现14C为现代鸟的N21，已知地表中14C的含量基本不变。14C的半衰期为T年。(1)试判断始祖鸟距今年代：A.NT21B.21TNC.TND.2TN(2)始祖鸟在进化上处于：A.古代的爬行类和鸟类的过渡类型B.古代的鸟类和爬行类的过渡类型C.古代的两栖类和爬行类的过渡类型D.无脊椎动物与脊椎动物的过渡类型【分析】【题解】【答案】⑴C⑵A三.原子核的人工转变原子核的组成放射性同位素及其应用原子核人工转变：高中物理重难点及高考题解——原子核4用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程，即，其中为靶核的符号，x为入射粒子，是新核，Y是放射出粒子的符号。发现质子的方程：(卢瑟福)发现中子的方程：(查德威克)发现正电子的方程：(伊丽芙·居里夫妇)原子核的组成统称为核子。核反应方程遵循两个守恒关系，即核电荷数守恒和质量数守恒有些同位素具有放射性叫做放射性同位素其主要应用是：①利用它的射线作探测或辐射等。②作为示踪原子。1.对于原子核的组成原子核既然是由质子和中子组成的，那为什么还会从原子核里发射出α粒子、β粒子？实际上，发射出来的α粒子和β粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的。α粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的，β粒子是原子核内的中子转化为质子时产生发射出来的。所以不能因为从原子核中发射出α粒子和β粒子就认为原子核也是由它们组成的。2.关于核反应方程的书写常见的核反应分为衰变、人工转变、裂变、聚变等几种类型。无论写哪种类型的核反应方程都应注意以下几点：(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒的规律。有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律(例如裂变和聚变方程常含能量项)。(2)核反应方程中的箭头(→)表示核反应进行的方向。不能把箭头写成等号。(3)在写核反应方程时，应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上，然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核(或未知粒子)的电荷数和质量数，最后根据未知数(或未知粒子)的电荷数确定它们是哪种元素(或哪种粒子)，并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号。【难点突破】1.α衰变：α衰变的实质是其元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒高中物理重难点及高考题解——原子核5子(即氦核)，每发生一次α衰变，新元素与原元素比较，荷电荷数减少2，质量数减少4，即：2.β衰变：β衰变的实质是其元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子。每发生一次β衰变，新元素与原元素比较，核电荷数增加1，质量数不变。即：3.γ衰变：γ衰变是伴随着α衰变和β衰变同时发生的，γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数。4.确定衰变次数的方法：设放射性元素经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素，则表示该核反应的方程为：根据电荷守恒和质量守恒列方程：A=A′+4nz=z′+2n+(-m)得：【例题】试写出经过一系列α衰变和β衰变后变成的核反应方程。【分析】【题解】【答案】【例题】原子序数大于92的所有元素，都能自发地放出射线，这些射线共有三种：α射线、β射线和γ射线，下列说法正确的是：(2001年，广东)A.原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4B.原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4C.原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1D.每放出一个β粒子，原子序数增加1高中物理重难点及高考题解——原子核6【分析】【题解】【答案】D【例题】在下列方程中，x1、x2、x3和x4各代表某种粒子以下判断正确的是：(2001年，全国)A.x1是中子B.x2是质子C.x3是α粒子D.x4是氘核【分析】【题解】【答案】A、C四.核能爱因斯坦质能方程1.核能：核子结合成原子核(或原子核分解成核子)时，要放出(吸收)巨大的能量，称为核能。2.质量亏损：组成原子核的各个核子的总质量与原子核的质量之差叫核的质量亏损。3.质能方程(1)爱因斯坦质能方程E=mc2注意：一定质量m总是跟一定能量mc2相对应，m增大，E也增大，m减小，E也减小。(2)核能的计算：先求出质量亏损，再由质能方程ΔE=Δmc2计算出对应放出(或吸收)的能量。4.核力：核子之间的作用力。高中物理重难点及高考题解——原子核7(1)核力与核子是否带电无关，质子与质子之间，质子与中子之间，中子与中子之间都可以有核力作用。(2)核力是短程力，只在2×10-15m的极短距离内有核力作用，超过这个距离，核力就迅速减小到零，由于质子和中子的半径约为0.8×10-15m，所以每个核子只能跟它的相邻的核子间才有力的作用。(3)核力是很强的力。5.原子核的结合能，克服核力做功，使原子核分解为单个核子时吸收的能量，或若干单个核子在核力的作用下结合成原子核时放出的能量叫做原子核的结合能，简称核能。【难点突破】核能的计算方法：1.根据爱因斯坦的质能亏损，用核子结合成原子核时的质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速的平方(c=3×108m/s)，即：ΔE=Δmc2①2.根据1原子质量单位(u)相当于931.5(MeV)能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV，即：ΔE=Δm×931.5MeV②注意：①式Δm的单位是千克(kg)，ΔE的单位是焦耳(J)；②式中Δm的单位是指原子质量单位(u)(1u=1.660566×10-27kg)，ΔE的单位是兆电子伏(MeV)。3.由核能的转化量来计算核能。在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成新核和新粒子的动能，因而在此情况下可应用力学原理——动量守恒和能量守恒来计算核能。【例题】已知氮核质量mN=14.00753u，氧核质量mO=17.00454u，氦核的质量mHe=4.00387u，质子质量mH=1.00815u，试判断核反应：是吸能反应，还是放能反应，能量变化是多少？【分析】【题解】【答案】【例题】一个静止的U(原子量为232.0372u)放出一个α粒子(原子量为4.00260u)后，衰变成Th(原子量为228.0287u)，假设放出的结合能完全变成Th核和α粒子的动能，试计算α粒子的动能？【分析】高中物理重难点及高考题解——原子核8【题解】【答案】【例题】两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)。已知氘核的质量mD=2.0136u，氦核的质量mHe=3.0150u，中子的质量mn=1.0087u。(1)写出聚变方程并算出释放的核能。(已知1uc2=931。5MeV)(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0=0。35MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？【分析】【题解】高中物理重难点及高考题解——原子核9【答案】五.重核的裂变链式反应轻核的聚变裂变：重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应。链式反应：铀核裂变时放出几个中子，再引起其他铀核裂变而使裂变反应不断进行。聚变：轻核结合成质量较大的核的反应过程称为聚变，伴随释放大量的核能。1.核反应中有什么样的核反应可以释放出能量？(1)核子的平均质量(原子核的质量除以核子的个数)与原子序数的关系：铁原子核中核子的平均质量最小，原子序数比铁大的核，原子序数越大，核子的平均质量越大；原子序数比铁小的核，原子序数越小，核子的平均质量也越大。(2)如图：如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，或者原子序数很小的轻核D、E结合成一个原子序数大一些的F核，都会有质量亏损，都会放出巨大的核能。2.链式反应的临界体积重核俘获一个中子后分裂为两个(或多个)中等质量核的反应过程，重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量的核能，为了使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积应大于它的临界体积。因为铀块的体积对于产生链式反应是一个重要因素，原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还高中物理重难点及高考题解——原子核10没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。3.轻核发生聚变，必须使两个核间的距离十分接近，达到10-15m的近距离由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。这就要使原子核具有很大的动能，这就要把它们加热到很高的温度。当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核已经具有足够的动能，可以克服相互间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变，因此，聚变反应又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。太阳内部和许多恒星内部，温度高达107K以上，热核反应在那里激烈地进行着。氢弹是利用热核反应制造的一种大规律杀伤武器。【例题】裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核为燃料的反应堆中，当俘获一个慢中子后发生裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为