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第3讲天然放射现象核反应核能1放射性元素的衰变(1)原子核的组成①原子核的组成:原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为核子。②原子核的符号③同位素:具有相同的质子数而中子数不同的原子核,在元素周期表中处于同一位置,它们互称为同位素。例如,氢有三种同位素11H、12H、13H。(2)天然放射现象①天然放射现象元素自发地放出射线的现象,首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂的结构。②三种射线:放射性元素放射出的射线共有三种,分别是α射线、β射线、γ射线。(3)原子核的衰变①衰变:原子核自发放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。两类衰变的核反应方程分别为:α衰变:𝑍𝑍X→𝑍-2𝑍-4Y+24Heβ衰变:𝑍𝑍X→𝑍+1𝑍Y+-10e②半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定,跟原子所处的物理、化学状态无关。1.1(2019江西临川一中月考)(多选)关于天然放射性,下列说法正确的是()。A.放射性元素的半衰期与外界的温度无关B.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性C.α、β和γ三种射线中,γ射线的穿透能力最强D.一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线【答案】ABC1.2(2019四川广安市考试)2011年3月11日,日本发生九级大地震,造成福岛核电站严重的核泄漏事故。在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素,它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射。在下列四个式子中,有两个能分别反映131I和137Cs的衰变过程,它们分别是和(填入正确选项前的字母)。131I和137Cs原子核中的中子数分别是和。A.X1𝑍56137Ba+01nB.X2𝑍54131Xe+-10eC.X3𝑍56137Ba+-10eD.X4𝑍54131Xe+11p【答案】BC78822核力与结合能(1)核力①定义:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。②特点:a.核力是强相互作用的一种表现。b.核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m之内。c.每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。(2)结合能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量,叫作原子核的结合能,亦称核能。(3)比结合能①定义:原子核的结合能与核子数之比,称作比结合能,也叫平均结合能。②意义:不同原子核的比结合能不同,某种原子核的比结合能越大,说明核子结合成该种原子核时平均释放的能量越多,核子结合得越牢固,该种原子核越稳定。(4)质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E=mc2,原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm,这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE=Δmc2。2.1(2019杭州质检)(多选)下列对结合能、比结合能的认识中正确的是()。A.一切原子核均具有结合能B.自由核子结合为原子核时,可能吸收能量C.结合能越大的原子核越稳定D.比结合能越大的原子核越稳定【答案】AD2.2(2018福建四校联考)已知氦原子的质量为MHeu,电子的质量为meu,质子的质量为mpu,中子的质量为mnu,u为原子质量单位,且由爱因斯坦质能方程E=mc2可知1u对应931.5MeV的能量,若取光速c=3×108m/s,则两个质子和两个中子聚变成一个氦核,释放的能量为()。A.[2(mp+mn)-MHe]×931.5MeVB.[2(mp+mn+me)-MHe]×931.5MeVC.[2(mp+mn+me)-MHe]·c2JD.[2(mp+mn)-MHe]·c2J【答案】B3核裂变、核聚变(1)重核裂变①定义:质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。②典型的裂变反应方程:92235U+01n→3689Kr+56144Ba+301n。③链式反应:由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(2)轻核聚变①定义:两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行,因此又叫热核反应。②典型的聚变反应方程:12H+13H→24He+01n+17.6MeV。3.1(2019云南昆明质量检测)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应式是92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n。下列说法正确的有()。A.上述裂变反应中伴随着中子放出B.铀块体积对链式反应的发生无影响C.铀核的链式反应可人工控制D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响【答案】AC3.2(2018海口期末考试)氘和氚发生聚变反应的方程式是12H+13H→24He+01n+17.6MeV,若有2g氘和3g氚全部发生聚变,NA为阿伏加德罗常数,则释放的能量是()。A.NA×17.6MeVB.5NA×17.6MeVC.2NA×17.6MeVD.3NA×17.6MeV【答案】A题型一原子核的衰变问题1.α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程ZAX→Z-2A-4Y+24HeZAX→Z+1AY+-10e衰变实质2个质子和2个中子结合成氦核211H+201n→24He1个中子转化为1个质子和1个电子01n→11H+-10e匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2.三种射线的比较射线α射线β射线γ射线名称比较项目组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2e-e0质量4mpm𝑍1836静止质量为零符号24He-10eγ速度0.1c0.99cc垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转不偏转贯穿本领最弱较强最强对空气的电离作用很强较弱很弱3.对半衰期的理解(1)半衰期公式:N余=N原(12)𝑍𝑍,m余=m原(12)𝑍𝑍。(2)半衰期的物理意义:半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素的衰变速率一定,不同的放射性元素半衰期不同,有的差别很大。(3)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。(4)半衰期的适用条件:半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定何时发生衰变。【例1】(1)原子核92238U经放射性衰变①变为原子核90234Th,继而经放射性衰变②变为原子核91234Pa,再经放射性衰变③变为原子核92234U。则放射性衰变①、②和③依次为()。A.α衰变、β衰变和β衰变B.β衰变、α衰变和β衰变C.β衰变、β衰变和α衰变D.α衰变、β衰变和α衰变(2)法国科学家贝可勒尔在1896年发现了天然放射现象。如图反映的是放射性元素铀核衰变的特性曲线。由图可知,铀的半衰期为年;请在下式的括号中,填入铀在衰变过程中原子核放出的粒子的符号。92238U→90234Th+()。【解析】(1)衰变过程中电荷数、质量数守恒,由题意可得衰变方程分别为:92238U→90234Th+24He,90234Th→91234Pa+-10e,91234Pa→91234U+-10e,所以A项正确。(2)根据半衰期的定义,由题图坐标轴数据可知,铀的半衰期为1620年;由核反应所遵循的电荷数守恒和质量数守恒可知,衰变过程中放出的粒子的电荷数为Z=92-90=2,质量数为A=238-234=4,符号为24He。【答案】(1)A(2)162024He衰变次数的确定方法方法一:确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律,设放射性元素𝑍𝑍X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素𝑍'𝑍'Y,则表示该核反应的方程为𝑍𝑍X→𝑍'𝑍'Y+𝑍24He+𝑍-10e。根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A=A'+4n,Z=Z'+2n-m由以上两式联立解得n=𝑍-𝑍'4,m=𝑍-𝑍'2+Z'-Z由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。方法二:因为β衰变对质量数无影响,可先由质量数的改变确定α衰变的次数,然后根据衰变规律确定β衰变的次数。【变式训练1】(2019湖南长沙模拟)(多选)由于放射性元素93237Np的半衰期很短,所以在自然界一直未被发现,只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知93237Np经过一系列α衰变和β衰变后变成83209Bi,下列判断中正确的是()。A.83209Bi的原子核比93237Np的原子核少28个中子B.83209Bi的原子核比93237Np的原子核少18个中子C.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变D.衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变【解析】83209Bi的中子数为209-83=126,93237Np的中子数为237-93=144,83209Bi的原子核比93237Np的原子核少18个中子,A项错误,B项正确;衰变过程中共发生了237-2094=7次α衰变,2×7-(93-83)=4次β衰变,C项正确,D项错误。【答案】BC题型二核反应方程问题1.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发92238U→90234Th+24Heβ衰变自发90234Th→91234Pa+-10e人工转变人工控制714N+24He→817O+11H(卢瑟福发现质子)24He+49Be→612C+01n(查德威克发现中子)1327Al+24He→1530P+01n约里奥—居里夫妇发现放射性同位素及正电子1530P→1430Si+10e重核裂变比较容易进行人工控制92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n92235U+01n→54136Xe+3890Sr+1001n轻核聚变除氢弹外无法控制12H+13H→24He+01n2.核反应方程式的书写(1)熟记常见基本粒子的符号,是正确书写核反应方程的基础。如质子(11H)、中子(01n)、α粒子(24He)、β粒子(-10e)、正电子(10e)、氘核(12H)、氚核(13H)等。(2)掌握核反应方程遵守的规律,是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据,因为核反应不可逆,所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。(3)核反应过程中质量数和电荷数均守恒。【例2】(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程,表述正确的有()。A.13H+12H→24He+01n是核聚变反应B.13H+12H→24He+01n是β衰变C.92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n是核裂变反应D.92235U+01n→54140Xe+3894Sr+201n是α衰变【解析】β衰变时释放出电子(-10e),α衰变时释放出氦原子核(24He),可知B、D两项错误;A项中一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反应;C项中一个92235U原子核吸收一个中子,生成一个56144Ba原子核和一个3689Kr原子核并释放出三个中子是核裂变反应,A、C两项正确。【答案】AC核反应方程式的书写应注意的三点要求(1)核反应的生成物一定要以实验为基础,不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程。(2)核反应过程一般都是不可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向,不能用等号连接。(3)核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒(而不是质量守恒),核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)且释放出核能。【变式训练2】(2019江苏常州阶段模拟)(多选)三个原子核X、Y、Z,X核放出一个正电子后变为Y核,Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个氦核(24He),则下面说法正确的是()。A.X核比Z核多一个质子B.X核比Z核少一个中子C.X核的质量数比Z核的质量数大3D.X核与Z核的总电荷数是Y核电荷数的2倍【解析】设原子核X的符号为𝑍𝑍X,则原子核Y为𝑍-1𝑍Y,𝑍𝑍X→+10e+𝑍-1𝑍Y,11H+𝑍-1𝑍Y→24He+𝑍-2𝑍-3Z,故原子核Z为𝑍-2𝑍-3Z,可见X核比Z核质量数多3个,质子数多2个,A项错误,C项正确;X核的中子数为(a-b),Z核的中子数为(a-3)-(b-2)=a-b-1