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2022届高考物理一轮复习 第十五章 近代物理 第3节 原子核及核反应学案 新人教版

2022届高考物理一轮复习 第十五章 近代物理 第3节 原子核及核反应学案 新人教版

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姓名：

11

第3节　原子核及核反应
必备知识预案自诊　
知识梳理
一、原子核的组成
1.原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为　　　。质子带正电,中子不带电。 
2.基本关系
(1)核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=　　　　　　　　　　。 
(2)质量数(A)=　　　　　　=质子数+中子数。 
3.X元素的原子核的符号为 ZAX,其中A表示　　　　　　,Z表示核电荷数。 
二、天然放射现象
1.天然放射现象
元素　　　　地放出射线的现象,首先由　　　　　　　　发现。天然放射现象的发现,说明原子核具有　　　　的结构。 
2.放射性同位素的应用与防护
(1)放射性同位素:有　　　　放射性同位素和　　　　放射性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同。 
(2)应用:消除静电、工业探伤、做　　　　　　　　等。 
(3)防护:防止放射性对人体组织的伤害。
三、原子核的衰变、半衰期
1.原子核的衰变
(1)原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种　　　　　　的变化称为原子核的衰变。 
(2)分类
α衰变:ZAX→Z-2A-4Y+　　　 
β衰变:ZAX→Z+1　AY+　　　　 
γ衰变:当放射性物质连续发生衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰变,同时伴随着γ辐射。
2.半衰期
(1)定义①:放射性元素的原子核有　　　　发生衰变所需的时间。 
①注:半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间而不是样本质量减少一半的时间。
(2)影响因素②:放射性元素衰变的快慢是由核　　　　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。 

②注:半衰期是一个统计概念,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,但可以确定各个时刻发生衰变的概率,即某时衰变的可能性,因此,半衰期只适用于大量的原子核。

四、核力和核能
1.原子核内部,　　　　所特有的相互作用力,叫核力。 
2.核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其对应的能量ΔE=　　　　。 
3.原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=　　　　。 
4.结合能和比结合能③
(1)结合能:核子结合为原子核时　　　　的能量或原子核分解为核子时　　　　的能量,叫作原子核的结合能,亦称核能。 
(2)比结合能:原子核的结合能与　　　　　　之比,称作比结合能,也叫平均结合能。 
考点自诊
1.判断下列说法的正误。
(1)所有元素都可以发生衰变。(　　)
(2)重核裂变和轻核聚变都能释放核能。(　　)
(3)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。(　　)
2.90232Th经过一系列的α衰变和β衰变后变成 82208Pb,则 82208Pb比 90232Th少(　　)

A.16个中子,8个质子
B.8个中子,16个质子
C.24个中子,8个质子
D.8个中子,24个质子
3.(多选)已知中子的质量是mn=1.674 9×10-27 kg,质子的质量是mp=1.672 6×10-27 kg,氘核的质量是mD=3.343 6×10-27 kg,则氘核的比结合能为(　　)
A.3.51×10-13 J
B.1.10 MeV
C.1.76×10-13 J
D.2.19 MeV

关键能力学案突破　
考点一　原子核的衰变及半衰期(自主探究)
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+24He
 ZAX→Z+1AY+-10e
衰变实质
2个质子和2个中子结合成一个整体射出
1个中子转化为1个质子和1个电子
211H+201n→24He
 01n→11H+-10e
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

种类
α射线
β射线
γ射线
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
-e
0
质量
4mp,mp=1.67×10-27 kg
mp1836
静止质量为零
速度
0.1c
0.99c
c
在电场、
磁场中
偏转
与α射线偏转方向相反
不偏转
贯穿本领
最弱,用纸能挡住
较强,能穿透几毫米的铝板
最强,能穿透几厘米的铅板
对空气的
电离作用
很强
较弱
很弱

3.衰变次数的计算方法
若 ZAX→Z'A'Y+n24He+m-10e
则A=A'+4n,Z=Z'+2n-m
解以上两式即可求出m和n。
4.半衰期的理解
(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少量原子核,无半衰期可言。
(2)根据半衰期的概念,可总结出公式N余=N原12 tr,m余=m原12 tt。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量,N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,τ表示半衰期。
对点演练
1.在核反应堆中,92238U吸收一个中子后生成 94239Pu,94239Pu是重要的核燃料,其衰变方程式为 94239Pu→92235U+24He+γ。以下说法正确的是(　　)
A. 94239Pu衰变过程是一个β衰变过程
B.94239Pu衰变过程质量数守恒,所以没有核能量释放
C.94239Pu衰变过程中的γ光子是由 92235U原子核能级跃迁产生的
D.92235U吸收一个中子后生成 94239Pu的核反应过程是一个α衰变过程

2.(2018江苏高考)已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T,则相同质量的A和B经过2T后,剩有的A和B质量之比为(　　)
A.1∶4 B.1∶2 C.2∶1 D.4∶1
3.(多选)(2020广西桂林模拟)某医院利用放射线治疗肿瘤,被利用的放射源必须具备以下两个条件:(1)放出的射线有较强的穿透能力,能辐射到体内肿瘤所在处;(2)能在较长的时间内提供比较稳定的辐射强度。现有四种放射性同位素的放射线及半衰期如表所示。关于在表中所列的四种同位素,下列说法正确的是(　　)

同位素
钴60
锶90
锝99
氡222
放射线
γ
β
γ
α
半衰期
5年
28年
6小时
3.8天

A.最适宜作为放疗使用的放射源应是钴60
B.最适宜作为放疗使用的放射源应是锶90
C.放射线的电离能力最强的放射源是锝99
D.放射线的电离能力最强的放射源是氡222
考点二　核反应方程与核能的计算(自主探究)
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+24He
β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,同时发现正电子)
 1530P→1430Si+10e
重核
裂变
比较容易进
行人工控制
 92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n
 92235U+01n→54136Xe+3890Sr+1001n
轻核聚变
很难控制
 12H+13H→24He+01n

2.核反应方程式的书写
(1)熟记常见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)掌握核反应方程遵循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。由于核反应不可逆,因此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守恒,电荷数守恒。
3.核能的计算方法
(1)根据ΔE=Δmc2计算,计算时Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,ΔE的单位是“J”。
(2)根据ΔE=Δm×931.5 MeV计算。因1原子质量单位(1 u)相当于931.5 MeV,所以计算时Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”。
(3)根据核子比结合能来计算核能
原子核的结合能=核子比结合能×核子数。
4.对质能方程的理解
(1)一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2。
方程的含义:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量减少,质量也减少。
(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其能量也要相应减少,即ΔE=Δmc2。
(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=Δmc2。
对点演练
4.(多选)(2020全国卷Ⅰ)下列核反应方程中,X1、X2、X3、X4代表α粒子的有(　　)
A.12H+12H→01n+X1
B.12H+13H→01n+X2
C.92235U+01n→56144Ba+3689Kr+3X3
D.01n+36Li→13H+X4

5.(多选)(2020全国卷Ⅲ)1934年,约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝箔,首次产生了人工放射性同位素X,反应方程为 24He+1327Al→X+01n。X会衰变成原子核Y,衰变方程为X→Y+10e。则(　　)
A.X的质量数与Y的质量数相等
B.X的电荷数比Y的电荷数少1
C.X的电荷数比 1327Al的电荷数多2
D.X的质量数与 1327Al的质量数相等
6.(多选)(2020浙江卷)太阳辐射的总功率约为4×1026 W,其辐射的能量来自于聚变反应。在聚变反应中,一个质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(12H)和一个质量为2 809.5 MeV/c2的氚核(13H)结合为一个质量为3 728.4 MeV/c2的氦核(24He),并放出一个X粒子,同时释放大约17.6 MeV的能量。下列说法正确的是(　　)
A.X粒子是质子
B.X粒子的质量为939.6 MeV/c2
C.太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109 kg
D.太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2

第3节　原子核及核反应
必备知识·预案自诊
知识梳理
一、原子核的组成
1.核子　2.(1)核外电子数　(2)核子数
3.质量数
二、天然放射现象
1.自发　贝可勒尔　复杂
2.(1)天然　人工　(2)示踪原子
三、原子核的衰变、半衰期
1.(1)原子核　(2)24He　-1　0e
2.(1)半数　(2)内部
四、核力和核能
1.核子间　2.Δmc2　3.Δmc2
4.(1)释放　吸收　(2)核子数
考点自诊
1.(1)×　(2)√　(3)×
2.A　3.BC
关键能力·学案突破
对点演练
1.C　由 94239Pu衰变过程放出α粒子,则其为α衰变过程,故A错误;94239Pu衰变过程质量发生亏损,由爱因斯坦质能方程可知,衰变过程放出能量,故B错误;94239Pu衰变过程中产生的 92235U原子核不稳定而发生跃迁同时放出光子即释放能量,故C正确;92238U吸收一个中子后生成 94239Pu的核反应过程没有放出α粒子,也不是一个α衰变过程,故D错误。
2.B　剩有的A的质量mA=m012 tτ=m0T2 2TT
剩有的B的质量mB=m012 tτ=m012 2T2T
故mAmB=12,故B正确。
3.AD　钴60放出的γ射线穿透能力强,半衰期长,选项A正确,B错误;α射线电离能力最强,γ射线的电离能力最弱,氡222放出的是α射线,选项C错误,D正确,故选AD。
4.BD　本题可根据核反应方程质量数和电荷数守恒分析。根据核反应前后质量数和电荷数守恒分析可知,A项中的X1为 23He,B项中的X2为 24He,C项中的X3为 01n,D项中的X4为 24He。选项B、D正确。
5.AC　本题以人工放射性同位素为背景,意在考查核反应方程。根据核反应中质量数和电荷数守恒的规律可知,X的质量数为4+27-1=30,电荷数为2+13-0=15,Y的质量数为30,电荷数为15-1=14,则X的质量数和Y的质量数相等,X的电荷数比Y的电荷数多1,选项A正确,选项B错误;X的电荷数比 1327Al的电荷数多15-13=2,选项C正确;X的质量数比 1327Al的质量数多30-27=3,选项D错误。
6.BC　聚变的核反应方程
 12H+13H→24He+01n+17.6MeV
X粒子是中子,选项A错误;根据爱因斯坦质能方程E=mc2,X粒子的质量是氘核与氚核质量之和,减去释放能量的质量和氦核质量,mX=(1876.1+2809.5-17.6-3728.4)MeV/c2=939.6MeV/c2,选项B正确;太阳每秒损失的质量Δm=ΔEc2=Ptc2=4×1026(3×108)2kg=4.4×109kg,选项C正确,选项D错误。