2015高中物理原子核章末总结教科版选修.pptx

第三章 原子核章末总结网络构建区原子核原子核原子核的组成原子核的组成核子核子质子质子()()中子中子()核变化核变化衰变衰变三种射线：三种射线：射线、射线、射线、射线、射线射线三种衰变：三种衰变：衰变、衰变、衰变、衰变、衰变衰变半衰期半衰期人工转变人工转变质子的发现：质子的发现：中子的发现：中子的发现：网络构建区核裂变：核裂变：原子核原子核核变化核变化核聚变：核聚变：核能核能爱因斯坦质能方程：爱因斯坦质能方程：Emc2或或E核能的利用：核电站、核武器核能的利用：核电站、核武器mc2专题整合区一、一、对核反应方程及类型的理解对核反应方程及类型的理解二、二、半衰期及衰变次数的计算半衰期及衰变次数的计算三三、核能的计算方法核能的计算方法四四、原子核物理与动量、能量相结合的综合问题原子核物理与动量、能量相结合的综合问题一、对核反应方程及类型的理解1.四类核反应方程的比较四类核反应方程的比较名称名称核反应方程式核反应方程式时间时间其它其它衰衰变变衰变衰变1896年年贝克勒贝克勒尔发现尔发现衰变衰变裂变裂变1938年年 原子弹原理原子弹原理聚变聚变氢弹氢弹原理原理人工人工转变转变发现发现质子质子1919年年卢瑟福卢瑟福发现发现中子中子1932年年查德查德威克威克2.解题注意：解题注意：(1)熟记一些粒子的符号熟记一些粒子的符号粒粒子子(He)、质质子子(H)、中中子子(n)、电电子子(e)、氘氘核核(H)、氚核、氚核(H)(2)注注意意在在核核反反应应方方程程式式中中，质质量量数数和和电电荷荷数数是是守守恒恒的的；在解有关力学综合问题时，还有动量守恒和能量守恒在解有关力学综合问题时，还有动量守恒和能量守恒.例例1现有三个核反应：现有三个核反应：下列说法正确的是下列说法正确的是()A.是裂变，是裂变，是是衰变，衰变，是聚变是聚变B.是聚变，是聚变，是裂变，是裂变，是是衰变衰变C.是是衰变，衰变，是裂变，是裂变，是聚变是聚变D.是是衰变，衰变，是聚变，是聚变，是裂变是裂变解解析析原原子子核核的的变变化化通通常常包包括括衰衰变变、人人工工转转变变、裂裂变变和和聚聚变变.衰衰变变是是指指原原子子核核放放出出粒粒子子和和粒粒子子后后，变变成成新新的的原子核的变化，像本题中的核反应原子核的变化，像本题中的核反应；原原子子核核的的人人工工转转变变是是指指在在其其它它粒粒子子的的轰轰击击下下变变成成新新的的原原子子核核的的变变化化；裂裂变变是是重重核核分分裂裂成成质质量量较较小小的的核核，像像核核反反应应；聚聚变变是是轻轻核核结结合合成成质质量量较较大大的的核核，像像核核反反应应；综综上上所所述，述，C项正确项正确.答案答案C返回返回二、半衰期及衰变次数的计算1.半半衰衰期期：放放射射性性元元素素的的原原子子核核有有半半数数发发生生衰衰变变需需要要的的时间时间.计算公式：计算公式：NN0()n或或mm0()n，其中其中n，为半衰期为半衰期.2.确定衰变次数的方法确定衰变次数的方法(1)根据质量数、电荷数守恒得根据质量数、电荷数守恒得ZZ2nmAA4n二式联立求解得二式联立求解得衰变次数衰变次数n，衰变次数衰变次数m.(2)根据根据衰变和衰变和衰变衰变(衰变质量数不变衰变质量数不变)直接求解直接求解.例例2放射性元素放射性元素U衰变有多种可能途径，衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成其中一种途径是先变成Bi，而，而Bi可以经可以经一次衰变变成一次衰变变成X(X代表某种元素代表某种元素)，也可，也可以经一次衰变变成以经一次衰变变成Tl，X和和Tl最后都变最后都变成成Pb，衰变路径如图，衰变路径如图1所示所示.则则()图图1A.a82，b211B.Bi X是是衰变，衰变，Bi Tl是是衰变衰变C.Bi X是是衰变，衰变，Bi Tl是是衰变衰变D.Tl经过一次经过一次衰变变成衰变变成Pb解解析析由由Bi X，质质量量数数不不变变，说说明明发发生生的的是是衰衰变，同时知变，同时知a84.由由Bi Tl是是核核电电荷荷数数减减2，说说明明发发生生的的是是衰衰变变，同同时知时知b206，由，由Tl Pb发生了一次发生了一次衰变衰变.故选故选B.答案答案B例例32008年年度度十十大大考考古古新新发发现现揭揭晓晓，陕陕西西高高陵陵杨杨官官寨寨居居首首，尤尤其其令令考考古古工工作作者者兴兴奋奋的的是是，在在其其中中一一处处壕壕沟沟内内出出土土了了一一件件极极为为罕罕见见的的人人面面彩彩陶陶.有有考考古古专专家家推推测测，这这里里可可能能是是当当时时的的一一处处中中心心聚聚落落，可可能能为为5500年年前前的的原原始始城城市市.人人们们由由此此可可以以看看见见“城城镇镇”的的雏雏形形，这这在在中中国国文文明明形形成成过过程程中中有有着着重重要要的的作作用用.放放射射性性同同位位素素C被被考考古古学学家家称称为为“碳碳钟钟”，它它可可以以用用来来判判定定古古生生物物体体死死亡亡至至今的年代今的年代.(1)宇宇宙宙射射线线中中高高能能量量中中子子碰碰撞撞空空气气中中的的氮氮原原子子后后，就就会形成会形成C，写出它的核反应方程，写出它的核反应方程.答案答案核反应方程：核反应方程：(2)C很很不不稳稳定定，容容易易发发生生衰衰变变，其其半半衰衰期期为为5730年年，写出它发生衰变的核反应方程写出它发生衰变的核反应方程.答案答案衰变方程：衰变方程：(3)C生成和衰变通常是平衡的，即空气中生物活体的生成和衰变通常是平衡的，即空气中生物活体的C含含量量是是不不变变的的.当当机机体体死死亡亡后后，机机体体内内的的C含含量量将将会会不不断断减减少少.若若测测得得高高陵陵杨杨官官寨寨出出土土的的一一具具古古生生物物遗遗骸骸中中C含含量量只只有有活活体体中中的的50%，则则这这具具遗遗骸骸死死亡亡距距今今应应有多少年？有多少年？解析解析据半衰期公式：据半衰期公式：NN0()，代入数据：，代入数据：50%()，解得，解得t5730年年.答案答案见解析见解析返回返回三、核能的计算方法1.根据质量亏损计算核能根据质量亏损计算核能(1)用用Emc2计算核能计算核能公公式式中中的的各各物物理理量量必必须须用用国国际际单单位位制制中中的的单单位位来来表表示示，所所以以，当当原原子子核核及及核核子子的的质质量量用用“kg”作作单单位位时时，用用该该式计算核能较为方便式计算核能较为方便.(2)用用1u的质量相当于的质量相当于931.5MeV的能量来计算核能的能量来计算核能.2.根据结合能计算核能根据结合能计算核能利利用用结结合合能能计计算算核核能能时时要要采采用用“先先拆拆散散，再再结结合合”的的方方法法.例例4假假设设两两个个氘氘核核在在一一条条直直线线上上相相碰碰发发生生聚聚变变反反应应生生成成氦氦核核的的同同位位素素和和中中子子，已已知知氘氘核核的的质质量量是是2.0136u，中中子子的的质质量量是是1.0087u，氦氦核核同同位位素素的的质质量量是是3.0150u，则则聚聚变变的的核核反反应应方方程程是是_，在在聚聚变变反反应应中中释放出的能量为释放出的能量为_MeV(保留两位有效数字保留两位有效数字).解析解析根据题中条件，可知核反应方程为根据题中条件，可知核反应方程为核反应过程中的质量亏损核反应过程中的质量亏损m2mH(mHemn)22.0136u(3.01501.0087)u3.5103u由由于于1u的的质质量量与与931.5MeV的的能能量量相相对对应应，所所以以氘氘核核聚聚变反应时放出的能量为变反应时放出的能量为E3.5103931.5MeV3.3MeV.答案答案返回返回四、原子核物理与动量、能量相结合的综合问题1.核核反反应应过过程程中中满满足足四四个个守守恒恒：质质量量数数守守恒恒；电电荷荷数数守守恒；动量守恒；能量守恒恒；动量守恒；能量守恒.2.核核反反应应过过程程若若在在磁磁场场中中发发生生，粒粒子子在在匀匀强强磁磁场场中中可可能能做做匀匀速速圆圆周周运运动动，衰衰变变后后的的新新核核和和放放出出的的粒粒子子(粒粒子子、粒子粒子)形成外切圆或内切圆形成外切圆或内切圆.例例5足足够够强强的的匀匀强强磁磁场场中中有有一一个个原原来来静静止止的的氡氡核核Rn，它它放放射射出出一一个个粒粒子子后后变变为为Po核核.假假设设放放出出的的粒粒子子运运动方向与磁场方向垂直，求：动方向与磁场方向垂直，求：(1)粒粒子子与与Po核核在在匀匀强强磁磁场场中中的的轨轨迹迹圆圆半半径径之之比比并并定定性性画出它们在磁场中运动轨迹的示意图画出它们在磁场中运动轨迹的示意图.解析解析氡核经氡核经衰变的核反应方程为衰变的核反应方程为衰变的极短过程系统动量守恒，设衰变的极短过程系统动量守恒，设粒子速度方向为正，粒子速度方向为正，衰变的极短过程系统动量守恒，设衰变的极短过程系统动量守恒，设粒子速度方向为正，粒子速度方向为正，则由动量守恒定律则由动量守恒定律0mvmPovPo，即即mvmPovPo粒子与反冲核在匀强磁场中，洛伦兹力粒子与反冲核在匀强磁场中，洛伦兹力提供匀速圆周运动的向心力提供匀速圆周运动的向心力qvBm，r ，故故，示意图如图甲所示，示意图如图甲所示.答案答案421见解析图见解析图(2)粒粒子子与与Po核核两两次次相相遇遇的的时时间间间间隔隔与与粒粒子子运运动动周周期期的关系；的关系；(设质子和中子质量相等设质子和中子质量相等)解析解析它们在磁场中运动的周期它们在磁场中运动的周期T，它，它们周期之比为们周期之比为，即即109T84TPo，这这样样粒粒子子转转109圈圈，Po核核转转84圈圈，两者才相遇两者才相遇.所以，所以，粒子与粒子与Po核两次相遇的时间间隔核两次相遇的时间间隔t109T.答案答案t109T(3)若若某某种种放放射射性性元元素素在在匀匀强强磁磁场场中中垂垂直直磁磁场场方方向向发发生生衰衰变变，则则粒粒子子和和反反冲冲核核在在磁磁场场中中运运动动轨轨迹迹的的示示意意图图与与上述上述衰变轨迹示意图有何不同？衰变轨迹示意图有何不同？解解析析若若放放射射性性元元素素在在匀匀强强磁磁场场中中垂垂直直磁磁场场方方向向发发生生衰衰变变，则则粒粒子子和和反反冲冲衰衰变变过过程程仍仍符符合合动动量量守守恒恒定定律律，它它们们也也在在洛洛伦伦兹兹力力作作用用下下做做匀匀速速圆圆周周运运动动，但但由由于于粒粒子带负电，反冲核带正电，衰变时它们两个运动方向子带负电，反冲核带正电，衰变时它们两个运动方向相反，但受的洛伦兹力方向相同，所以它相反，但受的洛伦兹力方向相同，所以它们的轨迹圆是内切的，且们的轨迹圆是内切的，且粒子的轨迹半径粒子的轨迹半径大于新核的轨迹半径，其运动轨迹的示意大于新核的轨迹半径，其运动轨迹的示意图如图乙所示图如图乙所示.答案答案见解析图见解析图例例6用用中中子子轰轰击击锂锂核核(Li)发发生生核核反反应应，生生成成氚氚核核(H)和和粒子，并放出粒子，并放出4.8MeV的能量的能量.(1)写出核反应方程写出核反应方程.解析解析核反应方程为核反应方程为(2)求出质量亏损求出质量亏损.解析解析依据依据Emc2得得mu0.0052u答案答案0.0052u(3)若若中中子子和和锂锂核核是是以以等等值值反反向向的的动动量量相相碰碰，则则氚氚核核和和粒子的动能比是多少？粒子的动能比是多少？解解析析根根据据题题意意有有0m1v1m2v2式式中中m1、m2、v1、v2分别为氚核和分别为氚核和粒子的质量和速度，由上式及动能粒子的质量和速度，由上式及动能Ek，可得它们的动能之比为，可得它们的动能之比为Ek1Ek2 m2m143.答案答案43(4)粒子的动能是多大？粒子的动能是多大？解析解析粒子的动能粒子的动能Ek2(Ek1Ek2)4.8MeV2.06MeV答案答案2.06MeV返回返回自我检测区1234561.下列说法不正确的是下列说法不正确的是()123456解解析析原原子子核核的的变变化化通通常常包包括括衰衰变变、人人工工转转变变、裂裂变变和和聚聚变变.衰衰变变是是指指原原子子核核放放出出粒粒子子或或粒粒子子后后，变变成成新新的的原原子核的变化，如本题中的子核的变化，如本题中的C和和D两选项两选项.原原子子核核的的人人工工转转变变是是指指在在其其他他粒粒子子的的轰轰击击下下产产生生新新的的原原子核的过程子核的过程.裂变是重核分裂成质量较小的核，像裂变是重核分裂成质量较小的核，像B选项选项.聚聚变变是是轻轻核核结结合合成成质质量量较较大大的的核核，像像A选选项项.由由上上述述知知D选选项是错误的项是错误的.答案答案D1234562.一一块块含含铀铀的的矿矿石石质质量量为为M，其其中中铀铀元元素素的的质质量量为为m.那那么下列说法中正确的有么下列说法中正确的有()A.经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了B.经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m/4发生了衰变发生了衰变C.经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩m/8D.经过一个半衰期后该矿石的质量剩下经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M/2123456解解析析经经过过两两个个半半衰衰期期后后铀铀元元素素的的质质量量还还剩剩m/4，A、B项均错误；项均错误；经过三个半衰期后，铀元素还剩经过三个半衰期后，铀元素还剩m/8，C项正确；项正确；铀衰变后，铀核变成了新的原子核，故铀衰变后，铀核变成了新的原子核，故D项错误项错误.答案答案C1234563.据据新新华华社社报报道道，由由我我国国自自行行设设计计、研研制制的的世世界界第第一一套套全全超超导导核核聚聚变变实实验验装装置置(又又称称“人人造造太太阳阳”)已已完完成成了了首首次次工工程调试程调试.下列关于下列关于“人造太阳人造太阳”的说法正确的是的说法正确的是()A.“人造太阳人造太阳”的核反应方程是的核反应方程是B.“人造太阳人造太阳”的核反应方程是的核反应方程是C.“人造太阳人造太阳”释放的能量大小的计算公式是释放的能量大小的计算公式是Emc2D.“人造太阳人造太阳”核能大小的计算公式是核能大小的计算公式是Emc2123456解解析析A是是核核聚聚变变反反应应，B是是核核裂裂变变反反应应，故故A正正确确，B错误；错误；核核反反应应方方程程中中计计算算能能量量的的关关系系式式是是爱爱因因斯斯坦坦的的质质能能方方程程，故故C正确，正确，D错误错误.答案答案AC1234564.U放射性衰变有多种可能途径，其中一放射性衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成种途径是先变成Bi，而，而Bi可以经一次可以经一次衰变变成衰变变成X(X代表某种元素代表某种元素)，也可以经，也可以经一一次次衰衰变变变变成成Tl，X和和Tl最最后后都都变变成成Pb，衰衰变变路径如图路径如图2所示所示.则图中的则图中的()图图2123456A.a84，b206B.是是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的产生的C.是是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的产生的D.U经过经过10次次衰变，衰变，8次次衰变可变成衰变可变成Pb123456解析解析是是衰变，衰变，是是衰变，因此衰变，因此a84，b206，U经经过过10次次衰衰变变和和8次次衰衰变变可可变变成成质质量量数数为为206，电电荷数为荷数为86的元素的元素.答案答案AB1234565.两两个个动动能能均均为为1MeV的的氘氘核核发发生生正正面面碰碰撞撞，引引起起如如下下反应：反应：(1)此核反应中放出的能量此核反应中放出的能量E为为_.解析解析此核反应中的质量亏损和放出的能量分别为：此核反应中的质量亏损和放出的能量分别为：m(22.01363.01561.0073)u0.0043u，Emc20.0043931.5MeV4.005MeV.4.005MeV123456(2)若若放放出出的的能能量量全全部部变变为为新新生生核核的的动动能能，则则新新生生的的氚氚核具有的动能是核具有的动能是_.(已知已知mH2.0136u，mH3.0156u，mH1.0073u)解解析析因因碰碰前前两两氘氘核核动动能能相相同同，相相向向正正碰碰，故故碰碰前前的的总总动量为零动量为零.因核反应中的动量守恒，因核反应中的动量守恒，故故碰碰后后质质子子和和氚氚核核的的总总动动量量也也为为零零.设设其其动动量量分分别别为为p1，p2，必有，必有p1p2.123456设设碰碰后后质质子子和和氚氚核核的的动动能能分分别别为为Ek1和和Ek2，质质量量分分别别为为m1和和m2.则则又又Ek021MeV2MeV123456故新生的氚核具有的动能为故新生的氚核具有的动能为Ek2(EEk0)(4.0052)MeV1.5MeV.答案答案1.5MeV1234566.静静止止在在匀匀强强磁磁场场中中的的Li核核俘俘获获一一个个速速度度v07.7104m/s的中子而发生核反应：的中子而发生核反应：，若已知，若已知He的的速速度度v22.0104m/s，其其方方向向与与反反应应前前中中子子速速度度方向相同，如图方向相同，如图3所示，试求：所示，试求：图图3123456(1)H的速度大小和方向的速度大小和方向.解解析析反反应应前前后后动动量量守守恒恒：m0v0m1v1m2v2(v1为为氚氚核核速速度度，v2为为氦氦核核速速度度，m0、m1、m2分分别别代代表表中中子子、氚核、氦核质量氚核、氦核质量)代代入入数数值值可可解解得得v11.0103m/s，负负号号表表示示H的的速速度度方向与初速度方向与初速度v0反向反向.答案答案1.0103m/s，方向与初速度，方向与初速度v0反向反向123456(2)在在图图乙乙中中，已已画画出出并并标标明明两两粒粒子子的的运运动动轨轨迹迹，请请计计算出轨道半径之比算出轨道半径之比.解析解析H和和He在磁场中均受洛伦兹力在磁场中均受洛伦兹力f，做匀速圆周，做匀速圆周运动的半径之比运动的半径之比r1r2 340答案答案340123456(3)当当He旋转旋转3周时，粒子周时，粒子H旋转几周？旋转几周？解析解析H和和He做匀速圆周运动的周期之比做匀速圆周运动的周期之比T1T2 32所以它们的旋转周数之比所以它们的旋转周数之比n1n2T2T123，即即He转转3周，周，H转转2周周.答案答案2周周123456