高考物理一輪復(fù)習(xí)第十五章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性原子核第3講放射性元素的衰變核能學(xué)生用書(shū)

第3講放射性元素的衰變核能【必備知識(shí)·自主排查】一、放射現(xiàn)象、原子核的組成、衰變1．天然放射現(xiàn)象：(1)天然放射現(xiàn)象：放射性元素________地發(fā)出射線的現(xiàn)象，首先由________發(fā)現(xiàn)．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明________具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)．放出的射線有α射線、β射線、γ射線三種．(2)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)①放射性同位素：有________放射性同位素和________放射性同位素兩類，放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同．②應(yīng)用：工業(yè)測(cè)厚、放射治療、作為_(kāi)_______等．③防護(hù)：防止放射性物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體組織的傷害．2．三種射線的比較：名稱構(gòu)成符號(hào)電荷量質(zhì)量電離能力穿透能力α射線氦核________4u________β射線____?____11840____較強(qiáng)γ射線光子γ____0最弱____3.原子核的組成：(1)原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為_(kāi)_______．質(zhì)子帶正電，中子不帶電．(2)基本關(guān)系①核電荷數(shù)(Z)＝質(zhì)子數(shù)＝元素的原子序數(shù)＝________．②質(zhì)量數(shù)(A)＝________＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)．(3)X元素的原子核的符號(hào)為ZAX，其中A表示________，4．放射性元素的衰變、半衰期：(1)原子核的衰變：①原子核放出________或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變．②規(guī)律：________和________都守恒．③分類α衰變：ZAX→β衰變：ZAX→Z+1A(2)半衰期①定義：放射性元素的原子核有________發(fā)生衰變所需的時(shí)間．②影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核________自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件________關(guān)系．③公式：N＝N0·12二、核力和核能1．核力(1)概念：原子核內(nèi)部，________所特有的相互作用力．(2)特點(diǎn)：核力是強(qiáng)相互作用力、短程力，只發(fā)生在相鄰的核子間．2．核能(1)質(zhì)能關(guān)系：E＝________(2)核能的釋放：核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm，其釋放的能量ΔE＝________．(3)核能的吸收：原子核分解成核子時(shí)要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝________．三、重核裂變和輕核聚變1．重核裂變：(1)定義：質(zhì)量數(shù)較________的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個(gè)質(zhì)量數(shù)較________的原子核的過(guò)程．(2)特點(diǎn)①裂變過(guò)程中________巨大能量．②裂變的同時(shí)能夠釋放出2～3(或更多)個(gè)________．③裂變的產(chǎn)物不是唯一的．對(duì)于鈾核裂變有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比較小．(3)典型的裂變反應(yīng)方程eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n→eq\o\al(\s\up11(144),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(89),\s\do4(36))Kr＋3____．(4)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的________使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程．(5)臨界體積和臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)能夠發(fā)生________的最小體積及其相應(yīng)的質(zhì)量．(6)裂變的應(yīng)用：________、核反應(yīng)堆．(7)反應(yīng)堆構(gòu)造：核燃料、慢化劑、________、防護(hù)層．2．輕核聚變(1)定義：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量________的核的反應(yīng)過(guò)程．輕核聚變反應(yīng)必須在高溫下進(jìn)行，因此又叫________反應(yīng)．(2)特點(diǎn)①產(chǎn)能效率高；②燃料的儲(chǔ)量豐富；③安全、清潔．(3)典型的聚變反應(yīng)方程12【教材拓展】1.[人教版選擇性必修第三冊(cè)P109圖5.2－2](1)β衰變中的電子來(lái)源于原子核外電子．()(2)天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了原子核還可再分.()(3)原子核是由質(zhì)子和電子組成的.()(4)人工放射性同位素被廣泛地應(yīng)用．()(5)發(fā)生β衰變時(shí)，新核的電荷數(shù)不變.()(6)半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律．對(duì)少數(shù)原子核不適用.()(7)三種射線，按穿透能力由強(qiáng)到弱的排列順序是γ射線、β射線、α射線.()(8)目前核電站多數(shù)是采用核聚變反應(yīng)發(fā)電.()(9)輕核聚變比重核裂變的產(chǎn)能效率更高.()2．(多選)钚(Pu)是一種具有放射性的超鈾元素．已知钚的一種同位素eq\o\al(\s\up11(239),\s\do4(94))Pu的半衰期為24100年，其衰變方程為eq\o\al(\s\up11(239),\s\do4(94))Pu→X＋eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He＋γ，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是()A．X原子核中含有143個(gè)中子B．80個(gè)eq\o\al(\s\up11(239),\s\do4(94))Pu經(jīng)過(guò)24100年后一定還剩余40個(gè)C．衰變發(fā)出的γ射線是頻率很高的電磁波，具有很強(qiáng)的穿透能力D．由于衰變時(shí)釋放出巨大能量，根據(jù)E＝mc2可知，衰變過(guò)程總質(zhì)量增加3．(多選)能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問(wèn)題的途徑之一，下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的有()A.13B.1C.92D.922354．大科學(xué)工程“人造太陽(yáng)”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來(lái)發(fā)電，氘核聚變反應(yīng)方程是12H+12H→23HeA．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV【關(guān)鍵能力·分層突破】考點(diǎn)一原子核的衰變、半衰期1．確定衰變次數(shù)的方法：(1)設(shè)放射性元素eq\o\al(\s\up11(A),\s\do4(Z))X經(jīng)過(guò)n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素eq\o\al(\s\up11(A′),\s\do4(Z′))Y，則表示該核反應(yīng)的方程為ZAX→Z'A'Y＋n24He＋m根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程A=(2)因?yàn)棣滤プ儗?duì)質(zhì)量數(shù)無(wú)影響，先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)．2．對(duì)半衰期的理解：(1)半衰期是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，描述的是大量原子核衰變的規(guī)律．(2)放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無(wú)關(guān)．3．α衰變、β衰變的比較衰變類型α衰變?chǔ)滤プ兯プ冞^(guò)程ZAXZAX→Z衰變實(shí)質(zhì)2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)整體射出1個(gè)中子轉(zhuǎn)化為1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子211H＋201n→1勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動(dòng)量守恒例1[2021·河北卷，1]銀河系中存在大量的鋁同位素26Al.26Al核β＋衰變的衰變方程為eq\o\al(\s\up11(26),\s\do4(13))Al→1226Mg＋10e，測(cè)得26A．26Al核的質(zhì)量等于26Mg核的質(zhì)量B．26Al核的中子數(shù)大于26Mg核的中子數(shù)C．將鋁同位素26Al放置在低溫低壓的環(huán)境中，其半衰期不變D．銀河系中現(xiàn)有的鋁同位素26Al將在144萬(wàn)年以后全部衰變?yōu)?6Mg[解題心得]命題分析試題情境屬于基礎(chǔ)性題目，以放射性同位素鋁26衰變?yōu)樗夭膭?chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)探索問(wèn)題情境必備知識(shí)考查衰變方程、半衰期等知識(shí)關(guān)鍵能力考查理解能力、推理能力．理解放射性元素的衰變規(guī)律和半衰期知識(shí)學(xué)科素養(yǎng)考查物理觀念中的物質(zhì)觀、科學(xué)思維．要求考生利用電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒、半衰期分析判斷【跟進(jìn)訓(xùn)練】1.[2021·湖南卷，1]核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要妥善處理．下列說(shuō)法正確的是()A．放射性元素經(jīng)過(guò)兩個(gè)完整的半衰期后，將完全衰變殆盡B．原子核衰變時(shí)電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)不守恒C．改變壓力、溫度或濃度，將改變放射性元素的半衰期D．過(guò)量放射性輻射對(duì)人體組織有破壞作用，但輻射強(qiáng)度在安全劑量?jī)?nèi)則沒(méi)有傷害2．[2021·廣東卷，1]科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系中存在大量的放射性同位素鋁26.鋁26的半衰期為72萬(wàn)年，其衰變方程為1326Al→A．Y是氦核B．Y是質(zhì)子C．再經(jīng)過(guò)72萬(wàn)年，現(xiàn)有的鋁26衰變一半D．再經(jīng)過(guò)144萬(wàn)年，現(xiàn)有的鋁26全部衰變3．[2021·全國(guó)甲卷，17]如圖，一個(gè)原子核X經(jīng)圖中所示的一系列α、β衰變后，生成穩(wěn)定的原子核Y，在此過(guò)程中放射出電子的總個(gè)數(shù)為()A．6 B．8C．10 D．14考點(diǎn)二核反應(yīng)類型與核反應(yīng)方程核反應(yīng)的四種類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變?chǔ)了プ冏园l(fā)92238U→90β衰變自發(fā)90234Th→91人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂?14N＋24He→24He＋49Be→1327Al＋24He(約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時(shí)探測(cè)到正電子)1530P→14重核裂變比較容易進(jìn)行人工控制92235U＋01n→5692235U＋01n→54輕核聚變很難控制12H＋13H【跟進(jìn)訓(xùn)練】4.[2021·浙江6月，14](多選)對(duì)四個(gè)核反應(yīng)方程(1)92238U→90(2)90234Th→91234(3)714N＋24He→(4)12H＋13H→下列說(shuō)法正確的是()A．(1)(2)式核反應(yīng)沒(méi)有釋放能量B．(1)(2)(3)式均是原子核衰變方程C．(3)式是人類第一次實(shí)現(xiàn)原子核轉(zhuǎn)變的方程D．利用激光引發(fā)可控的(4)式核聚變是正在嘗試的技術(shù)之一5．(多選)關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型，下列表述正確的是()A．92238U→90234B．714N＋24He→8C．12H＋13H→D．3482Se→36826．(多選)新冠病毒是一種傳染病毒，傳染病的傳播過(guò)程十分復(fù)雜，但是可以構(gòu)建最簡(jiǎn)單的傳播模型來(lái)描述，這個(gè)最簡(jiǎn)模型可稱為鏈?zhǔn)侥Ｐ停愃朴诤肆炎冩準(zhǔn)椒磻?yīng)模型．鈾裂變核反應(yīng)方程為92235U＋ZAn→56144Ba＋3689KrA．從鈾裂變核反應(yīng)方程看，“傳染系數(shù)”R＝2B．核反應(yīng)堆中通過(guò)鎘板吸收中子降低“傳染系數(shù)”C．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界值對(duì)應(yīng)的實(shí)際“傳染系數(shù)”為1D．核反應(yīng)堆中的實(shí)際“傳染系數(shù)”與鈾濃度無(wú)關(guān)考點(diǎn)三核能及其計(jì)算1．核能的計(jì)算方法：書(shū)寫核反應(yīng)方程→計(jì)算質(zhì)量虧損Δm(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計(jì)算，計(jì)算時(shí)Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”．(2)根據(jù)ΔE＝Δm×931.5MeV計(jì)算．因1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV的能量，所以計(jì)算時(shí)Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”．2．應(yīng)用規(guī)律：例2[2022·蘇州一模]一個(gè)靜止的鈾核92232U(質(zhì)量為232.0372u)放出一個(gè)α粒子(質(zhì)量為4.0026u)后衰變成釷核A．該核衰變反應(yīng)方程為92B．該核衰變反應(yīng)中釋放出的核能為0.059MeVC．該反應(yīng)產(chǎn)生的釷核和α粒子的動(dòng)量相同D．假設(shè)反應(yīng)中釋放出的核能全部轉(zhuǎn)化為釷核和α粒子的動(dòng)能，則釷核獲得的動(dòng)能約為0.017MeV【跟進(jìn)訓(xùn)練】7.(多選)2021年1月30日，“華龍一號(hào)”全球首堆福建福清核電5號(hào)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行．這是中國(guó)核電發(fā)展的重大跨越，標(biāo)志著我國(guó)在三代核電技術(shù)領(lǐng)域躋身世界前列，成為繼美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯等國(guó)家之后真正掌握自主三代核電技術(shù)的國(guó)家．“華龍一號(hào)”運(yùn)用了先進(jìn)的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電技術(shù)，設(shè)某核反應(yīng)方程為eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n→eq\o\al(\s\up11(144),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(89),\s\do4(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n，其中eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U、eq\o\al(\s\up11(144),\s\do4(56))Ba、eq\o\al(\s\up11(89),\s\do4(36))Kr、eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n的質(zhì)量分別為m1、m2、m3、m4，光速為c.下列說(shuō)法正確的是()A．此核反應(yīng)為核聚變反應(yīng)B．eq\o\al(\s\up11(144),\s\do4(56))Ba及eq\o\al(\s\up11(89),\s\do4(36))Kr的比結(jié)合能小于eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U的比結(jié)合能C．一次核反應(yīng)釋放的核能為E＝(m1－m2－m3－2m4)c2D．核燃料需達(dá)到臨界體積才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)8．[2022·山東荷澤模擬]2019年8月我國(guó)已經(jīng)建成了新托卡馬克(EAST)裝置——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置(HL-2M)，為“人造太陽(yáng)”創(chuàng)造了條件，其等離子溫度有望超過(guò)2億攝氏度，將中國(guó)的聚變堆技術(shù)提升到了新的高度．設(shè)該熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)前氘核(eq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(1))H)的質(zhì)量為m1，氚核(eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(1))H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He)的質(zhì)量為m3，中子(01n)的質(zhì)量為m4.關(guān)于聚變的說(shuō)法正確的是()A．核裂變比核聚變更為安全、清潔B．由核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，比結(jié)合能較聚變前減少D．HL-2M中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是1第3講放射性元素的衰變核能必備知識(shí)·自主排查一、1．(1)自發(fā)貝可勒爾原子核(2)天然人工示蹤原子2.3．(1)核子(2)中性原子的核外電子數(shù)核子數(shù)(3)質(zhì)量數(shù)4．(1)α粒子電荷數(shù)質(zhì)量數(shù)24H(2)半數(shù)內(nèi)部沒(méi)有二、1．(1)核子2．(1)mc2(2)Δmc2(3)Δmc2三、1．(1)大小(2)釋放出中子302．(1)較大熱核教材拓展1．答案：(1)×(2)√(3)×(4)√(5)×(6)√(7)√(8)×(9)√2．解析：本題考查元素的衰變和質(zhì)能方程．根據(jù)核反應(yīng)前后電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒得X的電荷數(shù)為94－2＝92，質(zhì)量數(shù)為239－4＝235，則中子數(shù)為235－92＝143，故A正確；半衰期具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)大量的原子核適用，故B錯(cuò)誤；衰變發(fā)出的γ射線是頻率很高的電磁波，具有很強(qiáng)的穿透能力，故C正確；在衰變的過(guò)程中，根據(jù)質(zhì)能方程知，有能量放出，則一定有質(zhì)量虧損，故D錯(cuò)誤．答案：AC3．解析：A、B所列反應(yīng)是核聚變，不是β衰變，β衰變要放出電子，故A對(duì)，B錯(cuò)；C、D兩種反應(yīng)都是核裂變，故C對(duì)，D錯(cuò)．答案：AC4．解析：本題考查質(zhì)能方程的計(jì)算．氘核聚變反應(yīng)的質(zhì)量虧損Δm＝2m氘－m氦－mn＝0.0035u，則該反應(yīng)釋放的核能ΔE＝Δm×931.5MeV≈3.3MeV，故選B.答案：B關(guān)鍵能力·分層突破例1解析：26Al發(fā)生衰變的過(guò)程中釋放正電子的同時(shí)還有核能釋放，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以26Al核的質(zhì)量大于26Mg核的質(zhì)量，故A錯(cuò)誤；26Al核的中子數(shù)n1＝26－13＝13，而26Mg核的中子數(shù)n2＝26－12＝14，所以26Al核的中子數(shù)小于26Mg核的中子數(shù)，故B錯(cuò)誤；半衰期是原子核固有的屬性，與物理環(huán)境和化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)，故C正確；鋁同位素26Al的半衰期為72萬(wàn)年，所以經(jīng)過(guò)144萬(wàn)年也就是兩個(gè)半衰期后還剩下14答案：C1．解析：根據(jù)半衰期的定義可知，放射性元素經(jīng)過(guò)兩個(gè)完整的半衰期后，還剩原來(lái)的14未衰變，A錯(cuò)誤；原子核衰變時(shí)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒，B錯(cuò)誤；放射性元素的半衰期由原子核內(nèi)部自身的因素決定，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒(méi)有關(guān)系，因此改變壓力、溫度或濃度，放射性元素的半衰期不變，答案：D2．解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒與質(zhì)量數(shù)守恒可知Y為正電子10答案：C3．解析：根據(jù)圖像可得其原子核分別為92238X、82206Y，設(shè)經(jīng)歷α衰變x次，β衰變y次，由于β衰變不會(huì)改變?cè)雍说馁|(zhì)量數(shù)，則可根據(jù)衰變前后質(zhì)量數(shù)的變化求解α衰變的次數(shù)，即x＝238?2064答案：A4．解析：(1)是α衰變，(2)是β衰變，均有能量放出，A錯(cuò)誤；(3)是人工核轉(zhuǎn)變，B錯(cuò)誤；(3)式是人類第一次實(shí)現(xiàn)原子核轉(zhuǎn)變的方程，C正確；利用激光引發(fā)可控的(4)式核聚變是正在嘗試的技術(shù)之一，D正確．答案：CD5．解析：B選項(xiàng)是盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；