高考物理一輪復(fù)習(xí)講義專題16.2　原子核（原卷版）

專題16.2原子核【講】【講核心素養(yǎng)】課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容及要求核心素養(yǎng)及關(guān)鍵能力核心素養(yǎng)關(guān)鍵能力1.了解原子核的組成和核力的性質(zhì)。知道四種基本相互作用。能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒寫(xiě)出核反應(yīng)方程。物理規(guī)律理解能力2.了解放射性和原子核衰變。知道半衰期及其統(tǒng)計(jì)意義。了解放射性同位素的應(yīng)用，知道射線的危害與防護(hù)。物理規(guī)律理解能力3.認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能，了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)。關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響?？茖W(xué)推理分析計(jì)算能力【講考點(diǎn)題型】【知識(shí)點(diǎn)一】原子核的衰變及半衰期1.衰變規(guī)律及實(shí)質(zhì)(1)α衰變和β衰變的比較衰變類型α衰變?chǔ)滤プ兯プ冞^(guò)程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e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2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e勻強(qiáng)磁場(chǎng)中軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動(dòng)量守恒(2)γ射線：γ射線經(jīng)常伴隨著α衰變或β衰變同時(shí)產(chǎn)生。其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變的過(guò)程中，產(chǎn)生的新核由于具有過(guò)多的能量(原子核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。2.確定衰變次數(shù)的方法因?yàn)棣滤プ儗?duì)質(zhì)量數(shù)無(wú)影響，所以先由質(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)。3.半衰期(1)公式：N余＝N原(eq\f(1,2))eq\f(t,τ)，m余＝m原(eq\f(1,2))eq\f(t,τ)。(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身因素決定的，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)。4.衰變中的動(dòng)量問(wèn)題：滿足動(dòng)量守恒定律?！纠?】（2022·全國(guó)·高三開(kāi)學(xué)考試）釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的6種候選技術(shù)之一、中國(guó)是首個(gè)嘗試將該新型反應(yīng)堆商業(yè)化的國(guó)家，這個(gè)反應(yīng)堆的不同尋常之處在于內(nèi)部循環(huán)的是熔融鹽而不是水。它有潛力生產(chǎn)相對(duì)安全和廉價(jià)的核能，產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命放射性廢料也比常規(guī)反應(yīng)堆要少很多。釷234的半衰期是24天，質(zhì)量為10g的釷經(jīng)過(guò)120天后發(fā)生衰變的釷的質(zhì)量為原來(lái)質(zhì)量的（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念?！咀兪接?xùn)練1】（2022·湖南·高三開(kāi)學(xué)考試）一個(gè)靜止的放射性原子核處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，由于發(fā)生了衰變而在磁場(chǎng)中形成如圖所示的兩個(gè)圓形徑跡，兩圓半徑之比為1:16，下列判斷中正確的是（

）A．反沖核在小圓上順時(shí)針運(yùn)動(dòng)B．該原子核發(fā)生了α衰變C．原來(lái)靜止的核，其原子序數(shù)為16D．讓放射性原子核和反沖核均在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，二者周期不同【技巧總結(jié)】對(duì)半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰變時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)個(gè)別或少量原子核，無(wú)半衰期可言。(2)根據(jù)半衰期的概念，可總結(jié)出公式N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up8(eq\f(t,τ))，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up8(eq\f(t,τ))。式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時(shí)間，τ表示半衰期?！局R(shí)點(diǎn)二】核反應(yīng)及核反應(yīng)類型1.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)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芿q\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)正電子eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e重核裂變比較容易進(jìn)行人工控制eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n輕核聚變很難控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n2.核反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)(1)熟記常見(jiàn)基本粒子的符號(hào)，是正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正電子(0＋1e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等。(2)掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律，是正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程或判斷某個(gè)核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)，由于核反應(yīng)不可逆，所以書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程式時(shí)只能用“→”表示反應(yīng)方向。(3)核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。【例2】（2022·吉林吉林·模擬預(yù)測(cè)）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)方程中，表述正確的是（）A．SKIPIF1<0是核裂變反應(yīng)B．SKIPIF1<0是原子核的人工轉(zhuǎn)變C．SKIPIF1<0是SKIPIF1<0衰變D．SKIPIF1<0是聚變反應(yīng)【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維與物理觀念?！咀兪接?xùn)練2】（2022·湖北·鄂南高中高三期中）對(duì)兩個(gè)核反應(yīng)方程（1）SKIPIF1<0（2）SKIPIF1<0，下列說(shuō)法正確的是（）A．反應(yīng)（1）為SKIPIF1<0衰變，X為SKIPIF1<0B．反應(yīng)（2）為SKIPIF1<0衰變，Y的質(zhì)子數(shù)為90C．反應(yīng)（2）中產(chǎn)生了SKIPIF1<0，說(shuō)明SKIPIF1<0中有電子D．已知SKIPIF1<0的半衰期為24天，則16個(gè)SKIPIF1<0經(jīng)過(guò)120天后還剩1個(gè)【方法總結(jié)】解答有關(guān)核反應(yīng)方程問(wèn)題的技巧(1)熟記常見(jiàn)基本粒子的符號(hào)——正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)．如質(zhì)子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(0－1e)、正電子(eq\o\al(0,1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等．(2)熟悉核反應(yīng)的四種基本類型——衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變和聚變．(3)掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律——正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程或判斷某個(gè)核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)，所以要理解并應(yīng)用好質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律．(4)明白核反應(yīng)過(guò)程是不可逆的——核反應(yīng)方程只能用箭頭連接并表示反應(yīng)方向，不能用等號(hào)連接．【知識(shí)點(diǎn)三】質(zhì)量虧損及核能的計(jì)算1.利用質(zhì)能方程計(jì)算核能(1)根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算出核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm。(2)根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計(jì)算核能。①ΔE＝Δmc2中，若Δm的單位用“kg”，c的單位用“m/s”，則ΔE的單位為“J”。②ΔE＝Δmc2中，若Δm的單位用“u”，則可直接利用ΔE＝Δm×931.5MeV/u計(jì)算，此時(shí)ΔE的單位為“MeV”，即1u＝1.6606×10－27kg，相當(dāng)于931.5MeV，這個(gè)結(jié)論可在計(jì)算中直接應(yīng)用。2.利用比結(jié)合能計(jì)算核能原子核的結(jié)合能＝核子的比結(jié)合能×核子數(shù)。核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差，就是該核反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能?！纠?】（多選）（2022·浙江·高三開(kāi)學(xué)考試）2021年12月中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所發(fā)布了一條核聚變領(lǐng)域的突破性消息：EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置（東方超環(huán)）實(shí)現(xiàn)了1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。在聚變反應(yīng)中，一個(gè)氘核（SKIPIF1<0）和一個(gè)氚核（SKIPIF1<0）結(jié)合為一個(gè)氦核（SKIPIF1<0），并放出一個(gè)X粒子，同時(shí)釋放能量，關(guān)于核聚變下列說(shuō)法正確的是（）A．X粒子是中子B．高溫劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使原子核有足夠的動(dòng)能克服庫(kù)侖斥力發(fā)生聚變C．氚核的比結(jié)合能大于氦核的比結(jié)合能D．若該裝置每秒釋放的能量為SKIPIF1<0，則每秒?yún)⑴c反應(yīng)的氘核和氚核質(zhì)量約為SKIPIF1<0【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維與物理觀念?！咀兪接?xùn)練3】（2022·安徽·滁州市第四中學(xué)高三開(kāi)學(xué)考試）钚的放射性同位素SKIPIF1<0Pu靜止時(shí)衰變?yōu)殁櫤思ぐl(fā)態(tài)SKIPIF1<0U和α粒子，而鈾核激發(fā)態(tài)SKIPIF1<0U立即衰變?yōu)殁櫤薙KIPIF1<0U，并放出能量為0.097MeV的γ光子．已知：SKIPIF1<0Pu、SKIPIF1<0U和α粒子的質(zhì)量分為mPu＝239.0521u、mU＝235.0439u和mα＝4.0026u,1u＝SKIPIF1<0，衰變放出的光子的動(dòng)量可忽略。（1）寫(xiě)出核反應(yīng)方程；（2）將衰變產(chǎn)生的SKIPIF1<0U和α粒子垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，求SKIPIF1<0U和α粒子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑之比；（3）求α粒子的動(dòng)能（只列關(guān)鍵步驟的式子，不要求準(zhǔn)確計(jì)算）。【方法技巧】1.核能釋放的兩種途徑的理解(1)使較重的核分裂成中等大小的核。(2)較