1、1第 4 课时 原子核一、原子核、天然放射现象1.原子核的组成(1)质子的发现：1919 年，卢瑟福用 粒子轰击氮原子核发现了质子，质子是原子核的组成部分。(2)中子的发现：卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子。查德威克利用云室进行实验验证了中子的存在，中子是原子核的组成部分。(3)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。(4)原子核的符号X 元素符号原子核的质量数质子数中子数核电荷数原子核的质子数，即原子的原子AZ序数(5)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 H、
2、 H、 H。1 21 312.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)放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是 射线、 射线、 射线。(4)放射性同位素的应用与防护放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。防护：防止放射性对人体组织的伤害。3.原子核的衰变(1)衰变：原子核放出 粒子或 粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的
3、衰变。2(2)分类 衰变： X Y HeAZ A 4Z 2 42 衰变： X Y eAZ AZ 1 0 1(3)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。二、放射性同位素的应用与防护1.应用射线：应用射线可以测厚度、医疗方面的放射治疗、照射种子培育优良品种等。2.示踪原子：有关生物大分子的结构及其功能的研究，要借助于示踪原子。3.辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。三、核力与结合能1.核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力。2.核力的特点
4、(1)核力是强相互作用的一种表现；(2)核力是短程力，作用范围在 1.51015 m 之内；(3)每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。3.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，叫做原子核的结合能，亦称核能。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 m，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能 E mc2。四、核裂变及核聚变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：U n Kr Ba3 n。23592 10 8936 144
5、56 10(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。(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。3(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。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：H H He n17.6 MeV21 31 42 103.粒子和宇宙(1)“基本粒子”不基本直到 19 世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子。(2)发现新粒子1932 年发现了正电子，1937 年发现了 子，19
6、47 年发现了 K 介子和 介子及以后的超子等。(3)夸克模型上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的 或 ，每种夸克都有对应的反夸克。23 13【思考判断】1.人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的( )2.如果某放射性元素的原子核有 100 个，经过一个半衰期后还剩 50 个( )3.原子序数小于 83 的元素都没有放射性( )4. 射线是一种高能粒子流，可以用来工业探伤( )5.原子核发生 衰变时放出一个电子，说明原子核内有电子( )6.爱因斯坦质能方程反映了物体的质量和能量可以相互转化( )7.核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，也遵循
7、电荷数守恒( )8.轻核聚变须达到几百万摄氏度以上的高温，自然界不存在轻核聚变( )考点一 放射性元素的衰变(/c)要点突破1. 衰变和 衰变的比较衰变类型 衰变 衰变4衰变方程 X Y HeMN M 4N 2 42 X MZ1 Y eMZ 0 12 个质子和 2 个中子结合成一个整体射出中子转化为质子和电子衰变实质2 H2 n He1 10 42 n H e10 1 0 1衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒2. 辐射： 辐射是伴随着 衰变和 衰变同时发生的， 辐射不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生 衰变或 衰变过程中，产生的新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光
8、子。3.半衰期：用 N0、 m0分别表示衰变前的原子核的数目和质量， N、 m 分别表示衰变后剩余的原子核的数目和质量， 为半衰期， t 表示衰变过程所经历的时间，则 N N0( ) 12tm m0( ) 。12t典例剖析【例 1】 在轧制钢板时需要动态地监测钢板厚度，其检测装置由放射源、探测器等构成，如图所示。该装置中探测器接收到的是( )A.X 射线 B. 射线C. 线射 D. 射线解析 放射源发出的只有 、 三种射线，故选项 A 错误；在 、 三种射线中，只有 射线能穿过钢板，故选项 B、C 错误，D 正确。答案 D【例 2】 U 衰变为 Rn 要经过 m 次 衰变和 n 次 衰变，则
9、m、 n 分别为( )22286A.2、4 B.4、2 C.4、6 D.16、6解析 由质量数守恒和电荷数守恒得：2382224 m，92862 m n，联立解得：m4， n2。答案 B针对训练51.(多选)对天然放射现象，下列说法正确的是( )A. 粒子带正电，所以 射线一定是从原子核中射出的B. 粒子带负电，所以 射线有可能是核外电子C. 粒子是光子，所以 射线有可能是原子发光产生的D. 射线、 射线、 射线都是从原子核内部释放出来的解析 粒子是由原子核中 2 个质子与 2 个中子相结合产生的，是氦核，因原子核外只有带负电的电子，所以 A 正确； 粒子是电子流，是核内一个中子转化成一个电子
10、和质子，电子是从核中射出的，所以 B 选项错误； 是光子，是原子核从高能态跃迁到低能态时辐射出来的，C 错误，选项 D 正确；天然放射现象中放射出来的三种射线都是原子核内部发生衰变时释放出来的，故本题正确答案为 A、D。答案 AD2.碘 131 的半衰期约为 8 天，若某药物含有质量为 m 的碘 131，经过 32 天后，该药物中碘131 的含量大约还有( )A. B. m4 m8C. D.m16 m32解析 设剩余质量为 m 剩 ，则由 m 剩 m( ) ，得 m 剩 m( ) ，选项 C 正确。12t 12328 m24 m16答案 C考点二 核力与结合能(/c)要点突破1.质能方程的三个
11、易错点(1)质量亏损并不是质量消失，只是静止质量变成了运动的质量；(2)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的；(3)质量和能量这两个量并不可以相互转化，只是这两个量在数值上有联系。2.核能的计算方法(1)根据爱因斯坦质能方程列式计算：即 E mc2( m 的单位：kg)。(2)根据 1 u 相当于 931.5 MeV，则 E m931.5 MeV( m 的单位：u，1 u1.660 61027 kg)。(3)核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。6典例剖析【例 1】 (多选)关于质能方程，下列哪些说法是正确的( )A.质量
12、减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量B.物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值C.物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系D.某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的解析 质能方程 E mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据 E mc2进行计算，故 B、D 正确。答案 BD【例 2】 已知 Ra、 Rn、 He 的原子质量分别是 226.025 4 u，222.017 5 u，4.002 22688 22286 426 u。求出 Ra 在 衰变 Ra Rn
13、 He 中放出的能量(以电子伏特为单位)。22688 22688 22286 42解析 衰变后的质量亏损为 m(226.025 4222.017 54.002 6)u0.005 3 u。因为1 u 相当于 931.5 MeV，因此释放的能量为 E0.005 3931.5 MeV4.937 0 MeV4.937 010 6 eV。答案 4.937 010 6 eV针对训练1.质子、中子和氘核的质量分别为 m1、 m2和 m3，当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是( c 表示真空中的光速)( )A.(m1 m2 m1)c B.(m1 m2 m3)cC.(m1 m2 m3)c2 D.(m1
14、 m2 m3)c2解析 此核反应方程为 H n H，根据爱因斯坦的质能方程得 E mc2( m1 m2 m3)1 10 21c2，故选项 C 正确。答案 C2.钚的放射性同位素 Pu 静止时衰变为铀核激发态 U*和 粒子，而铀核激发态23994 23592U*立即衰变为铀核 U，并放出能量为 0.097 MeV 的 光子。已知： Pu、 U 和23592 23592 23994 23592 粒子的质量分别为 mPu239.052 1 u、 mU235.043 9 u 和 m 4.002 6 u，1 u 的质量相当于 931.5 MeV 的能量。(1)写出衰变方程；(2)已知衰变放出的光子的动量
15、可忽略，求 粒子的动能。7解析 (1)衰变方程为Pu U* He23994 23592 42U* U23592 23592或合起来有 Pu U He23994 23592 42(2)上述衰变过程的质量亏损为 m mPu mU m放出的能量为 E m931.5 MeV此能量是铀核 U 的动能 EU、 粒子的动能 E 和 光子的能量 E 之和，即23592 E EU E E设衰变后的铀核和 粒子的速度分别为 vU和 v ，则由动量守恒有 mUvU m v又由动能的定义知 EU mUv ， E m v12 2U 12 2联立解得 E 5.034 MeV答案 (1)见解析 (2)5.034 MeV考点
16、三 核裂变、核聚变(/c)要点突破1.核反应的四种类型类 型 可控性 核反应方程典例 衰变 自发 U Th He23892 23490 42衰变 衰变 自发 Th Pa e23490 23491 0 1N He O H147 42 178 1(卢瑟福发现质子)He Be C n42 94 126 10(查德威克发现中子)Al He P n2713 42 3015 10人工转变 人工控制P Si e3015 3014 0 1约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子U n Ba Kr3 n23592 10 14456 8936 10重核裂变比较容易进行人工控制 U n Xe Sr10 n23
17、592 10 13654 9038 10轻核聚变 很难控制 H H He n21 31 42 102.书写核反应方程时应注意8(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律。(2)核反应方程中的箭头()表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。典例剖析【例 1】 一个氘核和一个氚核经过反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个 光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为 m1， m2， m3， m4，普朗克常量为 h，真空中的光速为 c。下列说法中正确的是( )A.这个反应的核反应方程是 H H He n21 31 42 10B.这个反应既不是聚变反应也不是裂变反应C.辐射出的 光子的能量 E(
18、m3 m4 m1 m2)c2D.辐射出的 光子的波长 h（ m1 m2 m3 m4） c2解析 由电荷数守恒及质量数守恒可知 A 正确；此反应是轻核聚变反应，B 错误；由质能方程知此过程中释放的核能为 E( m1 m2 m3 m4)c2，C 错误；若此核能全部以光子的形式释放时，由 E h 知， 光子的波长为 ，D 错误。c h（ m1 m2 m3 m4） c答案 A【例 2】 在下列四个方程中，X 1、X 2、X 3和 X4各代表某种粒子：U n Ba Kr3X 1 P SiX 2 U ThX 3 Th PaX 423592 10 14156 9236 3015 3014 23892 234
19、90 23490 23491以下判断中错误的是( )A.X1是中子 B.X2是中子C.X3是 粒子 D.X4是电子解析 由质量数守恒和电荷数守恒，可知 X1、X 2、X 3、X 4依次为 n、 e、 He、 e，所以10 01 42 0 1B 项错误。答案 B针对训练1.(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U n Ba Kr3 n。下列说法正确的有( )23592 10 14456 8936 10A.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9解析 n 表示中子，所以裂变反应中伴随着中子放
20、出，A 项正确；当铀块体积小于临界体10积时链式反应不会发生，B 项错误；通过控制慢中子数可以控制链式反应，C 项正确；铀核的半衰期与所处的物理、化学状态无关，因此不受环境温度影响，D 项错误。答案 AC2.(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. H H He n 是核聚变反应31 21 42 10B. H H He n 是 衰变31 21 42 10C. 92U n 56Ba Kr3 n 是核裂变反应235 10 144 8936 10D. 92U n 54Xe Sr2 n 是 衰变235 10 140 9438 10解
21、析 衰变时释放出电子( 01 e)， 衰变时释放出氦原子核( He)，可知选项 B、D 错42误；选项 A 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；选项 C 中一个 U 235 原子核吸收一个中子，生成一个 Ba 原子核和一个 Kr 原子核并释放出三个中子是核裂变反应，A、C 正确。答案 AC1.(多选)氢有三种同位素，分别是氕( H)、氘( H)、氚( H)，则( )1 21 31A.它们的质子数相等B.它们的核外电子数相等C.它们的核子数相等D.它们的化学性质相同解析 氕、氘、氚的核子数分别为 1、2、3，质子数和核外电子数均相同，都是 1，中子数等于核子数减
22、去质子数，故中子数各不相同，A、B 两项正确；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，D 正确。答案 ABD2.下列有关半衰期的说法正确的是( )A.放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快B.放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素的半衰期也变短C.把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度10D.降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度解析 放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映着放射性元素衰变速度的快慢，若衰变越快，半衰期越短；某种元素的半衰期长短由其本身因素决
23、定，与它所处的物理状态或化学状态无关，故 A 正确，B、C、D 错误。答案 A3.图中曲线 a、 b、 c、 d 为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里。以下判断可能正确的是( )A.a、 b 为 粒子的径迹 B.a、 b 为 粒子的径迹C.c、 d 为 粒子的径迹 D.c、 d 为 粒子的径迹解析 粒子不带电，不会发生偏转，故 B 错误；由左手定则可判定， a、 b 粒子带正电，c、 d 粒子带负电，又知 粒子带正电， 粒子带负电，故 A、C 均错误，D 正确。答案 D4.医学界通过 14C 标记的 C60发现一种 C60的羧酸衍生物，在特定条件
24、下可以通过断裂 DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则 14C 的用途是( )A.示踪原子 B.电离作用C.催化作用 D.贯穿作用解析 用 14C 标记 C60来查明元素的行踪，发现可以通过断裂 DNA 抑制艾滋病病毒的繁殖，因此 14C 的作用是作示踪原子，故选项 A 正确。答案 A5.(多选)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：XY He H4.9 MeV 和 H H HeX17.6 MeV，下列表述中，正确的是( )42 31 21 31 42A.X 是中子B.Y 的质子数是 3，中子数是 6C.两个核反应都没有质量亏损D.氘和氚的核反应是核聚变反应解析 核反应方程遵守电荷数守恒和质量数守恒，则由 H H HeX17.6 MeV 知 X21 31 42
