（北京专用）2020版高考物理总复习 第十六章 第2讲 原子核物理课件

第2讲原子核物理一原子核的衰变二原子核的人工转变和核能的释放知识梳理考点一原子核衰变及其规律考点二核反应的四种类型考点三质能方程及核能的释放深化拓展考点四运用爱因斯坦质能方程分析宇宙的演变一、原子核的衰变1.(1)衰变:原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。衰变时通常伴随着γ射线放出。(2)3种射线的比较知识梳理种类实质电离本领穿透本领α射线 He①最强②最弱(只能在空气中前进几厘米,一张薄纸就能把它挡住)β射线 e③较弱④较强(能穿透几毫米的铝板)γ射线光子⑤最弱⑥最强(能穿透几厘米的铅板)42 01 2.分类α衰变 X Y+⑦ Heβ衰变 X Y+⑧ e:AZ42AZ42 :AZ1AZ01 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⑨物理、化学状态无关。二、原子核的人工转变和核能的释放1.人工转变一种原子核在其他粒子作用下变成另一种原子核的变化称为人工转变。利用人工转变,人们发现了质子、中子,认识了原子结构。重要的核反应方程式有:发现质子的核反应方程:① N He O H(卢瑟福)。发现中子的核反应方程:② Be He C n(查德威克)。147 421781194 4212610发现正电子的核反应方程:③ 。2743013030013215015141() AlHePnPSie　正电子2.重核裂变重核裂变是重核分裂成④中等质量的核的反应过程,如 U n Xe Sr+1 n。由于中子的增值使裂变反应能持续地进行的过程称为⑤链式反应。发生链式反应的条件是:裂变物质的体积⑥大于或等于临界体积。23592:101365490381003.轻核聚变轻核聚变是⑦轻核结合成⑧质量较大的核的反应过程,如 H H He n。发生聚变反应的条件是:超高温(几百万摄氏度以上)——热核反应。21:3142104.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E=⑨mc2,核子在结合成原子核时出现质量亏损,由质量亏损可求出释放的核能ΔE=⑩Δmc2;反之,由核能也可求出反应过程的质量亏损。 1.已知天然放射现象放出α、β、γ三种射线。下列说法正确的是 (C)A.α、β、γ三种射线分别是氦原子核、电子和中子B.三种射线中α射线速度最快、β射线电离作用最强、γ射线穿透能力最强C.α射线轰击氮原子核可以产生质子,核反应方程为 He+ O HD.英国物理学家J.J.汤姆孙最早用α射线完成著名的“α粒子散射实验”并提出核式结构的原子模型42 11解析γ射线是高速光子流,A错误;α射线电离作用最强,B错误;发现质子的核反应方程是 He N O H,C正确;卢瑟福最早用α射线完成著名的“α粒子散射实验”并提出原子核式结构模型,D错误。42 147178112.下列核反应方程的说法中正确的是 (D)A N H C He是α衰变方程B H H He+γ是核裂变方程C U Th He是核聚变方程D He Al P n是原子核人工转变方程157.111264211.213223892.234904242.2713301510解析 N H C He是原子核的人工转变方程,A错误 H H He+γ是核聚变方程, Th He是α衰变方程,B、C均错误 He Al P n是原子核的人工转变方程,D正确。157　111264211;21322382349290 U4242;27133015103.在一个质子和一个中子结合成一个氘核的核反应过程中亏损的质量为Δm,则此核反应过程中 (A)A.向外界释放的能量为Δmc2B.向外界释放的能量为ΔmcC.从外界吸收的能量为Δmc2D.从外界吸收的能量为Δmc解析 H n D,此过程为核聚变,有质量亏损,释放能量ΔE=Δmc2,A正确。11　1021深化拓展考点一原子核衰变及其规律1.三种射线的本质和特性带电性电离能力穿透能力构成速度实质α射线正强弱 He0.1c氦核流β射线负弱强 e0.99c电子流γ射线中最弱极强光子c光子流2.α衰变和β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程  衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体中子转化为质子和电子 衰变规律电荷数守恒、质量数守恒【情景素材·教师备用】三种射线的穿透能力  1-1(2015北京理综,14,6分)下列核反应方程中,属于α衰变的是(B)A N He O HB U Th HeC H H He nD Th Pa e147.421781123892.234904221.31421023490.2349101解析A项属于原子核的人工转变,B项属于α衰变,C项属于聚变反应,D项属于β衰变。1-2(2015北京理综,17,6分)实验观察到,静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变,衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动,运动方向和轨迹示意如图。则 (D)A.轨迹1是电子的,磁场方向垂直纸面向外B.轨迹2是电子的,磁场方向垂直纸面向外C.轨迹1是新核的,磁场方向垂直纸面向里D.轨迹2是新核的,磁场方向垂直纸面向里解析由静止的原子核发生β衰变后产生的新核和电子做匀速圆周运动的方向相反及原子核衰变前后动量守恒得meve-m核v核=0,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径r= ,因为qeq核,所以rer核,故轨迹1是电子的,轨迹2是新核的,根据左手定则可判定磁场方向垂直纸面向里,故D项正确。mvqB1-3放射性同位素 C被考古学家称为“碳钟”,它可以用来判定古生物体的年代,此项研究获得1960年诺贝尔化学奖。(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后,会形成不稳定的 C,它很容易发生衰变,放出β射线变成一个新核,其半衰期为5730年,试写出 C的衰变方程;(2)若测得一古生物遗骸中的 C含量只有活体中的25%,则此遗骸距今约有多少年?146 146 146 146 答案(1 C e N(2)11460年146)01147解析(1 C的β衰变方程为 C e N(2 C的半衰期τ=5730年,生物死亡后,遗骸中的 C按其半衰期变化,设活体中 C的含量为N0,遗骸中的 C含量为N,则N= N0,即0.25N0= N0,故 =2,t=11460年。146)146:01147146)146 146 146 t12t573012t5730考点二核反应的四种类型 2-1(2018北京理综,13,6分)在核反应方程 He N→ O+X中,X表示的是 (A)A.质子B.中子C.电子D.α粒子42 147178 解析本题考查核反应方程。由核反应中质量数和电荷数均守恒,可判断X为质子 H,故选项A正确。11 2-2(2017西城一模)下列核反应方程中,属于核聚变的是 (A)A H H He nB Th Pa eC U Th HeD U n Ba Kr+ n21.31421023490.234910123892.234904223592.10144568936103解析B为β衰变,C为α衰变,D为核裂变,A正确。2-3下列说法正确的是 (D)A.研制核武器的钚239 Pu)由铀239 U)经过4次β衰变而产生B U在中子轰击下生成 Sr和 Xe的核反应前后核子总数减少C.20g的 U经过两个半衰期后未衰变的铀核质量变为15gD.用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量,以免对人体正常组织造成太大的危害23994(23992(23892.9438 14054 23892 解析由铀239 U)经过2次β衰变即可得到钚239 Pu),A错误;核反应过程中核子数是守恒的,故B错误;20g的 U经过两个半衰期后未衰变的铀核质量应为5g,C错误;γ射线是一种放射性射线,超剂量使用对人体是有害的,D正确。23992(23994(23892 考点三质能方程及核能的释放1.质能方程爱因斯坦的相对论指出,物体的质量和能量存在着密切联系,即E=mc2,这就是爱因斯坦的质能方程。2.质能方程的理解质能方程告诉我们质量和能量之间存在着简单的正比关系,物体的能量增大了,质量也增大;能量减小了,质量也减小。且核反应中释放的能量与质量亏损成正比,ΔE=Δmc2。3.核反应中释放的核能的计算(1)根据爱因斯坦质能方程,用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)乘以真空中光速的平方,即ΔE=Δmc2。(2)根据1原子质量单位(1u)相当于931.5MeV,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV。【情景素材·教师备用】核反应堆示意图 3-1(2014北京理综,14,6分)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) (C)A.(m1+m2-m3)cB.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2D.(m1-m2-m3)c2答案此核反应方程为 H n H,根据爱因斯坦的质能方程得ΔE=Δm·c2=(m1+m2-m3)c2,C正确。11 10213-2(2017北京理综,23)在磁感应强度为B的匀强磁场中,一个静止的放射性原子核发生了一次α衰变。放射出的α粒子 He)在与磁场垂直的平面内做圆周运动,其轨道半径为R。以m、q分别表示α粒子的质量和电荷量。(1)放射性原子核用 X表示,新核的元素符号用Y表示,写出该α衰变的核反应方程;(2)α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流,求圆周运动的周期和环形电流大小;42(AZ (3)设该衰变过程释放的核能都转化为α粒子和新核的动能,新核的质量为M,求衰变过程的质量亏损Δm。答案见解析解析(1 X Y He(2)设α粒子的速度大小为v,由qvB=m ,T= ,得α粒子在磁场中运动周期T= 环形电流大小I= = (3)由qvB=m ,得v= 设衰变后新核Y的速度大小为v',系统动量守恒Mv'-mv=0AZ)A4Z2422vR2Rvπ2mqBπqT22mqBπ2vRqBRmv'= = 由Δmc2= Mv'2+ mv2得Δm= mvMqBRM121222(Mm)(qBR)2mMc考点四运用爱因斯坦质能方程分析宇宙的演变在宇宙中存在许许多多热核反应,也是宇宙星体演变的主要形式和规律,故爱因斯坦质能方程应用到宇宙天体中,就成为人类探究宇宙奥秘的主要方法,也是高考命题的常用手法。  【情景素材·教师备用】太阳内部时刻发生着核聚变4-1太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近 (D)A.1036kgB.1018kgC.1013kgD.109kg解析根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,得Δm= = kg≈109kg。2EcΔ2682410(310)4-2天文学家测得银河系中氦的含量约为25%。有关研究表明,宇宙中氦生成的途径有两条:一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的;二是在宇宙演化到恒星诞生后,由恒星内部的氢核聚变反应生成的。(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核( H)聚变成氦核( He),同时放出2个正电子( e)和2个中微子(νe),请写出该氢核聚变反应的方程,并计算一次反应释放的能量;(2)研究表明,银河系的年龄约为t=3.8×1017s,每秒钟银河系产生的能量约为1×1037J(即P=1×1037J/s)。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反114201应,试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字);(3)根据你的估算结果,对银河系中氦的主要生成途径作出判断。(可能用到的数据:银河系质量约为M=3×1041kg,原子质量单位1u=1.66×10-27kg,1u相当于1.5×10-10J的能量,电子质量me=0.0005u,氦核质量mα=4.0026u,氢核质量mp=1.0078u,中微子νe质量为零)答案见解析解析(1