2019-2020学年高中物理 核心素养提升19课件 新人教版选修3-5

第十六章动量守恒定律核心素养整合提升1知识脉络构建2素养整合提升3触及高考演练知识脉络构建原子核原子核的组成核子质子中子核外电子放射现象α衰变β衰变半衰期探测射线的方法威尔逊云室气泡室盖革—米勒计数器放射性的应用与防护核反应人工放射性同位素放射性同位素的应用辐射与安全原子核核力与核能核力与结合能核力结合能质量亏损核能的利用核裂变原理→链式反应及其条件应用：原子弹、核电站核聚变热核反应的条件应用：氢弹、受控热核反应粒子和宇宙粒子强子轻子媒介子宇宙宇宙的演化恒星的演化素养整合提升一、核反应及其规律1．核反应原子核的变化叫做核反应。2．规律在各种核反应中，存在着一些“守恒量”，这些“守恒量”为我们提供了解决核反应中电荷、质量、能量、动量变化问题的方法和依据。概括为：(1)五个守恒①质量数守恒；②质子数(电荷数)守恒；③质量守恒(“亏损质量”与释放的“核能”相当)；④能量守恒；⑤动量守恒。(2)两个方程①质能方程：E＝mc2，m指物体的质量；②核能：ΔE＝Δmc2。(3)一个半衰期(T)①剩余核数：N＝N0(12)tT；②剩余质量：m＝m0(12)tT。3．原子核衰变规律衰变类型α衰变β衰变衰变方程AZX―→A－4Z－2Y＋42HeAZX―→AZ＋1Y＋0－1e2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211H＋210n―→42He10n―→11H＋0－1e衰变规律电荷数守恒、质量数守恒4．核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例α衰变自发23892U→23490Th＋42He衰变β衰变自发23490Th→23491Pa＋0－1e147N＋42He→178O＋11H(卢瑟福发现质子)42He＋94Be→126C＋10n(查德威克发现中子)3713Al＋42He→3015P＋10n人工转变人工控制3015P→3014Si＋01e(约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n重核裂变比较容易进行人工控制23592U＋10n→13654Xe＋9038Sr＋1010n轻核聚变除氢弹外无法控制21H＋31H→42He＋10n典例1(多选)(1)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有()A．23892U→23490Th＋42He是α衰变B．147N＋42He→178O＋11H是β衰变C．21H＋31H→42He＋10n是轻核聚变D．8234Se→8236Kr＋20－1e是重核裂变AC(2)现有四个核反应：A．21H＋31H―→42He＋10nB．23592U＋10n―→X＋8936Kr＋310nC．2411Na―→2412Mg＋0－1eD．42He＋94Be―→126C＋10n①_____是发现中子的核反应方程，_____是研究原子弹的基本核反应方程，_____是研究氢弹的基本核反应方程。②求B中X的质量数和中子数。DBA解题指导：(1)明确核反应的四种类型(2)要牢记几个重要的核反应方程(3)掌握核反应方程的书写规律解析：(1)衰变是原子核自发地放出α或β粒子的核反应，衰变方程的特点是箭头的左边只有一个原子核，箭头的右边出现α或β粒子；聚变反应的特点是箭头的左边是两个轻核，箭头的右边是较大质量的原子核；裂变方程的特点是箭头的左边是重核与中子反应，箭头右边是中等质量的原子核。综上所述中，A、C正确。(2)①人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核。箭头的右边也是常见元素的原子核。D是查德威克发现中子的核反应方程，B是裂变反应，是研究原子弹的核反应方程。A是聚变反应，是研究氢弹的核反应方程。②由电荷数守恒和质量数守恒可以判定，X质量数为144，电荷数为56，所以中子数为144－56＝88。二、核反应方程及核能计算1．核反应方程的书写方法(1)熟记常见基本粒子的符号是正确书写核反应方程的基础。如质子(11H)、中子(10n)、α粒子(42He)、β粒子(0－1e)、正电子(01e)、氘核(21H)、氚核(31H)等。(2)掌握核反应方程遵守的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律。(3)熟悉核反应的四种基本类型，可以帮助我们理清思路，很快写出正确的核反应方程。2．核能计算的几种方法(1)根据ΔE＝Δmc2计算，Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。(2)根据ΔE＝Δm×931.5MeV计算，因1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。(3)根据平均结合能来计算核能：原子核的结合能＝平均结合能×核子数。(4)如果在核反应中无光子辐射，核反应释放的核能全部转化为新核的动能和新粒子的动能。在这种情况下计算核能的主要依据是：①核反应过程中只有内力作用，故动量守恒。②反应前后总能量守恒。常见的反应类型的能量计算：反应前总动能＋反应过程中释放的核能＝反应后总动能。典例2如图所示，有界匀强磁场的磁感应强度为B，区域足够大，方向垂直于xOy平面，y轴为磁场的左边界，A为固定在x轴上的一个内装镭核(22688Ra)的放射源，放射源垂直于磁场方向释放一个α粒子后镭核衰变成氡(Rn)核。α粒子偏转后从y轴上的N点沿x轴负方向飞离磁场，已知N点到O点的距离为L，OA间的距离为L2，α粒子的质量为m，电荷量为q，氡核的质量为m0。(1)写出镭核的衰变方程。(2)如果镭核衰变时释放的能量全部转化为α粒子和氡核的动能，求一个原来静止的镭核衰变时放出的能量。解题指导：动量守恒定律结合带电粒子在匀强磁场中的运动规律求解。解析：(1)镭核的衰变方程为22688Ra→22286Rn＋42He。(2)α粒子在磁场中做匀速圆周运动，轨迹如图所示，由几何关系得(L－R)2＋L22＝R2，得R＝58L①由牛顿运动定律得qvB＝mv2R②α粒子的动能为E1＝12mv2③由以上①②③式得E1＝25q2B2L2128m。衰变过程中动量守恒，设衰变后氡核速度v0，mv＝m0v0，则氡核反冲的动能为E2＝12m0v20＝mE1m0，所以静止的镭核衰变时放出的能量为E＝E1＋E2＝25q2B2L2m＋m0128mm0答案：(1)22688Ra→22286Rn＋42He(2)25q2B2L2m＋m0128mm0触及高考演练从近几年的高考试题来看，本章内容是高考的热点，所考查知识有原子核的衰变、核反应、核能等，考查形式有选择、填空、计算，以选择题为主，常以最新的科技发展为背景出题。应引起师生的高度重视。例题一、考题真题探析(多选)(2019·浙江卷，15)静止在匀强磁场中的原子核X发生α衰变后变成新原子核Y。已知核X的质量为A，电荷数为Z，核X、核Y和α粒子的质量分别为mX、mY和mα，α粒子在磁场中运动的半径为R。则()A．衰变方程可表示为AZX→A－4Z－2Y＋42HeB．核Y的结合能为(mX－mY－mα)c2C．核Y在磁场中运动的半径为2RZ－2D．核Y的动能为EKY＝mYmX－mY－mαc2mY＋mαAC解析：衰变过程中质量数和电荷数均守恒，故该衰变方程为AZX→A－4Z－2Y＋42He，故A正确；结合能是把核子分开而需要的能量，而(mX－mY－mα)c2是衰变过程中释放的能量，故B错误；衰变过程中满足动量守恒定律，即有0＝mYvY－mαvα，又粒子在磁场中做圆周运动的半径r＝mvqB，故核Y与α粒子在磁场中做圆周运动的半径之比rYrα＝qαqY＝2Z－2，故rY＝2RZ－2，C正确；衰变过程中根据能量守恒定律，若释放的核能全部转化为动能，则EkY＋Ekα＝(mX－mY－mα)c2，而EkYEkα＝p22mY·2mXp2＝mαmY，联合上述二式可得，EkY＝mαmX－mY－mαc2mY＋mα，若释放的核能不完全转化为动能，则无法计算，故D错误。二、临场真题练兵一、选择题(1～4题为单选题，5题为多选题)1．(2019·全国卷Ⅱ，15)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示411H→42He＋201e＋2ν已知11H和42He的质量分别为mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c为光速。在4个11H转变成1个42He的过程中，释放的能量约为()A．8MeVB．16MeVC．26MeVD．52MeVC解析：核反应质量亏损Δm＝4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，释放的能量ΔE＝0.0286×931MeV＝26.6MeV，选项C正确。2．(2018·天津卷，1)国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。下列核反应中放出的粒子为中子的是()A．147N俘获一个α粒子，产生178O并放出一个粒子B．2713Al俘获一个α粒子，产生3015P并放出一个粒子C．115B俘获一个质子，产生84Be并放出一个粒子D．63Li俘获一个质子，产生32He并放出一个粒子B解析：根据质量数守恒、电荷数守恒，各选项核反应方程如下：A错：147N＋42He―→178O＋11H。B对：2713Al＋42He―→3015P＋10n。C错：115B＋11H―→84Be＋42He。D错：63Li＋11H―→32He＋42He3．(2018·全国卷Ⅲ，14)1934年，约里奥－居里夫妇用α粒子轰击铝核2713Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋2713Al→n＋X。X的原子序数和质量数分别为()A．15和28B．15和30C．16和30D．17和31B解析：将核反应方程式改写成42He＋2713Al→10n＋X，由电荷数和质量数守恒知，X应为3015X。4．(2018·江苏卷，12C)已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为_____。A．1∶4B．1∶2C．2∶1D．4∶1B解析：根据衰变规律，经过2T后剩有的A的质量mA＝122TTm0＝14m0剩有的B的质量mB＝122T2Tm0＝12m0所以mAmB＝12，故选项B正确。5．(2019·天津卷Ⅱ，6)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是()A．核聚变比核裂变更为安全、清洁B．任何两个原子核都可以发生聚变C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加AD解析：与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，所以核子的比结合能增加，D正确。二、非选择题6．(2019·江苏卷，12)100年前，卢瑟福用α粒子轰击氮核打出了质子。后来，人们用α粒子轰击6028Ni核也打出了质子：42He＋6028Ni→6229Cu＋11H＋X，该反应中的X是________(选填“电子”“正电子”或“中子”)。此后，对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能。目前人类获得核能的主要方式是__________(选填“核衰变”“核裂变”或“核聚变”)。解析：根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可得X的质量数为1，电荷数为零，所以X是中子。目前人类获得