2020年高考物理考点一遍过专题58放射性、核反应、核能

第3节 核反应和核能知识点1 原子核的组成 放射性及放射性同位素 1．原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子．质子带正电，中子不带电． (2)基本关系①核电荷数＝质子数(Z )＝元素的原子序数＝核外电子数． ②质量数(A )＝核子数＝质子数＋中子数．(3)X 元素的原子核的符号为AZ X ，其中A 表示质量数，Z 表示核电荷数． 2．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，首先由贝可勒尔发现．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α射线、β射线、γ射线． 3．放射性同位素的应用与防护(1)同位素：具有相同质子数和不同中子数的原子核．(2)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．(3)应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等． (4)防护：防止放射性对人体组织的伤害． 知识点2 原子核的衰变、半衰期 1．原子核的衰变(1)定义：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化． (2)分类：α衰变：A Z X→A －4Z －2Y ＋42He β衰变：A Z X→ A Z ＋1Y ＋ 0－1eγ辐射：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．(3)两个典型的衰变方程： ①α衰变：23892U→23490Th ＋42He ； ②β衰变：23490Th→23491Pa ＋0－1e.2．半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系．知识点3 核反应和核能 1．核反应在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒．2．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)特点：①裂变过程中能够放出巨大的能量；②裂变的同时能够放出2～3(或更多)个中子；③裂变的产物不是唯一的．对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小．(3)典型的裂变反应方程：235 92U ＋10n ―→8936Kr ＋144 56Ba ＋310n.(4)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． (5)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． (6)裂变的应用：原子弹、核反应堆．(7)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层． 3．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)特点：①聚变过程放出大量的能量，平均每个核子放出的能量，比裂变反应中每个核子放出的能量大3至4倍．②聚变反应比裂变反应更剧烈． ③对环境污染较少．④自然界中聚变反应原料丰富． (3)典型的聚变反应方程：21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋17.6 MeV4．核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．5．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E ＝mc 2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm ，这就是质量亏损．由质量亏损可求出释放的核能ΔE ＝Δmc 2.[核心精讲]1．α衰变、β衰变的比较2.衰变次数的确定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素AZ X 经过n 次α衰变和m 次β衰变后，变成稳定的新元素A ′Z ′Y ，则表示该核反应的方程为AZ X→A ′Z ′Y ＋n 42He ＋m 根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A ＝A ′＋4n Z ＝Z ′＋2n －m由以上两式联立解得n ＝A －A ′4，m ＝A －A ′2＋Z ′－Z由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组．方法二：因为β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后根据衰变规律确定β衰变的次数．3．对半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少数原子核，无半衰期可言．(2)根据半衰期的概率，可总结出公式N 余＝N 原⎝ ⎛⎭⎪⎫12t τ，m 余＝m 原⎝ ⎛⎭⎪⎫12tτ.式中N 原、m 原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N 余、m 余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t 表示衰变时间，τ表示半衰期．(3)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．[题组通关]1．(多选)(2014·全国卷Ⅰ)关于天然放射性，下列说法正确的是( ) 【导学号：96622228】A ．所有元素都可能发生衰变B ．放射性元素的半衰期与外界的温度无关C ．放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D ．α、β和γ三种射线中，γ射线的穿透能力最强E ．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线BCD 自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项A 错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素无关，选项B 、C 正确；α、β和γ三种射线电离能力依次减弱，穿透能力依次增强，选项D 正确；原子核发生衰变时，不能同时发生α和β衰变，γ射线伴随这两种衰变产生，故选项E 错误．2．(2015·北京高考)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图如图13­3­1所示，则( )图13­3­1A ．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D 根据动量守恒定律，原子核发生β衰变后产生的新核与电子的动量大小相等，设为p .根据qvB ＝mv 2r ，得轨道半径r ＝mv qB ＝pqB，故电子的轨迹半径较大，即轨迹1是电子的，轨迹2是新核的．根据左手定则，可知磁场方向垂直纸面向里．选项D 正确．3．(1)(多选)232 90Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变，变成20882Pb(铅)．以下说法中正确的是( )A ．铅核比钍核少8个质子B ．铅核比钍核少16个中子C ．共经过4次α衰变和6次β衰变D ．共经过6次α衰变和4次β衰变(2)约里奥·居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素3015P 衰变成3014Si 的同时放出另一种粒子，这种粒子是________.3215P 是3015P 的同位素，被广泛应用于生物示踪技术，1 mg 3215P 随时间衰变的关系如图13­3­2所示，请估算4 mg 的3215P 经多少天的衰变后还剩0.25 mg?图13­3­2【解析】 (1)设α衰变次数为x ，β衰变次数为y ，由质量数守恒和电荷数守恒得 232＝208＋4x 90＝82＋2x －y解得x ＝6，y ＝4，C 错、D 对．铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A 对． 铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B 对．(2)写出衰变方程3015P→3014Si ＋0＋1e ，故这种粒子为0＋1e(正电子)，由m ­t 图知3215P 的半衰期为14天，由m 余＝m 原⎝ ⎛⎭⎪⎫12t τ得0．25 mg ＝4 mg×⎝ ⎛⎭⎪⎫12t14，故t ＝56天．【答案】 (1)ABD (2)正电子 56天 [名师微博] 1．一个区别：静止的原子核在磁场中发生α衰变和β衰变时的轨迹不同，分别为相外切圆和相内切圆．2．两个结论：(1)原子核发生衰变时遵循电荷数守恒和质量数守恒．(2)每发生一次α衰变，原子核的质量数减小“4”，每发生一次β衰变，原子核的质子数增大“1”．[核心精讲]1．核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发238 92U→234 90Th＋42He β衰变自发234 90Th→234 91Pa＋0－1e人工转变人工控制147N＋42He→178O＋11H(卢瑟福发现质子)42He＋94Be→126C＋10n(查德威克发现中子)2713Al＋42He→3015P＋10n(约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)3015P→3014Si＋0＋1e重核裂变比较容易进行人工控制23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310n23592U＋10n→13654Xe＋9038Sr＋1010n轻核聚变很难控制21H＋31H→42He＋10n(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(0＋1e)、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，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“―→”表示反应方向．[题组通关]4．(2015·北京高考)下列核反应方程中，属于α衰变的是( ) 【导学号：96622229】A.14 7N＋42He→17 8O＋11HB.238 92U→234 90Th＋42HeC.21H＋31H→42He＋10nD.234 90Th→234 91Pa＋0－1eB α衰变是放射性元素的原子核放出α粒子(42He)的核反应，选项B正确．5．(2016·全国丙卷)一静止的铝原子核2713Al俘获一速度为1.0×107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核2814Si*.下列说法正确的是( )A．核反应方程为p＋2713Al→2814Si*B．核反应过程中系统动量守恒C．核反应过程中系统能量不守恒D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和E．硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度的方向一致ABE 核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为p＋2713Al→2814Si*，说法A正确．核反应过程中遵从动量守恒和能量守恒，说法B正确，说法C错误．核反应中发生质量亏损，生成物的质量小于反应物的质量之和，说法D错误．根据动量守恒定律有m p v p ＝m Si v Si，碰撞后硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度方向一致，说法E正确．6．(1)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有( )A.238 92U→234 90Th＋42He 是α衰变B.14 7N＋42He→17 8O＋11H 是β衰变C.21H＋31H→42He＋10n 是轻核聚变D.8234Se→8236Kr＋2 0－1e 是重核裂变(2)现有四个核反应：A.21H＋31H→42He＋10nB.235 92U＋10n→X＋8936Kr＋310nC.2411Na→2412Mg＋ 0－1eD.42He＋94Be→12 6C＋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．【解析】(1)A为α衰变，B为原子核的人工转变，C为轻核聚变，D为β衰变，故A、C正确．(2)①D为查德威克发现中子的核反应方程；B是研究原子弹的基本核反应方程；A是研究氢弹的基本核反应方程．②X的质量数为：(235＋1)－(89＋3)＝144X的质子数为：92－36＝56X的中子数为：144－56＝88.【答案】(1)AC (2)①D B A ②144 88[名师微博]两点提醒：1．核反应方程一定满足质量数守恒和核电荷数守恒．2．在确定生成物是哪种元素时应先由核电荷数守恒确定生成物的核电荷数．[核心精讲]1．对质能方程的理解(1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝mc2.方程的含义：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少．(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2.(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE ＝Δmc2.2．核能的计算方法(1)根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”．(2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV计算．因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．(3)根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能＝核子比结合能×核子数．[师生共研]●考向1 对原子核的结合能的理解(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C．铯原子核(133 55Cs)的结合能小于铅原子核(208 82Pb)的结合能D．比结合能越大，原子核越不稳定E．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能ABC 原子核分解成自由核子时，需要的最小能量就是原子核的结合能，选项A正确；重核衰变时释放能量，衰变产物更稳定，即衰变产物的比结合能更大，衰变前后核子数不变，所以衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；铯核的核子数比铅核的核子数少，其结合能也小，选项C正确；比结合能越大，原子核越稳定，选项D错误；自由核子组成原子核时，需放出能量，因此质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项E 错误．●考向2 核能的计算钚的放射性同位素23994Pu 静止时衰变为铀核激发态235 92U *和α粒子，而铀核激发态235 92U *立即衰变为铀核235 92U ，并放出能量为0.097 MeV 的γ光子．已知：239 94Pu 、23592U 和α粒子的质量分别为m Pu ＝239.052 1 u 、m U ＝235.043 9 u 和m α＝4.002 6 u,1 u c 2＝931.5 MeV .(1)写出衰变方程；(2)已知衰变放出的光子的动量可忽略，求α粒子的动能． 【规范解答】 (1)衰变方程为234 94Pu ―→235 92U *＋42He ，235 92U *―→23592U ＋γ.或两式合并为239 94Pu ―→235 92U ＋42He ＋γ.(2)上述衰变过程的质量亏损为Δm ＝m Pu －m U －m α，由质能方程得ΔE ＝Δmc 2由能量守恒得ΔE ＝E kU ＋E kα＋E γ设衰变后的铀核和α粒子的速度分别为v U 和v α，则由动量守恒定律得m U v U ＝m αv α 又E kU ＝12m U v 2U ，E kα＝12m αv 2α联立解得E α＝m Um U ＋m α[(m Pu －m U ＋m α)c 2－E γ]，代入题给数据得E α＝5.034 MeV. 【答案】 (1)23994Pu ―→23592U ＋42He ＋γ (2)5.034 MeV核能求解的思路方法1．应用质能方程解题的流程图： 书写核反 应方程→计算质量 亏损Δm →利用ΔE ＝Δmc 2计算释放的核能2．在动量守恒方程中，各质量都可用质量数表示．3．核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能．[题组通关]7．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，核反应方程为42He＋42He→84Be ＋γ.以下说法正确的是( )A．该核反应为裂变反应B．热核反应中有质量亏损，会放出巨大能量C．由于核反应中质量数守恒，所以质量也是守恒的D．任意原子核内的质子数和中子数总是相等的B 该核反应为聚变反应，故A错误；核反应中的裂变和聚变，都会有质量亏损，都会放出巨大的能量，故B正确；核反应中质量数守恒，质量不守恒，故C错误；原子中原子核内的质子数和中子数不一定相等，有的原子中相等，有的原子中不相等，有的原子没有中子，例如氢原子核内有一个质子，没有中子，故D错误．8．(2014·北京高考)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－m3)c B．(m1－m2－m3)cC．(m1＋m2－m3)c2D．(m1－m2－m3)c2C 由质能方程ΔE＝Δmc2，其中Δm＝m1＋m2－m3可得ΔE＝(m1＋m2－m3)c2，选项C正确．。

专题强化二：核反应、质能方程和核能的计算考点一、四种核反应 1．四种核反应的理解(1)衰变：放射性元素的原子核自发放出某种粒子后变成新的原子核的变化．①α衰变：A Z X →A －4Z －2Y ＋42He ②β衰变：A Z X → A Z ＋1Y ＋ 0－1e(2)原子核的人工转变：用人工的方法，使原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程． ①质子的发现：147N ＋42He →178O ＋11H(卢瑟福)②中子的发现：94Be ＋42He →12 6C ＋10n(查德威克)③放射性同位素和正电子的发现：2713Al ＋42He →3015P ＋10n 3015P →3014Si ＋ 0＋1e(3)裂变：一个重核分裂成两个中等质量的核，这样的核反应叫作裂变．235 92U ＋10n →144 56Ba ＋8936Kr ＋310n 235 92U ＋10n →136 54Xe ＋9038Sr ＋1010n(4)聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作聚变．21H ＋31H →42He ＋10n2．解题时的注意事项(1)熟记一些粒子的符号：α粒子(42He)、质子(11H 或p)、中子(10n)、电子( 0－1e)、氘核(21H)、氚核(31H)．(2)在核反应方程中，质量数和电荷数是守恒的；在解有关力学综合问题时，还有动量守恒和能量守恒．专题强化精练一、单选题1．（2023春·辽宁大连·高二育明高中校考期中）下列说法不正确的是（ ） A ．核裂变反应中慢化剂的作用是使中子更适于引发核裂变 B ．人工产生的热核反应主要用在核武器上，例如氢弹 C ．原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的D ．通常把核裂变物质能够发生链式反应的最大体积称为它的临界体积2．（2022春·浙江杭州·高二学军中学期中）关于下列四幅图的说法正确的是（ ） A ．图甲中氢原子的电子云示意图体现出卢瑟福能级理论中的电子运动轨道是概率问题B ．根据乙图中原子核的比结合能示意图，由核反应方程235114489192056360U n Ba Kr 3n +→++可知，23592U 核的结合能一定小于14456Ba 和8936Kr 的结合能之和C ．丙图中的链式反应就是太阳内部每时每刻发生的核反应D ．根据丁图3．（2021春·广东湛江·高二湛江二十一中校考期中）大科学工程“人造太阳”主要是将氘核核聚变反应释放的能量用来发电，氘核聚变反应方程是22311120H H He n +→+，已知21H 的质量为2.0136u ，32He 的质量为3.0150u ，10n 的质量为1.0087u ，21u 931MeV /c =。

第3讲核反应和核能关于天然放射现象的理解三种射线的基本特征α衰变和β衰变的规律半衰期的相关计算基本公式应用核反应方程的书写质量数守恒、电荷数守恒核能核能的理解核能的相关计算天然放射现象和衰变1．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，首先由贝可勒尔发现．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α射线、β射线、γ射线．2．原子核的衰变(1)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．(2)分类Z－2Y＋42Heα衰变：A Z X→A4－1eZ＋1Y＋0β衰变：A Z X→A(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．核反应和核能1．核反应在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒．2．核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．3．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Δm，这就是质量亏损．由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2.1．(多选)(2014·甘肃省五市联考)关于核电站和核辐射，下列说法中正确的是( )A．核反应堆发生的是轻核聚变反应B．核反应堆发生的是重核裂变反应C ．放射性同位素的半衰期长短是由核内部本身决定，与外部条件无关D ．放射性同位素的半衰期长短与地震、风力等外部环境有关【解析】 核反应堆发生的是重核裂变反应，选项A 错误，B 正确；放射性同位素的半衰期长短是由核内部本身决定，与外部条件无关，选项C 正确，D 错误．【答案】 BC2．(多选)“两弹一星”可以说长了中国人的志气，助了中国人的威风，下列有关原子弹和氢弹的说法正确的是( )A ．原子弹是根据轻核聚变原理，基本核反应方程式 21H ＋31H→42He ＋10nB ．原子弹是根据重核的裂变原理，基本核反应方程式235 92U ＋10n→9038Sr ＋136 54Xe ＋1010nC ．氢弹是根据轻核聚变原理，基本核反应方程式21H ＋31H→42He ＋10nD ．氢弹是根据重核的裂变原理，基本核反应方程式235 92 U ＋10n→9038Sr ＋135 54Xe ＋1010n【解析】 本题考查的是对原子弹和氢弹的原理的认识，原子弹是根据重核的裂变原理，基本核反应方程式235 92U ＋10n→9038Sr ＋136 54Xe ＋1010n ；氢弹是根据轻核聚变原理，基本核反应方程式21H ＋31H→42He ＋10n ；B 、C 正确，A 、D 错误．【答案】 BC3．(2013·江苏四校联考)238 92U 发生衰变有多种可能性．其中的一种可能是238 92U 先衰变成210 83Bi ，再经一次衰变变成210 aX(X 代表某种元素)，或再经一次衰变变成b 81Ti ，210 aX 和b 81Ti 最后都衰变成206 82Pb ，衰变路径如图所示，则由图可知：①②③④四个过程中________是α衰变；________是β衰变．238 92U210 83Bi ――→① 210 aX ――→ ③206 82Pb ――→② b 81Ti ――→ ④【解析】 ②③放出的粒子质量数减少4，是α衰变；①④放出的粒子质量数不变，是β衰变．【答案】 ②③ ①④4．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，会形成很不稳定的14 6C ，它很容易发生衰变，放出β射线变成一个新核，其半衰期为5 730年．试写出此核反应方程．(2)若测得一古生物遗骸中的14 6C 含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？【解析】 (1)核反应方程： 14 7N ＋10n→14 6C ＋1H 14 6C→14 7N ＋01e(2)活体中的14 6C 含量不变，生物死亡后，遗骸中的14 6C 按其半衰期变化，设活体中14 6C 的含量为N0，遗骸中的14 6C 含量为N ，由半衰期的定义得：N ＝(12)t τN0即(0.2512)t τ所以t τ＝“2”t＝2T ＝11 460年． 【答案】 (1)见解析 (2)11 460年衰变和半衰期衰变类型α衰变 β衰变 衰变方程A Z X→A 4Z －2Y ＋42He AZX→ A Z ＋1Y ＋ 0－1e 衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体抛射出 中子转化为质子和电子 211H ＋210n→42He 10n→1H ＋ 0－1e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒(1)根据半衰期的概念，可总结出公式N 余＝N 原(12)t/τ，m 余＝m 原(12)t/τ 式中N 原、m 原表示衰变前的放射性元素的原子核数和质量，N 余、m 余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子核数和质量，t 表示衰变时间，τ表示半衰期．(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．(2013·上海高考)在一个238 92U 原子核衰变为一个206 82Pb 原子核的过程中，发生β衰变的次数为( )A ．6次B ．10次C ．22次D ．32次【审题指导】 在发生核反应时，质量数守恒，电荷数守恒．【解析】 一个238 92U 原子核衰变为一个206 82Pb 原子核的过程中，发生α衰变的次数为(238－206)÷4＝8次，发生β衰变的次数为2×8－(92－82)＝6次，选项A 正确．【答案】 A【迁移应用】1．(多选)关于天然放射现象，以下叙述正确的是( )A ．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小B. β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时产生的C ．在 α、β、 γ这三种射线中， γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强D ．铀核( 238 92U)衰变为铅核(206 82Pb)的过程中，要经过8次α衰变和10次β衰变【答案】 BC核反应方程的书写类型可控性 核反应方程典例 衰变α衰变 自发 238 92U→234 90Th ＋42He β衰变 自发 234 90Th→234 91Pa ＋ 0－1e人工 控制 14 7N ＋42He→17 8O ＋1H (卢瑟福发现质子)人工转变42He＋94Be→126C＋10n(查德威克发现中子)2713Al＋42He→3015P＋10n 约里奥—居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子3015P→3014Si＋0＋1e重核裂变比较容易进行人工控制23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n轻核聚变23592U＋10n→13654Xe＋9038Sr＋1010n目前无法控制21H＋31H→42He＋10n(2013·新课标全国卷Ⅰ)一质子束入射到静止靶核2713Al上，产生如下核反应：p＋2713Al→X＋n式中p代表质子，n代表中子，X代表核反应产生的新核．由反应式可知，新核X的质子数为__________，中子数为________．【审题指导】根据核反应前后电荷数和质量数守恒确定新核X的质子数和中子数．【解析】p为1H，n为10n，则Z A X中A＝1＋13－0＝14，Z＝27＋1－1＝27，则中子数为Z－A＝27－14＝13.【答案】14 13错误!1核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接.,2核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程.,3核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒.【迁移应用】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＋10n(1)________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．【解析】 (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.【答案】 (1)D B A(2)质量数为144，中子数为88 核能的产生和计算1.获得核能的途径(1)重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程．重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量核能．为了使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积应大于它的临界体积．(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能，要想使氘核和氚核合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应．2．核能的计算方法(1)应用ΔE＝Δmc2：先计算质量亏损Δm，注意Δm 的单位1 u ＝1.66×10－27 kg,1 u 相当于931.5 MeV 的能量，u 是原子质量单位．(2)核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能．(2013·济南外国语学校模拟)太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为1个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．(1)写出这个核反应方程；(2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少？(4)若太阳质量减少万分之三，热核反应不能继续进行，计算太阳能存在多少年．(太阳质量M ＝2×1030 kg，mp ＝1.007 3 u ，mHe ＝4.001 5 u ，me ＝0.000 55 u)【解析】 (1) 411H→42He ＋201e.(2)Δm＝4×1.007 3 u－(4.001 5＋2×0.000 55) u＝0.026 6 uΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV ＝4×10－12 J.(3)太阳每秒钟释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒钟减少的质量为Δm＝ΔE c2＝3.8×10263×1082kg ＝0.4×1010 kg. (4)太阳的质量为2×1030 kg，太阳还能存在的时间为t ＝ΔM Δm ＝2×1030×3×10－40.4×1010s ＝15×1016 s＝5×109(年) 【答案】 (1)见解析 (2)4×10－12 J (3)0.4×1010 kg(4)5×109年【迁移应用】3．为确定爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2的正确性，设计了如下实验：用动能为E1＝0.60 MeV 的质子轰击静止的锂核73Li ，生成两个α粒子，测得两个α粒子的动能之和为E2＝19.9MeV，已知质子、α粒子、锂粒子的质量分别取mp＝1.007 3u、mα＝4.001 5u、mLi＝7.016 0u，求：(1)写出该反应方程．(2)通过计算说明ΔE＝Δmc2正确．(1u＝1.660 6×10－27 kg)【解析】(1)核反应方程为：73Li＋1H→242He.(2)核反应的质量亏损：Δm＝mLi＋mp－2mα＝7.016 0u＋1.007 3u－2×4.001 5u＝0.020 3u 由质能方程可得与质量亏损相当的能量：ΔE＝Δmc2＝0.020 3×931 MeV＝18.9 MeV而系统增加的能量：ΔE′＝E2－E1＝19.3 MeV这些能量来自核反应中，在误差允许的范围内可认为相等，所以ΔE＝Δmc2正确．【答案】(1)73Li＋1H→242He (2)见解析。

考情透析命题点考频分析命题特点核心素养原子核的衰变及半衰期2023年：全国乙T3湖南T1北京T3浙江6月T5重庆T6广东T1海南T1天津T3浙江1月T92022年：上海T14天津T1海南T2辽宁T2全国甲T4山东T1福建T2浙江6月T14湖北T1浙江1月T14本专题主要讲解原子核的两类衰变规律、半衰期、核反应方程以及核能的计算等问题，考试多以选择题的形式命题，命题背景新颖，难度一般；主要考查学生对于知识的理解和应用能力。

物理观念：掌握原子核的衰变和人工转变以及核能的计算,会结合实际生活进行分析。

核反应方程与核能的计算热点突破1原子核的衰变及半衰期▼考题示例1（2023·浙江1月·历年真题）宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子，中子与大气中的氮14会产生以下核反应：1411417061N +n C +H →，产生的146C 能自发进行β衰变，其半衰期为5730年，利用碳14的衰变规律可推断古木的年代。

下列说法正确的是（）A ．146C 发生β衰变的产物是157NB ．β衰变辐射出的电子来自于碳原子的核外电子C ．近年来由于地球的温室效应，引起146C 的半衰期发生微小变化D ．若测得一古木样品的146C 含量为活体植物的14，则该古木距今约为11460年答案：D解析：A ．根据电荷数守恒和质量数守恒，14141671C N +e -→，即146C 发生β衰变的产物是147N ，选项A错误；B．β衰变辐射出的电子来自于原子核内的中子转化为质子时放出的电子，选项B错误；C．半衰期只与原子核自身有关，与外界环境无关，选项C错误；D．若测得一古木样品的146C含量为活体植物的14，可知经过了2个半衰期，则该古木距今约为5730×2年＝11460年，选项D正确。

故选D。

跟踪训练1（2023·山东省·模拟题）U－Pb法是一种重要的同位素测年方法，铀的两种放射性核素23592U 和23892U，经过一系列的α衰变和β衰变能分别生成20782Pb和20682Pb两种铅同位素，通过测定物体中两种铅同位素的原子数目之比，可得到物体的形成年代。

高三物理第四节核反应、核能第五节裂变知识精讲一. 本周教学内容：第四节核反应核能第五节裂变二. 知识要点：1. 知道什么是核反应，知道原子核的人工转变是核反应的一种形式，能够正确地写出核反应方程。

2. 理解质量亏损的概念，并能作有关计算。

知道爱因斯坦质能方程的物理意义。

能根据质能方程计算核反应中释放的核能。

3. 知道重核裂变和链式反应，会计算裂变过程中释放的能量。

4. 知道什么是核反应堆，了解慢中子反应堆的工作原理。

5. 知道我国使用的浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站的工作原理，都是利用重核的链式反应放出核能。

原子弹的原理也是利用重核的链式反应放出核能。

三. 疑难辨析：1. 在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。

原子核的人工转变就是一种核反应和衰变过程一样，在核反应中，质量数和电荷数都守恒。

2. 所谓质量亏损，是指反应物在核反应之前的总质量与核反应之后的总质量的差值。

例如核子在结合成原子核时必出现质量亏损。

爱因斯坦的质能方程E=mc2指出了物体的能量E 与质量m之间的密切联系，当物体的质量增加或减少Δm时，它的能量也会相应增加或减少ΔE，ΔE和Δm的关系是ΔE=Δmc2。

应当注意：①所谓质量亏损，并不是质量消失；减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了；反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给；②在由方程ΔE=Δmc2算对应的能量时要注意；当Δm的单位是kg，c的单位是m/s时，求出ΔE的单位是J；当Δm的单位是u时，可根据1u相当于931.5MeV的能量关系计算结果（课后请证明，1原子质量单位u相当于931.5MeV的能量）；③在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为新核和新粒子的动能，因而在此情况下可用动量守恒和能量守恒来解决问题。

3. 核物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。

2020届高三理综物理基础复习讲义《原子物理》一、高频考点：1.氢原子光谱（I ）2.原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期（I ）3.核反应方程（I ）4.质量亏损（I ）5.裂变反应（I ）6.光电效应（I ）7.爱因斯坦光电效应方程（I ）二、必备知识：1.光电效应现象在光的照射下，金属中的电子从表面逸出的现象，发射出来的电子叫光电子2.光电效应规律(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于等于这个极限频率才能产生光电效应.光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大, 光电子不是光子，而是电子(3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s.(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比3.爱因斯坦光电效应方程(1)光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε＝ h ν .(2)逸出功W 0：电子从金属中逸出所需做功的最小值 ,逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关. .(3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值.(4)光电效应方程 表达式：W mv hv +=221 极限频率：图线与V 轴交点的橫坐标v0逸出功：图线与EK 轴交点的纵坐标的值W普朗克常量：图线的斜率4.遏止电压 W hv mv eU -==221 遏止电压与入射光的强度无关;入射光的频率越大，遏止电压越大。

5.光的波粒二象性 光同时具有波动性和粒子性光的干涉、衍射实验表明，光具有波动性;光电效应、康普顿效应均表明光具有粒子性(1)个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性．(2)频率越低波动性越显著；频率越高粒子性越显著(3)光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时，往往表现为粒子性．6.α粒子散射实验的结果（1）绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进（2）少数α 粒子发生了较大的偏转．（3）极少数α粒子的偏转超过90°． （4）极少数有的甚至几乎达到180 °．7.卢瑟福原子的核式结构模型在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核．原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子核里．带负电的电子在核外绕着核旋转．原子核直径的数量级为10－15m,原子直径的数量级为10－10m,8.原子核的组成：9.原子跃迁能级越高，动能越小，势能越大，总能量越大（1）从低能级向高能级跃迁若提供能量的是光子，该光子的能量要满足hν＝E高－E低若提供能量的是高速运动的自由电子，提供能量大于或等于E高－E低时都能被氢原子吸收，多余部分返还给自由电子作为动能．当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被处于基态氢原子吸收，使氢原子电离；当氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．(2)从高能级向低能级跃迁：以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差10.原子光谱每种原子都有自己特定的光谱，因而原子光谱被称为原子的指纹。

核反应 核能 质能方程一、知识点梳理1、 核反应在核物理学中，原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．典型的原子核人工转变：147N+42He178O+11H质子11H 的发现方程 卢瑟福94Be+426C+1n 中子10n 的发现方程 查德威克2、 核能（1）核反应中放出的能量称为核能（2）质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子质量之和．质量亏损． （3）质能方程： 质能关系为Ｅ＝ｍｃ2原子核的结合能ΔＥ=Δｍｃ23、 裂变把重核分裂成质量较小的核，释放出的核能的反应，叫裂变 典型的裂变反应是：23592Ｕ+Ｓr+13654Ｘe+1010ｎ4．轻核的聚变把轻核结合成质量较大的核，释放出的核能的反应叫轻核的聚变．聚变反应释放能量较多，典型的轻核聚变为：21Ｈ+Ｈe+10ｎ5．链式反应一个重核吸收一个中子后发生裂变时，分裂成两个中等质量核，同时释放若干个中子，如果这些中子再引起其它重核的裂变，就可以使这种裂变反应不断的进行下去，这种反应叫重核裂变的链式反应二、典型例题例1．雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（v 。

）而获得了2002年度诺贝尔物理学奖．他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t 四氯乙烯（C 2Cl 4）溶液的巨桶．电子中微子可以将一个氯核转变为一个氢核，其核反应方程式为νe ＋3717Cl →3718Ar 十 0－1e已知3717Cl 核的质量为36.95658 u ，3718Ar 核的质量为36.95691 u ， 0－1e 的质量为0.00055 u ，1 u质量对应的能量为931.5MeV.根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为（A ）0.82 Me V （B ）0.31 MeV （C ）1.33 MeV （D ）0.51 MeV[解析]由题意可得：电子中微子的能量E ≥E ∆=mc 2-（m Ar +m e -m Cl ）·931.5MeV=(36.95691+0.00055-36.95658)×931.5MeV =0.82MeV则电子中微子的最小能量为 E min =0.82MeV[点评] 应用爱因斯坦质能方程时，注意单位的使用。

物理总复习：核能、核能的利用【考纲要求】1、知道核力及结合能、质量亏损等概念2、会配平和书写核反应方程式3、知道核能获取的两种方式，了解核反应堆的主要组成部分，能进行简单的有关核能的计算问题【考点梳理】考点一、核能要点诠释：1、核力核子间作用力。

其特点为短程强引力：作用范围为2.0×10－15m，只在相邻的核子间发生作用。

2、核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。

比结合能：结合能与核子数之比称做比结合能，也叫平均结合能。

比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。

不同原子核的比结合能是不一样的，由比结合能曲线可以看出：中等大小的核比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。

3、质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝mc2说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的变化。

核子在结合成原子核时放出核能，因此，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；反之，由核能也可求出核反应过程的质量亏损。

4、△E＝△mc2是计算核能的常用方法。

在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算。

若质量单位取原子质量单位u，则：此结论亦可在计算中直接应用。

另外，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成的新核和新粒子的动能。

因而在此情况下可应用力学原理—动量守恒和能量守恒来计算核能。

5、质能方程的理解对于质量亏损，切忌不能认为这部分质量转化成了能量，质能方程的本质是：第一，质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性（质量和能量）等同起来。

第二，质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在量值上的联系决不等于这两个量可以相互转化。

第三，质量亏损不是否定了质量守恒定律，生成的γ射线虽静质量为零，但动质量不为零。