人教版高中物理第三册核反应 核能2

第二节核反应和核能(对应学生用书第219页)[教材知识速填]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A Z 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．易错判断(1)原子核是由质子、中子、电子组成的．(×)(2)α射线、β射线、γ射线的组成是三种不同的粒子．(×)(3)α、β、γ三种射线中，α射线的电离作用最强．(√) 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＋42Heβ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：238 92U→234 90Th＋42He；②β衰变：234 90Th→234 91Pa＋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．易错判断(1)半衰期与温度无关．(√)(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)所有元素都可以发生衰变．(×)知识点3 核力核反应和核能1．核力(1)定义：原子核内部核子间特有的相互作用力．(2)核力的特点：①是强相互作用的一种表现；②是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内；③每个核子只能与其相邻的核子发生核力作用．2．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，叫作原子核的结合能，也称核能．3．比结合能(1)定义：原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能．(2)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．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Δm，这就是质量亏损．由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2.5．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．6．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：235＋10n―→8936Kr＋144 56Ba＋310n.92U(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．(6)反应堆构造：核燃料、慢化剂、镉棒、防护层．7．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：2＋31H―→42He＋10n＋17.6 MeV1H易错判断(1)重核裂变和轻核聚变都能释放核能．(√)(2)核反应中质量数守恒，故没有质量亏损．(×)(3)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量．(×)[教材习题回访]考查点：影响衰变的因素1．(粤教版选修3－5P97T2)用哪种方法可以减缓放射性元素的衰变速率？( )A．把该元素放在低温阴凉处B．把该元素密封在很厚的铅盒子里C．把该元素同其他的稳定元素结合成化合物D．上述各种方法都无法减缓放射性元素的衰变速率[答案]D考查点：半衰期的计算2．(沪科版选修3－5P75T4改编)已知铋­210的半衰期是5.0天，8 g 铋­210经20天后还剩下( )A．1 g B．0.2 gC．0.4 g D．0.5 g[答案]D考查点：核反应方程及类型3．(粤教版选修3－5P97T3)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是( )A.238 92U→234 90Th＋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[答案]AC考查点：比结合能的计算4．(人教版选修3－5P81例题改编)(多选)已知中子的质量是m n＝1.674 9×10－27 kg，质子的质量是m p＝1.672 6×10－27 kg，氘核的质量是m D＝3.343 6×10－27 kg，则氘核的比结合能为( ) A．3.51×10－13 J B．1.10 MeVC．1.76×10－13 J D．2.19 MeV[答案]BC(对应学生用书第221页)1．α衰变、β衰变的比较3.若A Z X→A′Z′Y＋n42He＋m0－1e则A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m解以上两式即可求出m和n.4．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，对个别或少量原子核，无半衰期可言．(2)根据半衰期的概念，可总结出公式N 余＝N 原⎝ ⎛⎭⎪⎫12tτ，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．[题组通关]1．(2017·全国Ⅱ卷)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为238 92U →234 90Th ＋42He.下列说法正确的是( )A ．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B ．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C ．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D ．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量 B [衰变过程遵守动量守恒定律，故选项A 错，选项B 对． 根据半衰期的定义，可知选项C 错．α衰变释放核能，有质量亏损，故选项D 错．]2.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12­2­1所示，则()图12­2­1A ．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．若元素A 的半衰期为4天，元素B 的半衰期为5天，则相同质量的A 和B ，经过20天后，剩下的质量之比m A ∶m B 为( )【导学号：84370494】A ．30∶31B ．31∶30C ．1∶2D ．2∶1C [由m ＝m 0⎝ ⎛⎭⎪⎫12t τ有m A ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫12204m 0，m B ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫12205m 0，得m A ∶m B ＝1∶2.C 正确．]氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天.20克氡222经7.6天后还剩下( ) A ．10 g B ．5 g C ．2.5 gD ．1.25 gB [设发生衰变的原子的质量为m 0，经过t 时间后，剩余的质量为m ，则m ＝m 0⎝ ⎛⎭⎪⎫12t τ，m ＝m 0⎝ ⎛⎭⎪⎫12t τ＝20×⎝ ⎛⎭⎪⎫127.63.8g ＝5 g ．故B 正确．]1一个区别：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.,每发生一次1(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. 我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是( )图12­2­2A.21H＋31H→42He＋10nB.147N＋42He→178O＋11HC.42He＋2713Al→3015P＋10nD.23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310nA[A对：两个轻核结合成质量较大的原子核．B错：原子核的人工转变．C错：原子核的人工转变．D错：重核裂变．]5．(多选)(2016·全国Ⅲ卷改编)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D．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ABD[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．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C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105m/s，方向与质子初速度方向一致，说法D正确．]6．(2018·德州模拟)放射性元素钋(210 84Po)发生衰变时，会产生42He和一种未知粒子，并放出γ射线，其核反应方程为210 84Po→y82X＋42He ＋γ.下列说法正确的是( )【导学号：84370495】A．42He的穿透能力比γ射线强B．y＝206C．X核的中子个数为126D．这种核反应为β衰变B[42He的穿透能力比γ射线弱，选项A错误；y＝210－4＝206，选项B正确；X核的中子个数为206－82＝124，选项C错误；题中的核反应为α衰变，选项D错误．](多选)下列说法正确的是( )A.157N＋11H→126C＋42He是α衰变方程B.11H＋21H→32He＋γ是核聚变反应方程C.23892U→23490Th＋42He是核裂变反应方程D.42He＋2713Al→3015P＋10n是原子核的人工转变方程BD[核反应类型分四种，核反应的方程特点各有不同．衰变方程的左边只有一个原子核，右边出现α或β粒子．聚变方程的左边是两个轻核，右边是中等原子核．裂变方程的左边是重核与中子，右边是中等原子核．人工核转变方程的左边是氦核与常见元素的原子核，右边也是常见元素的原子核，由此可知B、D正确．]1核反应方程一定满足质量数守恒和电荷数守恒2在确定生成物是哪种元素时应先由电荷数守恒确定生成物的核电荷数1．对质能方程的理解(1)方程E＝mc2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．[题组通关]7．(2017·全国Ⅰ卷)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：21H＋21H→32He＋10n.已知21H的质量为2.013 6 u，32He的质量为3.015 0 u，10n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为( )A．3.7 MeV B．3.3 MeVC．2.7 MeV D．0.93 MeVB[在核反应方程21H＋21H→32He＋10n中，反应前物质的质量m1＝2×2.013 6 u＝4．027 2 u，反应后物质的质量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝4.023 7 u，质量亏损Δm＝m1－m2＝0.003 5 u.则氘核聚变释放的核能为E＝931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，选项B正确．]8. (多选)原子核的比结合能曲线如图12­2­3所示．根据该曲线，下列判断正确的有( )图12­2­3A.42He核的结合能约为14 MeVB.42He核比63Li核更稳定C．两个21H核结合成42He核时释放能量D.23592U核中核子的平均结合能比8936Kr核中的大BC[42He核有4个核子，由比结合能图线可知，42He核的结合能约为28 MeV，A错．比结合能越大，原子核越稳定，B对．两个21H核结合成42He核时，核子的比结合能变大，结合时要放出能量，C对．由比结合能图线知，23592U核中核子平均结合能比8936Kr核中的小，D错．]9．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(42He)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A Z 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．(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 .【导学号：84370496】[解析](1)A Z X →A －4Z －2Y ＋42He.(2)设α粒子的速度大小为v ，由qvB ＝m v 2R ，T ＝2πR v，得α粒子在磁场中运动周期T ＝2πmqB环形电流大小I ＝q T ＝q 2B 2πm .(3)由qvB ＝m v 2R ，得v ＝qBR m设衰变后新核Y 的速度大小为v ′，系统动量守恒Mv ′－mv ＝0 v ′＝mv M ＝qBR M由Δmc 2＝12Mv ′2＋12mv 2得Δm ＝M ＋mqBR22mMc 2说明：若利用M ＝A －44m 解答，亦可．[答案](1)A ZX →A －4Z －2Y ＋42He (2)2πmqBq 2B2πm(3)M ＋mqBR22mMc 2。

座号姓名高中物理学习材料桑水制作第五节核反应核能1．关于核能，下列说法中正确的有（）A．核子结合成原子核时，需吸收的能量B．核子结合成原子核时，能放出的能量C．不同的核子结合成原子核时，所需吸收的能量相同D．使一个氘核分解成一个中子和一个质子时，吸收的能量是一个恒定值2．质子的质量m p，中子的质量为m n，它们结合成质量为m的氘核，放出的能量应为（）A．（m p+m n-m）C2 B．（m p+m n）c2 C．mc2 D．(m-m p)c23．在计算核子和原子核的质量时，以u为单位比较方便，关于u下列说法中正确的是（）A．1u≈1.66×10-27kg B．1u等于一个碳12原子质量的1/12C．1u相当于931.5MeV能量 D．u表示一个核子的质量4．关于爱因斯坦质能方程的下列看法中正确的是（）A．E=mc2中的E是物体以光速运动的动能．B．E=mc2是物体的核能．C．E=mc2反映了一定的质量与一定的能量有相当的关系．D．△E=△mc2表示发生的质量亏损△m变为能量放出去．5．从下列几个核反应中，选出卢瑟福发现质子的核反应（）6．查德威克最初发现中子的核反应方程：（）7．完成下列核反应方程8．质子的质量、中子的质量和氘核的质量分别为m1、m2和m3，质子和中子结合成氘核时，发出γ射线。

已知普朗克恒量为h，真空中光速为c，则γ射线的频率v=____。

9．一个铀核衰变为钍核时释放一个α粒子。

已知铀核的质量为3.853131×10-25kg，钍核的质量为3.786567×10-25kg，α粒子的质量为6.64672×10-27kg。

在这个衰变过程中释放出的能量等于____J。

(保留2位数字)。

10．正负电子对撞后，转化为两个光子的总能量是_______电子伏。

（正负电子质量m=0.91×10-30kg，光子的静止质量为零）11．四个氢核变成一个氦核，同时放出两个正电子，释放出多少能量？若1g氢完全聚变，能释放多少焦能量？（氢核质量为1.008142u，氦核质量为4.001509u）第五节核反应核能答案1．BD 2．A 3．ABC 4．CD 5．D 6．C 7．（1）10n（2）42He（3）10n（4）11H 8．（m3-m2-m1）c2/h 9．8.7×10-13 10．3.39×1014J，1.014×104t 11．4.47×10-12J，6.93×1011J。

●备课资料一、正确认识质量亏损在谈到结合能和质量亏损时，有的人误认为，当核子组成原子核时，有质量亏损，放出结合能的过程中，是质量变成能量.这是对质能方程的一种误解。

按相对论，物体的质量是与速度有关的量，当物体的速度越大时，物体的质量越大。

物体运动时的运动质量与物体静止时的静止质量间存在一定关系.当物体以远小于光速运动时，质量的这一变化很不明显。

上述所说的质子、中子、原子核的质量都是指静质量.质量亏损，是静质量发生了变化.如一个质子和一个中子结合成氘核的这一过程中，2.22 MeV 的能量是以辐射光子形式放出的.光子的静质量为零，但这个光子的运动质量为：(光子能量) h ν/c 2.由此可见，当计算进光子的质量后,虽说反应前后发生了质量亏损，这部分亏损恰好与光子的运动质量是相同的。

反应前后的质量仍是守恒量,质量亏损并非这部分质量消失.当然，也就不存在质量转变成能量的问题。

二、爱因斯坦质能方程的推导按照相对论质量公式m =220/1c v m -.动量可表示为p =mv =220/1c v vm -。

在相对论力学中，f =dt d （mv )(在经典力学中，认为质量是不变量，所以化简为f =m dtdv ）。

将上述动量表达式代入，可得。

由动能定理dE k =Fdx =F ·vdt =vd220/1c v v m - =m 0v ［22/1c v dv- +2/32222)1(c v dv c v -)］=2/3220)/1(c v vdv m -. 如果质量的速度由0增加到v ，获得的总动能E k =∫v 02/3220)/1(c v vdv m -=20m ∫v 02/322222)1(c v c v d c -=m 0c 2·22/11c v -|v 0=m 0c 2(22/11c v --1)= 2220/1c v c m -—m 0c 2=mc 2—m 0c 2.爱因斯坦认识到物体的惯性大小，即质量大小是与能量有关的，只相差一个常量因子c 2。

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：14 7N+42He 178O+11H 质子11H的发现方程卢瑟福9 4Be+42He6C+1n 中子1n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：235 92Ｕ+ｎＳr+13654Ｘe+101ｎ4．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：2 1Ｈ+ＨＨe+1ｎ5．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（C2Cl4）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。

高三物理新课 第四节 核反应、核能第五节 裂变一. 本周教学内容：高三新课：第四节 核反应、核能第五节 裂变二. 知识要点： （一）核反应、核能1. 核反应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。

2. 原子核的人工转变（1）原子核的人工转变：用人工的方法使原子核发生变化的过程称为原子核的人工转变。

（2）质子的发现：用α粒子轰击氮，获得氧和质子，核反应方程为H O He N 1117842147+→+3. 中子的发现（1）查德威克用α粒子轰击铍，得到中子射线，核反应方程为：n C He Be 101264294+→+（2）中子：质量跟质子几乎相等的不带电的中性粒子。

4. 核能：由于核子间有强大的核力，核子结合成核（或核分解成核子）时，要放出（吸收）巨大的能量，称为核能（结合能）。

5. 质量亏损：组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫核的质量亏损。

6. 质能方程 （1）爱因斯坦质能方程2mc E =注意：一定质量m 总是跟一定的能量2mc 相对应，m 增大，E 也增大，m 减小，E 也减小。

（2）核能的计算：先求出质量亏损，再由质能方程2mc E ∆=∆计算出对应放出（或吸收）的能。

（二）裂变、聚变1. 裂变：重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应叫裂变。

2. 核子的平均质量：原子核的质量除以核子数即为核子的平均质量。

3. 铀核的裂变：铀核俘获一个中子后分裂为两个中等质量的核的反应过程称为核裂变。

核裂变伴随释放大量的核能。

（1）链式反应：铀核裂变时放出几个中子，再引起其它铀核裂变而使裂变反应不断进行称为链式反应。

（2）临界体积：能发生链式反应的最小铀块体积。

（3）注意：为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用纯铀235，且体积大于临界体积。

4. 核电站：利用核能发电，其核心是核反应堆。

核反应堆包括： （1）核燃料：浓缩铀制成的铀棒。

（2）减速剂：使快中子变为慢中子，易被铀235俘获引起裂变。