高中物理 第3章 原子核章末分层突破教师用书 教科版选修3-5
高中物理 第3章 原子核 原子能、粒子、宇宙学案 教科版选修3-5
—————————— 新学期 新成绩 新目标 新方向 ——————————原子能、粒子、宇宙【学习目标】1．知道核力是只存在于相邻核子间的短程力；2．掌握结合能与质量亏损；3．理解爱因斯坦的质能方程；4．知道重核裂变能放出能量，并能计算核能的变化，知道链式反应；5．知道什么是聚变；6．了解铀核的裂变特点；7．了解核裂变反应堆的工作原理；8．知道聚变和聚变反应的特点；9．能写出聚变方程并计算聚变能量；10．了解可控热核反应；11．了解核电站、核武器及核能的优越性、安全性及其危害；12．了解组成物质的粒子；13．知道粒子的分类及其作用；14．了解宇宙起源的大爆炸说及恒星的演化．【要点梳理】要点一、核力与核结合能1．核反应（1）核反应的定义．衰变是原子核的自发变化，能否用人工方法使原子核发生变化呢？能．事实上质子、中子都是通过原子核的人工转变而发现的．我们把原子核在其他粒子轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．（2）对核反应的理解．①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，质量数和核电荷数都守恒．②衰变是自发的、不受物理条件和化学条件影响的一种核变化．而原子核的人工转变需要一定的装置和条件才能发生．2．原子核的人工转变（1）质子的发现及核反应方程．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，α粒子被氮核俘获后形成复核，再衰变，产生质子．核反应方程为：1441717281N He O H +→+．（2）中子的发现及核反应方程．1932年，英国的物理学家查德威克对这种不知道的射线进行进一步的研究发现：这种射线的速度不到光速的十分之一，排除了γ射线．之后他用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打出一些氢核和氮核，并通过测定和计算，发现这种粒子的质量非常接近氢核的质量，由于它不带电，故称之为中子．核反应方程为：941214260Be He C n +→+．由于能从许多的原子核里打出中子，因而确认中子是组成原子核的一部分．3．核力原子核由质子和中子组成，中子和质子是靠强大的核力结合在一起的．（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：①核力是强相互作用力，在它的作用范围内核力比库仑力大得多；②核力是短程力，作用范围在151.510m ⨯－之内．在大于150.810m ⨯－时核力表现为引力，超过151.510m ⨯－时核力急剧下降几乎消失．在小于150.810m ⨯－时核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起；③每个核子只跟相邻的核子发生核力作用．这种性质称为核力的饱和性．无论是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力．（3）自然界中的四种基本相互作用力：①万有引力；②电磁力；③强相互作用力；④弱相互作用力．4．核结合能由于核子间存在着巨大的核力作用，所以原子核是一个坚固的集体．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量．一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于2.2 MeV 的γ光子照射．核反应方程为：211110H H n γ+→+．相反的过程，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV 的能量．这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应方程为：112101H n H γ+→+．由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量．核反应中放出或吸收的能量称为核结合能．平均结合能（又叫比结合能）：原子核的结合能与核子数之比平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固．原子核越稳定．5．质量亏损由于核力的本质还在研究之中，所以根据核力做功来求核能是不可能的．但物理学家却有办法求出核能．物理学家们研究了质子、中子和氘核之间的质量关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的，但氘核的质量要比中子和质子的质量之和要小一些．我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损．根据质量亏损可以计算核能．6．质能方程（1）质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是 2E mc = 或 2E mc ∆=∆．这就是著名的爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程．方程的含义是：物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系．物体的能量增大质量也增大，能量减小质量也减小．（2）对质量亏损和质能方程的理解：在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒的规律．核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转变为能量．物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量．另外，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．7．核能的计算方法核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题，其基本方法是：（1）根据质量亏损计算，步骤如下：①根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损m ∆．②根据爱因斯坦质能方程2E mc =或2E mc ∆=∆计算核能．③计算过程中m ∆的单位是千克，E ∆的单位是焦耳．（2）利用原子质量单位u 和电子伏特计算．①明确原子单位u 和电子伏特间的关系由 271 u 1.660610kg =⨯－，191 eV 1.610J =⨯－．得2931.5 MeV E mc ==．②根据1原子质量单位（u ）相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即931.5 MeV E m ∆=∆⨯．③上式中，m ∆的单位是u ，E ∆的单位是MeV ．（3）利用平均结合能来计算核能．原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数．核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放（或吸收）的核能．（4）根据能量守恒和动量守恒来计算核能．参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，在题给条件中没有涉及质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，从动量和能量守恒可以计算出核能的变化．（5）应用阿伏加德罗常数计算核能．若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量，应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便．①根据物体的质量m 和摩尔质量M 由m n M=求出物质的量，并求出原子核的个数： A A m N N n N M==． ②由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量0E （或直接从题目中找出0E ）．③再根据0E NE =求出总能量．8．衰变过程中核能的计算衰变能是不稳定原子核在进行衰变时放出来的能量，由质能方程，可以从衰变前后的质量亏损求出衰变能，也可根据直接测出衰变后产生的新原子核与α粒子的动能求得衰变能．但是，由于衰变后原子核的质量较大，反冲动能k E 较小，测量就很困难．下面我们从动量守恒定律出发，找到r E 和E α之间的关系，只要测出E α就可以知道衰变能．衰变前原子核可看做静止，动量为零，于是，根据动量守恒定律有r r m v m v αα=．α粒子的速度比光速小得多，可以不考虑相对论效应，于是衰变后新原子核的反冲动能221122r r r r rm m E m v m v E m m ααααα===． 所以， 041144r r m A E E E E E E m A A ααααα⎛⎫⎛⎫=+=+=+= ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭（A 是衰变前的核的质量数）． 式中，已用核的质量数之比代替核质量之比，这样做所带来的误差是很微小的．所以，要得到α衰变能0E ，需要知道α粒子的动能E α．9．对原子核中质子数与中子数比例的解释原子核越大，有些核子间的距离越来越远，随着距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减小得更快．所以，原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们的库仑力，这个原子核就不稳定了．这时，不再成对地增加质子和中子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定．由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．要点二、重核裂变及其应用1．核子的平均质量核反应有的会放出能量，有的会吸收能量，那么什么样的核反应会放出能量，这是本节需要搞清的第一个问题．也是本节的一个难点．为了弄清这个问题，就必须首先理解核子的平均质量这一概念． 精确的实验表明，原子核是由核子组成的，但原子核的质量却不等于所有核子质量之和．也就是说，原子核的质量虽然会随着核子数量的增加而增加，但两者并不成比例．例如：氢核由一个核子（质子）组成；氦核由四个核子（两个中子，两个质子）组成．但氦核的质量却不是氢核的四倍，而是比四倍小．这样在不同的原子核中，用原子核的质量除以核子数所得到的核子的平均质量就变得不相同了，换一个说法，也就是同样的核子在不同的原子核中质量不同．进一步研究表明，中等质量的原子核的核子的平均质量较小（铁核的核子平均质量最小），重核和轻核的核子平均质量大，这就为研究核反应中能量的释放建立了理论基础．当重核分裂成中等质量的原子核时，会发生质量亏损；当轻核聚合成中等质量的原子核时，也会发生质量亏损．由质能方程可知，此时核反应会放出能量．2．重核的裂变——铀核的裂变（1）铀核裂变的发现：1938年底，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．（2）重核裂变：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫做重核的裂变．（3）铀核裂变的一种核反应方程：235114192192056360U n Ba Kr 3n +→++．（4）链式反应：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2或3个中子．这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去’，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应．如图所示．（5）链式反应发生的条件：①铀块的体积大于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核．②有足够浓度的铀235．③有足够数量的慢中子．一种链式反应的方程：235113690192054380U n Xe Sr 10n E +→+++∆．（6）重核裂变的条件重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地产生．如铀核裂变不能自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂过程中，又会放出更多的中子，这些中子再去轰击更多铀核，产生更多的中子，就形成了链式反应，这个反应速度很快，不加控制的话，能量在很短的瞬间急剧释放（原子弹就是利用铀核的链式反应制造的一种威力巨大的核武器）．如果采用其他方法对反应速度加以控制就可以和平地利用这种巨大的核能．核电站就是可控的链式反应．3．临界体积要发生核反应，就必须使中子击中铀核，而核的体积很小，那么在铀块不太大的情况下，中子通过铀块时，没有碰到铀核而跑到铀块外，因此，要发生链式反应，铀块的体积必须大于某一值，能发生链式反应的铀块的最小体积叫它的临界体积．4．核电站与核电站的主要组成和工作原理及优点（1）核电站：原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用，现在世界上已有不少国家建有核电站，我国已建成使用和正在建设的核电站必将为现代化的建设提供能源保障．（2）核电站的主要组成．核电站的核心是核反应堆，核反应堆的主要组成部分及其作用是：①核燃料：反应堆使用浓缩铀（铀235占34％～％）制成铀棒，作为核燃料，释放核能．②中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点．而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来．常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水．③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．④保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁．可防止射线辐射出去．⑤热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去．反应堆是核电站的核心，核电站是靠核反应堆产生的内能（3）核电站的优点是：①消耗的“燃料”很少；②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量大；③对环境污染比火电站要小．5．原子弹原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器．在裂变材料的体积大于临界体积时，可以使增殖系数1K ＞，这时中子数可逐代倍增，最后引起原子爆炸．对纯235U ，其2K =．若01N =，则到第80代时，中子数已增到802N =个，其已大到相当于1 kg 铀的原子数，因此1 kg 纯235U 只要经过80代裂变就可以全部发生裂变．若将1 kg 铀做成球状，其直径不过5 cm ，而快中子的速度约为71210m s ⨯⋅－，所以裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．原子弹的结构形式有许多种，一般是将两块或多块小于临界体积的235U （或238U 、239Pu 等）放在一个密封的弹壳内，平时这几块相隔一定的距离，所以不会爆炸．使用时可通过引爆装置使它们骤然合为一体，由于其体积超过临界体积，爆炸瞬间发生．6.为什么铀的同位素中23592U 最容易发生链式反应在天然铀中，主要有两种同位素，99.3％的是铀238，0.7％的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同．23592U ：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大．23892U ：只有俘获能量大于1 MeV 的中子才能发生核反应，且裂变的几率小．对于低于1 MeV 的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起核反应．因此，为了使链式反应容易发牛，最好利用纯铀235．要点三、轻核聚变及其应用1．轻核的聚变（1）聚变．把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为募变．聚变反应又称为热核反应．（2）聚变方程：23411120H H He n γ+→++．（3）聚变发生的条件：要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离1510m －，但是原子核是带正电的，要使它们接近1510m －就止须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几百万度的高温．综上所述，核聚变只有在超高温条件下才能发生．2．聚变与裂变的区别重核的裂变、轻核的聚变都能释放出巨大的核能，但两者是有区别的．（1）原理不同．重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变（结合）成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量．（2）放出能量的大小不同．重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3兆电子伏以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量．（3）废料处理难度不同．裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多．（4）“燃料”的丰富程度不同．热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有003．克氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当．而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7％，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多．我国是一个“贫铀”国家，贮藏量不多．（5）两种反应的可控制性不同．裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术．我国可控热核反应的研究情况是：1984年9月，我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流一号”顺利启动．1094年，具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT-7超导托卡马克”已安装调试成功，我国研究可控热核反应方面已经具有一定的实力．3．轻核聚变释放核能的计算方法轻核聚变时释放出的能量的计算与上两节的方法基本相同，具体的仍然分为以下两种：（1）根据质量亏损计算．根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损（m ∆）的千克数乘以真空中光速（8310m/s ⨯）的平方，即 2E mc ∆=∆． ①（2）根据1原子质量单位（u ）相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即931.5 MeV E m ∆=∆⨯． ②要点诠释：式①中m ∆的单位为kg ，式②中m ∆的单位是u ，E ∆的单位是MeV ．4．聚变比裂变反应放出更多能量的原因（1）平均每个核子放能较多，是裂变反应的34～倍．如一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV ，平均每个核子放出能量约3.5 MeV ；而铀235裂变时，平均每个核子放出能量为l MeV ．（2）同样质量的情况下，轻核的核子个数多，如氘和氚聚变为1 kg 氦时放出的能量为332.6510eV ⨯． 233311000 6.021017.6MeV 2.6510eV 4E ∆=⨯⨯⨯≈⨯． 假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV ，则l kg 铀核全部裂变时放出能量为233221000 6.0210200MeV 510eV 235E ∆=⨯⨯⨯≈⨯． 125.3E E ∆≈∆． 5．热核反应的控制技术以及聚变的应用（1）控制方法．①磁约束：利用强磁场来约束参加反应的物质．目前性能最好的磁约束装置是环流器（又称托卡马克）．2002年12月“中国环流器二号”开始运行．②惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质．目前可控制核聚变还处于基础研究阶段．（2）聚变的应用．①核武器——氢弹：是一种不需人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．②如果攻克了受控热核聚变的实现技术，那就可望解决全世界的“能源危机”．（3）我国的两弹发展．1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功．1967年6月17日我国的氢弹试爆成功．6．为什么轻核聚变和重核裂变都会释放能量（1）可以从核子的平均结合能上看，如图．从图中可以看出，铁的平均结合能最大，也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大．因此可知两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量．（2）也可以根据核子的平均质量图分析，如图，由图中可以看出，铁原子核子的平均质量最小，如果原子序数较大的A 裂变成B 或C ，或者原子序数较小的D 和E 结合成F 核，都会有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，都要放出能量．要点四、粒子与宇宙1．“基本粒子”不基本（1）19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子．（2）从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成．（3）科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构．（4）粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具．2．粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．微观粒子分类如下表所示：实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如电子和正电子，质子和反质子等．由反粒子构成的物质叫反物质．反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．4．夸克模型实验表明强子是有内部结构的，1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．5．宇宙的演化用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化．根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期．在大爆炸的瞬间（约4410s －，温度为3210K ）产生夸克、轻子、胶子等粒子．大爆炸后约610s －，温度下降到1310K 左右，夸克构成质子和中子等强子，这个温度范围正是各种强子熙熙攘攘挤在一起的时代，称为强子时代．当温度下降到1110K （210s －），只剩下少量的夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，此时代称为轻子时代．当温度下降到910K （210s ），少量的中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等轻核及其他轻核生成，此时称为核合成时代．在3000 K 左右（510s ），电子与原子核结合成原子，此时称为复合时代．继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系．6．恒星的演化大爆炸10万年后，温度下降到3000 K 左右．出现了由中性原子构成的宇宙尘埃．由于万有引力作用逐渐凝聚成团块，形成气态的星云团，星云团进一步凝聚收缩，使得引力势能转化为内能，温度升高，温度升到一定程度就开始发光，这样一颗恒星就诞生了．这颗星继续收缩，继续升温，当温度超过710K 时，氢聚变成氦，向外辐射能量，核能耗尽后就进入末期，末期形态主要有三种：白矮星、中子星和黑洞．7．夸克理论简介夸克理论经过几十年的完善和发展，已经逐渐为多数粒子物理学家所接受．根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克（u ）、奇异夸克（s ）、粲夸克（c ）、下夸克（d ）、底夸克（b ）和顶夸克（t ）．它们带的电荷分别为元电荷的13-或23+．到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据．夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．8．统一场论（微观粒子与宏观宇宙的统一）物理学向微观粒子和宇宙两个领域的研究今天得到了初步统一，统一场论在逐渐形成．物理学完整、和谐美在这里又得到了充分体现．正如绪言中所说：“物理学中研究最大和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接在一起，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴．”从上面的两个图可以看到，人类所在物质世界的空间跨度与时间跨度竞呈现出如此的对称美．要点四、单元知识网络。
教科版高三物理选修3-5电子课本课件【全册】
1 碰撞
教科版高三物理选修3-5电子课本 课件【全册】
2 动量
教科版高三物理选修3-5电子课本 课件【全册】
3 动量守恒定律
教科版高三物理选修3-5电子课本 课件【全册】
4 动量守恒定律的应用
教科版高三物理选修3-5电子课本 课件【全册】
第二章 原子结构
教科版高三物理选修3-5电子课本 课件【全册】
教科版高三物理选修3-5电子课本 课件【全册】目录
0002页 0061页 0157页 0177页 0227页 0277页 0350页 0379页 0400页 0475页 0534页 0593页
第一章 碰撞与动量守恒 2 动量 4 动量守恒定律的应用 1 电子 3 光谱 氢原子光谱 第三章 原子核 2 放射性 衰变 4 原子核的结合能 6 核聚变 第四章 波粒二象性 2 光电效应与光量子假说 4 实物粒子的波粒二象性
2021高中物理 第三章 原子核 章末检测卷(教科版选修3-5)
章末检测卷(三)(时间：90分钟满分：100分)一、选择题(本题共10小题，每小题4分，共40分)1．(2022·新课标Ⅱ·35(1)改编)在人类对微观世界进行探究的过程中，科学试验起到了格外重要的作用．下列说法符合历史事实的是________．A．密立根通过油滴试验测出了基本电荷的数值B．贝克勒尔通过对自然放射现象的争辩，发觉了原子中存在原子核C．居里夫妇从沥青铀矿中分别出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素D．卢瑟福通过α粒子散射试验证明白在原子核内部存在质子E．汤姆逊通过阴极射线在电场和磁场中偏转的试验，发觉了阴极射线是由带负电的粒子组成的，并测出了该粒子的比荷答案ACE解析密立根通过油滴试验，验证了物体所带的电荷量都是某一值的整数倍，测出了基本电荷的数值，选项A 正确．贝克勒尔通过对自然放射现象的争辩，明确了原子核具有简洁结构，选项B错误．居里夫妇通过对含铀物质的争辩发觉了钋(Po)和镭(Ra)，选项C正确．卢瑟福通过α粒子散射试验证明白原子的核式结构，选项D错误．汤姆逊通过阴极射线在电场和磁场中偏转的试验，说明白阴极射线是带负电的粒子，并测出了粒子的比荷，选项E正确．2．(2022·新课标Ⅰ·35(1))关于自然放射性，下列说法正确的是________．A．全部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射线的穿透力气最强E．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线答案BCD解析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三种射线电离力气依次减弱，穿透力气依次增加，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．3．能源是社会进展的基础，进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.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变C.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应D.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210n是α衰变答案AC解析β衰变时释放出电子(0－1e)，α衰变时释放出氦原子核(42He)，可知选项B、D错误；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U235原子核吸取一个中子，生成一个Ba原子核和一个Kr原子核并释放出三个中子是典型的核裂变反应．4．原子核A Z X与氘核21H反应生成一个α粒子和一个质子．由此可知()A．A＝2，Z＝1 B．A＝2，Z＝2C．A＝3，Z＝3 D．A＝3，Z＝2答案 D解析本题考查核反应方程．由题意可知核反应方程为A Z X＋21H→42He＋11H，反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒，由此可推断A＝3，Z＝2，选项D正确．5．科学家发觉在月球上含有丰富的32He(氦3)．它是一种高效、清洁、平安的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为32He＋32He―→211H＋42He.关于32He聚变下列表述正确的是()A．聚变反应不会释放能量B．聚变反应产生了新的原子核C．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都接受32He聚变反应发电答案 B解析该聚变反应释放了能量，是由于发生了质量亏损，A、C错；该聚变反应产生了新原子核11H，B对；目前核电站都是用重核裂变发电而不是用轻核聚变，D错．6．原子核聚变可望给人类将来供应丰富的洁净能源．当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，放出热量．这几种反应的总效果可以表示为621H―→k42He＋d11H＋210n＋43.15 MeV由平衡条件可知()A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3答案 B解析依据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒得。
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第一章 碰撞与动量守恒
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1 碰撞
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2 动量
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3 动量守恒定律
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4 动量守恒定律的应用
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1 电子
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2 原子的核式结构模型
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3 光谱 氢原子光谱
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4 玻尔的原子模型 能级
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第一章 碰撞与动量守恒 2 动量 4 动量守恒定律的应用 1 电子 3 光谱 氢原子光谱 第三章 原子核 2 放射性 衰变 4 原子核的结合能 6 核聚变 第四章 波粒二象性 2 光电效应与光量子假说 4 实物粒子的波粒二象性
高中物理 第三章 原子核 2 放射性 衰变教案 教科版选修3-5-教科版高中选修3-5物理教案
. 专业. 2 放射性 衰变
一、天然放射现象和三种射线 1．对天然放射现象的认识 (1)1896年，法国物理学家贝可勒尔发现某些物质具有放射性． (2)物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象． (3)原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线． 2．对三种射线的认识 .
专业. 若在射线经过的空间施加电场(方向与射线的出射方向垂直)，射线能分成三束吗？ 提示：能分成三束，三种射线的带电情况各不相同，它们在电场中受力情况不同，故可偏转为三束． 二、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过程． 2．衰变类型 (1)α衰变：放射性元素放出α粒子的衰变过程．放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，成为新核． (2)β衰变：放射性元素放出β粒子的衰变过程．放出一个β粒子后，核的质量数不变，电荷数增加1. 3．衰变规律 原子核衰变时电荷数和质量数都守恒． 4．衰变的实质 (1)α衰变的实质：2个中子和2个质子结合在一起形成α粒子． (2)β衰变的实质：核内的中子转化为了一个电子和一个质子． . 专业. (3)γ射线经常是伴随α衰变和β衰变产生的．
有人说：“γ射线是电磁波，对人类有害，手机、微波炉等用电器都能产生电磁波，因而不能使用！”这种说法对吗？ 提示：不对，手机和微波炉等确实能产生电磁波，γ射线也是电磁波，但两者在能量上有较大的区别，手机等放出的电磁波属于微波范围，波长与γ射线相比较大，频率较小，因而穿透本领及电离本领都很弱，对人体危害很小．但γ射线频率很大，能量很高，因而使用不当时，对人体危害较大． 三、半衰期 1．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，叫做这种元素的半衰期． 2．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． 3．半衰期是大量原子核衰变的统计规律． 4．衰变定律：N＝N0e－λt，λ称为衰变常数，反映放射性元素衰变的快慢．
高中物理课件 第3章 章末分层突破
固
层
·
知
识
整
合
拓
章末分层突破
展 层
·
接
·
能
力
强
化
[自我校对]
①2π LC
②1 2π LC
③磁场
④电场
⑥足够高 ⑦较大 ⑧λ f⑨空间波
⑪紫外线 ⑫γ射线
⑤电磁波 ⑩电谐振
理解电磁振荡的三个“两”
1.两类物理量 一类是与电场有关的物理量，一类是与磁场有关的物理量． (1)电流i，它决定了磁场能的大小．振荡电流i在电感线圈中形成磁场，因 此，线圈中的磁感应强度B、磁通量Φ和磁场能E磁具有与之相同的变化规律． (2)电荷量q，它决定了电场能的大小．电容器两极板间的电压U、场强E、电 场能E电，线圈的自感电动势E的变化规律与q的相同．
注意：电流i和电荷量q的变化不同步，规律如图3-1所示． 图3-1
2．两个过程 (1)充电：当电容器的电荷量增加时为充电过程，这个过程中电路的电流减 小． (2)放电：电荷量减小时为放电过程，这个过程中电路的电流增加． 注意：在任意两个过程的分界点对应的时刻，各物理量取特殊值(零或最大 值)．
3．两类初始条件 图3-2甲和3-2乙电路，表示了电磁振荡的两类不同初始条件． (1)图3-2甲中开关S从1合向2时，振荡的初条件为电容器开始放电． (2)图3-2乙中开关S从1合向2时，振荡的初始条件为电容器开始充电．
功的原理的三种表述 1．使用机械时，人们所做的功都等于不用机械而直接用手所做的功．(适用于 各种理想机械) 2．使用任何机械时，动力对机械所做的功等于机械克服所有阻力所做的功．(适 用于各种实际机械) 3．使用任何机械都不省功．
做功和能的转化
[先填空] 1．能的概念 一个物体能够对别的物体 做功 ，我们就说这个物体具有 能 ．能有各种不同 的形式，如动能、内能、风能、势能等． 2．功能关系 做功的过程就是 能量转化 的过程，做了多少功，就有多少能量发生转化．即 功是 能量转化 的量度．
2020高中物理 第3章 原子核 原子能、粒子、宇宙学案 教科版选修3-5
原子能、粒子、宇宙【学习目标】1．知道核力是只存在于相邻核子间的短程力； 2．掌握结合能与质量亏损； 3．理解爱因斯坦的质能方程；4．知道重核裂变能放出能量，并能计算核能的变化，知道链式反应； 5．知道什么是聚变； 6．了解铀核的裂变特点；7．了解核裂变反应堆的工作原理； 8．知道聚变和聚变反应的特点； 9．能写出聚变方程并计算聚变能量； 10．了解可控热核反应；11．了解核电站、核武器及核能的优越性、安全性及其危害； 12．了解组成物质的粒子； 13．知道粒子的分类及其作用；14．了解宇宙起源的大爆炸说及恒星的演化．【要点梳理】要点一、核力与核结合能 1．核反应（1）核反应的定义．衰变是原子核的自发变化，能否用人工方法使原子核发生变化呢？能．事实上质子、中子都是通过原子核的人工转变而发现的．我们把原子核在其他粒子轰击下产生新原子核的过程，称为核反应． （2）对核反应的理解．①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，质量数和核电荷数都守恒．②衰变是自发的、不受物理条件和化学条件影响的一种核变化．而原子核的人工转变需要一定的装置和条件才能发生．2．原子核的人工转变（1）质子的发现及核反应方程．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，α粒子被氮核俘获后形成复核，再衰变，产生质子．核反应方程为：1441717281N He O H +→+．（2）中子的发现及核反应方程．1932年，英国的物理学家查德威克对这种不知道的射线进行进一步的研究发现：这种射线的速度不到光速的十分之一，排除了γ射线．之后他用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打出一些氢核和氮核，并通过测定和计算，发现这种粒子的质量非常接近氢核的质量，由于它不带电，故称之为中子．核反应方程为：941214260Be He C n +→+．由于能从许多的原子核里打出中子，因而确认中子是组成原子核的一部分． 3．核力原子核由质子和中子组成，中子和质子是靠强大的核力结合在一起的． （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：①核力是强相互作用力，在它的作用范围内核力比库仑力大得多；②核力是短程力，作用范围在151.510m ⨯－之内．在大于150.810m ⨯－时核力表现为引力，超过151.510m ⨯－时核力急剧下降几乎消失．在小于150.810m ⨯－时核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起；③每个核子只跟相邻的核子发生核力作用．这种性质称为核力的饱和性．无论是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力． （3）自然界中的四种基本相互作用力：①万有引力；②电磁力；③强相互作用力；④弱相互作用力． 4．核结合能由于核子间存在着巨大的核力作用，所以原子核是一个坚固的集体．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量．一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于2.2 MeV 的γ光子照射．核反应方程为：211110H H n γ+→+．相反的过程，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV 的能量．这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应方程为：112101H n H γ+→+．由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量．核反应中放出或吸收的能量称为核结合能．平均结合能（又叫比结合能）：原子核的结合能与核子数之比平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固．原子核越稳定．5．质量亏损由于核力的本质还在研究之中，所以根据核力做功来求核能是不可能的．但物理学家却有办法求出核能．物理学家们研究了质子、中子和氘核之间的质量关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的，但氘核的质量要比中子和质子的质量之和要小一些．我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损．根据质量亏损可以计算核能．6．质能方程（1）质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是 2E mc = 或 2E mc ∆=∆．这就是著名的爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程．方程的含义是：物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系．物体的能量增大质量也增大，能量减小质量也减小．（2）对质量亏损和质能方程的理解：在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒的规律．核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转变为能量．物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量．另外，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． 7．核能的计算方法核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题，其基本方法是： （1）根据质量亏损计算，步骤如下：①根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损m ∆．②根据爱因斯坦质能方程2E mc=或2E mc ∆=∆计算核能．③计算过程中m ∆的单位是千克，E ∆的单位是焦耳． （2）利用原子质量单位u 和电子伏特计算． ①明确原子单位u 和电子伏特间的关系由271 u 1.660610kg =⨯－，191 eV 1.610J =⨯－．得2931.5 MeV E mc ==．②根据1原子质量单位（u ）相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即 931.5 MeV E m ∆=∆⨯．③上式中，m ∆的单位是u ，E ∆的单位是MeV ． （3）利用平均结合能来计算核能．原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数．核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放（或吸收）的核能． （4）根据能量守恒和动量守恒来计算核能．参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，在题给条件中没有涉及质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，从动量和能量守恒可以计算出核能的变化． （5）应用阿伏加德罗常数计算核能．若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量，应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便．①根据物体的质量m 和摩尔质量M 由mn M=求出物质的量，并求出原子核的个数： A Am N N n N M==． ②由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量0E （或直接从题目中找出0E ）．③再根据0E NE =求出总能量．8．衰变过程中核能的计算衰变能是不稳定原子核在进行衰变时放出来的能量，由质能方程，可以从衰变前后的质量亏损求出衰变能，也可根据直接测出衰变后产生的新原子核与α粒子的动能求得衰变能．但是，由于衰变后原子核的质量较大，反冲动能k E 较小，测量就很困难．下面我们从动量守恒定律出发，找到r E 和E α之间的关系，只要测出E α就可以知道衰变能．衰变前原子核可看做静止，动量为零，于是，根据动量守恒定律有r r m v m v αα=．α粒子的速度比光速小得多，可以不考虑相对论效应，于是衰变后新原子核的反冲动能221122r r r r rm m E m v m v E m m ααααα===． 所以，041144r rm A E E E E E E m A A ααααα⎛⎫⎛⎫=+=+=+= ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭（A 是衰变前的核的质量数）． 式中，已用核的质量数之比代替核质量之比，这样做所带来的误差是很微小的．所以，要得到α衰变能0E ，需要知道α粒子的动能E α．9．对原子核中质子数与中子数比例的解释原子核越大，有些核子间的距离越来越远，随着距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减小得更快．所以，原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们的库仑力，这个原子核就不稳定了．这时，不再成对地增加质子和中子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定．由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．要点二、重核裂变及其应用 1．核子的平均质量核反应有的会放出能量，有的会吸收能量，那么什么样的核反应会放出能量，这是本节需要搞清的第一个问题．也是本节的一个难点．为了弄清这个问题，就必须首先理解核子的平均质量这一概念． 精确的实验表明，原子核是由核子组成的，但原子核的质量却不等于所有核子质量之和．也就是说，原子核的质量虽然会随着核子数量的增加而增加，但两者并不成比例．例如：氢核由一个核子（质子）组成；氦核由四个核子（两个中子，两个质子）组成．但氦核的质量却不是氢核的四倍，而是比四倍小．这样在不同的原子核中，用原子核的质量除以核子数所得到的核子的平均质量就变得不相同了，换一个说法，也就是同样的核子在不同的原子核中质量不同．进一步研究表明，中等质量的原子核的核子的平均质量较小（铁核的核子平均质量最小），重核和轻核的核子平均质量大，这就为研究核反应中能量的释放建立了理论基础．当重核分裂成中等质量的原子核时，会发生质量亏损；当轻核聚合成中等质量的原子核时，也会发生质量亏损．由质能方程可知，此时核反应会放出能量．2．重核的裂变——铀核的裂变（1）铀核裂变的发现：1938年底，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．（2）重核裂变：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫做重核的裂变． （3）铀核裂变的一种核反应方程：235114192192056360U n Ba Kr 3n +→++．（4）链式反应：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2或3个中子．这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去’，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应．如图所示．（5）链式反应发生的条件：①铀块的体积大于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核．②有足够浓度的铀235．③有足够数量的慢中子． 一种链式反应的方程：235113690192054380U n Xe Sr 10n E +→+++∆．（6）重核裂变的条件重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地产生．如铀核裂变不能自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂过程中，又会放出更多的中子，这些中子再去轰击更多铀核，产生更多的中子，就形成了链式反应，这个反应速度很快，不加控制的话，能量在很短的瞬间急剧释放（原子弹就是利用铀核的链式反应制造的一种威力巨大的核武器）．如果采用其他方法对反应速度加以控制就可以和平地利用这种巨大的核能．核电站就是可控的链式反应．3．临界体积要发生核反应，就必须使中子击中铀核，而核的体积很小，那么在铀块不太大的情况下，中子通过铀块时，没有碰到铀核而跑到铀块外，因此，要发生链式反应，铀块的体积必须大于某一值，能发生链式反应的铀块的最小体积叫它的临界体积．4．核电站与核电站的主要组成和工作原理及优点（1）核电站：原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用，现在世界上已有不少国家建有核电站，我国已建成使用和正在建设的核电站必将为现代化的建设提供能源保障． （2）核电站的主要组成．核电站的核心是核反应堆，核反应堆的主要组成部分及其作用是：①核燃料：反应堆使用浓缩铀（铀235占34％～％）制成铀棒，作为核燃料，释放核能．②中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点．而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来．常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水．③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．④保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁．可防止射线辐射出去．⑤热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去．反应堆是核电站的核心，核电站是靠核反应堆产生的内能 （3）核电站的优点是：①消耗的“燃料”很少；②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量大；③对环境污染比火电站要小． 5．原子弹原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器．在裂变材料的体积大于临界体积时，可以使增殖系数1K ＞，这时中子数可逐代倍增，最后引起原子爆炸．对纯235U ，其2K =．若01N =，则到第80代时，中子数已增到802N =个，其已大到相当于1 kg 铀的原子数，因此1 kg 纯235U 只要经过80代裂变就可以全部发生裂变．若将1 kg 铀做成球状，其直径不过5 cm ，而快中子的速度约为71210m s ⨯⋅－，所以裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．原子弹的结构形式有许多种，一般是将两块或多块小于临界体积的235U （或238U 、239Pu 等）放在一个密封的弹壳内，平时这几块相隔一定的距离，所以不会爆炸．使用时可通过引爆装置使它们骤然合为一体，由于其体积超过临界体积，爆炸瞬间发生．6.为什么铀的同位素中23592U 最容易发生链式反应在天然铀中，主要有两种同位素，99.3％的是铀238，0.7％的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同．23592U ：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大．23892U ：只有俘获能量大于1 MeV 的中子才能发生核反应，且裂变的几率小．对于低于1 MeV 的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起核反应．因此，为了使链式反应容易发牛，最好利用纯铀235．要点三、轻核聚变及其应用 1．轻核的聚变 （1）聚变．把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为募变．聚变反应又称为热核反应． （2）聚变方程：23411120H H He n γ+→++．（3）聚变发生的条件：要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离1510m －，但是原子核是带正电的，要使它们接近1510m －就止须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几百万度的高温．综上所述，核聚变只有在超高温条件下才能发生．2．聚变与裂变的区别重核的裂变、轻核的聚变都能释放出巨大的核能，但两者是有区别的． （1）原理不同．重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变（结合）成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量． （2）放出能量的大小不同．重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3兆电子伏以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量． （3）废料处理难度不同．裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多． （4）“燃料”的丰富程度不同．热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有003．克氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当．而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7％，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多．我国是一个“贫铀”国家，贮藏量不多．（5）两种反应的可控制性不同．裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术．我国可控热核反应的研究情况是：1984年9月，我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流一号”顺利启动．1094年，具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT-7超导托卡马克”已安装调试成功，我国研究可控热核反应方面已经具有一定的实力． 3．轻核聚变释放核能的计算方法轻核聚变时释放出的能量的计算与上两节的方法基本相同，具体的仍然分为以下两种： （1）根据质量亏损计算．根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损（m ∆）的千克数乘以真空中光速（8310m/s ⨯）的平方，即2E mc ∆=∆． ①（2）根据1原子质量单位（u ）相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即931.5 MeV E m ∆=∆⨯． ②要点诠释：式①中m ∆的单位为kg ，式②中m ∆的单位是u ，E ∆的单位是MeV ．4．聚变比裂变反应放出更多能量的原因（1）平均每个核子放能较多，是裂变反应的34～倍．如一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV ，平均每个核子放出能量约3.5 MeV ；而铀235裂变时，平均每个核子放出能量为l MeV ．（2）同样质量的情况下，轻核的核子个数多，如氘和氚聚变为1 kg 氦时放出的能量为332.6510eV ⨯．2333110006.021017.6MeV 2.6510eV 4E ∆=⨯⨯⨯≈⨯． 假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV ，则l kg 铀核全部裂变时放出能量为2332210006.0210200MeV 510eV 235E ∆=⨯⨯⨯≈⨯． 125.3E E ∆≈∆． 5．热核反应的控制技术以及聚变的应用 （1）控制方法．①磁约束：利用强磁场来约束参加反应的物质．目前性能最好的磁约束装置是环流器（又称托卡马克）．2002年12月“中国环流器二号”开始运行．②惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质．目前可控制核聚变还处于基础研究阶段．（2）聚变的应用．①核武器——氢弹：是一种不需人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．②如果攻克了受控热核聚变的实现技术，那就可望解决全世界的“能源危机”．（3）我国的两弹发展．1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功．1967年6月17日我国的氢弹试爆成功．6．为什么轻核聚变和重核裂变都会释放能量（1）可以从核子的平均结合能上看，如图．从图中可以看出，铁的平均结合能最大，也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大．因此可知两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量．（2）也可以根据核子的平均质量图分析，如图，由图中可以看出，铁原子核子的平均质量最小，如果原子序数较大的A裂变成B或C，或者原子序数较小的D和E结合成F核，都会有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，都要放出能量．要点四、粒子与宇宙1．“基本粒子”不基本（1）19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子．（2）从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成．（3）科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构．（4）粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具．2．粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．3．反粒子（反物质）实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如电子和正电子，质子和反质子等．由反粒子构成的物质叫反物质．反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．4．夸克模型实验表明强子是有内部结构的，1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．5．宇宙的演化用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化．根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期．在大爆炸的瞬间（约4410s －，温度为3210K ）产生夸克、轻子、胶子等粒子．大爆炸后约610s －，温度下降到1310K 左右，夸克构成质子和中子等强子，这个温度范围正是各种强子熙熙攘攘挤在一起的时代，称为强子时代．当温度下降到1110K （210s －），只剩下少量的夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，此时代称为轻子时代．当温度下降到910K （210s ），少量的中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等轻核及其他轻核生成，此时称为核合成时代．在3000 K 左右（510s ），电子与原子核结合成原子，此时称为复合时代．继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系．6．恒星的演化大爆炸10万年后，温度下降到3000 K 左右．出现了由中性原子构成的宇宙尘埃．由于万有引力作用逐渐凝聚成团块，形成气态的星云团，星云团进一步凝聚收缩，使得引力势能转化为内能，温度升高，温度升到一定程度就开始发光，这样一颗恒星就诞生了．这颗星继续收缩，继续升温，当温度超过710K 时，氢聚变成氦，向外辐射能量，核能耗尽后就进入末期，末期形态主要有三种：白矮星、中子星和黑洞．7．夸克理论简介夸克理论经过几十年的完善和发展，已经逐渐为多数粒子物理学家所接受．根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克（u）、奇异夸克（s）、粲夸克（c）、下夸克（d）、底夸克（b）和顶夸克（t）．它们带的电荷分别为元电荷的13-或23+．到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据．夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．8．统一场论（微观粒子与宏观宇宙的统一）物理学向微观粒子和宇宙两个领域的研究今天得到了初步统一，统一场论在逐渐形成．物理学完整、和谐美在这里又得到了充分体现．正如绪言中所说：“物理学中研究最大和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接在一起，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴．”从上面的两个图可以看到，人类所在物质世界的空间跨度与时间跨度竞呈现出如此的对称美．要点四、单元知识网络。
2017-2018学年高二物理(教科版选修3-5)教师用书：第1章 章末分层突破
章末分层突破①守恒②守恒③减少④守恒⑤守恒⑥mv⑦v⑧m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2⑨Ft＝p′－p(或I＝Δp)1.冲量的计算(1)恒力的冲量：公式I＝Ft适用于计算恒力的冲量(2)变力的冲量①通常利用动量定理I＝Δp求解．②可用图像法计算．在Ft图像中阴影部分(如图11)的面积就表示力在时间Δt＝t2－t1内的冲量．图112．动量定理Ft＝mv2－mv1的应用(1)它说明的是力对时间的累积效应．应用动量定理解题时，只考虑物体的初、末状态的动量，而不必考虑中间的运动过程．(2)应用动量定理求解的问题①求解曲线运动的动量变化量．②求变力的冲量问题及平均力问题．③求相互作用时间．④利用动量定理定性分析现象．一个铁球，从静止状态由10 m高处自由下落，然后陷入泥潭中，从进入泥潭到静止用时0.4 s，该铁球的质量为336 g，求：(1)从开始下落到进入泥潭前，重力对小球的冲量为多少？(2)从进入泥潭到静止，泥潭对小球的冲量为多少？(3)泥潭对小球的平均作用力为多少？(保留两位小数，g取10 m/s2)【解析】(1)小球自由下落10 m所用的时间是t1＝2hg＝2×1010s＝ 2 s，重力的冲量I G＝mgt1＝0.336×10× 2 N·s≈4.75 N·s，方向竖直向下．(2)设向下为正方向，对小球从静止开始运动至停在泥潭中的全过程运用动量定理得mg(t1＋t2)－Ft2＝0泥潭的阻力F对小球的冲量Ft2＝mg(t1＋t2)＝0.336×10×(2＋0.4) N·s≈6.10 N·s，方向竖直向上．(3)由Ft2＝6.10 N·s得F＝15.25 N.【答案】(1)4.75 N·s(2)6.10 N·s(3)15.25 N1．寻找临界状态题设情景中看是否有相互作用的两物体相距最近、恰好滑离、避免相碰和物体开始反向运动等临界状态．2．挖掘临界条件在与动量相关的临界问题中，临界条件常常表现为两物体的相对速度关系与相对位移关系．3．常见类型(1)涉及弹簧类的临界问题对于由弹簧组成的系统，在物体间发生相互作用的过程中，当弹簧被压缩到最短或拉伸到最长时，弹簧两端的两个物体的速度必然相等．(2)涉及相互作用边界的临界问题在物体滑上斜面(斜面放在光滑水平面上)的过程中，由于物体间弹力的作用，斜面在水平方向上将做加速运动，物体滑到斜面上最高点的临界条件是物体与斜面沿水平方向具有共同的速度，物体到达斜面顶端时，在竖直方向上的分速度等于零．(3)子弹打木块类的临界问题：子弹刚好击穿木块的临界条件为子弹穿出时的速度与木块的速度相同，子弹位移为木块位移与木块厚度之和．如图12所示，甲车质量m 1＝m ，在车上有质量为M ＝2m 的人，甲车(连同车上的人)从足够长的斜坡上高h 处由静止滑下，到水平面上后继续向前滑动，此时质量m 2＝2m 的乙车正以v 0的速度迎面滑来，已知h ＝2v 2g，为了使两车不可能发生碰撞，当两车相距适当距离时，人从甲车跳上乙车，试求人跳离甲车的水平速度(相对地面)应满足什么条件？不计地面和斜坡的摩擦，小车和人均可看作质点．图12【解析】 设甲车(包括人)滑下斜坡后速度为v 1，由机械能守恒定律得12(m 1＋M )v 21＝(m 1＋M )gh得：v 1＝2gh ＝2v 0设人跳离甲车的水平速度(相对地面)为v ，在人跳离甲车和人跳上乙车过程中各自动量守恒，设人跳离甲车和跳上乙车后，两车的速度分别为v 1′和v 2′，则人跳离甲车时：(M ＋m 1)v 1＝Mv ＋m 1v 1′ 即(2m ＋m )v 1＝2mv ＋mv 1′①人跳上乙车时：Mv －m 2v 0＝(M ＋m 2)v 2′ 即2mv －2mv 0＝(2m ＋2m )v 2′ ② 解得v 1′＝6v 0－2v③ v 2′＝12v －12v 0④ 两车不可能发生碰撞的临界条件是v 1′＝±v 2′ 当v 1′＝v 2′时，由③④解得v ＝135v 0当v 1′＝－v 2′时，由③④解得v ＝113v 0故v 的取值范围为135v 0≤v ≤113v 0.【答案】135v 0≤v ≤113v 01.动量守恒定律，机械能守恒定律，能量守恒定律，功能关系等． 2．解决该类问题的基本思路(1)认真审题，明确题目所述的物理情景，确定研究对象． (2)如果物体间涉及多过程，要把整个过程分解为几个小的过程． (3)对所选取的对象进行受力分析，判定系统是否符合动量守恒的条件．(4)对所选系统进行能量转化的分析，比如：系统是否满足机械能守恒，如果系统内有摩擦则机械能不守恒，有机械能转化为内能．(5)选取所需要的方程列式并求解．如图13所示，AOB 是光滑水平轨道，BC 是半径为R 的光滑的14固定圆弧轨道，两轨道恰好相切于B 点．质量为M 的小木块静止在O 点，一颗质量为m 的子弹以某一初速度水平向右射入小木块内，并留在其中和小木块一起运动，且恰能到达圆弧轨道的最高点C (木块和子弹均看成质点)．图13(1)求子弹射入木块前的速度；(2)若每当小木块返回到O 点或停止在O 点时，立即有一颗相同的子弹射入小木块，并留在其中，则当第9颗子弹射入小木块后，小木块沿圆弧轨道能上升的最大高度为多少？【解析】 (1)第一颗子弹射入木块的过程，系统动量守恒，以子弹的初速度方向为正方向，由动量守恒定律得：mv 0＝(m ＋M )v 1系统由O 到C 的运动过程中机械能守恒，由机械能守恒定律得：12(m ＋M )v 21＝(m ＋M )gR由以上两式解得：v 0＝m ＋Mm2gR . (2)由动量守恒定律可知，第2、4、6、…颗子弹射入木块后，木块的速度为0，第1、3、5、…颗子弹射入后，木块运动．当第9颗子弹射入木块时，以子弹初速度方向为正方向，由动量守恒定律得：mv 0＝(9m ＋M )v 9设此后木块沿圆弧上升的最大高度为H ，由机械能守恒得：12(9m ＋M )v 29＝(9m ＋M )gH由以上各式可得：H ＝⎝⎛⎭⎪⎫M ＋m M ＋9m 2R .【答案】 (1)m ＋M m 2gR (2)⎝ ⎛⎭⎪⎫M ＋m M ＋9m 2R两物体不发生相撞的临界条件是两物体的速度同向同速.子弹进入木块的过程中因摩擦而损失的机械能转化为系统的内能.1．如图14所示，方盒A 静止在光滑的水平面上，盒内有一小滑块B ，盒的质量是滑块的2倍，滑块与盒内水平面间的动摩擦因数为μ.若滑块以速度v 开始向左运动，与盒的左、右壁发生无机械能损失的碰撞，滑块在盒中来回运动多次，最终相对于盒静止，则此时盒的速度大小为__________，滑块相对于盒运动的路程为________．图14【解析】 由于水平面光滑，则滑块与盒动量守恒，故有：mv ＝(M ＋m )v 1，且M ＝2m 解得相对静止时的共同速度v 1＝mv M ＋m ＝v 3由功能关系知：μmgs ＝12mv 2－12(M ＋m )v 21解得滑块相对盒的路程s ＝v 23μg. 【答案】 v 3 v 23μg2.动量定理可以表示为Δp ＝F Δt ，其中动量p 和力F 都是矢量．在运用动量定理处理二维问题时，可以在相互垂直的x 、y 两个方向上分别研究．例如，质量为m 的小球斜射到木板上，入射的角度是θ，碰撞后弹出的角度也是θ，碰撞前后的速度大小都是v ，如图15所示．碰撞过程中忽略小球所受重力.【导学号：22482013】图15(1)分别求出碰撞前后x 、y 方向小球的动量变化Δp x 、Δp y ； (2)分析说明小球对木板的作用力的方向． 【解析】 (1)x 方向：动量变化为 Δp x ＝mv sin θ－mv sin θ＝0y方向：动量变化为Δp y＝mv cos θ－(－mv cos θ)＝2mv cos θ，方向沿y轴正方向．(2)根据动量定理可知，木板对小球作用力的方向沿y轴正方向，根据牛顿第三定律可知，小球对木板作用力的方向沿y轴负方向．【答案】见解析3．如图16所示，光滑冰面上静止放置一表面光滑的斜面体，斜面体右侧一蹲在滑板上的小孩和其面前的冰块均静止于冰面上．某时刻小孩将冰块以相对冰面3 m/s的速度向斜面体推出，冰块平滑地滑上斜面体，在斜面体上上升的最大高度为h＝0.3 m(h小于斜面体的高度)．已知小孩与滑板的总质量为m1＝30 kg，冰块的质量为m2＝10 kg，小孩与滑板始终无相对运动．取重力加速度的大小g＝10 m/s2.图16(1)求斜面体的质量；(2)通过计算判断，冰块与斜面体分离后能否追上小孩？【解析】(1)规定向右为速度正方向．冰块在斜面体上运动到最大高度时两者达到共同速度，设此共同速度为v，斜面体的质量为m3.由水平方向动量守恒和机械能守恒定律得m2v20＝(m2＋m3)v ①1 2m2v220＝12(m2＋m3)v2＋m2gh ②式中v20＝－3 m/s为冰块推出时的速度．联立①②式并代入题给数据得m3＝20 kg. ③(2)设小孩推出冰块后的速度为v1，由动量守恒定律有m1v1＋m2v20＝0 ④代入数据得v1＝1 m/s ⑤设冰块与斜面体分离后的速度分别为v2和v3，由动量守恒和机械能守恒定律有m2v20＝m2v2＋m3v3 ⑥1 2m2v220＝12m2v22＋12m3v23⑦联立③⑥⑦式并代入数据得v2＝1 m/s ⑧由于冰块与斜面体分离后的速度与小孩推出冰块后的速度相同且处在后方，故冰块不能追上小孩．【答案】(1)20 kg (2)见解析4．某游乐园入口旁有一喷泉，喷出的水柱将一质量为M的卡通玩具稳定地悬停在空中．为计算方便起见，假设水柱从横截面积为S 的喷口持续以速度v 0竖直向上喷出；玩具底部为平板(面积略大于S )；水柱冲击到玩具底板后，在竖直方向水的速度变为零，在水平方向朝四周均匀散开．忽略空气阻力．已知水的密度为ρ，重力加速度大小为g .求：(1)喷泉单位时间内喷出的水的质量；(2)玩具在空中悬停时，其底面相对于喷口的高度．【解析】 (1)设Δt 时间内，从喷口喷出的水的体积为ΔV ，质量为Δm ，则 Δm ＝ρΔV ① ΔV ＝v 0S Δt②由①②式得，单位时间内从喷口喷出的水的质量为 ΔmΔt＝ρv 0S . ③ (2)设玩具悬停时其底面相对于喷口的高度为h ，水从喷口喷出后到达玩具底面时的速度大小为v .对于Δt 时间内喷出的水，由能量守恒得12(Δm )v 2＋(Δm )gh ＝12(Δm )v 20 ④在h 高度处，Δt 时间内喷射到玩具底面的水沿竖直方向的动量变化量的大小为 Δp ＝(Δm )v⑤设水对玩具的作用力的大小为F ，根据动量定理有F Δt ＝Δp⑥由于玩具在空中悬停，由力的平衡条件得F ＝Mg⑦联立③④⑤⑥⑦式得h ＝v 202g －M 2g 2ρ2v 20S2. ⑧【答案】 (1)ρv 0S (2)v 202g －M 2g 2ρ2v 20S25．如图17所示，水平地面上有两个静止的小物块a 和b ，其连线与墙垂直；a 和b 相距l ，b 与墙之间也相距l ；a 的质量为m ，b 的质量为34m .两物块与地面间的动摩擦因数均相同．现使a 以初速度v 0向右滑动．此后a 与b 发生弹性碰撞，但b 没有与墙发生碰撞．重力加速度大小为g .求物块与地面间的动摩擦因数满足的条件．图17【解析】 设物块与地面间的动摩擦因数为μ.若要物块a 、b 能够发生碰撞，应有12mv 20>μmgl ① 即μ<v 202gl②设在a 、b 发生弹性碰撞前的瞬间，a 的速度大小为v 1.由能量守恒有 12mv 20＝12mv 21＋μmgl ③设在a 、b 碰撞后的瞬间，a 、b 的速度大小分别为v 1′、v 2′，由动量守恒和能量守恒有mv 1＝mv 1′＋34mv 2′④ 12mv 21＝12mv ′21＋12⎝ ⎛⎭⎪⎫34m v ′22 ⑤ 联立④⑤式解得v 2′＝87v 1⑥由题意知，b 没有与墙发生碰撞，由功能关系可知 12⎝ ⎛⎭⎪⎫34m v ′22≤μ34mgl ⑦ 联立③⑥⑦式，可得μ≥32v 20113gl⑧联立②⑧式，a 与b 发生弹性碰撞，但b 没有与墙发生碰撞的条件 32v 20113gl ≤μ<v 22gl. ⑨【答案】 32v 20113gl ≤μ<v 202gl6．如图18所示，在足够长的光滑水平面上，物体A 、B 、C 位于同一直线上，A 位于B 、C 之间．A 的质量为m ，B 、C 的质量都为M ，三者均处于静止状态．现使A 以某一速度向右运动，求m 和M 之间应满足什么条件，才能使A 只与B 、C 各发生一次碰撞．设物体间的碰撞都是弹性的．图18【解析】 A 向右运动与C 发生第一次碰撞，碰撞过程中，系统的动量守恒、机械能守恒．设速度方向向右为正，开始时A 的速度为v 0，第一次碰撞后C 的速度为v C 1，A 的速度为v A 1.由动量守恒定律和机械能守恒定律得mv 0＝mv A 1＋Mv C 1① 12mv 20＝12mv 2A 1＋12Mv 2C 1 ②联立①②式得v A 1＝m －M m ＋Mv 0③ v C 1＝2m m ＋Mv 0④如果m >M ，第一次碰撞后，A 与C 速度同向，且A 的速度小于C 的速度，不可能与B 发生碰撞；如果m ＝M ，第一次碰撞后，A 停止，C 以A 碰前的速度向右运动，A 不可能与B 发生碰撞；所以只需考虑m <M 的情况第一次碰撞后，A 反向运动与B 发生碰撞．设与B 发生碰撞后，A 的速度为v A 2，B 的速度为v B 1，同样有v A 2＝m －M m ＋M v A 1＝⎝ ⎛⎭⎪⎫m －M m ＋M 2v 0⑤根据题意，要求A 只与B 、C 各发生一次碰撞，应有v A 2≤v C 1⑥ 联立④⑤⑥式得m 2＋4mM －M 2≥0 ⑦ 解得m ≥(5－2)M⑧另一解m ≤－(5＋2)M 舍去 所以，m 和M 应满足的条件为 (5－2)M ≤m <M .⑨【答案】 (5－2)M ≤m <M。
2019-2020年高中物理(SWSJ)教科版选修3-5教学案：第三章 第6节 核聚变(含答案)
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
2018-2019学年高中物理(教科版选修3-5)教师用书：第3章 2.放射性 衰变 能级 Word版含答案
2.放射性衰变[先填空]1．天然放射现象的发现(1)天然放射现象：物质能自发地放出射线的现象．(2)放射性：物质放出射线的性质，叫做放射性．(3)放射性元素：具有放射性的元素，叫做放射性元素．(4)天然放射现象的发现：1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射现象．2．三种射线图321如图321所示，让放射线通过强磁场，在磁场的作用下，放射线能分成3束，这表明有3种射线，且它们电性不同．带正电的射线向左偏转，为α射线；带负电的射线向右偏转，为β射线；不发生偏转的射线不带电，为γ射线．3．放射性衰变(1)定义：放射性元素自发地蜕变为另一种元素，同时放出射线，这种现象叫做放射性衰变．(2)衰变形式：常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变为α衰变，放出β粒子的衰变为β衰变，而γ射线是伴随α射线或β射线产生的．(3)衰变规律①α衰变：A Z X→42He＋A－4Z－2Y.在衰变过程中，电荷数和质量数都守恒．[再判断]1．放射性元素的放射性都是自发的现象．(√)2．α射线是由高速运动的氦核组成的，其运行速度接近光速．(×)3．原子核发生α衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4.(√)4．原子核发生β衰变时，原子核的质量不变．(×)5．原子核发生衰变时，质量数和电荷数都守恒．(√)[后思考]如图322是放射性物质放出的射线垂直经过磁场的情形，射线为什么会分成三束？图322【提示】三种射线的带电情况各不相同，它们在磁场中所受洛伦兹力情况不同，故可分成三束．1．α、β、γ射线性质、特征比较(1)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图323所示．图323(2)在匀强电场中，α射线偏离较小，β射线偏离较大，γ射线不偏离，如图所示．3．衰变(1)衰变方程①α衰变：A Z X―→A－4Z－2Y＋42He②β衰变：A Z X―→A Z＋1Y＋0－1e(2)α衰变和β衰变的实质①α衰变：210n＋211H―→42He(3)衰变次数的计算方法设放射性元素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 ，则衰变方程为A ZX ―→A′Z′Y ＋n 42He ＋m 0－1e根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 A ＝A′＋4n ，Z ＝Z′＋2n －m.以上两式联立解得n ＝A －A′4，m ＝A －A′2＋Z′－Z.1．(多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是 ( ) A ．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线 B ．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核 C ．三种射线中γ射线的穿透能力最强D ．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子【解析】 由三种射线的本质和特点可知，α射线穿透本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A 正确；γ射线是一种波长很短的光子，不会使原核变成新核，三种射线中γ射线的穿透能力最强，故C 正确，B 错误；β粒子是电子，于原子核，故D 正确．【答案】 ACD2．如图324所示，放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，其中________是α射线，________是β射线，________是γ射线.【导学号：22482037】图324【解析】 由放射现象中α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线，③④是α射线．【答案】 ③④、①⑥、②⑤3．一置于铅盒中的放射源发射出的α、β和γ射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔，铝箔后的空间有一匀强电场．进入电场后，射线变为a 、b 两束，射线a 沿原来方向行进，射线b 发生了偏转，如图325所示，则图中的射线a 为________射线，射线b 为________射线．图325【解析】 在三种射线中，α射线带正电，穿透能力最弱，γ射线不带电，穿透能力最强，β射线带负电，穿透能力一般，综上所述，结合题意可知，a 射线应为γ射线，b 射线应为β射线．【答案】γβ4．(多选)原子核23892U经放射性衰变①变为原子核234 90Th，继而经放射性衰变②变为原子核234 91Pa，再经放射性衰变③变为原子核234 92U.下列选项正确的是( )A．①是α衰变B．②是β衰变C．③是β衰变D．③是γ衰变【解析】23892U①→234 90Th，质量数少4，电荷数少2，说明①为α衰变. 234 90Th②→234 91Pa，质子数加1，质量数不变，说明②为β衰变，中子转化成质子. 234 91Pa③→234 92U，质子数加1，质量数不变，说明③为β衰变，中子转化成质子．【答案】ABC5．原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线．这些射线共有三种：α射线、β射线和γ射线．下列说法中正确的是( )A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1D．原子核放出γ射线时，原子序数不变【解析】发生一次α衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，核电荷数、原子序数增加1，γ射线是光子．【答案】 D6.238 92U核经一系列的衰变后变为206 82Pb核，问：【导学号：22482038】(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？(2)206 82Pb与238 92U相比，质子数和中子数各少了多少？(3)综合写出这一衰变过程的方程．【解析】(1)设238 92U衰变为206 82Pb经过x次α衰变和y次β衰变．由质量数守恒和电荷数守恒可得238＝206＋4x ①92＝82＋2x－y ②联立①②解得x＝8，y＝6即一共经过8次α衰变和6次β衰变．(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故206 82Pb较238 92U质子数少10，中子数少22.(3)衰变方程为238 92U→206 82Pb＋842He＋6 0－1e【答案】(1)8次α衰变和6次β衰变(2)10 22(3)238 92U→206 82Pb＋842He＋6 0－1e1．三种射线的比较方法(1)知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种．(2)在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线．(3)α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强． 2．衰变次数的判断方法(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒． (2)每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2. (3)每发生一次β衰变中子数减少1，质子数增加1.[先填空] 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．决定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．不同的放射性元素，半衰期不同．3．应用利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间． [再判断]1．半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢．(√)2．半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律．(√) 3．对放射性元素加热时，其半衰期缩短．(×) [后思考]放射性元素衰变有一定的速率．镭226衰变为氡222的半衰期为1 620年，有人说：10 g 镭226经过1 620年有一半发生衰变，镭226还有5 g ，再经过1 620年另一半镭226也发生了衰变，镭226就没有了．这种说法对吗？为什么？【提示】 不对．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做这种元素的半衰期．经过第二个1 620年后镭226还剩2.5 g.1．对半衰期的理解：半衰期表示放射性元素衰变的快慢．2．半衰期公式：N 余＝N 原⎝ ⎛⎭⎪⎫12t τ，m 余＝m 0⎝ ⎛⎭⎪⎫12tτ式中N 原、m 0表示衰变前的原子数和质量，N 余、m 余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t 表示衰变时间，τ表示半衰期．3．适用条件：半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变，半衰期只适用于大量的原子核．7．(多选)14C 发生放射性衰变成为14N ，半衰期约5 700年．已知植物存活期间，其体内14C 与12C 的比例不变；生命活动结束后，14C 的比例持续减少．现通过测量得知，某古木样品中14C 的比例正好是现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是( )A ．该古木的年代距今约5 700年 B. 12C 、13C 、14C 具有相同的中子数 C ．12C 、13C 、14C 具有相同的质子数 D. 14C 衰变为14N 的过程中放出β射线【解析】 古木样品中14C 的比例是现代植物所制样品的二分之一，根据半衰期的定义知该古木的年代距今约5 700年，选项A 正确．同位素具有相同的质子数，不同的中子数，选项B 错误，C 正确.14C 的衰变方程为146C→147N ＋ 0－1e ，所以此衰变过程放出β射线，选项D 正确．【答案】 ACD8．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________．【解析】 元素A 的半衰期为4天，经过20天后剩余原来的⎝ ⎛⎭⎪⎫125，元素B 的半衰期为5天，经过20天后剩余原来的⎝ ⎛⎭⎪⎫124，剩下的质量之比m A ∶m B ＝1∶2. 【答案】 1∶29．碘131核不稳定，会发生β衰变，其半衰变期为8天． (1)碘131核的衰变方程：13153I→________(衰变后的元素用X 表示)． (2)经过________天75%的碘131核发生了衰变． 【解析】 (1)13153I→13154X ＋ 0－1e(2)75%的碘发生了衰变，即25%的未衰变． 即m m 0＝25%＝14＝⎝ ⎛⎭⎪⎫122共经历了两个半衰期即16天． 【答案】 (1)13153I→13154X ＋ 0－1e (2)16有关半衰期的两点提醒(1)半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间而不是样本质量减少一半的时间． (2)经过n 个半衰期，剩余核N 剩＝12n N 总．。
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1 第3章 原子核 [自我校对] ①电离 ②穿透 ③有半数 ④核子 ⑤氮核 ⑥铍核 2
⑦质量数 ⑧电荷数 ⑨mc2
四类核反应及其核反应方程 1.书写原则：核反应遵循质量数和电荷数守恒． 2．常见的核反应方程及相关内容 核反应式 与其相关的重要内容 238 92U→234 90Th＋42He α衰变实质211H＋210n→42He
234 90Th→234 91Pa＋ 0－1e β衰变实质10n→11H＋ 0－1e
14 7N＋42He→17 8O＋11H 质子的发现(1919年) 卢瑟福
94Be＋42He→12 6C＋10n 中子的发现(1932年) 查德威克
2713Al＋42He→3015P＋10n 人工放射性同位素的发现 约里奥—居里夫妇
3015P→3014Si＋01e 正电子的发现(1934年) 约里奥—居里夫妇
235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe＋1010n
235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n
重核裂变
21H＋31H→42He＋10n 轻核聚变
3.关于核反应的四点说明 (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． (4)四类核反应的判断技巧：衰变方程的箭头左侧只有一项且箭头右侧必有42He或 0－1e；人工转变的箭头左侧都含有一个用来轰击的小粒子，多为质子、中子、α粒子或β粒子，且被轰击核多为中等质量核；重核裂变的箭头左侧多为铀235，且有中子；聚变方程的箭头左侧的原子序数都很小多为前4号元素． 3
下列说法正确的是( ) A.21H＋31H→42He＋10n是聚变 B.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210n是裂变 C.226 98Ra→222 96Rn＋42He是α衰变 D.2411Na→2412Mg＋ 0－1e是裂变 E.14 7N＋42He→17 8O＋11H是聚变 【解析】 聚变是两个轻核结合成质量较大的核，A正确，E错误；裂变反应指的是质量较大的核分解成几块中等质量的核，B正确，D错误；放射性元素自发的放射出α粒子的现象是α衰变，C正确． 【答案】 ABC 核反应中的“守恒规律” 原子核物理中，常提及核反应的“守恒规律”与“核能的计算”问题．事实上，在核反应过程中，由于核力对核子做功，会引起“核反应系统”(以下简称“系统”)的能量变化．我们就把系统释放或吸收的这部分能量，叫做核能．从而，核反应即可分为质量亏损、释放核能和质量增加、吸收核能两大类型．其中，又以研究发生质量亏损、释放核能的一类核反应为学习的重点． 欲解决核反应中有关“守恒规律”与“核能的计算”问题，可利用以下几条“依据”： 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＝N012tT. (2)剩余质量：m＝m012tT. 如图31所示，有界匀强磁场磁感应强度为B＝0.05 T，磁场方向垂直于纸面 4
向里，MN是磁场的左边界，在磁场中A处放一个放射源，内装226 88Ra(镭)，226 88Ra放出某种放射线后衰变成222 86Rn(氡)．试写出226 88Ra衰变的方程．若A距磁场的左边界MN的距离OA＝1.0 m时，放在MN左侧的粒子接收器收到垂直于边界MN方向射出的质量较小的粒子，此时接收器距过OA的直线1.0 m，则此时可以推断出一静止镭核226 88Ra衰变时放出的能量是多少？(保留两位有效数字，取1 u＝1.6×10－27 kg，电子电量e＝1.6×10－19 C)
图31 【解析】 226 88Ra→222 86Rn＋42He. 镭衰变放出α粒子和氡核，在磁场中做匀速圆周运动，α粒子垂直于MN边界射出被接收器接收，α粒子在磁场中的轨迹为1/4圆周，得圆半径为R＝1.0 m α粒子的动量mαv＝qBR＝1.6×10－20 kg·m/s
α粒子的动能为E1＝12mαv2＝p22mα＝2.0×10－14 J 衰变过程中动量守恒，有mαv＝MRnv1 氡核反冲的动能为E2＝12MRnv21＝mαE1MRn 衰变过程释放出的能量为 E1＋E2＝1＋mαMRnE1≈2.04×10－14 J.
【答案】 226 88Ra→222 86Rn＋42He 2.04×10－14 J
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：,核反应过程中只有内力作用，故动量守恒.,反应前后总能量守恒.,常见的反应类型：反应前总动能＋反应过程中释放的核能＝反应后总动能. 5
1.(2016·全国甲卷)在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________．(填正确答案标号)
A.14 6C→14 7N＋0-1e B.3215P→3216S＋0-1e C.238 92U→234 90Th＋42He D.14 7N＋42He→17 8O＋11H E.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210n F.31H＋21H→42He＋10n 【解析】 α衰变是一种元素衰变成另一种元素过程中释放出α粒子的现象，选项C为α衰变；β衰变为衰变过程中释放出β粒子的现象，选项A、B均为β衰变；重核裂变是质量较大的核变成质量较小的核的过程，选项E是常见的一种裂变；聚变是两个较轻的核聚合成质量较大的核的过程，选项F是典型的核聚变过程． 【答案】 C AB E F 2．(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 【解析】 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mpvp＝mSivSi，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． 【答案】 ABE 3．(2016·南昌一中检测)如图32所示，国际原子能机构2007年2月15日公布核辐射警示新标志，新标志为黑框红底三角，内有一个辐射波标记、一个骷髅头标记和一个逃跑的人形．核辐射会向外释放三种射线：α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电．现 6
有甲、乙两个原子核原来都静止在同一匀强磁场中，其中一个核放出一个α粒子，另一个核放出一个β粒子，得出如图所示的四条径迹，则( )
图32 A．磁场的方向一定垂直于纸面向里 B．甲核放出的是α粒子，乙核放出的是β粒子 C．a为α粒子的径迹 D．b为α粒子的径迹 E．c为β粒子的径迹 【解析】 衰变过程中满足动量守恒，释放粒子与新核的动量大小相等、方向相反，根据带电粒子在磁场中的运动不难分析：若轨迹为外切圆，则为α衰变；若轨迹为内切圆，则为β衰变．又因为R＝mv/qB知半径与电荷量成反比，可知答案为B、D、E项． 【答案】 BDE 4．(2016·太原一中检测)一个电子(质量为m，电荷量为－e)和一个正电子(质量为m，电荷量为e)，以相等的初动能Ek相向运动，并撞到一起，发生“湮灭”，产生两个频率相同的光子，设产生光子的频率为ν；若这两个光子的能量都是hν，动量分别为p和p′，则hν＝________；p________－p′(选填“＞”“＜”或“＝”). 【导学号：11010056】 【解析】 能量守恒和动量守恒为普适定律，故以相等动能相向运动发生碰撞而湮灭的正负电子总能量为：2Ek＋2mc2，化为两个光子后，总动量守恒且为零，故p＝－p′，且2Ek
＋2mc2＝2hν，即hν＝Ek＋mc2.
【答案】 mc2＋Ek ＝ 5．(2016·衡水一中检测)铀238的半衰期是4.5×109年，假设一块矿石中含有2 kg铀238，求： (1)经过45亿年后还剩下多少铀238；假设发生衰变的铀238均变成了铅206，则此矿石中含有多少铅； (2)若测出某块矿石中的铀、铅含量比为119∶309，求此矿石的年龄．
【解析】 (1)45亿年即4.5×109年，由m＝m012tT知剩余的铀238质量为m＝2×12tT kg＝1 kg；在此45亿年中将有1 kg铀238发生衰变并获得了铅206，故有m′＝206238(m0－m)．