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高中物理 第四章 原子核 核能

物理美和妙 307

前言:

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知识梳理

一、原子核的组成

1.⑴卢瑟福用α射线实验发现了质子,并预言中子的存在;

⑵查德威克发现了中子

⑶汤姆生发现了电子

2.核子:组成原子核的中子和质子的统称。

一、天然放射现象

1.天然放射现象

⑴放射性与放射性元素: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.

⑵天然放射现象

原子序数大于82的元素都有放射性.天然放射性元素的种类很多,但它们在地球上的含量很少.原子序数小于83的元素,有的也具有放射性.

元素这种自发地放出射线的现象称为天然放射现象。

2.三种射线

⑴放射性物质放出的射线有三种:α射线、β射线、γ射线.

⑵三种射线的成分和性质

名称

构成

符号

电量

质量

电离能力

贯穿本领

α射线

氦核

+2e

4u

最强

最弱

β射线

电子

-e

0

较强

较强

γ射线

光子

γ

0

0

最弱

最强

二、衰变

1.原子核的衰变:放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新的原子核的变化.

2.两种衰变:α衰变、β衰变.

铀238(

)的α衰变

钍234(

)的β衰变

3.衰变规律:原子核衰变时电荷数和质量数都守恒.

4.实质:α衰变

β衰变

5.γ衰变

α衰变或β衰变后产生的新核往往处于高能级,不稳定,要向低能级跃迁.放出γ光子.

γ射线是伴随着α射线和β射线产生的.

放射性物质发生衰变时,有的发生α衰,有的发生β衰变,同时伴随γ射线.这时三种射线都有.

例:写出镭226、钋210的一次α衰变方程。铜66、磷32的一次β衰变方程。

α衰变、β衰变表示了原子核是可以变化的.每一种元素的衰变快慢一样吗?衰变快慢有什么规律?如何描述这一变化规律?

三、半衰期

1. 半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.符号T.

2. 半衰期反映了放射性元素衰变的速率.

每种放射性元素都有一定的半衰期.氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天,镭226衰变为氡222的半衰期为1620年,铀238衰变为钍234的半衰期为4.5×109年.

3. 放射性元素的半衰期的大小是由核内部本身的因素决定的,与它所处物理状态或化学状态无关.

四、人工转变:

(发现质子的核反应)(卢瑟福)用α粒子轰击氮核,并预言中子的存在

(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的α射线轰击铍

(人工制造放射性同位素)

正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)α粒子轰击铝箔

五、放射性同位素的应用

1. 利用其射线:α射线电离性强,用于使空气电离,将静电泄出,从而消除有害静电。γ射线贯穿性强,可用于金属探伤,也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变,可用于生物工程,基因工程。

2. 作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况,诊断甲状腺疾病的类型,研究生物大分子结构及其功能。

3. 进行考古研究。利用放射性同位素碳14,判定出土木质文物的产生年代。

一般都使用人工制造的放射性同位素(种类齐全,各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短,废料容易处理。可制成各种形状,强度容易控制)。

六、核力与结合能

(一) 核力及其性质

1.核力的定义:组成原子核的核子之间有很强的相互作用力,使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起,这种力称

2.核力有着完全不同于静电力和万有引力的一些性质.

(1)核力是一种强力,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1.5×10-15m之内,核力在大于0.8×10-15m时表现为吸引力,且随距离增大而减小,超过1.5×10-15m,核力急剧下降几乎消失;而在距离小于0.8×10-15m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。

(二) 重核与轻核

1.重核:排在元素周期表比较靠后的元素对应的原子核

2.轻核:排在元素周期表比较靠前的元素对应的原子核

3.轻核的质子数和中子数一般相等,比较稳定.但大多数重核中子数多于质子数,并且不稳定.排在 83 号以后的原子核都不稳定,它们能自动分解或衰变成更轻的原子核.

(三)结合能

1.结合能:由于核子之间存在着强大的核力,要把原子核拆成核子,需要克服核力做功,也就是说需要提供一定的能量.反过来,根据能量守恒,核子结合成原子核时,也会放出一定能量,我们把这个能量叫做结合能.结合能越大,将原子核拆散需要的能量越多,说明原子核越稳定.

2.平均结合能:原子核的结合能与其核子数之比,称为平均结合能.

平均结合能与原子核的稳定性

结合能并不是由于核子结合成原子核具有的能量,而是把核子分开所需要的能量.

(1)平均结合能的大小能够反映核的稳定程度,平均结合能越大,原子核越难拆开,表示该核越稳定.

(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,平均结合能比较小,中等核子数(如铁)的原子核,平均结合能较大.

(3)当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能比较大的原子核时,就释放核能.

六、核反应

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。

2. 原子核的人工转变

(1)1919年,卢瑟福发现质子核反应方程

(2)查德威克发现中子核反应方程

3. 核反应规律:

在核反应中,质量数和电荷数都守恒

居里夫妇发现正电子

七、质能方程

1.核反应伴随着能量变化

核反应中放出的能量称为核能。一个质子和一个中子结合成氘核,放出2.2Mev能量

2.质量亏损

组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差(或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差)叫质量亏损.

3.质能方程

爱因斯坦质能方程

质量亏损放出能量

结合成

核放出能量2.22Mev

4.原子质量单位u 1u=1.6606×10-27kg 相当于931.5Mev的能量

八、裂变

重核分裂成质量较小的核释放出核能的反应,称为裂变

铀核的裂变

1. 铀核裂变的一种典型反应

1939年12月,德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现,用中子轰击铀核时,铀核发生了裂变,铀核裂变的产物是多种多样的,其中一种典型的反应是

2. 裂变反应中的能量的计算

以上述典型反应为例:

裂变前的总质量

裂变后的质量

质量亏损

释放的能量

1kg铀235含有的铀原子核数为

1kg铀235完全反应释放的总能量为

九、聚变

l. 聚变反应

由轻原子核聚合成较重原子核的反应称聚变.

2.聚变反应的特点

聚变反应的特点主要有3个

⑴和裂变相比,聚变反应释放的能量更多。

例如,一个氘核和一个氚核发生聚变,其核反应方程是

根据已知的数据

氘核的质量:mD=2.014102u 氚核的质量:mT=3.016.050u

氦核的质量:mα=4.002603u 中子的质量:mn=1008665u

该反应释放能量为

平均每个核子放出的能量为3.3MeV

⑵聚变材料丰富

1L海水中大约有0.03g氘,如果发生聚变,放出的能量相当于燃烧300L汽油.

常见的聚变反应

在这两个反应中,前一反应的材料是氘,后一反应的材料是氘和氚,而氚又是前一反应的产物.所以氘是实现这两个反应的原始材料,而氘是重水的组成成分,在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的.

⑶安全、无污染。

聚变产物基本上是稳定氦核,没有放射性,不污染周围环境.而裂变产物一般都有放射性,容易引起环境污染.

可见,轻核的聚变是一种理想的解决能源问题的途径.那么,是不是任意的核聚在一起就释放能量呢?

不是.由爱因斯坦质能方程可知,只有在反应中出现质量亏损,即生成物的总质量小于反应物的总质量时,才能放出能量.

题型讲解

1. 放射性元素衰变时放出三种射线,按穿透能力由强到弱的排列顺序是( )

A.a射线,b射线,g射线 B.g射线,b射线,a射线,

C.g射线,a射线,b射线 D.b射线,a射线,g射线

2.放射性元素的原子核在a衰变或b衰变生成新原子核时,往往会同时伴随着___________辐射。已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2,t=T1·T2时间测得这两种放射性元素的质量相等,那么它们原来的质量之比mA:mB=_________。,

原子核

质量/u

1.0078

3.0160

4.0026

12.0000

13.0057

15.0001

下列判断正确的是(  )

A.X是

,Q2>Q1 B.X是

,Q2>Q1 C.X是

,Q2<Q1 D.X是

,Q2<Q1

参考答案

1. 【答案】B

2.【解析】放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时,往往以γ光子的形式释放能量,即伴随γ辐射;根据半衰期的定义,经过t=T1·T2时间后剩下的放射性元素的质量相同,则 ,故

3.【答案】①

 ②3

 ③

 C

点评:①原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核,叫做衰变;原子序数较大的重核分裂成原子序数较小的原子核,叫做重核裂变;原子序数很小的原子核聚合成原子序数较大的原子核,叫做轻核聚变.

②所有核反应都遵循质量数和电荷数守恒的规律,情况复杂时可列方程组求解.

4.【解析】核反应方程:

中的质量亏损为:

Δm1=1.0078 u+12.0000 u-13.0057 u=0.0021 u

根据电荷数守恒、质量数守恒可知:

其质量亏损为:Δm2=1.0078 u+15.0001 u-12.0000 u-4.0026 u=0.0053 u

根据爱因斯坦质能方程得:Q1=Δm1c2,Q2=Δm2c2

故Q1<Q2.

【答案】 B

点评:要注意u为质量单位,并不是能量单位,其中1 u=1.6606×10-27 kg,1 uc2=931.5 MeV.

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