第 2課時(shí)原子核 基礎(chǔ)知識(shí)歸納1.天然放射現(xiàn)象(1)天然放射現(xiàn)象：某些物質(zhì)能自發(fā)發(fā)射出人眼看不見(jiàn)但能使照相底片感光的射線，物質(zhì)發(fā)射這種射線的性質(zhì)叫做放射性.天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，揭示了原子核也具有復(fù)雜結(jié)構(gòu).(2)半衰期放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間叫半衰期.半衰期與放射性元素的多少及物理、化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)，只由核內(nèi)部的因素決定，不同的元素有不同的半衰期.三種射線的本質(zhì)和特性名稱實(shí)質(zhì)射出速度電離作用穿透本領(lǐng)云室中徑跡射線高速氦核流較強(qiáng)小紙片即可擋住直而粗射線高速電子流較弱較強(qiáng)(穿透幾毫米厚的鋁板)細(xì)而彎曲射線高能光子流c更小強(qiáng)(穿透幾厘米厚的鉛板)一般看不到(3)放射性同位素的利用主要有兩個(gè)途徑：一是利用它的射線，二是作為示蹤原子.過(guò)量的放射線會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人類和自然界產(chǎn)生破壞作用.為了防止一些人工合成的放射性物質(zhì)和天然的放射性物質(zhì)對(duì)環(huán)境造成的污染，人們需要采取有效措施.2.原子核的變化(1)衰變：衰變：原子核放出粒子.其衰變規(guī)律：衰變：原子核放出粒子.其衰變規(guī)律：衰變：衰變或衰變時(shí)形成的新核不穩(wěn)定，釋放出光子.(2)人工核轉(zhuǎn)變： (發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng))(人工制造放射性同位素)(3)重核的裂變：在一定條件下(超過(guò)臨界體積)，裂變反應(yīng)會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng).鈾235核能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積.核反應(yīng)堆的構(gòu)造：A.核燃料用鈾棒(含U,3%4%的濃縮鈾).B.減速劑用石墨、重水或普通水(U只吸收慢中子).C.控制棒用鎘做成(鎘吸收中子的能力很強(qiáng)).D.冷卻劑用水或液態(tài)鈉(把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳遞出去).(4)輕核的聚變：HHHen(需要幾百萬(wàn)度高溫，所以又叫熱核反應(yīng))3.核能及其運(yùn)用(1)核力：原子核的半徑很小，其中的質(zhì)子之間的庫(kù)侖力很大，受到這么大的庫(kù)侖斥力卻能是穩(wěn)定狀態(tài)，一定還有另外一種力把各核子緊緊地拉在一起，這種力叫做核力.核力是很強(qiáng)的力.核力作用范圍小，只在2.0×1015 m短距離內(nèi)起作用.每個(gè)核子只跟它相鄰的核子間才有核力作用.(2)核能結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時(shí)放出一定的能量，原子核分解成核子時(shí)吸收一定能量，這種能量叫結(jié)合能.質(zhì)量虧損：核子結(jié)合生成原子核，所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損.也可以認(rèn)為在核反應(yīng)中，參加核反應(yīng)的總質(zhì)量m和核反應(yīng)后生成的核總質(zhì)量m之差：mmm.愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：愛(ài)因斯坦的相對(duì)論指出：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們的關(guān)系是：Emc2，這就是愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程.質(zhì)能方程的另一個(gè)表達(dá)形式是：Emc2.4.粒子物理學(xué)到19世紀(jì)末，人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成.20世紀(jì)30年代以來(lái)，人們認(rèn)識(shí)了正電子、子、K介子、介子等粒子.后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了各種粒子的反粒子(質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反).現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種，形成了粒子物理學(xué).按照粒子物理理論，可以將粒子分成三大類：媒介子、輕子和強(qiáng)子，其中強(qiáng)子是由更基本的粒子夸克組成.從目前的觀點(diǎn)看，媒介子、輕子和夸克是沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)狀”粒子.用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化.重點(diǎn)難點(diǎn)突破一、半衰期由什么決定，如何計(jì)算1.半衰期是研究衰變過(guò)程的一個(gè)重要概念.放射性元素的衰變規(guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只適用于含有大量原子的樣品，半衰期表示放射性元素的大量原子核有50%發(fā)生衰變所需要的時(shí)間，表示大量原子核衰變的快慢，對(duì)某一個(gè)原子核而言，半衰期是無(wú)意義的，因此這個(gè)核何時(shí)發(fā)生衰變，會(huì)受到各種偶然因素的影響.同樣地，當(dāng)樣品中原子數(shù)目減少到統(tǒng)計(jì)規(guī)律不再起作用的時(shí)候，也就不能肯定在某一時(shí)間里這些原子核會(huì)有多少發(fā)生衰變了，所以不能根據(jù)半衰期來(lái)推斷放射性元素的樣品全部衰變完所需的時(shí)間.2.決定因素：由原子核本身決定，與外部的物理?xiàng)l件、化學(xué)變化等因素?zé)o關(guān).3.公式：N余N原()M余M原()式中N原、M原分別表示衰變前放射性元素的原子核個(gè)數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時(shí)間，T表示半衰期.二、如何推斷核衰變的次數(shù)兩種衰變規(guī)律為XYHe，XYe.由此可知，衰變時(shí)其質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)都改變，衰變時(shí)只改變核電荷數(shù)，不改變質(zhì)量數(shù).所以在判斷發(fā)生幾次和衰變的問(wèn)題時(shí)，必須先由質(zhì)量數(shù)的變化來(lái)確定衰變的次數(shù).三、怎樣正確寫出核反應(yīng)方程解決這類問(wèn)題的方法：一是要掌握核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律；二是要熟悉和掌握教材中出現(xiàn)的重要核反應(yīng)方程式，并知道其意義；三是要熟記常見(jiàn)的基本粒子的符號(hào)，如質(zhì)子、中子、粒子、粒子、正電子、氘核、氚核等.另外，還要注意在寫核反應(yīng)方程時(shí)，不能無(wú)中生有，必須是確實(shí)存在、有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的核反應(yīng).另外，核反應(yīng)通常是不可逆的，方程中只能用箭頭“”連接并指示反應(yīng)方向，而不是用“”連接.四、三種射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)有何特點(diǎn)三種射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)有以下特點(diǎn)：1.不論在電場(chǎng)還是磁場(chǎng)中，射線總是做勻速直線運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生偏轉(zhuǎn).2.在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，和粒子沿相反方向做類平拋運(yùn)動(dòng)，且在同樣的條件下，粒子的偏移大.如圖所示，粒子在電場(chǎng)力方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，位移x可表示為xat2()2.典例精析1.、三種射線的性質(zhì)【例1】如圖所示，x為未知放射性源，L為一薄鋁片，N、S可以提供強(qiáng)磁場(chǎng).當(dāng)將強(qiáng)磁場(chǎng)移走時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率不變，然后鋁片移開，則計(jì)數(shù)率大幅度上升，這些現(xiàn)象說(shuō)明放射源是()A.純粒子放射源B.純光子放射源C.粒子和粒子混合放射源D.粒子和光子混合放射源【解析】鋁片L已將射線擋住，故通過(guò)L的可能是射線和射線.當(dāng)將強(qiáng)磁場(chǎng)移開時(shí)，由于不受強(qiáng)磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)作用，若含有射線，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率增大，題意為不變，說(shuō)明放射源中不含射線.將鋁片移開，計(jì)數(shù)率大幅度上升，說(shuō)明放射源中含粒子.【答案】D【思維提升】根據(jù)三種射線的不同特性進(jìn)行判斷.【拓展1】一天然放射性物質(zhì)射出三種射線，經(jīng)過(guò)一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)共存的區(qū)域(方向如圖所示)，調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小，使得在MN上只有兩個(gè)點(diǎn)受到射線照射，下面的哪種判斷是正確的(已知粒子比粒子速度小)( C ) A.射到b點(diǎn)的一定是射線B.射到b點(diǎn)的一定是射線C.射到b點(diǎn)的一定是射線或射線D.射到b點(diǎn)的一定是射線【解析】射線不帶電，在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中它都不受場(chǎng)的作用，只能射到a點(diǎn)，因此D選項(xiàng)不對(duì).調(diào)整E和B的大小，即可以使帶正電的射線沿直線前進(jìn)，也可以使帶負(fù)電的射線沿直線前進(jìn).沿直線前進(jìn)的條件是電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡，即qEqBv已知粒子比粒子的速度小得多，當(dāng)我們調(diào)節(jié)使粒子沿直線前進(jìn)時(shí)，速度大的粒子向右偏轉(zhuǎn)，有可能射到b點(diǎn)，當(dāng)我們調(diào)節(jié)使粒子沿直線前進(jìn)時(shí)，速度較小的粒子也將會(huì)向右偏，也可能射到b點(diǎn)，因此C選項(xiàng)正確，而A、B選項(xiàng)都不對(duì).2.半衰期【例2】(1)關(guān)于放射性元素的半衰期，下列說(shuō)法正確的是()A.是原子核質(zhì)量減少一半所需的時(shí)間B.是原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間C.把放射性元素放在密封的容器中，可以減慢放射性元素的半衰期D.可以用來(lái)測(cè)定地質(zhì)年代、生物年代等(2)設(shè)鐳226的半衰期為1.6×103年，質(zhì)量為100 g的鐳226經(jīng)過(guò)4.8×103年后，有多少克鐳發(fā)生衰變？若衰變后的鐳、變?yōu)殂U206，則此時(shí)鐳、鉛質(zhì)量之比為多少？【解析】(2)經(jīng)過(guò)三個(gè)半衰期，剩余鐳的質(zhì)量為M余M原()100× g12.5 g已衰變的鐳的質(zhì)量為(10012.5) g87.5 g設(shè)生成鉛的質(zhì)量為m，則22620687.5m得m79.8 g所以鐳、鉛質(zhì)量之比為125798【答案】(1)BD(2)87.5 g；125798【思維提升】(1)半衰期是原子核有半數(shù)發(fā)生衰變，變成新核，并不是原子核的數(shù)量、質(zhì)量減少一半.(2)要理解半衰期公式中各物理量的含義.【拓展2】目前，在居家裝修中經(jīng)常用花崗巖、大理石等裝修材料，這些巖石都不同程度含有放射性元素，比如，有些含有鈾、釷的花崗石會(huì)釋放出放射性的惰性氣體氡，而氡會(huì)發(fā)生放射性衰變，放出、射線，這些射線會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生癌變及呼吸道等方面的疾病，根據(jù)有關(guān)放射性知識(shí)可知，下列說(shuō)法正確的是( B )A.氡的半衰期為3.8天，若取8個(gè)氡原子核，經(jīng)7.6天后一定剩下2個(gè)氡原子核B.衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子和電子所產(chǎn)生的C.射線一般伴隨著或射線產(chǎn)生，在這三種射線，射線的穿透能力最強(qiáng)，電離能力也最強(qiáng)D.發(fā)生衰變時(shí)，生成核與原來(lái)的原子核相比，中子數(shù)減少了42.質(zhì)量虧損與核能的計(jì)算【例3】已知氮核質(zhì)量mN14.007 53 u，氧核質(zhì)量m017.004 54 u，氦核質(zhì)量mHe4.003 87 u，質(zhì)子質(zhì)量mH1.008 15 u，試判斷核反應(yīng)：HHeOH是吸能反應(yīng)，還是放能反應(yīng)？能量變化多少？【解析】先計(jì)算出質(zhì)量虧損m，然后由1 u相當(dāng)于931.5 MeV能量代入計(jì)算即可.反應(yīng)前總質(zhì)量mNmHe18.011 40 u反應(yīng)后總質(zhì)量mOmH18.012 69 u因?yàn)榉磻?yīng)中質(zhì)量增加，所以此反應(yīng)為吸能反應(yīng)，所吸收能量為Emc2(18.012 6918.011 40)×931.5 MeV1.2 MeV【思維提升】(1)根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損m的數(shù)值乘以真空中光速的平方，即Emc2.(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5 MeV，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV，即Em×931.5 MeV.【拓展3】一個(gè)靜止的U(原子質(zhì)量為232.037 2 u)，放出一個(gè)粒子(原子質(zhì)量為4.002 60 u)后，衰變成Th(原子質(zhì)量為228.028 7 u).假設(shè)放出的核能完全變成Th核和粒子的動(dòng)能，試計(jì)算粒子的動(dòng)能.【解析】反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)量虧損mmU(mThm)0.005 9 u反應(yīng)中釋放的核能Em×931.5 MeV5.5 MeV在U核衰變過(guò)程中動(dòng)量守恒、能量守恒，則0mvmThvThEmvmThv解以上兩式得E(mv)2則粒子的動(dòng)能EmvE×5.5 MeV5.41 MeV