第2講放射性元素的衰變核能 1 知識點1原子核的組成 放射性放射性同位素射線的危害和防護 1 天然放射現(xiàn)象元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象 首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn) 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 說明 具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 2 放射性和放射性元素物質(zhì)發(fā)射某種看不見的射線的性質(zhì)叫 具有放射性的元素叫 元素 原子核 放射性 放射性 3 三種射線放射性元素放射出的射線共有三種 分別是 射線 射線 4 三種射線的比較 射線 高速電子流 2e c 不偏轉(zhuǎn) 最強 很弱 5 原子核的組成 1 原子核由 和 組成 和 統(tǒng)稱為核子 帶正電 不帶電 2 基本關(guān)系 核電荷數(shù) 質(zhì)子數(shù) Z 元素的原子序數(shù) 質(zhì)量數(shù) A 質(zhì)子數(shù) 中子數(shù) 3 X元素的原子核的符號為其中A表示 Z表示核電荷數(shù) 質(zhì)子 中子 質(zhì)子 中子 質(zhì)子 中子 核外電子數(shù) 核子數(shù) 質(zhì)量數(shù) 6 放射性同位素的應(yīng)用與防護 1 放射性同位素 有 放射性同位素和 放射性同位素兩類 放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同 2 應(yīng)用 消除靜電 工業(yè)探傷 作 等 3 防護 防止放射性對人體組織的傷害 天然 人工 示蹤原子 知識點2原子核的衰變 半衰期 1 原子核的衰變 1 原子核放出 粒子或 粒子 變成另一種 的變化稱為原子核的衰變 2 分類 衰變 衰變 衰變 當(dāng)放射性物質(zhì)連續(xù)發(fā)生衰變時 原子核中有的發(fā)生 衰變 有的發(fā)生 衰變 同時伴隨著 輻射 原子核 3 兩個重要的衰變 2 半衰期 1 定義 放射性元素的原子核有 發(fā)生衰變所需的時間 2 影響因素 放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部因素決定的 跟原子所處的物理狀態(tài) 如溫度 壓強 或化學(xué)狀態(tài) 如單質(zhì) 化合物 無關(guān) 半數(shù) 知識點3核力結(jié)合能 質(zhì)量虧損 1 核力 1 定義 原子核內(nèi)部 核子間所特有的相互作用力 2 特點 核力是強相互作用的一種表現(xiàn) 核力是短程力 作用范圍在1 5 10 15m之內(nèi) 每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用 2 結(jié)合能核子結(jié)合為原子核時 的能量或原子核分解為核子時 的能量 叫做原子核的結(jié)合能 亦稱核能 釋放 吸收 3 比結(jié)合能 1 定義 原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比 稱做比結(jié)合能 也叫平均結(jié)合能 2 特點 不同原子核的比結(jié)合能不同 原子核的比結(jié)合能越大 表示原子核中核子結(jié)合得越牢固 原子核越穩(wěn)定 4 質(zhì)能方程 質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程E 原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小 m 這就是質(zhì)量虧損 由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能 E mc2 mc2 知識點4裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng) 裂變反應(yīng)堆核反應(yīng)方程 1 重核裂變 1 定義 質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過程 2 特點 裂變過程中能夠放出巨大的能量 裂變的同時能夠放出2 3 或更多 個中子 裂變的產(chǎn)物不是唯一的 對于鈾核裂變有二分裂 三分裂和四分裂形式 但三分裂和四分裂概率比較小 3 典型的裂變反應(yīng)方程 4 鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 由重核裂變產(chǎn)生的 使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程 5 臨界體積和臨界質(zhì)量 裂變物質(zhì)能夠發(fā)生 的最小體積及其相應(yīng)的質(zhì)量 6 裂變的應(yīng)用 核反應(yīng)堆 7 反應(yīng)堆構(gòu)造 核燃料 減速劑 防護層 中子 鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 原子彈 鎘棒 2 輕核聚變 1 定義 兩輕核結(jié)合成 的核的反應(yīng)過程 輕核聚變反應(yīng)必須在高溫下進行 因此又叫 2 特點 聚變過程放出大量的能量 平均每個核子放出的能量 比裂變反應(yīng)中每個核子放出的能量大3至4倍 聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)更劇烈 質(zhì)量較大 熱核反應(yīng) 對環(huán)境污染較少 自然界中聚變反應(yīng)原料豐富 3 典型的聚變反應(yīng)方程 3 核反應(yīng)的四種類型 思考辨析 1 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了原子核還可再分 2 射線是光子流 3 原子核是由質(zhì)子和電子組成的 4 人造放射性同位素被廣泛地應(yīng)用 5 發(fā)生 衰變時 新核的核電荷數(shù)不變 6 核力是弱相互作用 作用力很小 分析 天然放射現(xiàn)象表明原子核并非絕對穩(wěn)定 也可以變化 即原子核是有結(jié)構(gòu)的 1 對 射線本質(zhì)是高速運動的電子流 2 錯 原子核是由質(zhì)子和中子組成的 3 錯 與天然放射性物質(zhì)相比 人造放射性同位素的放射強度容易控制 還可以制成各種所需的形狀 它的半衰期比天然放射性物質(zhì)短得多 廢料易處理 所以被廣泛地應(yīng)用 4 對 發(fā)生 衰變時 新核的核電荷數(shù)增加1 5 錯 核力是強相互作用的一種表現(xiàn) 它的作用范圍在1 5 10 15m之內(nèi) 核力比庫侖力大得多 6 錯 考點1原子核的衰變半衰期 考點解讀 1 衰變 衰變的比較 深化理解 2 半衰期 1 半衰期的計算根據(jù)半衰期的概念 可總結(jié)出公式 式中N原 m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量 N余 m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量 t表示衰變時間 表示半衰期 2 半衰期的理解 半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量 同一放射性元素具有的衰變速率一定 不同的放射性元素半衰期不同 有的差別很大 3 適用條件 半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律 是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié) 對于一個特定的原子核 無法確定何時發(fā)生衰變 典例透析1 釷 經(jīng)過一系列 衰變和 衰變 變成 鉛 以下說法不正確的是 A 鉛核比釷核少8個質(zhì)子B 鉛核比釷核少16個中子C 共經(jīng)過4次 衰變和6次 衰變D 共經(jīng)過6次 衰變和4次 衰變 解題探究 衰變滿足的兩個守恒規(guī)律 1 2 電荷數(shù)守恒 質(zhì)量數(shù)守恒 解析 選C 設(shè) 衰變次數(shù)為x 衰變次數(shù)為y 由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得232 208 4x 90 82 2x y 解得x 6 y 4 C錯D對 鉛核 釷核的質(zhì)子數(shù)分別為82 90 故A對 鉛核 釷核的中子數(shù)分別為126 142 故B對 總結(jié)提升 衰變次數(shù)的確定方法方法一 確定衰變次數(shù)的方法是依據(jù)兩個守恒規(guī)律 設(shè)放射性元素經(jīng)過n次 衰變和m次 衰變后 變成穩(wěn)定的新元素則表示該核反應(yīng)的方程為 根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程A A 4nZ Z 2n m由以上兩式聯(lián)立解得由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為求解一個二元一次方程組 方法二 因為 衰變對質(zhì)量數(shù)無影響 可先由質(zhì)量數(shù)的改變確定 衰變的次數(shù) 然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定 衰變的次數(shù) 變式訓(xùn)練 2013 上海高考 在一個原子核衰變?yōu)橐粋€原子核的過程中 發(fā)生 衰變的次數(shù)為 A 6次B 10次C 22次D 32次 解析 選A 一個原子核衰變?yōu)橐粋€原子核的過程中 發(fā)生 衰變的次數(shù)為 238 206 4 8次 發(fā)生 衰變的次數(shù)為2 8 92 82 6次 選項A正確 考點2核反應(yīng)類型與核反應(yīng)方程 考點解讀 1 核反應(yīng)的四種類型 衰變 人工轉(zhuǎn)變 裂變和聚變 2 核反應(yīng)過程一般都是不可逆的 所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭連接并表示反應(yīng)方向 不能用等號連接 3 核反應(yīng)的生成物一定要以實驗為基礎(chǔ) 不能憑空只依據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程 深化理解 4 核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒 核反應(yīng)過程中反應(yīng)前后的總質(zhì)量一般會發(fā)生變化 5 核反應(yīng)遵循電荷數(shù)守恒 典例透析2 關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型 下列表述正確的有 A 是 衰變B 是 衰變C 是人工轉(zhuǎn)變D 是重核裂變 解題探究 核反應(yīng)的四種類型的特點是 1 衰變 2 人工轉(zhuǎn)變 3 重核裂變 4 輕核聚變 一個原子核自發(fā)放出 粒子或 粒子 變成另一 種原子核 原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核 重核在中子的轟擊下分裂成兩個中等質(zhì)量核 的過程 兩個輕核聚合成質(zhì)量較大的核的過程 解析 選A 衰變是原子核自發(fā)地放出 或 粒子的核反應(yīng) 衰變方程的特點是箭頭的左邊只有一個原子核 箭頭的右邊出現(xiàn) 或 粒子 聚變反應(yīng)的特點是箭頭的左邊是兩個輕核 箭頭的右邊是較大質(zhì)量的原子核 裂變方程的特點是箭頭的左邊是重核與中子反應(yīng) 箭頭右邊是中等質(zhì)量的原子核 人工轉(zhuǎn)變方程的特點是箭頭的左邊是氦核與常見元素的原子核 箭頭的右邊也是常見元素的原子核 綜上所述 A正確 總結(jié)提升 核反應(yīng)方程的書寫方法 1 熟記常見基本粒子的符號是正確書寫核反應(yīng)方程的基礎(chǔ) 如質(zhì)子 中子 粒子 粒子 正電子 氘核 氚核 等 2 掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù) 所以要理解并應(yīng)用好質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律 3 熟悉核反應(yīng)的四種基本類型 可以幫助我們理清思路 很快寫出正確的核反應(yīng)方程 變式訓(xùn)練 2014 廈門模擬 放射性衰變有多種途徑 其中一種途徑是先衰變成而可以經(jīng)一次衰變變成 X代表某種元素 也可以經(jīng)一次衰變變成最后都衰變成衰變路徑如圖所示 則可知圖中 A 過程 是 衰變 過程 是 衰變 過程 是 衰變 過程 是 衰變B 過程 是 衰變 過程 是 衰變 過程 是 衰變 過程 是 衰變C 過程 是 衰變 過程 是 衰變 過程 是 衰變 過程 是 衰變D 過程 是 衰變 過程 是 衰變 過程 是 衰變 過程 是 衰變 解析 選A 過程 質(zhì)量數(shù)不變 是 衰變 a 84 過程 質(zhì)量數(shù)減少4 核電荷數(shù)減少2 是 衰變 過程 核電荷數(shù)減少2 是 衰變 b 206 過程 是 衰變 故選A 1 14C測年法是利用14C衰變規(guī)律對古生物進行年代測定的方法 若以橫坐標(biāo)t表示時間 縱坐標(biāo)m表示任意時刻14C的質(zhì)量 m0為t 0時14C的質(zhì)量 下面四幅圖中能正確反映14C衰變規(guī)律的是 解析 選C 由公式m m0 并結(jié)合數(shù)學(xué)知識可知C正確 2 2012 海南高考改編 一靜止的核經(jīng) 衰變成為核 釋放出的總動能為4 27MeV 問此衰變后核的動能為 A 4 0MeVB 0 27MeVC 0 07MeVD 4 2MeV 解析 選C 據(jù)題意知 此 衰變的衰變方程為根據(jù)動量守恒定律得m v mThvTh 式中 m 和mTh分別為 粒子和Th核的質(zhì)量 v 和vTh分別為 粒子和Th核的速度的大小 由題設(shè)條件知 式中Ek 4 27MeV是 粒子與Th核的總動能 由 式得 代入數(shù)據(jù)得 衰變后核的動能 3 2013 大綱版全國卷 放射性元素經(jīng) 衰變成為釙半衰期約為3 8天 但勘測表明 經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代后 目前地殼中仍存在天然的含有放射性元素的礦石 其原因是 A 目前地殼中的主要來自于其他放射性元素的衰變B 在地球形成的初期 地殼中元素的含量足夠高C 當(dāng)衰變產(chǎn)物積累到一定量以后 的增加會減慢的衰變進程D 主要存在于地球深處的礦石中 溫度和壓力改變了它的半衰期 解析 選A 元素半衰期的長短由原子核自身因素決定 一般與原子所處的物理 化學(xué)狀態(tài)以及周圍環(huán)境 溫度無關(guān) C D錯 即使元素氡的含量足夠高 經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代 地殼中也幾乎沒有氡了 一定是來自于其他放射性元素的衰變 故A對 B錯 4 天然放射性元素放出的三種射線的穿透能力實驗結(jié)果如圖所示 由此可推知 A 來自于原子核外的電子B 的電離作用最強 是一種電磁波C 的電離作用較強 是一種電磁波D 的電離作用最弱 屬于原子核內(nèi)釋放的光子 解析 選D 從穿透能力上看 能穿透鋁板進入鉛板 必然是 射線 射線是原子核內(nèi)發(fā)出的高頻光子 屬于電磁波 電離作用弱 故D正確 C錯誤 能穿透紙板進入鋁板 必然是 射線 是原子核內(nèi)發(fā)射出的電子流 A錯誤 紙板能夠擋住 則 是 射線 它的電離作用最強 但它是氦原子核 不是電磁波 B錯誤 5 2012 上海高考 在軋制鋼板時需要動態(tài)地監(jiān)測鋼板厚度 其檢測裝置由放射源 探測器等構(gòu)成 如圖所示 該裝置中探測器接收到的是 A X射線B 射線C 射線D 射線 解析 選D 放射源發(fā)出的只有 三種射線 故選項A錯誤 在 三種射線中 只有 射線能穿透鋼板 故選項B C錯誤 D正確 6 某放射性元素經(jīng)過11 4天有的原子核發(fā)生了衰變 該元素的半衰期為 A 11 4天B 7 6天C 5 7天D 3 8天 解析 選D 由可知可知 3 8天 選項D正確 7 若干放在天平左盤上 右盤放420g砝碼 天平平衡 當(dāng)Bi發(fā)生 衰變經(jīng)過一個半衰期 欲使天平平衡 應(yīng)從右盤中取出砝碼的質(zhì)量為 A 210gB 105gC 4gD 2g 解析 選C 原有的2mol經(jīng)過一個半衰期后 有1mol鉍發(fā)生衰變生成1mol新的原子核這種新元素的摩爾質(zhì)量為206g 此時左盤中還有210g未發(fā)生衰變的 所以左盤中的總質(zhì)量為416g 應(yīng)從右盤取走砝碼4g 8 2013 海南高考改編 原子核具有天然放射性 它經(jīng)過若干次 衰變和 衰變后會變成新的原子核 下列原子核中 哪種是衰變過程中不能產(chǎn)生的 它是 解析 選B 發(fā)生1次 衰變時核子的質(zhì)量數(shù)減4 電荷數(shù)減2 發(fā)生1次 衰變時 質(zhì)量數(shù)不變 電荷數(shù)加1 先從質(zhì)量數(shù)的變化分析 易得選項B是不能產(chǎn)生的 9 目前 在居室裝修中經(jīng)常用到花崗巖 大理石等裝飾材料 這些巖石都不同程度地含有放射性元素 下列有關(guān)放射性知識的說法中正確的是 A 射線與 射線一樣是電磁波 但穿透本領(lǐng)遠(yuǎn)比 射線弱B 氡的半衰期為3 8天 4個氡原子核經(jīng)過7 6天后就一定只剩下1個氡原子核C 衰變成要經(jīng)過8次 衰變和8次 衰變D 放射性元素發(fā)生 衰變時所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時產(chǎn)生的 解析 選D 射線是高速電子流 不是電磁波 其穿透本領(lǐng)也沒有 射線強 選項A錯誤 半衰期只具有統(tǒng)計意義 對少數(shù)粒子不適用 選項B錯誤 根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒有238 206 4x 92 82 2x y 可解得x 8 y 6 所以要經(jīng)過8次 衰變和6次 衰變 選項C錯誤 放射性元素發(fā)生 衰變時所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時產(chǎn)生的 選項D正確 10 2013 新課標(biāo)全國卷 改編 關(guān)于原子核的結(jié)合能 下列說法錯誤的是 A 原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B 一重原子核衰變成 粒子和另一原子核 衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能C 銫原子核的結(jié)合能小于鉛原子核的結(jié)合能D 比結(jié)合能越大 原子核越不穩(wěn)定 解析 選D 結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量 選項A正確 一重原子核衰變成 粒子和另一原子核 存在質(zhì)量虧損 核子比結(jié)合能增大 衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能 選項B正確 核子數(shù)越多 結(jié)合能越大 選項C正確 比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能 比結(jié)合能越大 分開核子所需的能量越大 原子核越穩(wěn)定 選項D錯誤