著名机构高二物理寒假班讲义第5讲 原子核

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1、第5讲 原子核5.1天然放射现象知识点睛关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象，人们从破解天然放射现象入手，逐步揭开了原子核的秘密。1天然放射现象 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。2三种射线把放射源放入铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，称为细细的一束。在射线经过的空间施加磁场，发现射线分裂成三束，其中两束在磁场中向不同的方向偏转，说明它们是带电粒子流，另一束在磁场中不偏转，说明它不带电。人们把这三种射线分别叫做射线、射线、射线。射线：高速氦原子核流，带正电。射线：高速电子流，带负电。射线：波长很短的光

2、子流，不带电。种 类本质质量（u）电荷（e）速度（c）电离能力穿透能力射线氦核4+20.1较强较弱，一张纸能把它挡住射线电子1/18400.99中等中等，能穿透几毫米厚的铝板射线光子001较弱较强，能穿透几厘米厚的铅板例题精讲例题说明：例1考察如何区分三种射线，是对知识点的巩固；例2、例3考察三种射线的电离能力和穿透能力及其本质。【例1】如图，放射源放在铅块上的细孔中，铅块上方有匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向外。已知放射源放出的射线有、三种，下列判断正确的是A甲是射线，乙是射线，丙是射线B甲是射线，乙是射线，丙是射线C甲是射线，乙是射线，丙是射线D甲是射线，乙是射线，丙是射线【答案】 B【例2

3、】关于、三种射线，下列说法正确是A射线是原子核自发射出的氦核，它的穿透能力最强B射线是原子核外电子电离形成的电子流，它具有中等的穿透能力C射线一般伴随着或射线产生，它的穿透能力最强D射线是电磁波，它的穿透能力最弱【答案】 C【例3】天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知A来自于原子核外的电子B的电离作用最强，是一种电磁波C的电离作用较强，是一种电磁波D的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子【答案】 D5.2 放射性元素的衰变在古代，有一批人追求“点石成金”之术，当然最终他们都失败了，因为他们不知道一种元素变成另一种元素的根本在于原子核的变化。不过自然界中却进行着类似

4、“点石成金”的事，这就是伴随着天然放射现象发生的“衰变”。知识点睛1原子核的衰变原子核放出粒子或粒子，由于核电荷数变了，它就变成了另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。衰变：（规律：） （是铀）衰变：（规律：） （是钍）衰变：、衰变生成的新核通常处于较高能级，跃迁到低能级时辐射出的光子。大量事实表明，原子核衰变时，电荷数和质量数都守恒。放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如，氡222经过衰变变成钋218，如果隔一段时间测量一次剩余氡的数量就会发现，每过3.8天就有一半的氡发生了衰变。也就是说，经过第一个3.8天，剩有一半的氡；经过第二个3.8天，剩有1/4的氡2半衰期放射性元素的原子

5、核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期。 对于同一种放射性元素，半衰期是一个定值。 半衰期是对大量原子核的统计规律，不是少数原子核的行为。 半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件无关。3放射性同位素的应用 利用其射线：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。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。 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。 进行考古研究：利用放射性同位素碳14，判定出土文物的产生年代。例题精讲例题说明：例

6、4例7考察衰变、衰变的规律；例8综合考察衰变的规律、动量守恒、带电粒子在磁场中的运动，有一定综合性；例9考察放射性同位素衰变的规律，例10例12考察半衰期的计算。【例4】碘131核不稳定，会发生衰变，碘131核的衰变方程：_。（衰变后的元素用X表示）【答案】 （实际是，氙）【例5】原子核经放射性衰变变为原子，继而经放射性衰变变为原子核，再经放射性衰变变为原子核。放射性衰变、和依次为A衰变、衷变和衰变 B衰变、衰变和衰变 C衰变、衰变和衰变 D衰变、衰变和衰变【答案】 A【例6】某原子核内有核子个，其中包含质子个，当核经过一次衰变和一次衰变后，它自身变成一个新的原子核，可知这个新原子核内A有核子

7、个 B有核子个C有中子个 D有质子个【答案】 BD【例7】衰变为要经过次衰变和次衰变，则分别为A、 B、 C、 D、【答案】 B【例8】如图所示，一个静止的重原子核在垂直纸面向里的匀强磁场中进行衰变，且释放的粒子速度恰与磁场垂直，则下面四幅图中能正确反映粒子和衰变后生成的新核的运动轨迹的示意图是（箭头表示带电粒子的环绕方向）A图甲，小圆为粒子的轨迹B图乙，小圆为新核的轨迹C图丙，大圆为粒子的轨迹D图丁，大圆为新核的轨迹【答案】 C【例9】测年法是利用的衰变规律对古生物进行年代测定的一种方法。若以横轴表示时间，纵轴表示任意时刻的质量，为时的质量。下面四幅图中能正确反映衰变规律的是【答案】 C【例

8、10】放射性同位素可用来推算文物的“年龄”，的含量每减少一半要经过约5730年。某考古小组挖掘到一块动物骨骼，经测定还剩余，那么推测该动物生存年代距今约为A年 B年C年 D年【答案】 A【例11】是的同位素，被广泛应用于生物示踪技术。的随时间衰变的关系如图所示，那么的大约经过 天的衰变后还剩。【答案】 天（天都算对）【例12】两种放射性元素的样品和，当有的原子核发生衰变时，恰好有的原子核发生衰变。可知和的半衰期之比为A B C D【答案】 A5.3 人工核反应知识点睛衰变是原子核的自发变化，科学家更希望人工控制原子核的变化。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。与衰

9、变过程一样，在核反应中，电荷数和质量数都守恒。 重要的人工核反应第一次实现原子核的人工转变：（发现质子的核反应）第一次人工制造放射性同位素：发现中子的核反应：2核裂变与核聚变 重核的裂变 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： （是氪） 在一定条件下，由重核裂变产生的中子，再引起新的裂变，就能使核裂变反应不断地进行下去。这种由重核裂变产生的中子使核裂变一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。裂变物质的体积是链式反应能否进行的重要因素。只有当体积足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中新原子核，使链式反应进行下去。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做

10、它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。原子弹与核电站都是重核裂变的链式反应的重要应用。尤其是核电技术的应用，对我们的现代生活产生了重要的影响。有兴趣的同学可以阅读教材选修3-5第十九章的相关内容了解一下。*说明：为方便老师查阅，本讲最后附有教材中关于原子弹和核电站的介绍，学生版没有相关内容。老师也可以自己查阅其他书籍（例如新概念物理量子物理）了解更详细的原理。* 核聚变 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 典型的聚变反应： 要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。有一种办法是把它们加热到很高

11、的温度。当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生聚变。因此，聚变又叫热核反应。目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹。氢弹首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。实际上，热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。 聚变与裂变相比有很多优点。第一，轻核聚变产能效率高；第二，地球上聚变燃料的储量丰富；第三，轻核聚变更为安全清洁。实现受控核聚变的难点是，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。有兴趣的同学可以查阅相

12、关资料，了解有关内容。例题精讲例题说明：例13、例14考察核聚变、核裂变等概念；例15例17考察核反应方程的规律【例13】下面关于原子核的裂变和聚变的说法正确的是A铀235裂变后的生成物是多种多样的B目前人类利用核能发电是利用重核裂变放出的能量来发电的C要使轻原子核发生聚变，必须使它们间的距离至少接近到D太阳发出的光和热主要来自原子核的聚变反应【答案】 ABD【例14】下列说法正确的是A是衰变B是核聚变反应C是核裂变反应D是原子核的人工转变【答案】 BD【例15】在下列四个核反应方程中，表示质子的是A BC D【答案】 C【例16】在下列四个核反应方程中，、和各代表某种粒子。以下判断中正确的是

13、A是中子 B是质子 C是粒子 D是氘核【答案】 AC （是氙，是锶，是钍）【例17】原子核聚变可给人类未来提供丰富的洁净能源。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，放出能量。这几种反应的总效果可以表示为，由守恒条件可知A， B，C， D，【答案】 B5.4 质量亏损知识点睛相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能。最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价失去了一些能量。如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。1结合能上述过程是用宏观物体做的例子。原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开

14、，也需要能量，这就是原子的结合能。显然，组成原子核的核子越多，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比，称为比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。中等质量的核比结合能较大，原子核较稳定，因此，重核的裂变、轻核的聚变都是放能反应。2质量亏损原子核的结合能很难直接测量，爱因斯坦已经给我们指出了物体的能量和它的质量之间的关系，即。实验表明，原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损。我们可以通过来计算质量亏损过程中释放出的能量。碳原子质量的叫做原子质量单位，用表示。例题精讲例题说明：质量亏损部分的知识相对单一，因此所选的三道题

15、目均是判断质量亏损的内容，其中例20涉及数值计算【例18】质子的质量为，中子的质量为，氦核的质量为，下列关系式正确的是A BC D以上关系式都不正确 【答案】 B【例19】某核反应方程为。已知的质量为，的质量为，的质量为，的质量为，则下列说法正确的是A是质子，该反应释放能量B是中子，该反应释放能量C是质子，该反应吸收能量 D是中子，该反应吸收能量【答案】 B【例20】钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态和粒子，而铀核激发态会立即衰变为铀核，并放出能量为的光子。已知、和粒子的质量分别为、和，其中。 写出衰变方程； 若核反应释放出的能量除了释放出光子外，其余全部转化为新核的动能，求衰变后生成粒子

16、的动能。（忽略光子的动量）【解析】 ，；或者，。 衰变过程中放出的能量这个能量将转化为的动能、粒子的动能和光子的能量。所以，由动量守恒可知，衰变后两新核的动量大小相等、方向相反。因此，。所以。【答案】 见解析*补充2道题，老师可以酌情【演练1】同位素辐射线半衰期钋210138天锝996小时钴605年锶9028年治疗肿瘤的放射源发出的射线必须满足两个条件：放射线具有较强的穿透力，以辐射到体内的肿瘤处；在较长时间内具有相对稳定的辐射强度。表中给出的四种放射性同位素，根据上述两个条件，适合用于治疗肿瘤的放射源是A钋210 B锝99 C钴60 D锶90【答案】 C【演练2】下列说法不正确的是A是聚变B

17、是裂变C是衰变D是裂变【答案】 D （是氙，是锶，是镭，是氡）*附录：教材中有关原子弹与核电站的介绍1.原子弹原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。原子弹的燃料是U或Pu。在天然铀中只有的U，剩下的是不易裂变的U。为得到高浓度的U，就必须进行同位素分离，形成U含量较高的浓缩铀。Pu在自然界并不存在，人们利用核反应堆中产生的中子打击U，生成物衰变后成为Pu，然后再利用化学方法将从U中分离出来。原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。“内爆式”原子弹的构造如图所示。核燃料一般做成球形，体积小于临界体积。它的外部安放化学炸药，引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波

18、将核燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放中子，引起核燃料的链式反应。为了降低中子逃逸率以减小临界质量，节省核燃料，四周用铀238做成中子反射层，使逸出燃料区的部分中子返回。“枪式”原子弹的构造如图，弹壳里分开放置着一块球形和一块圆柱形高浓度铀235。每一块的体积都小于临界体积而大于临界体积的一半，在贮存时不会发生爆炸。这两块铀235彼此隔开一段距离，其中球形的被固定，圆柱形的后面安装普通炸药和引爆装置。当普通炸药爆炸时，两块铀压在一起形成一个整块，其体积超过临界体积，立刻发生链式核反应而爆炸。第二次世界大战时核裂变的研究已经成熟。当时法西斯侵略战争在

19、蔓延，一些科学家，特别是那些从法西斯迫害下逃亡出来的科学家，已经预感到制造原子弹的危险，尤其是风传德国正在加紧链式反应的研究，又获悉德国采取了禁止铀矿石出口等措施，他们更加焦虑万分。1939年7月，核物理学家西拉德（L.Szilard）等人一起找到爱因斯坦，想借助他的名声敦促美国赶在德国之前造出原子弹。于是爱因斯坦在1939年8月2日签署了给美国总统罗斯福的著名信件。罗斯福总统采纳了他们的建议，下令成立了铀顾问委员会，开始了代号为“曼哈顿工程”的原子弹研制工作，并于1942年7月委任奥本海默（J.R.Oppenbeimer，19041967）为这项工程的技术负责人。1945年7月16日，第一颗

20、原子弹在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m范围内所有动植物全部死亡。原子弹的巨大威力震惊了世界，也使反对原子武器的呼声空前高涨。舆论不仅谴责下令使用原子弹的人，也要追究科学家的责任。大部分原子弹研制的倡议者成了反核战争的积极分子，奥本海默本人则辞去了职务，去进行宇宙线的纯科学研究。为了打破核垄断，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重承诺：中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核

21、武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。2.核电站原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。这样，释放的核能就可以为人类的和平建设服务。其实在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。1942年，费米（E.Fermi，19011954）就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。图为当前普遍使用的“热中子（慢中子）”核反应堆的示意图。实际上，中子的速度不能太快，否则会与铀235原子核“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。但

22、是，裂变产生的是速度很大的快中子，因此还要设法使快中子减速。为此，在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减少，变为慢中子。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水（也叫轻水）。为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。这种镉棒叫做控制棒。核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高。水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电。这一部分的工

23、作原理跟火力发电站相同。核电站工作流程第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入热交器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆里。在热交换器内，第二回路中的水被加热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。在核电站中，只要“烧”掉一枝铅笔那么多的核燃料，释放的能量就相当于10吨标准煤完全燃烧放出的热。一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要烧煤250万吨！目前，核电技术已经成熟，在经济效益方面也跟火力发电不相上下。作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量所能提供的能量，比煤、石油等所提供的能量大15倍左右

24、。核电对环境的污染比火电小。目前核能发电已经超过世界总发电量的六分之一。我国有一定的核资源储量、相当规模的核技术装备和核技术队伍，已经具备了发展核电的基本条件。2009年，我国已经成为世界上核电在建规模最大的国家。建造核电站时需要特别注意防止射线对人体的伤害，还要防止放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染。为此，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核反应堆用过的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。3. 石墨堆、重水堆、轻水堆、压水堆、沸水堆近年来，在新闻中常常见到标题上的这些术语，它们各代表什么意思，为什么会引起公众的注意？分别用石墨、

25、重水、轻水做慢化剂，相应的反应堆就是石墨堆、重水堆、轻水堆。我们在第十六章已经学过，一个运动的小球与另一个静止的小球发生弹性碰撞时，如果两球的质量相等，原来运动的小球会静止下来，把能量全部传递给后者。快中子与普通水中的氢原子的碰撞正是这样的情形，所以普通水对中子的减速效果很好。但是，普通水中的氢核容易吸收中子，使链式反应难以进行，而重水中的氘不易吸收中子，所以最初的反应堆用重水做慢化剂。后来，由于核燃料浓缩技术的进步，可以制造高浓度的核燃料了，反应中损失一些中子影响不大，这样就能够用廉价的普通水做慢化剂。因此，现在建造的反应堆多数是轻水堆。当初用石墨做慢化剂，也是由于它不吸收中子，现在有了高浓

26、度的核燃料，石墨堆也就不再用了。除此之外，石墨堆和重水堆运行过程中可以生产制造原子弹用的钚，常引起国际政治问题，这也是目前发展轻水堆的原因之一。压水堆和沸水堆都用普通水做慢化剂和冷却剂，其主要区别在于压水堆内水压很高，达到大气压的150倍，水在堆内温度升得很高但不沸腾，流到蒸汽发生器来为另一个循环中的水加热，产生发电用的蒸汽。而沸水堆则容易许水在堆芯内沸腾，产生蒸汽，并把蒸汽直接送去推动汽轮轮机发电。沸水堆由于压力小，所以安全性能较好，但堆芯体积和反应堆的外壳要比压水堆大得多。4. 快中子增殖反应堆前面介绍的慢中子（热中子）反应堆属于第一代实用核反应堆，以铀235为裂变燃料。但是铀235在天然

27、铀中只占0.7%，其余99.3%的铀238不能利用。为了解决这个问题，更充分地利用铀资源，科学家们研究出了一种能使铀238变成高效核燃料从而使核燃料越烧越多的“魔炉”快中子增殖反应堆。“快堆”中用的核燃料是钚239。钚239裂变释放出快中子，装在反应区周围的铀238吸收快中子后变成铀239，铀239很不稳定，经过两次衰变后变成钚239。这就是说，在反应堆中一边“烧”掉钚239，又一边使铀238转变成新的钚239，而且新产生的钚239比“烧”掉的还多。这就是燃料增殖的秘密。当快堆中相当多的铀238转变成钚239时，就可取出来再做燃料。一般来说，一座快堆核电站在515年的时间内增殖的燃料与起初投入的燃料一样多，即燃料的数量翻了一番。利用快堆，可以将天然铀资源的利用率由慢中子堆的1%2%提高到60%70%，相当于使天然铀资源增加了6070倍。快中子增殖反应堆目前还处于研制阶段。我国实验性快堆已于2009年建成。65第四级（上）提高-尖子-目标第5讲教师版