高中物理 第四章 原子核 核能
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
和
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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