資源簡介

第1講　原子核
一、天然放射現(xiàn)象(選三第五章1、2節(jié))
1.天然放射現(xiàn)象
(1)放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象,首先由貝克勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
(2)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)
①放射性同位素:有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類,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、用作示蹤原子等。
③防護(hù):防止放射性對人體組織的傷害。
2.原子核的組成:原子核是由質(zhì)子和中子組成的,原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。
3.原子核的衰變
(1)衰變:原子核放出α粒子或β粒子,變成另一種原子核的變化。
(2)分類
α衰變XY+He,如UThHe
β衰變XY+e,如ThPae
(3)實(shí)質(zhì)
α射線為高速氦核流,速度為光速的;β射線為高速電子流,速度為光速的99%;γ射線為光子(電磁波)。
(4)半衰期:放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。半衰期由原子核內(nèi)部的因素決定,跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。
二、核力和核能(選三第五章3、4節(jié))
1.核能
(1)結(jié)合能:核子結(jié)合為原子核時放出的能量或原子核分解為核子時吸收的能量,也稱核能。
(2)比結(jié)合能
①定義:原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比,也叫平均結(jié)合能。
②物理意義: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。
(3)質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損:愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2,原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Δm,這就是質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE=Δmc2。
2.獲得核能的途徑
(1)重核裂變
①定義:鈾核在被中子轟擊后分裂成質(zhì)量差不多的兩部分的核反應(yīng)。
②特點(diǎn):裂變過程中能夠放出巨大的能量;同時放出2~3(或更多)個中子;裂變的產(chǎn)物不是唯一的。典型的裂變方程UnKrBa+3n。
(2)輕核聚變
①定義:兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的核反應(yīng)。輕核聚變反應(yīng)必須在高溫下進(jìn)行,因此又叫熱核反應(yīng)。
②優(yōu)點(diǎn):a.產(chǎn)能效率高;　b.聚變材料的儲量豐富;c.更為安全、清潔。
③典型的聚變方程:
HHHen+17.6 MeV。
【質(zhì)疑辨析】
角度1 天然放射現(xiàn)象
(1)貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象,說明原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 (　√　)
(2)β衰變和光電效應(yīng)中產(chǎn)生的電子,都來源于核外電子。 (　×　)
(3)γ射線本質(zhì)是光子,是伴隨著α衰變或β衰變產(chǎn)生的。 (　√　)
(4)如果某放射性元素的原子核有1 000個,經(jīng)過一個半衰期后還剩500個。(　×　)
(5)將某放射性元素由地球轉(zhuǎn)移到月球上,其半衰期可能變化。 (　×　)
角度2 核反應(yīng)和核能
(6)質(zhì)能方程表明在一定條件下,質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。 (　×　)
(7)原子核的比結(jié)合能隨著原子序數(shù)的增大而增大。 (　×　)
(8)重核裂變和輕核聚變是兩個典型釋放核能的反應(yīng)。 (　√　)
精研考點(diǎn)·提升關(guān)鍵能力
考點(diǎn)一　原子核的衰變及半衰期　(核心共研)
【核心要點(diǎn)】
1.三種射線
名稱 構(gòu)成 符號 電荷量 質(zhì)量 電離作用 穿透能力
α射線 氦核 He +2e 4 u 最強(qiáng) 最弱(在空氣中只能前進(jìn)幾厘米)
β射線 電子 e -e u 較強(qiáng) 較強(qiáng)(能穿透幾毫米厚的鋁板)
γ射線 光子 γ 0 0 最弱 最強(qiáng)(能穿透幾厘米厚的鉛板)
2.衰變規(guī)律
衰變類型 α衰變 β衰變
衰變方程 XYHe XYe
衰變實(shí)質(zhì) 2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出 1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子
H+nHe nHe
勻強(qiáng)磁場中軌跡分布 兩圓外切,α粒子運(yùn)動半徑較大 兩圓內(nèi)切,β粒子運(yùn)動半徑較大
衰變規(guī)律 電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒
3.對半衰期的理解:
(1)半衰期是大量原子核衰變時遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對個別或少量原子核,無半衰期可言。
(2)根據(jù)半衰期的概念,可總結(jié)出公式N余=N原(,m余=m原(。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,T表示半衰期。
【典例剖析】
角度1 三種射線的比較
[典例1](2023·廣東選擇考)理論認(rèn)為,大質(zhì)量恒星塌縮成黑洞的過程,受核反應(yīng)C+YO的影響。下列說法正確的是(　　)
A.Y是β粒子,β射線穿透能力比γ射線強(qiáng)
B.Y是β粒子,β射線電離能力比γ射線強(qiáng)
C.Y是α粒子,α射線穿透能力比γ射線強(qiáng)
D.Y是α粒子,α射線電離能力比γ射線強(qiáng)
角度2 半衰期及衰變次數(shù)的計(jì)算
[典例2](2023·浙江1月選考)宇宙射線進(jìn)入地球大氣層與大氣作用會產(chǎn)生中子,中子與大氣中的氮14會產(chǎn)生以下核反應(yīng)NnCH,產(chǎn)生的C能自發(fā)進(jìn)行β衰變,其半衰期為5 730年,利用碳14的衰變規(guī)律可推斷古木的年代。下列說法正確的是(　　)
A.C發(fā)生β衰變的產(chǎn)物是N
B.β衰變輻射出的電子來自于碳原子的核外電子
C.近年來由于地球的溫室效應(yīng),引起C的半衰期發(fā)生微小變化
D.若測得一古木樣品的C含量為活體植物的,則該古木距今約11 460年
【備選例題】
　　(2023·畢節(jié)模擬)如圖,一個原子核X經(jīng)圖中所示的14次衰變,其中有m次α衰變、n次β衰變,生成穩(wěn)定的原子核Y,則(　　)
A.m=8,n=6　　　　　 B.m=6,n=8
C.m=4,n=10 D.m=2,n=12
角度3 衰變與力學(xué)綜合問題
[典例3](多選)(2024·寧德模擬)靜止在O點(diǎn)的C原子核發(fā)生衰變的同時,空間中加入如圖所示的勻強(qiáng)電場。之后衰變產(chǎn)物A、B兩粒子的運(yùn)動軌跡OA、OB如圖中虛線所示,不計(jì)重力和兩粒子間的相互作用,下列說法正確的是(　　)
A.A、B兩粒子均帶正電
BC原子核發(fā)生的是α衰變
C.A粒子為Be
D.衰變后瞬間A、B粒子速度比為5∶2
【備選例題】
　　(多選)(2023·贛州模擬)某空間為真空環(huán)境,存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向豎直向下的足夠大的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,一钚核Pu靜止在磁場中的O點(diǎn),某時發(fā)生衰變,生成新核U和α粒子,其中質(zhì)量為4m、電荷量為2q的α粒子以動量大小p沿水平向右運(yùn)動,若衰變釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為兩種粒子的動能,且兩粒子運(yùn)動中只受勻強(qiáng)磁場的洛倫茲力作用,下列說法正確的是(　　)
A.钚衰變時的核反應(yīng)方程式為PuUHe
B.衰變過程中質(zhì)量虧損約為
C.新核和α粒子的運(yùn)動半徑之比約為46∶1
D.新核U與α粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期之比約為235∶184
考點(diǎn)二　核反應(yīng)及核反應(yīng)類型　(基礎(chǔ)自悟)
【核心要點(diǎn)】
1.核反應(yīng)的四種類型
類型 可控性 核反應(yīng)方程典例
衰 變 α衰變 自發(fā) UThHe
β衰變 自發(fā) ThPae
人工轉(zhuǎn)變 人工控制 NHeOH(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)
HeBeCn(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)
AlHe→Pn 約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素,同時發(fā)現(xiàn)正電子
PSie
重核裂變 比較容易控制 UnBaKr+n(核電站提供核能的原理)
UnXeSr+1n
輕核聚變(熱核反應(yīng)) 很難控制 HHHen(太陽通過熱核反應(yīng)向外釋放能量)
2.核反應(yīng)方程式的書寫:
(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H)、中子n)、α粒子He)、β粒子e)、正電子e)、氘核H)、氚核H)等。
(2)核反應(yīng)過程遵循兩個守恒:
①質(zhì)量數(shù)守恒;②電荷數(shù)守恒。
(3)由于核反應(yīng)不可逆,所以書寫核反應(yīng)方程式時只能用“→”表示反應(yīng)方向,而不能用“=”。
【題點(diǎn)全練】
角度1 核反應(yīng)的類型
1.(2023·天津和平區(qū)模擬)新中國成立后,我國無數(shù)科技工作者以全世界獨(dú)一無二的熱情及艱苦奮斗的精神投入核武器的研制工作之中,終于在1964年、1967年分別成功爆炸我國第一顆原子彈和第一顆氫彈。下列核反應(yīng)方程可表示氫彈的爆炸原理的是(　　)
ANHeOH
BUnSrXe+1n
CUThHe
DHHHen
【加固訓(xùn)練】
　　(多選)核反應(yīng)是指入射粒子(或原子核)與原子核(稱靶核)碰撞導(dǎo)致原子核狀態(tài)發(fā)生變化或形成新核的過程。科學(xué)家發(fā)現(xiàn),核反應(yīng)HeC+7.27 MeV,將氦核He)轉(zhuǎn)化為碳核C),下列說法正確的是(　　)
A.該核反應(yīng)前后有質(zhì)量虧損
B.該核反應(yīng)前后的核子數(shù)減少
C.氦核的比結(jié)合能大于碳核的比結(jié)合能
D.一個碳核的中子數(shù)為6
角度2 核反應(yīng)方程的書寫
3.(2022·湖北選擇考)上世紀(jì)四十年代初,我國科學(xué)家王淦昌先生首先提出證明中微子存在的實(shí)驗(yàn)方案:如果靜止原子核Be俘獲核外K層電子e,可生成一個新原子核X,并放出中微子νe,即Be + e→Xνe。根據(jù)核反應(yīng)后原子核X的動能和動量,可以間接測量中微子的能量和動量,進(jìn)而確定中微子的存在。下列說法正確的是(　　)
A.原子核X是Li
B.核反應(yīng)前后的總質(zhì)子數(shù)不變
C.核反應(yīng)前后總質(zhì)量數(shù)不同
D.中微子νe的電荷量與電子的相同
角度3 重核裂變和輕核聚變
4.(2023·湖南選擇考)2023年4月13日,中國“人造太陽”反應(yīng)堆中科院環(huán)流器裝置(EAST)創(chuàng)下新紀(jì)錄,實(shí)現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行,為可控核聚變的最終實(shí)現(xiàn)又向前邁出了重要的一步。下列關(guān)于核反應(yīng)的說法正確的是(　　)
A.相同質(zhì)量的核燃料,輕核聚變比重核裂變釋放的核能更多
B.氘氚核聚變的核反應(yīng)方程為HH→Hee
C.核聚變的核反應(yīng)燃料主要是鈾235
D.核聚變反應(yīng)過程中沒有質(zhì)量虧損
【加固訓(xùn)練】
　　在如圖所示的核反應(yīng)堆中,用中子轟擊U生成更穩(wěn)定的KrBa和粒子X,可實(shí)現(xiàn)可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以釋放核能,鎘棒能很好地吸收熱中子。下列說法正確的是(　　)
A.粒子X為質(zhì)子
B.該核反應(yīng)與太陽上主要進(jìn)行的核反應(yīng)相同
C.該核反應(yīng)為重核的裂變
DU的質(zhì)量比Kr與Ba的總質(zhì)量小
考點(diǎn)三　質(zhì)量虧損及核能計(jì)算　(核心共研)
【核心要點(diǎn)】
1.愛因斯坦質(zhì)能方程反映的是質(zhì)量虧損和釋放出核能這兩種現(xiàn)象之間的聯(lián)系,并不表示質(zhì)量和能量之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系。以下幾點(diǎn)要明確:
(1)物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動質(zhì)量,質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少,減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運(yùn)動質(zhì)量。
(2)在核反應(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒和能量守恒定律。
(3)質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)化多少的一種量度。
2.核能計(jì)算的方法
(1)根據(jù)ΔE=Δmc2計(jì)算時,Δm的單位是“kg”,c的單位是“m/s”,ΔE的單位是“J”。
(2)根據(jù)ΔE=Δm×931.5 MeV計(jì)算時,Δm的單位是“u”,ΔE的單位是“MeV”。
(3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計(jì)算核能:原子核的結(jié)合能=核子比結(jié)合能×核子數(shù)。
(4)應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算核能:根據(jù)物體的質(zhì)量m和摩爾質(zhì)量M由n=求出物質(zhì)的量,并求出原子核的個數(shù):N=NAn=NA;由題設(shè)條件求出一個原子核與另一個原子核反應(yīng)放出或吸收的能量E0(或直接從題目中找出E0);再根據(jù)E=NE0求出總能量。
【典例剖析】
角度1 結(jié)合能和比結(jié)合能
[典例4]硼中子俘獲療法是腫瘤治療的新技術(shù)。硼核B)進(jìn)入癌細(xì)胞后,吸收中子轉(zhuǎn)變成鋰核和α粒子。已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp,中子的質(zhì)量為mn,鋰核的質(zhì)量為M,真空中的光速為c。則鋰原子核的比結(jié)合能為(　　)
A.(3mp+4mn-M)c2
B.(3mp+4mn-M)c2
C.(M-3mp-4mn)c2
D.(M-3mp-4mn)c2
角度2 利用質(zhì)能方程求解核能
[典例5](2023·長沙模擬)1919年,盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核N)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子,首次實(shí)現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變。已知核反應(yīng)釋放的能量全部轉(zhuǎn)化成了O和質(zhì)子的動能NO,α粒子,質(zhì)子的質(zhì)量分別為m1、m2,m3,m4,真空中的光速為c,則(　　)
A.發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程是NHeOn
B.釋放的核能等于O和質(zhì)子的總動能
C.釋放的核能等于(m2+m4-m1-m3)c2
D.釋放核能的原因是O的結(jié)合能大于N和α粒子總的結(jié)合能
角度3 核反應(yīng)中能量和動量守恒
[典例6](2023·東莞模擬)如圖所示是原子核Ra發(fā)生α衰變的能級圖Ra經(jīng)α衰變直接變至Rn基態(tài),或者衰變至一個激發(fā)態(tài)Rn*①,然后通過釋放一個光子衰變至Rn基態(tài)。若Ra發(fā)生α衰變前是靜止②的,則(　　)
A.Ra原子核的比結(jié)合能大于Rn原子核的比結(jié)合能
B.α粒子的動能小于原子核Rn的動能
CRa的質(zhì)量大于Rn與α粒子質(zhì)量之和
D.激發(fā)態(tài)Rn*釋放光子至Rn基態(tài)的衰變是β衰變
[典例7]花崗巖、磚砂、水泥等建筑材料是室內(nèi)氡的最主要來源。人呼吸時,氡氣會隨氣體進(jìn)入肺臟,氡衰變放出的α射線像“小炸彈”一樣轟擊肺細(xì)胞,使肺細(xì)胞受損,從而引發(fā)肺癌、白血病等。一靜止的氡核Rn發(fā)生一次α衰變生成新核釙(Po),此過程動量守恒且釋放的能量全部轉(zhuǎn)化為α粒子和釙核的動能。已知m氡=222.086 6 u,mα=4.002 6 u,m釙=218.076 6 u,1 u相當(dāng)于931 MeV的能量。(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)
(1)寫出上述核反應(yīng)方程;
(2)求上述核反應(yīng)放出的能量ΔE;
(3)求α粒子的動能Ekα。
　答案及解析
考點(diǎn)一　原子核的衰變及半衰期
【典例剖析】
角度1 三種射線的比較
[典例1](2023·廣東選擇考)理論認(rèn)為,大質(zhì)量恒星塌縮成黑洞的過程,受核反應(yīng)C+YO的影響。下列說法正確的是(　　)
A.Y是β粒子,β射線穿透能力比γ射線強(qiáng)
B.Y是β粒子,β射線電離能力比γ射線強(qiáng)
C.Y是α粒子,α射線穿透能力比γ射線強(qiáng)
D.Y是α粒子,α射線電離能力比γ射線強(qiáng)
【解析】選D。根據(jù)核反應(yīng)滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知,Y是α粒子He),三種射線的穿透能力,γ射線最強(qiáng),α射線最弱;三種射線的電離能力,α射線最強(qiáng),γ射線最弱。故選D。
角度2 半衰期及衰變次數(shù)的計(jì)算
[典例2](2023·浙江1月選考)宇宙射線進(jìn)入地球大氣層與大氣作用會產(chǎn)生中子,中子與大氣中的氮14會產(chǎn)生以下核反應(yīng)NnCH,產(chǎn)生的C能自發(fā)進(jìn)行β衰變,其半衰期為5 730年,利用碳14的衰變規(guī)律可推斷古木的年代。下列說法正確的是(　　)
A.C發(fā)生β衰變的產(chǎn)物是N
B.β衰變輻射出的電子來自于碳原子的核外電子
C.近年來由于地球的溫室效應(yīng),引起C的半衰期發(fā)生微小變化
D.若測得一古木樣品的C含量為活體植物的,則該古木距今約11 460年
【解析】選D。根據(jù)CNe即C發(fā)生β衰變的產(chǎn)物是N, A錯誤;β衰變輻射出的電子來自于原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時放出的電子, B錯誤;半衰期是核反應(yīng),與外界環(huán)境無關(guān), C錯誤; 若測得一古木樣品的C含量為活體植物的,可知經(jīng)過了2個半衰期,則該古木距今約5 730×2年=11 460年,D正確。
【備選例題】
　　(2023·畢節(jié)模擬)如圖,一個原子核X經(jīng)圖中所示的14次衰變,其中有m次α衰變、n次β衰變,生成穩(wěn)定的原子核Y,則(　　)
A.m=8,n=6　　　　　 B.m=6,n=8
C.m=4,n=10 D.m=2,n=12
【解析】選A。衰變過程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,則有238=206+4m+n×0,92=82+2m-n,聯(lián)立解得m=8,n=6,故選A。
角度3 衰變與力學(xué)綜合問題
[典例3](多選)(2024·寧德模擬)靜止在O點(diǎn)的C原子核發(fā)生衰變的同時,空間中加入如圖所示的勻強(qiáng)電場。之后衰變產(chǎn)物A、B兩粒子的運(yùn)動軌跡OA、OB如圖中虛線所示,不計(jì)重力和兩粒子間的相互作用,下列說法正確的是(　　)
A.A、B兩粒子均帶正電
BC原子核發(fā)生的是α衰變
C.A粒子為Be
D.衰變后瞬間A、B粒子速度比為5∶2
【解析】選A、B、C。根據(jù)A、B兩粒子的運(yùn)動軌跡,可知其所受電場力均與電場方向相同,A、B兩粒子均帶正電C原子核發(fā)生的是α衰變,故A、B正確;根據(jù)A、B兩粒子的運(yùn)動軌跡,該核反應(yīng)方程為CBeHe,衰變過程動量守恒有mAvA-mBvB=0,可知質(zhì)量越大,速度越小Be的初速度小于He的初速度,粒子在磁場中做類平拋運(yùn)動,則有x=vt,y=t2,解得y=,可知當(dāng)兩粒子豎直方向的位移相等時Be粒子的水平位移較小,A粒子為Be,故C正確。衰變過程動量守恒有mAvA-mBvB=0,可得衰變后瞬間A、B粒子速度比為vA∶vB=2∶5,D錯誤。
【備選例題】
　　(多選)(2023·贛州模擬)某空間為真空環(huán)境,存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向豎直向下的足夠大的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,一钚核Pu靜止在磁場中的O點(diǎn),某時發(fā)生衰變,生成新核U和α粒子,其中質(zhì)量為4m、電荷量為2q的α粒子以動量大小p沿水平向右運(yùn)動,若衰變釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為兩種粒子的動能,且兩粒子運(yùn)動中只受勻強(qiáng)磁場的洛倫茲力作用,下列說法正確的是(　　)
A.钚衰變時的核反應(yīng)方程式為PuUHe
B.衰變過程中質(zhì)量虧損約為
C.新核和α粒子的運(yùn)動半徑之比約為46∶1
D.新核U與α粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期之比約為235∶184
【解析】選A、D。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒可知钚衰變時的核反應(yīng)方程式為PuUHe,A正確;根據(jù)動量守恒可知新核與α粒子動量大小均為p,利用動量和動能之間的關(guān)系可知EU=·,Eα=·,根據(jù)質(zhì)能方程可知虧損的質(zhì)量Δm==,B錯誤;根據(jù)qvB=,可得r==,由于新核與α粒子動量大小均為p,因此rU∶rα=2q∶92q=1∶46,C錯誤;根據(jù)T=可知新核U與α粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期之比==,D正確。
考點(diǎn)二　核反應(yīng)及核反應(yīng)類型
【題點(diǎn)全練】
角度1 核反應(yīng)的類型
1.(2023·天津和平區(qū)模擬)新中國成立后,我國無數(shù)科技工作者以全世界獨(dú)一無二的熱情及艱苦奮斗的精神投入核武器的研制工作之中,終于在1964年、1967年分別成功爆炸我國第一顆原子彈和第一顆氫彈。下列核反應(yīng)方程可表示氫彈的爆炸原理的是(　　)
ANHeOH
BUnSrXe+1n
CUThHe
DHHHen
【解析】選D。A項(xiàng)是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程,不符合題意;B項(xiàng)是重核裂變方程,對應(yīng)原子彈爆炸的核反應(yīng)方程,不符合題意;C項(xiàng)是原子核衰變方程,不符合題意;D項(xiàng)是氫核聚變方程,對應(yīng)氫彈爆炸的核反應(yīng)方程,故D符合題意。
2.重核裂變和輕核聚變是人類獲得核能的兩種主要途徑,關(guān)于裂變和聚變,下列敘述正確的是(　　)
A.裂變過程有質(zhì)量虧損,聚變過程無質(zhì)量虧損
B.核聚變反應(yīng)方程HHHe+X中,X表示電子
C.裂變釋放能量,聚變吸收能量
D.氫彈的核反應(yīng)屬于聚變,原子彈的核反應(yīng)屬于裂變
【解析】選D。裂變和聚變都釋放出巨大能量,都伴隨著質(zhì)量的虧損,故A、C錯誤;核聚變反應(yīng)方程HHHen中,X表示中子,B錯誤;原子彈的核反應(yīng)屬于裂變,氫彈的核反應(yīng)屬于聚變,故D正確。
【加固訓(xùn)練】
　　(多選)核反應(yīng)是指入射粒子(或原子核)與原子核(稱靶核)碰撞導(dǎo)致原子核狀態(tài)發(fā)生變化或形成新核的過程。科學(xué)家發(fā)現(xiàn),核反應(yīng)HeC+7.27 MeV,將氦核He)轉(zhuǎn)化為碳核C),下列說法正確的是(　　)
A.該核反應(yīng)前后有質(zhì)量虧損
B.該核反應(yīng)前后的核子數(shù)減少
C.氦核的比結(jié)合能大于碳核的比結(jié)合能
D.一個碳核的中子數(shù)為6
【解析】選A、D。該核反應(yīng)有能量放出,根據(jù)質(zhì)能方程可知該核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損,A正確;根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒可知,核反應(yīng)中的核子數(shù)保持不變,B錯誤;該核反應(yīng)釋放能量,表明生成核比反應(yīng)核更加穩(wěn)定,而比結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定,因此碳核的比結(jié)合能大于氦核的比結(jié)合能,C錯誤;一個碳核的中子數(shù)為12-6=6,D正確。
角度2 核反應(yīng)方程的書寫
3.(2022·湖北選擇考)上世紀(jì)四十年代初,我國科學(xué)家王淦昌先生首先提出證明中微子存在的實(shí)驗(yàn)方案:如果靜止原子核Be俘獲核外K層電子e,可生成一個新原子核X,并放出中微子νe,即Be + e→Xνe。根據(jù)核反應(yīng)后原子核X的動能和動量,可以間接測量中微子的能量和動量,進(jìn)而確定中微子的存在。下列說法正確的是(　　)
A.原子核X是Li
B.核反應(yīng)前后的總質(zhì)子數(shù)不變
C.核反應(yīng)前后總質(zhì)量數(shù)不同
D.中微子νe的電荷量與電子的相同
【解析】選A。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒有,X的質(zhì)量數(shù)為7,電荷數(shù)為3,可知原子核X是Li,A正確、C錯誤;由選項(xiàng)A可知,原子核X是Li,則核反應(yīng)方程為Bee Li + νe,則反應(yīng)前的總質(zhì)子數(shù)為4,反應(yīng)后的總質(zhì)子數(shù)為3,B錯誤;中微子不帶電,則中微子νe的電荷量與電子的不相同,D錯誤。
角度3 重核裂變和輕核聚變
4.(2023·湖南選擇考)2023年4月13日,中國“人造太陽”反應(yīng)堆中科院環(huán)流器裝置(EAST)創(chuàng)下新紀(jì)錄,實(shí)現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行,為可控核聚變的最終實(shí)現(xiàn)又向前邁出了重要的一步。下列關(guān)于核反應(yīng)的說法正確的是(　　)
A.相同質(zhì)量的核燃料,輕核聚變比重核裂變釋放的核能更多
B.氘氚核聚變的核反應(yīng)方程為HH→Hee
C.核聚變的核反應(yīng)燃料主要是鈾235
D.核聚變反應(yīng)過程中沒有質(zhì)量虧損
【解析】選A。對于相同質(zhì)量的核燃料,輕核聚變產(chǎn)生的核能比重核裂變產(chǎn)生的核能更多,A正確;根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒可知,氘氚核聚變的核反應(yīng)方程為HH→Hen,B錯誤;核聚變的核反應(yīng)燃料主要是氘核和氚核,C錯誤;核聚變反應(yīng)過程中放出大量能量,有質(zhì)量虧損,D錯誤。故選A。
【加固訓(xùn)練】
　　在如圖所示的核反應(yīng)堆中,用中子轟擊U生成更穩(wěn)定的KrBa和粒子X,可實(shí)現(xiàn)可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以釋放核能,鎘棒能很好地吸收熱中子。下列說法正確的是(　　)
A.粒子X為質(zhì)子
B.該核反應(yīng)與太陽上主要進(jìn)行的核反應(yīng)相同
C.該核反應(yīng)為重核的裂變
DU的質(zhì)量比Kr與Ba的總質(zhì)量小
【解析】選C。我們寫出核反應(yīng)方程為nUKrBa+X,根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒,可以計(jì)算出X的電荷數(shù)為0,質(zhì)量數(shù)為3,是3個中子,故A錯誤;該反應(yīng)為核裂變,而太陽上主要進(jìn)行的是輕核聚變,不是同種核反應(yīng),B錯誤,C正確;裂變過程會釋放出核能,有質(zhì)量虧損,故D錯誤。
考點(diǎn)三　質(zhì)量虧損及核能計(jì)算
【典例剖析】
角度1 結(jié)合能和比結(jié)合能
[典例4]硼中子俘獲療法是腫瘤治療的新技術(shù)。硼核B)進(jìn)入癌細(xì)胞后,吸收中子轉(zhuǎn)變成鋰核和α粒子。已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp,中子的質(zhì)量為mn,鋰核的質(zhì)量為M,真空中的光速為c。則鋰原子核的比結(jié)合能為(　　)
A.(3mp+4mn-M)c2
B.(3mp+4mn-M)c2
C.(M-3mp-4mn)c2
D.(M-3mp-4mn)c2
【解析】選B。根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,可知硼核吸收中子發(fā)生的核反應(yīng)方程為BnLiHe,鋰核Li)分解成3個質(zhì)子和4個中子,吸收的能量ΔE=Δmc2=(3mp+4mn-M)c2,鋰Li)原子共有7個核子,故鋰原子核的比結(jié)合能為=(3mp+4mn-M)c2,故選B。
角度2 利用質(zhì)能方程求解核能
[典例5](2023·長沙模擬)1919年,盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核N)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子,首次實(shí)現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變。已知核反應(yīng)釋放的能量全部轉(zhuǎn)化成了O和質(zhì)子的動能NO,α粒子,質(zhì)子的質(zhì)量分別為m1、m2,m3,m4,真空中的光速為c,則(　　)
A.發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程是NHeOn
B.釋放的核能等于O和質(zhì)子的總動能
C.釋放的核能等于(m2+m4-m1-m3)c2
D.釋放核能的原因是O的結(jié)合能大于N和α粒子總的結(jié)合能
【解析】選D。發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程是NHeOH,故A錯誤;核反應(yīng)釋放核能的原因是O的結(jié)合能大于N和α粒子總的結(jié)合能,釋放的核能等于(m1+m3-m2-m4)c2,也等于反應(yīng)后O和質(zhì)子總動能與反應(yīng)前N和α粒子總動能之差,故B、C錯誤,D正確。
角度3 核反應(yīng)中能量和動量守恒
[典例6](2023·東莞模擬)如圖所示是原子核Ra發(fā)生α衰變的能級圖Ra經(jīng)α衰變直接變至Rn基態(tài),或者衰變至一個激發(fā)態(tài)Rn*①,然后通過釋放一個光子衰變至Rn基態(tài)。若Ra發(fā)生α衰變前是靜止②的,則(　　)
A.Ra原子核的比結(jié)合能大于Rn原子核的比結(jié)合能
B.α粒子的動能小于原子核Rn的動能
CRa的質(zhì)量大于Rn與α粒子質(zhì)量之和
D.激發(fā)態(tài)Rn*釋放光子至Rn基態(tài)的衰變是β衰變
【題眼破譯】——提升信息轉(zhuǎn)化能力
信息①核反應(yīng)中,生成物比反應(yīng)物更穩(wěn)定,因此衰變產(chǎn)物的比結(jié)合能較大。
信息②衰變過程動量守恒,因此衰變后兩粒子動量大小相等、方向相反。
【解析】選C。原子核衰變時Rn原子核的比結(jié)合能大于Ra原子核的比結(jié)合能Rn原子核更穩(wěn)定,故A錯誤;設(shè)Rn的反沖速度大小為v,α粒子的速度為v',由動量守恒定律得0=Mv-mv',則有Mv=mv',根據(jù)動能的表達(dá)式Ek=mv2=,由于Rn的質(zhì)量大于α粒子的質(zhì)量,則衰變后Rn的動能小于α粒子的動能,故B錯誤;由于發(fā)生α衰變時要伴隨釋放一定的能量,由質(zhì)能方程可知Ra的質(zhì)量大于Rn與α粒子質(zhì)量之和,故C正確;激發(fā)態(tài)Rn*釋放光子至Rn 基態(tài)不是β衰變,故D錯誤。
[典例7]花崗巖、磚砂、水泥等建筑材料是室內(nèi)氡的最主要來源。人呼吸時,氡氣會隨氣體進(jìn)入肺臟,氡衰變放出的α射線像“小炸彈”一樣轟擊肺細(xì)胞,使肺細(xì)胞受損,從而引發(fā)肺癌、白血病等。一靜止的氡核Rn發(fā)生一次α衰變生成新核釙(Po),此過程動量守恒且釋放的能量全部轉(zhuǎn)化為α粒子和釙核的動能。已知m氡=222.086 6 u,mα=4.002 6 u,m釙=218.076 6 u,1 u相當(dāng)于931 MeV的能量。(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)
(1)寫出上述核反應(yīng)方程;
答案:(1RnPoHe　
【解析】(1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒有
RnPoHe。
(2)求上述核反應(yīng)放出的能量ΔE;
答案: (2)6.89 MeV
【解析】(2)質(zhì)量虧損
Δm=222.086 6 u-4.002 6 u-218.076 6 u=0.007 4 u,ΔE=Δm×931 MeV
解得ΔE=0.007 4×931 MeV≈6.89 MeV。
(3)求α粒子的動能Ekα。
答案: (3)6.77 MeV
【解析】(3)設(shè)α粒子、釙核的動能分別為Ekα、Ek釙,動量分別為pα、p釙,
由能量守恒定律得ΔE=Ekα+Ek釙
由動量守恒定律得0=pα +p釙
又Ek=,故Ekα∶Ek釙=218∶4,解得Ekα≈6.77 MeV。
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