資源簡介

第十九章
原子核
19.1
原子核的組成
一、天然放射現象
1.天然放射現象的發現
(1)1896年,法國物理學家貝可勒爾首先發現,鈾和含鈾的礦物能夠發出看不見的射線,這種射線可以穿透黑紙使照相底片感光(如圖所示),從而發現放射性元素.
(2)后來瑪麗居里和她的丈夫皮埃爾·居里發現了兩種放射性更強的新元素,命名為釙(Po)和鐳(Ra).
2.
放射性、放射性元素和天然放射現象的定義
(1)物質發射射線的性質稱為放射性.
(2)具有放射性的元素稱為放射性元素.
(3)放射性元素自發地發出射線的現象叫做天然放射現象。
說明：
由法國物理學家貝可勒爾首先發現。
3.放射性并不是少數幾種元素才有的,研究發現,原子序數大于或等于83所有元素,都能自發地放出射線,原子序數小于83的元素,有的也能放出射線。研究表明,元素的放射性與它以單質還是化合物的形式存在無關,且天然放射現象不受任何物理變化、化學變化的影響;
4.射線中的電子是原子核內部放出的,并不是原子核外面的電子放出的,這也說明原子核內部結構是可以再分的.
二、三種射線
1.三種射線：放射性物質發出的射線有三種
:
射線、
射線和
射線。
2.三種射線的比較
射線
射線
射線
組成
高速氦核(He)流
高速電子(e)流
光子流(高頻電磁波)
帶電荷量
2e
-e
0
質量
4mp=1.67×10-27kg
靜止質量為零
速度
0.
1c
0.99c
c
電（磁）場中
偏轉
與射線反向偏轉
不偏轉
穿透本領
最弱
用紙能擋住
較強
穿透幾毫米的鉛板
最強
穿透幾厘米的鋁板
對空氣的電離作用
很強
較弱
很弱
說明：三種射線的能量很高,都來自于原子核內部,這也使我們認識到原子核內蘊藏有巨大的能量,原子核也有復雜的結構。
3.三種射線的判斷方法
(1)帶電粒子在磁場中運動會受到磁場力作用發生偏轉,這個力是洛倫茲力.放射源發出射線進入磁場后,出現三條不同的運動軌跡,說明其中的兩束射線是帶電粒子。根據左手定則,可以判斷出向左偏的是
射線,向右偏的是
β
射線。
(2)帶電粒子在電場中會受到電場力的作用，施加一偏轉電場,也能判斷三種射線。三種射線在電場和磁場中的偏轉特點
射線不發生偏轉：不論在電場磁場中,
射線總是做勻速直線運動,不發生偏轉。
射線和
射線在電場中偏轉的特點
如圖,在勻強電場中,
粒子和
粒子沿相反方向做類平拋運動且在同樣的條件下,
β粒子的偏移較大。粒子在電場力方向做初速度為零的勻加速直線運動,對于某一確定的垂直電場線方向的位移
,可得偏移量為：
所以,在同樣的條件下β粒子與粒子的偏移量的比值
37.5>1
在電場中,因為>
,故偏離
射線遠的是
射線.
射線和
射線在磁場中偏轉的特點
如圖,在勻強磁場中,
粒子和
粒子沿相反方向做勻速圓周運動，且在同樣的條件下，
粒子的軌道半徑較小，偏轉較大，具體分析如下：
根據
qvB=m得
R=
所以,在同樣的條件下
粒子與
粒子的軌道半徑的比值為:
<
1
在磁場中,因為<
,故偏離
射線遠的是
射線,靠近
射線的是
射線.
根據三種射線在電場和磁場中偏轉的特點,即使電場和磁場方向未知,也可以區分射線的種類.
、
、
三種射線在電磁場中的運動特點
射線不論在電場還是磁場中,總是做勻速直線運動,不發生偏轉；
和
射線沿垂直電場線方向射入勻強電場中,
和
β
射線沿相反方向做類平拋運動,且在同樣的條件下,β
射線的偏移量大;
和
射線沿垂直磁感線方向射入勻強磁場中,
和
射線沿相反方向做勻速圓周運動,且在同樣的條件下,
射線的軌道半徑小,偏轉程度大.
三、原子核的組成
1.質子的發現
質子帶正電,電荷量與一個電子電荷量相等,質子的質量為
mp=1.6726231×10-27kg.
2.中子的發現
(2)中子不帶電,中子(n)的質量為mn=1.6749286×10-27kg
3.原子核的組成
(1)核子:質子和中子統稱為核子.
(2)原子核的組成:由核子組成,即由質子和中子組成.
(3)電荷數:原子核所帶的電荷總是質子電荷的整數倍,通常用這個整數表示原子核的電荷量,
叫做原子核的電荷數,用Z表示.
(4)質量數:原子核的質量等于核內質子和中子的質量的總和,而質子與中子的質量幾乎相等,所以原子核的質量幾乎等于單個核子質量的整數倍，這個倍數叫做原子核的質量數,用A表示.
(5)原子核的符號:
其中,X為元素符號,A表示質量數,Z表示電荷數(即原子序數)
①
核電荷數
=
質子數(Z)
=
元素的原子序數
=
核外電子數
質量數(A)
=
核子數
=
質子數
+
中子數
4.同位素
(1)具有相同質子數而中子數不同的原子核,在元素周期表中處于同位置,因而互稱同位素(2)氫的三種同位素
:
氕(H)、氘(H)、氚(H)
對同位素的理解
原子核內的質子數決定了核外電子的數目,也決定了電子在核外分布的情況,進而決定了這種元素的化學性質,同位素的質子數相同,核外電子數也相同,所以具有相同的化學性質,但它們的中子數不同,所以它們的物理性質不同.
第十九章
原子核
19.2
放射性元素的衰變
一、原子核的衰變
1.原子核的衰變
原子核放出
粒子或粒子,由于核電荷數變了,它在周期表中的位置就變了,變成另一種原子核,我們把這種變化稱為原子核的衰變。
2.原子核衰變遵循的規律
電荷數和質量數守恒,即衰變前質量數之和等于衰變后質量數之和;衰變前的電荷數之和等于衰變后的電荷數之和。
3.
衰變
放射性元素的原子核放射出
粒子(質量數減少4,核電荷數減少2)，成為新元素原子核的過程。
(1)
衰變方程:
X→
Y+
He
(2)
粒子的本質:
粒子本質就是氦核,它由兩個質子和兩個中子組成。
(3)
衰變的實質:在放射性元素的原子核中,兩個質子和兩個中子結合得比較牢固,會作為一個整體從放射性元素原子核中被拋射出來,即為放射性元素發生的
衰變
(2
H+2
n→
He)。
(4)
衰變后生成的新元素的原子核,其核電荷數比衰變前少2,在元素周期表中的位置向前移動兩位。
衰變
放射性元素的原子核放出一個
粒子(質量數不變,核電荷數增加1），成為新元素原子核的過程。
(1)
衰變方程:X→
Y+
e
(2)
粒子的本質:
粒子就是電子.
(3)
衰變的實質:原子核內的一個中子轉化為一個質子,放出一個電子,
即
n→
H+
e.
(4)衰變后生成的新元素,其核電荷數比衰變前增加1,在元素周期表中的位置向后
移一位.
射線的產生
(1)射線產生的機理:
放射性的原子核在發生
衰變或
衰變時,會釋放能量,使生成的新核處于高能量狀態(能級),在新核向低能級躍遷時,能量以
光子的形式輻射出來.
(2)
射線是不帶電的光子,因此原子核放射出
射線,在元素周期表中的位置不變.
6.拓展延伸■
(1).核反應過程一般都不是可逆的,所以核反應方程式只能用單向箭頭表示反應方向,不能用等號連接.
(2).核反應的生成物一定要以實驗為基礎,不能憑空只依據兩個守恒杜撰出生成物來寫核反應方程.
(3).核反應中遵循質量數守恒而不是質量守恒,核反應過程中反應前后的總質量一般會發生變化(質量虧損)而釋放出核能.
二、半衰期
1.定義：放射性元素的原子核有半數發生衰變所需的時間,叫做這種元素的半衰期。
2.影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核內部的因素決定的,跟原子所處的物理狀態(如溫度、壓強)或化學狀態(如單質、化合物)無關。不同元素的衰期不同。
3.公式
式中N原、
m原
表示衰變前放射性元素的原子數和質量,
N余
、
m余表示衰變后尚未發生衰變的放射性元素的原子數和質量,
t
表示衰變時間,
T表示半衰期
4.應用：利用半衰期非常穩定這一特點,可以測量衰變程度、推斷時間,常用半衰期測定地質年代、古生物年齡等.
特別提醒■
半衰期是大量原子核衰變的統計規律,只對大量原子核有意義,對少數原子核是沒有意義的,對于一個特定的原子核,無法確定其何時發生衰變,但可以確定各個時刻發生衰變的概率,即某時刻衰變的可能性,因此,半衰期只適用于大量的原子核.
三.衰變和
衰變在磁場中的軌跡問題
發生衰變時粒子軌跡問題分析
1.處于靜止狀態的原子核發生衰變時,產生的新核和放出的粒子動量大小相等,而新核的電荷量一般遠大于粒子的電荷量,又在同一勻強磁場中,由洛倫茲力提供向心力時,軌道半徑R=
,此式的分子是相等的,分母中電荷量大的半徑小,電荷量小的半徑大。所以,一般情況下,半徑小的是新核的軌跡,半徑大的是粒子的軌跡。
2.靜止的原子核發生衰變和衰變的規律以及它們在磁場中運動的軌跡特點：
3.解答此類問題應把握以下三點：
(1)原子核在釋放或粒子的過程中系統的動量守恒、能量守恒、電荷數守恒、質量數守恒。
(2)由左手定則和軌跡的內切或外切判斷磁場方向和釋放粒子的電性;
(3)根據洛倫茲力、牛頓第二定律以及動量守恒定律可知粒子軌跡半徑和粒子電荷量的關系。
第十九章
原子核
19.3探測射線的方法
1.探測射線的方法
探測射線的存在、帶電情況、動量和能量問題,方法多樣,主要是利用放射性粒子與其他物質作用時產生的現象來顯現射線的存在，其主要現象有：
(1)粒子使氣體或液體電離,以這些離子為核心,過飽和的蒸氣會產生霧滴,過熱液體會產生氣泡.
(2)使照相乳膠感光.
(3)使熒光物質產生熒光.
2.探測放射性的三種裝置
(1)威耳遜云室
①實驗裝置
如圖所示,威耳遜云室的主要部分是一個圓筒狀容器,下部是一個可以上下移動的活塞,上蓋是透明的,可以通過它來拍攝和觀察粒子運動的徑跡。室內由光源通過旁邊的窗子照明，少量放射性物質(放射源)放在室內側壁附近(或放在室外,讓射線從側壁的窗口射入)
②實驗過程
實驗時,先往云室里加少量酒精,使室內充滿酒精的飽和蒸氣,然后迅速向下拉動活塞,室內氣體膨脹,溫度降低,酒精蒸氣達到過飽和狀態。這時如果有能量較高的粒子從室內氣體中飛過,就會使沿途的氣體分子電離產生離子,過飽和酒精蒸氣便以這些離子為核心凝結成霧滴,于是顯示出射線的徑跡。這種云室是英國物理學家威耳遜在1912年發明的,故叫做威耳遜云室。
③放射線在云室中的徑跡
(A).
粒子質量比較大,在氣體中飛行時不易改變方向,且粒子電離本領大,故a粒子的徑跡直而清晰
(B).高速
粒子的徑跡又細又直,低速
粒子的徑跡又短又粗而且是彎曲的
(C).粒子的電離本領很小,在云室中一般看不到它的徑跡
要點解讀
(1)云室里看到的只是成串小液滴,它描述的是射線粒子運動的徑跡,不是射線本身.
(2)根據徑跡的長短和粗細,可以知道粒子的性質.把云室放在磁場中,從帶電粒子運動軌跡的彎曲方向,可以知道粒子所帶電荷的正負;根據徑跡的曲率半徑的大小,還可以知道粒子的動量大小.
(2)氣泡室：氣泡室的原理和云室的原理類似,所不同的是氣泡室內裝的是液體,控制氣泡室內液體的溫度和壓強,使室內溫度略低于液體的沸點當氣泡室內壓強突然降低時,液體的沸點變低。因此液體過熱,在通過室內射線粒子周圍時就有氣泡形成,圖為粒子經過氣泡室時的徑跡照片,帶電粒子徑跡呈曲線是由于粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用.根據照片上記錄的情況,可以分析出粒子的帶電情況、動量、能量等。
氣泡室的優點及不足：
（1）它的空間和時間分辨率高。
（2）工作循環周期短，本底干凈、徑跡清晰，可反復操作。
（3）掃描和測量時間太長。
（4）體積有限，而且甚為昂貴。
(3)蓋革一米勒計數器
蓋革一米勒計數管的原理是某種射線粒子進入管內時,它使管內的氣體電離,產生的電子在電場中加速,能量越來越大,電子跟管中的氣體分子碰撞時,又使氣體分子電離,產生電子…這樣,一個粒子進入管中后可以產生大量電子,這些電子到達陽極,正離子到達陰極,在外電路中就產生一次脈沖放電,利用電子儀器可以把放電次數記錄下來。
特別提醒：威耳遜云室和氣泡室都是依據徑跡探測射線的性質和種類，而蓋革一米勒計數器只能計數,不能區分射線的種類。
第十九章
原子核
19.4放射性的應用與防護
一．人工轉變核反應
1.核反應的定義：
原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程叫核反應。
2.核反應的條件：用
粒子、質子、中子,甚至用光子轟擊原子核使原子核發生轉變。
3.核反應的實質
用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開,而是粒子打入原子核內部使核發生了轉變。
4.人工轉變核反應與衰變的區別
(1)衰變是原子自發變化,而人工轉變核反應是原子核在其他粒子的轟擊下的變化。
(2)人工轉變核反應與衰變都遵循質量數守恒、電荷數守恒的規律。
5.典型的人工轉變核反應方程
(1)英國物理學家盧瑟福在1919年做了用
粒子轟擊氮核的實驗,從氮核中打出了一種粒子,發現了質子,該人工轉變核反應方程為
N+
He→
O+
H
(2)1932年英國物理學家查德威克用
粒子轟擊鈹原子核發現了中子,該人工轉變核反應方程為
Be+
He→
C+
n
6.書寫核反應方程的原則及方法
（1）在核反應中,質量數守恒、電荷數守恒,有些核反應還需考慮能量守恒及動量守恒.
（2）核反應方程中的箭頭“→”表示核反應進行的方向,不能把箭頭寫成等號.
（3）寫核反應方程必須有實驗依據.
（4）在寫核反應方程時,應先將已知原子核和已知粒子的符號填入核反應方程一般形式的適當位置上,然后根據質量數守恒和電荷數守恒計算出未知核(或未知粒子)的質量數和電荷數,最后根據未知核(或未知粒子)的電荷數確定是哪種元素(或哪種粒子),并在核反應方程一般形式中的適當位置填上它們的符號.
（5）另外對于物理學史上著名的人工核反應方程式,還需要加識記,
如盧瑟福發現質子的核反應方程:
N+
He→
O+
H;
查德威克發現中子的核反應方程Be
+
He
→
+
n.
二、放射性同位素
1.人工放射性同位素
有些同位素具有放射性,叫做放射性同位素。放射性同位素有天然和人種造兩種,它們的化學性質相同。用質子、中子、
粒子轟擊原子核可以得到放射性同位素。
2.典型的人工放射性同位素核反應方程
約里奧-居里夫婦在1934年發現經過
粒子轟擊的鋁片中含有放射性磷,
核反應方程為:
He+
Al
→
P+
n
,
其中反應生成物P
就是磷的放射性同位素,它像天然放射性元素一樣發生衰變,它衰變時放出正電子.
P發生衰變的核反應方程為:P
→
Si+
說明：這是人類第一次用人工方法獲得放射性同位素,這是一個很重要的發現,天然的放射性同位素不過40多種,而今天人工制造的放射性同位素已達到1000多種,每種元素都有放射性同位素。
3.人工放射性同位素的優點
(1)放射強度容易控制；(2)形狀容易控制；(3)半衰期短,廢料容易處理。
三、放射性的應用與防護
1.放射性同位素的應用
(1)利用它放射出的射線
①利用
射線的貫穿本領.利用鈷
60放出的很強的
射線來檢查金屬內部有沒有砂眼和裂紋,這叫
γ
射線探傷；利用
射線可以檢查30cm厚的鋼鐵部件；利用射線的貫穿本領,可用來檢查各種產品的厚度、密封容器中的液面高度等,從而自動控制生產過程。
②利用
射線的電離作用.放射線能使空氣電離,從而可以消除靜電積累,防止靜電
產生的危害。
③利用
射線對生物組織的物理、化學效應使種子發生變異培育優良品種。
④利用
射線的能量,轟擊原子核實現原子核的人工轉變。
⑤在醫療上,常用來控制病變組織的擴大。
(2)作為示蹤原子
2.放射性的污染與防護
放射線在我們的生活中無處不在,在合理應用放射性的同時,又要警惕它的危害,進行必要的防護。過量的放射性會對環境造成污染;對人類和自然產生破壞作用。
(1)放射性污染
過量的放射性會對環境造成污染,對人類和自然界產生破壞作用
(2)放射性的主要危害與防護
危害
核爆炸
核爆炸的最初幾秒鐘放射出來的主要是強的射線和中子流,這些射線具有很強的穿透能力,對人體和其他生物有很強的殺傷作用。
核泄漏
核業生產和核科學研究中使用的放射性原材料,一旦泄漏就會造
成嚴重污染。
醫療照射
醫療中如果射線的劑量過大,也會導致病人受到傷害,甚至造成病人的死亡。
防護
密封防護
把放射源密封在特殊的包殼里,或用特殊方法覆蓋,以防止射線泄漏。
距離防護
距放射源越遠,人體吸收的劑量就越少,受到的危害就越輕。
時間防護
盡量減少受輻射時間
屏蔽防護
在放射源與人體之間加屏蔽物能起到防護作用,鉛的屏蔽作用最好。
第十九章
原子核
19.5
核力與結合能
一、核力與四種基本相互作用
1.核力的概念：原子核里的核子間有一種相互作用,把核子緊緊地束縛在核內,形成穩定的原子核,這種相互作用叫核力。
注意：原子核中的質子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖斥力是不可能的。
2.核力的特點
(1)核力是強相互作用(強力)的一種表現。在原子核的尺度內,核力比庫侖力大得多,這樣才能使核子結合成穩定的原子核。
(2)核力是短程力。作用范圍在1.5×10-15m之內,在大于0.8×10-15m時,核力表現為吸引力,超過1.5×10-15m時,核力急劇下降幾乎消失,小于0.8×10-15m時核力表現為斥力
,因此核子不會融合在一起。
(3)核力存在于核子之間。
每個核子只跟相鄰的核子發生核力作用,這種性質稱為核力的飽和性。無論是質子間、中子間還是質子和中子間均存在核力。
(4)核力與核子是否帶電無關。
質子與質子間、質子與中子間、中子與中子間都可以有核力作用;核力與重力、彈力、摩擦力一樣屬于性質力。
3.四種基本相互作用在不同尺度上發揮作用
(1)引力相互作用:引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨領風騷”,是引力使行星繞著恒星轉,并且聯系著星系團,決定著宇宙的現狀，萬有引力是長程力。
(2)電磁相互作用:在原子核外,電磁力使電子不脫離原子核而形成原子,使原子結合成分子,使分子結合成液體和固體。
(3)強力:即強相互作用,在原子核內,強力將核子束縛在一起強力是短程力。
(4)弱相互作用:弱相互作用是引起原子核β衰變的原因,即引起中子一質子轉變的原因。弱相互作用也是短程力,其力程比強力更短,為10-18m,作用強度比電磁力小。
二、原子核中質子與中子的比例
1.輕核與重核中的比例
(1)自然界中較輕的原子核，質子數與中子數大致相等；
(2)對于較重的原子核，中子數大于質子數;
(3)越重的原子核,中子數與質子數相差越多。
2.質子與中子比例不同的原因分析
(1)若質子與中子成對地放在一起,人工構建原子核,隨原子核的增大,核子間的距離增大,核力和電磁力都會減小,但核力減小得更快。所以當原子核增大到一定程度時,相距較遠的質子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力,這個原子核就不穩定了。
(2)若只增加中子,中子與其他核子之間沒有庫侖斥力,但有相互吸引的核力,所以有助于維系原子核的穩定,所以穩定的重原子核中,中子數要比質子數多。
(3)由于核力的作用范圍是有限的,以及核力的飽和性,若再增大原子核,一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用,這時候即使再增加中子,形成的核也一定是不穩定的。因此在宇宙演化的過程中只有200多種穩定的原子核長久地留了下來。
三、結合能與比結合能
1.結合能
克服核力束縛,使原子核分解為單個核子時原子核吸收的能量叫做原子核的結合能。
注意：并不是由于核子結合成原子核而具有的能量,而是為把核子分開而需要的能量
2.比結合能
原子核的結合能與其核子數之比稱為比結合能(也叫平均結合能)。它反映了原子核的穩定程度。
3.對結合能與比結合能的理解
(1)對結合能的理解
由于核子間存在著巨大的核力作用,所以原子核是一個堅固的集體.要把原子核拆散成核子,需要克服核力做巨大的功,需要巨大的能量，一個氘核被拆成一個中子和一個質子時,需要能量等于或大于2.2MeV的光子照射。
核反應方程為：
+
H
→
H
+
n.
相反的過程,當一個中子和一個質子結合成一個氘核時會釋放出2.2MeV的能量,這個能量以
光子的形式輻射出去.核反應方程為:
H
+
n
→
+
H
說明:
由于核力的存在,核子結合成原子核時要放出一定的能量,原子核分解成核子時,要吸收同樣多的能量.
(2)比結合能曲線
不同原子核的比結合能隨質量數變化的圖線:
從圖中可以看出,中等質量原子核的比結合能最大,輕核和重核的比結合能都比中等質量的原子核的比結合能要小。
(3)比結合能與原子核的穩定性
①比結合能的大小反映核的穩定程度。比結合能越大,原子核就越難拆開,表示該核
就越穩定。
②核子數較小的輕核與核子數較大的重核,比結合能都比較小,中等核子數的原子核,比結合能較大,表示這些原子核較穩定。
③當比結合能較小的原子核轉化成比結合能較大的原子核時,就可能釋放核能。
深度理解：結合能是原子核拆解成單個核子時吸收的能量,
而比結合能是原子核的結合能與其核子數之比。結合能和比結合能是兩個不同的物理量,結合能大的原子核,比結合能不一定大,結合能小的原子核,比結合能不一定小,相對來說,比結合能更有意義,它反映了原子核結合的穩定程度或分裂的難易程度。
四、質量虧損與質能方程
1.質量虧損
在核反應前后原子核的總質量并不相等,例如一個質子和一個中子結合成氘核的反應中,精確計算表明氘核的質量比一個中子和一個質子的質量之和要小一些,這種現象叫做質量虧損。質量虧損只有在核反應中才能明顯表現出來。
2.質能方程
愛因斯坦的相對論指出,物體的能量和質量之間存在著密切的聯系,其關系是：
這就是著名的愛因斯坦質能聯系方程,簡稱質能方程。
方程的含義是:物體具有的能量與它的質量之間存在著簡單的正比關系。物體的能量增大質量也增大,能量減小質量也減小。
注意:
在應用E=mc2或△E=△mc2.時,使用國際單位制單位,分別取J、kg、m/s;在計算△E時,注意對應質量△m。
3.核能的計算：原子核釋放能量時,要產生質量虧損,根據質能方程△E=△mc2
可以計算出產生的核能。
4.要點解讀
(1)核物理中常以碳原子質量的
作為原子質量單位,用“u”表示,
1u=1.6606×10-27kg;常以電子伏特(eV)作為能量單位,1eV=1.6×10-19J,則1u對應的能量為E=mc2=931.5
MeV。若△m的單位用“u”,由△E=△m(u)×931.5MeV進行計算,△E的單位是“MeV”
(2)物體的質量包括靜質量和動質量,質量虧損指的是靜質量的減少,減少的靜質量轉化為和輻射能量有關的動質量。
(3)質量虧損并不是這部分質量消失或轉變為能量,只是靜質量的減少。
(4)質量只是物體具有能量多少或能量轉變多少的一種量度。
(5)
衰變或衰變的同時伴隨有
光子放出,說明有質量虧損,即有能量放出。
五、對結合能、質量虧損及質能方程的理解
1.結合能與電離能的比較
(1)結合能與電離能
無論質子和質子之間,中子和中子之間,還是質子和中子之間,都存在核力,它們結合成原子核,為把它們分開而需要的能量叫結合能。要使氫原子電離,也就是要從氫原子中把電子剝離,需要通過碰撞、賦予光子等途徑讓電子得到能量,這個能量實際上就是電子與氫原子核的結合能,不過通常把它叫做氫原子的電離能。
2.對質量虧損和質能方程的理解
愛因斯坦質能方程反映的是質量虧損和釋放出核能這兩種現象之間的聯系,并不表示質量和能量之間的轉變關系。
(1)質量或能量是物質的屬性之一,絕不能把物質和它們的某一屬性(質量或能量)等同起來。
(2)質能方程揭示了質量和能量的不可分割性,建立了這兩個屬性在數值上的關系,這兩個量分別遵守質量守恒定律和能量守恒定律,質量和能量在數值上的聯系絕不等于這兩個量可以相互轉化;
(3)質量虧損不是否定了質量守恒定律,根據愛因斯坦的相對論,輻射出的
光子靜質量雖然為零,但它有動質量,而且這個動質量剛好等于虧損的質量,所以質量守恒、能量守恒仍成立。
六、衰變過程中核能的計算
衰變前原子核可看作靜止,動量為零,于是,根據動量守恒定律有：mr
vr
=m
v
粒子的速度比光速小得多,可以不考慮相對論效應,于是衰變后新原子核的反沖動能
Er=
=
。
所以E0=E
+Er
=(1+
)
=
=
(A是衰變前核的質量數）
E0=E
+Er
=(1+
)
=
=
(A是衰變前的核的質量數）
式中,已用核的質量數之比代替核質量之比,這樣做所帶來的誤差是很微小的,所以,要得到
衰變的衰變能E0,需要知道
粒子的動能
。
第十九章
原子核
19.6
核裂變
一、核裂變
1.重核裂變
(1)定義:使重核分裂成中等質量的原子核的核反應叫重核的裂變。
(2)重核裂變只發生在人為控制的核反應中,自然界不會自發地產生,而是發生衰變。
(3)一種典型的鈾核裂變:
U+
n→
Ba+
Kr+
3n
2.鏈式反應
(1)重核裂變產生的中子使裂變反應代接一代繼續下去的過程叫鏈式反應。
(2)臨界體積:能發生鏈式反應的最小體積叫臨界體積,相應的質量叫臨界質量。
(3)原子彈就是利用鈾核的鏈式反應制造的一種核武器。
(4)發生鏈式反應的條件:
①要有足夠濃度的鈾235;②要有足夠數量的慢中子;③鈾塊的體積要大于臨界體積。
3.核裂變的特點
(1)裂變釋放的能量很大
重核每個核子的平均結合能為△E1=7.7MeV,
中等核每個核子的平均結合能為△E2=8.6MeV.
如果一個重核U分裂成兩個中等核,將釋放能量：△E=(△E2-△E1)=21l.5MeV.
(2)裂變產物具有多樣性
同一原子核,可以裂變為不同種類和不同質量的裂塊.如鈾核,有時裂變為氙(Xe)和鍶(Sr),有時裂變為鋇(Ba)和氪(Kr)或銻(Sb)和鈮(Nb)等。
(3)裂變產物具有放射性
裂變產生的新核都具有放射性,經過一系列
β
衰變或直接發射中子后才能成為穩定的原子核.所以,裂變是人工獲取放射性同位素的重要方法。
(4)裂變能產生多個中子。
二、核電站
1.核電站
利用核能發電,它的核心設施是核反應堆,主要由核燃料、慢化劑、控制棒、熱循環介質、保護層等構成,如下表所示：
核燃料
慢化劑
控制棒
熱循環介質
保護層
采用的材料
濃縮鈾
石墨、重水或普通水(也叫輕水)
鎘
水或液態鈉
很厚的水泥外殼
作用
釋放核能
降低中子速度,便于鈾235吸收
采用在反應堆中插入鎘棒的方法,利用鎘吸收中子的特性,就可以容易地控制鏈式反應的速度。
把反應堆內的熱量傳輸出去
屏蔽射線，防止放射性污染。
2.工作原理
核燃料裂變釋放能量,使反應區溫度升高.
3.能量輸出
利用水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動,把反應堆內的熱量傳輸出去,用于發電.
4.核污染的處理
為避免射線對人體的傷害和放射性物質對水源、空氣和工作場所造成的放射性污染,在反應堆的外面需要修建很厚的水泥層,用來屏蔽裂變反應放出的各種射線,核廢料具有很強的放射性,需要裝入特制的容器,深埋地下.
19.7
核聚變
一、核聚變
1.核聚變
兩個輕核結合成質量較大的核,這樣的核反應叫做核聚變。
2.典型核聚變方程
H+
H→
He+
n+17.60MeV
3.核聚變發生的條件
(1)輕核的距離要達到10-15m以內.
(2)聚變可以通過高溫來實現,因此又叫熱核反應。
二、受控熱核反應
1.聚變裂反應和變反應相比的優點
(1)聚變反應產能效率高,即相同質量的核燃料,聚變反應比裂變反應放出的核能大得多。(2)聚變反應所用的燃料—氘,在地球上的儲量非常豐富。
(3)聚變反應產生的放射性廢料較少,處理起來比較簡單,而裂變時產生的放射性物質
較多,處理起來比較困難。
2.實現核聚變的難點
地球上沒有任何容器能夠經受發生核聚變的溫度,為解決這個難題,科學家設想了
兩種方案,即磁約束和慣性約束。
3.熱核反應的兩種方式
爆炸式熱核反應;受控式熱核反應(目前正處于探索、實驗階段)。
4.磁約束：
帶電粒子運動時在均勻磁場中會在洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應的物質。
慣性約束：
由于聚變反應的時間非常短，聚變物質因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應。在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應的物質，使它們“擠”在一起發生反應。
三、裂變和聚變產生的能量
輕核聚變是較輕的原子核聚合成質量較大的次輕核的核反應;重核裂變是質量較大的原子核分裂成中等質量的核的核反應.輕核聚變和重核裂變時都有質量虧損而釋放能量,而且聚變反應比裂變反應放出的能量更多。
1.聚變和裂變產生能量的原因
(1)可以從核子的比結合能上看,如圖所示：
由圖可知,鐵的比結合能最大,也就是核子結合成鐵或鐵附近的原子核時,每個核子平均放出的能量大。因此可知兩個比鐵輕的原子核結合時,或比鐵重的重核分裂時,都要放出能量.由此可見聚變和裂變都將釋放能量。
(2)也可以根據核子的平均質量圖分析,如圖所示,由圖中可以看出,鐵原子核子的平均質量最小。如果原子序數較大的A裂變成B和C,或者原子序數較小的D和E結合成F核,都會有質量虧損,根據愛因斯坦質能方程,都要放出能量.
2.聚變比裂變反應放出更多能量的原因
(1)平均每個核子放出的能量較多,是裂變反應的3~4倍。
(2)同樣質量的情況下,輕核的核子個數多,如氚和氘聚變為1kg氦時放出的能量：
2.65×1023eV.△E1=×6.02×1023×17.6MeV≈2.65×1033eV.
假如一個鈾核裂變時平均放出的能量為200MeV,則1kg鈾核全部裂變時放出的能量為
△E2=
×6.02×1023
×
200
MeV
≈
5×1032eV，
≈
5.3.
原子彈是裂變的結果,氫彈是利用輕核聚變制成。因而氫彈比原子彈威力更大。
人們渴望和平,所以要嚴禁核武器的生產和擴散。
19.8
粒子和宇宙
一、粒子及其分類
1.“基本粒子”不基本
在20世紀初,人們認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基
本的粒子,20世紀后半期,科學家發現質子、中子也有著自己的復雜結構,于是基本粒
子不再“基本”。
2.發現新粒子
(1)新粒子:1932年發現了正電子,1937年發現了μ子,1947年發現了
K
介子和
π
介子;后來又發現了質量比質子大的粒子,叫做超子。
(2)反粒子:實驗發現,許多粒子的質量、壽命、自旋等物理性質與過去已經發現的粒子相同而電荷及其他一些性質相反,這些粒子叫反粒子。由反粒子構成的物質叫反物質。
說明：反粒子最顯著的特點是當它們與相應的正粒子相遇時,會發生“湮滅”,即同時消失而轉化成其他的粒子。
3.粒子分類
(1)按照粒子與各種相互作用的不同關系,可以將粒子分為三大類:
強子、輕子和媒介子。
4.夸克
(1)定義:實驗表明,強子是有內部結構的.1964年提出的夸克模型,認為強子由更基本的成分組成,這種成分叫做夸克。
(2)分類:上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克共有六種,它帶的電荷量分別為元電荷的+
或
-
。每種夸克都有對應的反夸克。
(3)意義:夸克理論的最大突破是電子電荷不再是電荷的最小單元,即存在分數電荷。
(4)夸克禁閉:夸克不能以自由的狀態單個出現,這種性質稱為夸克的禁閉。
二、宇宙及恒星的演化
1.宇宙的演化
(1)宇宙起源于一次大爆炸,這種理論被稱為宇宙大爆炸理論；
(2)宇宙的演化經歷了：①強子時代;②輕子時代;③核合成時代;
④10萬年之后,隨著溫度降低逐步形成了恒星和星系。
2.恒星的演化
(1)恒星的誕生
大爆炸10萬年后,溫度下降到3000K左右,開始了恒星的形成過程:
宇宙塵埃
更密集的塵埃
氣體狀態的星云團
恒星
(2)恒星的穩定期
當溫度超過107K時,氫通過熱核反應成為氦,釋放的核能主要以電磁波的形式向外輻射.輻射產生的向外的壓力與引力產生的收縮壓力平衡,這時星體穩定下來.太陽目前正處于這一階段的中期,要再過50億年才會轉到另一個演化階段。
(3)恒星的衰老
當恒星核心部分的氫大部分聚變為氦以后,核反應變弱,輻射壓力下降。星體在引力作用下再次收縮，這時引力勢能產生的熱將使溫度升得更高,于是發生了氦核聚合成碳核的聚變反應。
當各種熱核反應都不再發生時,由熱核反應維持的輻射壓力也消失了。星體在引力作用下進一步收縮,中心密度達到極大。
(4)恒星的歸宿
恒星的最終歸宿與恒星的質量大小有關.當恒星的質量小與1.4倍太陽質量時,演變為白矮星;當恒星的質量是太陽質量的1.4~2倍時,演變為中子星;當恒星的質量更大時,演變為黑洞。
拓展延伸■
■對黑洞的理解
愛因斯坦在相對論中指出,任何物體的速度都不可能超過光速,由此可以推斷,對某種天體而言,任何物體都不能擺脫它的吸引而逃脫出來,這種天體就是我們常聽說的黑洞。
E=mc2或△E=△mc2.
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