高考物理总复习12.3放射性元素的衰变核能课件PPT

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【微点拨】1.对放射性的三点说明:(1)贝克勒尔最早发现天然放射现象。(2)原子序数大于或等于83的元素,都能自发地发出射线,原子序数小于83的元素,有的也能放出射线。(3)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。
2.核能与核反应的三点注意:(1)中等大小的核的比结合能最大(平均每个核子的质量亏损最大),这些核最稳定。(2)核反应堆中常用的慢化剂有石墨、重水和普通水;用镉棒控制链式反应的速度。(3)与重核裂变相比,轻核聚变具有产能效率高、燃料丰富、安全、清洁的优点。
【慧眼纠错】(1)放射性元素的放射性强度受温度、外界压强的影响。纠错:_______________________________________________________________________。
放射性元素的放射性强度不受温度、外界压强
的影响,与其所处的化学状态无关
(2)α、β、γ三种射线中,α射线的穿透能力最强。纠错:________________________________________________________。
α、β、γ三种射线中,α射线的穿透能力最
(3)假如有1 000个某种放射性元素的原子核,经过一个半衰期,有500个原子核发生了衰变。纠错:_________________________________________________。(4)β衰变产生的电子来自于核外电子。纠错:_______________________________________________。
半衰期描述的是统计规律,只有对大量原子核才
β衰变是原子核的衰变,中子向质子转变时产生
(5)高温、高压的情况下,放射性元素的半衰期将会变短。纠错:_________________________________________________________________________________。
放射性元素衰变的快慢由原子核内部自身因素
决定,与原子所处的化学状态和外界条件无关
(6)爱因斯坦的质能方程反映了物质的质量就是能量,二者可以相互转化。纠错:_________________________________________________________________________________。
爱因斯坦的质能方程只是说明了质量与能量之
间存在数值关系,不能说明二者可以相互转化
考点1　原子核的衰变　半衰期【典题探究】 【典例1】(2017·全国卷Ⅱ)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰变方程为 下列说法正确的是世纪金榜导学号04450264(　　)
A.衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
【解析】选B。根据动量守恒定律可知衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小,B正确;根据Ek= 可知衰变后钍核的动能小于α粒子的动能,A错误;半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间,C项错误,衰变后质量亏损,因此α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量,D项错误。
【通关秘籍】 1.α衰变、β衰变的比较:
2.衰变次数的确定方法:(1)确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律,设放射性元素 X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素 Y,则表示该核反应的方程为 根据质量数守恒和电荷数守恒可列:
A=A′+4n　 Z=Z′+2n-m由以上两式联立解得 由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。
(2)因为β衰变对质量数无影响,可先由质量数的改变确定α衰变的次数,然后根据衰变规律确定β衰变的次数。
3.对半衰期的理解:(1)放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,叫作这种元素的半衰期。(2)半衰期表示放射性元素衰变的快慢,不同的放射性元素其半衰期不同。(3)半衰期描述的对象是大量的原子核,不是单个原子核,这是一个统计规律。
(4)一种元素的半衰期与这种元素是以单质形式还是以化合物形式存在无关,且加压、增温均不会改变。(5)要理解半衰期表达式中各物理量的含义,在表达式m= m0中,m是指剩余的原子核的质量,而不是衰变的质量。
【考点冲关】 1.(多选)(2018·济南模拟)核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少,我国在完善核电安全基础上将加大核电站建设。核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素,它可破坏细胞基因,提高患癌症的风险。
已知钚的一种同位素 Pu的半衰期为24 100年,其衰变方程为 下列有关说法正确的是(　　)
A.X原子核中含有92质子B.100个 Pu经过24 100年后一定还剩余50个C.由于衰变时释放巨大能量,根据E=mc2,衰变过程总质量增加D.衰变发出的γ射线是波长很短的光子,具有很强的穿透能力
【解析】选A、D。根据电荷数守恒、质量数守恒知,X的电荷数为92,质量数为235,则有92质子,故A项正确;半衰期具有统计规律,对大量的原子核适用,故B项错误;由于衰变时释放巨大能量,根据E=mc2,衰变过程总质量减小,故C项错误;衰变发出的γ射线是波长很短的光子,具有很强的穿透能力,故D项正确。
2.(2018·潍坊模拟)14C是碳元素的一种具有放射性的同位素,其半衰期约为5 700年。在某次研究中,测得考古样品中14C的含量大约是鲜活生命体中14C含量的 ,则样品生活的年代约是(　　)A.11 400年前B.17 100年前C.22 800年前D.45 600年前
【解析】选B。设原来14C的质量为M0,衰变后剩余质量为M,则有:M=M0× ,其中n为发生半衰期的次数,由题意可知剩余质量为原来的 ,故n=3,所以死亡时间为:3×5 700=17 100年,故A、C、D项错误,B项正确。
【加固训练】关于天然放射线性质的说法正确的是 (　　)A.γ射线就是中子流B.α射线有较强的穿透性C.β射线是高速电子流D.电离本领最强的是γ射线
【解析】选C。γ射线是高频率的电磁波,它是伴随α或β衰变放出的,故A项错误;α、β、γ三种射线中穿透能力最强的是γ射线,α射线穿透能力最弱,一张厚的黑纸就可以挡住α射线。电离能力最强的是α射线,γ射线电离能力最弱,故B、D项错误;β是原子核内的中子变为质子时放出的电子,是高速的电子流,故C项正确。
考点2　核反应类型与核反应方程　　　　　　 【典题探究】 【典例2】(2016·全国卷Ⅱ)在下列描述的核过程的方程中,属于α衰变的是________,属于β衰变的是__________,属于裂变的是__________,属于聚变的是__________。世纪金榜导学号04450265 
【解析】原子核发生α衰变会产生一个新核和 He,所以选项C是α衰变;原子核发生β衰变会产生一个新核和 e,所以A、B选项为β衰变;重核被轰击后,发生裂变会产生几个质量差不多的新核,所以选项E为裂变;两个轻核结合成质量较大的核的核反应,为核聚变,所以选项F为核聚变。答案:C　A、B　E　F
迁移1:人工核反应下面列出的是一些核反应方程: 其中(　　)A.X是正电子,Y是质子 　B.X是中子,Y是正电子C.X是中子,Y是质子 D.X是质子,Y是中子
【解析】选C。根据质量数和电荷数守恒可得: ,X是中子 Y是质子 H,故A、B、D项错误,C项正确。
迁移2:重核裂变(2018·济宁模拟)铀核裂变的产物是多样的,一种典型的铀核裂变的核反应方程是 则下列叙述正确的是(　　)
A.X原子核中含有86个中子B.X原子核中含有144个核子C.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以裂变后的总质量数减少D.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以裂变后的总质量数增加
【解析】选B。根据质量数守恒,则X的质量数:m=235+ 1-89-3=144,可知X原子核中含有144个核子;根据核电荷数守恒,得:z=92-36=56,所以X中的中子数:n=m-z=144-56=88,可知X原子核中含有88个中子,故A项错误,B项正确;在核反应的过程中,质量数是守恒的。总质量数既不减小,也不增加,故C项错误,D项错误。
迁移3:轻核聚变(2018·洛阳模拟)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电,显示了EAST装置具有良好的整体性能,使等离子体约束时间达1 000 s,温度超过1亿摄氏度,这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆
截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘,在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1,中子的质量为m2， He的质量为m3,质子的质量为m4,则下列说法中正确的是(　　)
A.两个氘核聚变成一个 He所产生的另一个粒子是质子B.两个氘核聚变成一个 He所产生的另一个粒子是电子C.两个氘核聚变成一个 He所释放的核能为(2m1-m3-m4)c2D.两个氘核聚变成一个 He所释放的核能为(2m1-m3-m2)c2
【解析】选D。根据核反应过程中质量数和电荷数守恒,可以写出该聚变反应方程式: 则两个氘核聚变成一个 He所产生的另一个粒子是中子,故A、B项错误;根据核反应方程可知质量亏损Δm=2m1-m3-m2;根据爱因斯坦质能方程E=Δmc2,可得两个氘核聚变成一个 He所释放的核能为(2m1-m3-m2)c2,故C项错误,D项正确。
【通关秘籍】 1.核反应的四种类型:
2.核反应方程式的书写规范:(1)熟记常见基本粒子的符号,是正确书写核反应方程的基础。如质子
(2)掌握核反应方程遵守的规律,是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据。由于核反应不可逆,所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。
(3)核反应过程中质量数守恒,电荷数守恒。注意:质量数守恒不是质量守恒,核反应过程中伴随着能量的释放,反应前后质量会变化,一般质量会亏损。
考点3　核能及其计算　　　　　　 【典题探究】 【典例3】(2017·全国卷Ⅰ)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电,氘核聚变反应方程是 已知 H的质量为2.013 6 u， He的质量为3.015 0 u， n的质量为1.008 7 u,1 u =931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为世纪金榜导学号04450266(　　)
A.3.7 MeV　　 B. 3.3 MeVC. 2.7 MeV MeV 【解析】选B。氘核聚变反应的质量亏损Δm=2m氘-m氦-mn=0.003 5 u,则该反应释放的核能为ΔE=Δm×931 MeV=3.258 5 MeV≈3.3 MeV。
【通关秘籍】 1.获得核能的途径:(1)重核裂变:重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程。重核裂变的同时放出几个中子,并释放出大量核能。为了使铀235裂变时发生链式反应,铀块的体积应大于它的临界体积。
(2)轻核聚变:某些轻核结合成质量较大的核的反应过程,同时释放出大量的核能,要想使氘核和氚核结合成氦核,必须达到几百万度以上的高温,因此聚变反应又叫热核反应。
2.核能的计算方法:(1)根据ΔE=Δmc2计算核能,Δm的单位是kg,c的单位是m/s,ΔE的单位是J。(2)根据ΔE=Δm×931.5 MeV计算核能,Δm的单位是u,u是原子质量单位,其中1 u相当于931.5 MeV的能量,ΔE的单位是MeV。
(3)根据平均结合能计算核能,原子核的结合能=平均结合能×核子数。(4)可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能,此时应该注意动量、动能关系式p2=2mEk的应用。
【考点冲关】 1.(2018·衡水模拟)一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核,同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3,普朗克常量为h,真空中的光速为c。下列说法正确的是(　　)世纪金榜导学号04450267
A.核反应方程是 B.聚变反应中的质量亏损Δm=m3-m1-m2C.辐射出的γ光子的能量E=(m3-m1-m2)cD.γ光子的波长λ=
【解析】选D。根据电荷数守恒、质量数守恒知,该核反应方程为： ,故A项错误;聚变反应中的质量亏损Δm=m1+m2-m3,根据爱因斯坦质能方程知,辐射的光子能量ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3)c2,故B、C项错误;根据ΔE=h 得,波长λ= 故D项正确。
2.(2018·庆阳模拟)一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn= 1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u。(1)写出聚变方程。(2)释放出的核能多大?(3)平均每个核子释放的能量是多大?
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒可知,核反应方程式为：(2)该核反应中质量亏损:Δm=1.007 3 u+2×1.008 7 u-3.018 0 u=0.006 7 u,则释放的核能:ΔE=Δmc2=0.006 7×931 MeV=6.24 MeV。
(3)平均每个核子释放的能量:E= =2.08 MeV。答案:(1)见解析　(2)6.24 MeV　(3)2.08 MeV
【加固训练】在某些恒星内部,3个α粒子可以结合成一个 C核,已知 C核的质量为m1=1.993 02×10-26 kg,α粒子的质量为m2=6.646 72×10-27 kg,真空中光速c=3×108 m/s,求:
(1)写出这个核反应方程。(2)这个核反应中释放的核能(保留一位有效数字)。试比较α粒子的比结合能与 C的比结合能哪个大?
【解析】(1)3个α粒子可以结合成一个 C核,这个核反应方程是 (2)由爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,有:ΔE=Δmc2= (3×6.646 72×10-27-1.993 02×10-26)×(3×108)2J=9×10-13 J结合能与核子数的比值即为比结合能,因此可知,α粒子的比结合能小于 C的比结合能。
答案:(1)(2)9×10-13 J C的比结合能大