第五章 原子核 知识点清单 高中物理人教版（2019）选择性必修第三册

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新教材 人教版 高中物理选择性必修第三册第5章知识点清单目录第5章　原子核第1节 原子核的组成第2节 放射性元素的衰变第3节 核力与结合能第4节 核裂变与核聚变　第5节 “基本”粒子第5章　原子核第1节 原子核的组成一、天然放射现象1. 放射性：物质发出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。2. 放射性的发现(1)1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性。(2)玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)、镭(Ra)。3. 天然放射现象放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象。原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线。二、射线的本质1. α射线：是α粒子流，速度可达到光速的110，其电离能力强，穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。2. β射线：是电子流，速度可以接近光速，电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。3. γ射线：呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10-10 m以下。它的电离作用更弱，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。三、原子核的组成1. 质子的发现2. 中子的发现3. 原子核的组成：质子和中子都是原子核的组成成分，它们统称为核子。4. 原子核的符号5. 同位素核中质子数相同而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，它们互称同位素。例如，氢有三种同位素，分别是 11H、12H、13H。四、天然放射现象及三种射线1. α、β、γ射线性质、特征比较2. 三种射线在匀强电场和匀强磁场中的偏转特点(1)在同一匀强电场中，相同条件下，α射线偏移量较小，β射线偏移量较大，γ射线不偏移。(2)在同一匀强磁场中，相同条件下，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转。3. 元素的放射性如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，都具有放射性。放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。也就是说，放射性与元素存在的状态无关，仅与原子核有关，射线来自原子核。因此，原子核也存在着一定结构。五、原子核的组成1. 原子核的“数”与“量”的辨析(1)原子核的电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量总是质子电荷量的整数倍，我们把这个整数叫原子核的电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量。(2)原子核的质量数与质量是不同的。原子核内质子和中子的总数叫作原子核的质量数，原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和。α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)电荷量2e-e0质量4mpmp1 836 静止质量为零符号 24He −1 0e γ速度可达0. 1c可达0. 99cc垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转不偏转穿透能力最弱较强最强电离作用很强较弱很弱第2节 放射性元素的衰变一、原子核的衰变1. 定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。2. 衰变的类型：一种是α衰变，另一种是β衰变，而γ射线是伴随α衰变或β衰变产生的。3. 经典衰变方程(1)α衰变：放出α粒子的衰变，如 92238U→ 90234Th+24He(2)β衰变：放出β粒子的衰变，如 90234Th→ 91234Pa+−10e4. 衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。二、半衰期1. 定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。2. 决定因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。不同的放射性元素，半衰期不同。三、核反应1. 定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程。2. 原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程为 714N+24He→817O+11H3. 遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。四、放射性同位素及其应用 辐射与安全1. 放射性同位素：具有放射性的同位素。2. 放射性同位素的应用(1)射线测厚仪：工业部门可以使用放射性同位素发出的射线来测厚度。(2)放射治疗：在医疗方面，患了癌症的病人可以接受放射治疗。(3)培优、保鲜：利用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，经过筛选，可以培育出新品种。用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期。(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置。3. 辐射与安全人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。五、原子核的衰变及半衰期的理解与应用1. 确定原子核衰变次数的方法设放射性元素 X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素 Y，则衰变方程为 ZAX→Z'A'Y+n24He+m−10e根据质量数守恒和电荷数守恒可列式A=A'+4n，Z=Z'+2n-m以上两式联立解得n=A−A'4，m=A−A'2+Z'-Z。由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。2. 两种衰变的比较3. 半衰期的理解(1)半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量。不同的放射性元素，半衰期不同，有的差别很大。(2)半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变。4. 半衰期公式N余=N原12tτ，m余=m012tτ，式中N原、m0分别表示衰变前的原子数和质量，N余、m余分别表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期。第3节 核力与结合能一、核力与四种基本相互作用1. 四种基本相互作用 2. 核力及核力的特点(1)核力：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。这种作用称为强相互作用。(2)核力的特点：距离增大时，强相互作用急剧减小，它的作用范围只有约10-15 m，即原子核的大小，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存在了，它是短程力。二、结合能1. 结合能原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。组成原子核的核子越多，它的结合能越大。衰变类型α衰变β衰变方程通式 ZAX→Z−2A−4Y+24He ZAX→Z+1AY+−10e衰变实质原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子原子核内的一个中子变成质子，同时放出一个电子201n+211H→24He 01n→11H+−10e匀强磁场中轨迹的形状  规律应用电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2. 比结合能原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。三、质量亏损1. 爱因斯坦质能方程：E=mc2。2. 质量亏损原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。3. 核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm与它们在相互结合过程中放出的能量的关系为ΔE=Δmc2。4. 比结合能的特点(1)不同原子核的比结合能是不一样的。(2)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。四、结合能和质量亏损1. 比结合能与原子核稳定的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。(2)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。2. 质量亏损与质能方程(1)质量亏损，并不是质量消失。(2)质能方程E=mc2说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，建立了这两个属性在数值上的关系，但不等于这两个量可以相互转化。(3)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量增加；质量减少，则总能量减少，这时质能方程也写作ΔE=Δmc2。3. 计算核能的方法(1)根据质量亏损计算核能先计算质量亏损Δm：根据核反应方程及各原子核的质量，计算核反应前后的质量亏损Δm。再计算核能ΔE：若Δm的单位是千克，则应用ΔE=Δmc2计算核能，ΔE的单位是焦耳；若Δm的单位是u，则应用ΔE=Δm×931. 5 MeV计算核能，ΔE的单位是MeV。(2)根据能量守恒和动量守恒来计算核能参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，利用动量守恒和能量守恒可以计算出核能的变化。(3)利用比结合能来计算核能原子核的结合能=原子核的比结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。释放能量→总结合能增加吸收能量→总结合能减小第4节 核裂变与核聚变　第5节 “基本”粒子一、核裂变的发现1. 核裂变的发现1938年年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，这类核反应定名为核裂变。2. 铀核裂变用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的反应是 92235U+ 01n→56144Ba+3689Kr+301n。铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。3. 链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。4. 发生链式反应的条件：发生核裂变物质的体积大于临界体积或物质的质量大于临界质量。二、反应堆与核电站1. 核能释放的控制：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。2. 慢化剂：反应堆中，为了使核裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。3. 控制棒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，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。4. 能量输出核燃料发生核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。5. 核污染的处理在反应堆外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。三、核聚变1. 定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。2. 经典反应：12H+13H→24He+01n+17. 6 MeV3. 发生核聚变的条件要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能。有一种方法，就是把它们加热到很高的温度，当物质的温度高达几百万开尔文时，一部分原子核发生核聚变，因此核聚变又叫热核反应。4. 实例(1)太阳能：太阳的主要成分是氢。太阳的中心温度达1. 6×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自太阳内部核聚变释放的核能。(2)氢弹：目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。5. 核聚变的优点(1)轻核聚变产能效率高。(2)地球上核聚变燃料的储量丰富。(3)轻核聚变更为安全、清洁。6. 实现可控热核反应的方案(1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质。目前性能最好的一种磁约束装置是环流器。(2)惯性约束：核聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。四、“基本”粒子1. 粒子的分类(1)强子：强子是参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。(2)轻子：轻子不参与强相互作用。最早发现的轻子是电子，后来发现的轻子有电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子。(3)规范玻色子：规范玻色子是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用 ，胶子传递强相互作用。(4)希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。五、核裂变与核聚变(1)原子核受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复合核，复合核中由于核子的剧烈运动，使核变成不规则的形状。(2)原子核分裂：核子间的距离增大，核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子。这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。2. 发生链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。(2)铀块的质量大于临界质量。以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足。导师点睛    (1)铀核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地生裂变，而是会发生衰变。(2)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。3. 核聚变的特点(1)从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。(2)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。(3)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。(4)普遍性：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。