2020版新一线高考物理（人教版）一轮复习教学案：第12章第2节　核反应和核能

第2节　核反应和核能

知识点一| 原子核的组成　放射性同位素

1．原子核的组成

(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。质子带正电，中子不带电。

(2)基本关系

①核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数。

②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数。

(3)X元素的原子核的符号为X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数。

2．天然放射现象

(1)天然放射现象：元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。

(2)放射性和放射性元素：物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。

(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线。

3．放射性同位素的应用与防护

(1)同位素：具有相同质子数和不同中子数的原子核。

(2)放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。

(3)应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。

(4)防护：防止放射性对人体组织的伤害。

(1)原子核是由质子、中子、电子组成的。 (×)

(2)α射线、β射线、γ射线的组成是三种不同的粒子。 (×)

(3)α、β、γ三种射线中，α射线的电离作用最强。 (√)

1．(2019·上海检测)人类认识到原子核的结构是复杂的，是从发现下列哪一现象开始的(　　)

A．阴极射线　　　 B．光电效应

C．天然放射性现象   D．发现质子

C　[天然放射性现象是原子核内部变化产生的，人类认识原子核的复杂结构并进行研究是从发现天然放射性现象开始的，C正确。]

2．(多选)关于天然放射性，下列说法正确的是(　　)

A．所有元素都可能发生衰变

B．放射性元素的半衰期与外界的温度无关

C．放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性

D．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线

BC　[自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项A错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素无关，选项B、C正确；原子核发生衰变时，不能同时发生α和β衰变，γ射线伴随这两种衰变产生，故选项D错误。]

知识点二| 原子核的衰变和半衰期

1．原子核的衰变

(1)原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。

(2)分类：α衰变：X→Y＋He；

β衰变：X→Y＋e。

2．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)衰变规律：N＝N0、m＝m0。

(3)影响因素：由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理化学状态无关。

(1)半衰期与温度无关。  (√)

(2)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个。(×)

(3)所有元素都可以发生衰变。 (×)

考法1　原子核的衰变

1.(2019·常德模拟)某一放射性物质发生衰变时放出α、β、γ三种射线，让这三种射线进入磁场，运动情况如图所示，下列说法正确的是(　　)

A．该放射性物质的半衰期随温度的升高会增大

B．C粒子是原子核的重要组成部分

C．A粒子一定带正电

D．B粒子的穿透性最弱

C　[半衰期由原子核本身决定，与外界因素无关，故A错误；由题图可知C粒子为电子，而原子核带正电，故B错误；由左手定则可知，A粒子一定带正电，故C正确；B粒子为γ射线，穿透性最强，故D错误。]

2.Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变，变成Pb(铅)。以下说法中错误的是(　　)

A．铅核比钍核少8个质子

B．铅核比钍核少16个中子

C．共经过4次α衰变和6次β衰变

D．共经过6次α衰变和4次β衰变

C　[设α衰变次数为x，β衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得232＝208＋4x,90＝82＋2x－y，解得x＝6，y＝4，C错误，D正确；铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A正确；铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B正确。]

3.实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意图如图所示，则(　　)

A．轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外

B．轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外

C．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里

D．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里

D　[根据动量守恒定律，原子核发生β衰变后产生的新核与电子的动量大小相等，设为p。根据qvB＝，得轨道半径r＝＝，故电子的轨迹半径较大，即轨迹1是电子的，轨迹2是新核的。根据左手定则，可知磁场方向垂直纸面向里。选项D正确。]

[考法指导]　(1)α衰变和β衰变的比较

(2)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。

其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子。

考法2　半衰期的理解与计算

4．若元素A的半衰期为4天，元素B的半衰期为5天，则相同质量的A和B，经过20天后，剩下的质量之比mA∶mB为(　　)

A．30∶31　　　　　　 B．31∶30

C．1∶2               D．2∶1

C　[由m＝m0有mA＝m0，mB＝m0，得mA∶mB＝1∶2。C正确。]

5．(多选)(2019·南通模拟)钍Th具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤Pa，同时伴随有γ射线产生，其方程为Th→Pa＋X，钍的半衰期为24天。则下列说法中正确的是(　　)

A．X为质子

B．X是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的

C．γ射线是镤原子核放出的

D．1 g钍Th经过120天后还剩0.312 5 g

BC　[根据电荷数和质量数守恒知，钍核衰变过程中放出了一个电子，即X为电子，故A错误；发生β衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子时产生的，故B正确；γ射线是镤原子核放出的，故C正确；钍的半衰期为24天，1 g钍Th经过120天即经过5个半衰期，故经过120天后还剩0.031 25 g，故D错误。]

考法3　衰变中的动量守恒

6．(多选)静止的铝原子核Al俘获一速度为2.8×107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si。下列说法正确的是(　　)

A．核反应过程中系统动量守恒

B．俘获前质子的动能等于俘获后硅原子核的动能

C．硅原子核的速度为1.0×106 m/s

D．硅原子核处于静止状态

AC　[质子与铝原子核碰撞满足动量守恒，由动量守恒有27m×0＋m×2.8×107＝28mv，得碰后硅原子核速度v＝1.0×106 m/s，碰撞是一个完全非弹性碰撞，机械能不守恒，A、C正确，B、D错误。]

7.实验观察到静止在匀强磁场中A点的原子核U发生α衰变，衰变方程为U→Th＋He，两个新核的运动轨迹如图所示。则下列说法正确的是(　　)

A．钍核与α粒子半径之比是1∶45

B．钍核与α粒子半径之比是45∶1

C．钍核与α粒子半径之比是1∶46

D．两原子核的运动轨迹应是两圆内切

A　[上述核反应满足动量守恒，即p1＝p2＝p，由半径公式：R＝＝知，钍核与α粒子半径之比等于其电量的倒数比，即R1∶R2＝2∶90＝1∶45，同种电荷轨迹为外切，故A对，B、C、D错。]

知识点三| 核反应与核能

1．核力

(1)定义：原子核内部核子间特有的相互作用力。

(2)核力的特点

①是强相互作用的一种表现；

②是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内；

③每个核子只能与其相邻的核子发生核力作用。

2．结合能

核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫作原子核的结合能，也称核能。

3．比结合能

(1)定义：原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能。

(2)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。

4．质能方程、质量亏损

爱因斯坦质能方程E＝mc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2。

5．核反应

在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒。

6．重核裂变

(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。

(2)典型的裂变反应方程：

U＋n→Kr＋Ba＋3n

(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。

(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。

(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。

(6)反应堆构造：核燃料、慢化剂、镉棒、防护层。

7．轻核聚变

(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。

(2)典型的聚变反应方程：

H＋H→He＋n＋17.6 MeV

(1)重核裂变和轻核聚变都能释放核能。 (√)

(2)核反应中质量数守恒，故没有质量亏损。 (×)

(3)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。 (×)

考法1　四类核反应

1．(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有(　　)

A．U→Th＋He是α衰变

B．N＋He→O＋H是β衰变

C.H＋H→He＋n是轻核聚变

D.Se→Kr＋2e是重核裂变

AC　[α衰变是放射出氦核的天然放射现象，A正确；β衰变是放射出电子的天然放射现象，而B项是发现质子的原子核人工转变，故B错误；C项是轻核的聚变，D项是β衰变现象，故C正确，D错误。]

2.(2018·全国卷Ⅲ)1934年，约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋Al→n＋X。X的原子序数和质量数分别为(　　)

A．15和28　　　 B．15和30

C．16和30   D．17和31

B　[据α粒子和中子的质量数和电荷数写出核反应方程：He＋Al→n＋X，结合质量数守恒和电荷数守恒得，A＝4＋27－1＝30，Z＝2＋13－0＝15，原子序数等于核电荷数，故B正确。]

[考法指导]　核反应的四种类型

考法2　结合能与比结合能的理解

3.(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的有(　　)

A．He核的结合能约为14 MeV

B．He核比Li核更稳定

C．两个H核结合成He核时释放能量

D.92U核中核子的平均结合能比Kr核中的大

BC　[He核有4个核子，由比结合能图线可知，He核的结合能约为28 MeV，A错。比结合能越大，原子核越稳定，B对。两个H核结合成He核时，核子的比结合能变大，结合时要放出能量，C对。由比结合能图线知，U核中核子平均结合能比Kr核中的小，D错。]

4．(2019·广元模拟)一静止原子核A衰变为2个静止原子核B和6个电子并释放热量E，其中A的核子比结合能为E1，B的比结合能为E2，释放时一个电子的初动能为E3，则下列说法正确的是(　　)

A．放出的B粒子为B

B．E2－E1＝E3＋E

C．比结合能E1小于比结合能E2

D．该反应过程质量一定增加

C　[A衰变为2个静止原子核B和6个电子，则B的质量数2m′＝m，所以m′＝，B的电荷数2n′＝n＋6，所以n′＝＋3，则B粒子为B，A错误。A的结合能为m·E1，B的结合能为m·E2，根据能量守恒可得m·E2－m·E1＝E＋6E3，B错误。核反应的过程中释放热量，可知比结合能E1小于比结合能E2，C正确。该反应的过程中释放热量，由质能方程可知，一定有质量亏损，D错误。]

考法3　质量亏损　核能的计算

5.(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U→Th＋He。下列说法正确的是(　　)

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

B　[衰变过程遵守动量守恒定律，故选项A错，选项B对。根据半衰期的定义，可知选项C错。α衰变释放核能，有质量亏损，故选项D错。]

6.(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：H＋H→He＋n。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(　　)

A．3.7 MeV　　　 B．3.3 MeV

C．2.7 MeV   D．0.93 MeV

B　[在核反应方程H＋H→He＋n中，反应前物质的质量m1＝2×2.013 6 u＝4.027 2 u，反应后物质的质量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝4.023 7 u，质量亏损Δm＝m1－m2＝0.003 5 u。则氘核聚变释放的核能为E＝931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，选项B正确。]