2018版高考物理配套文档：第十三章 第2讲 原子核 Word版含解析

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一、原子核的组成
1．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)三种射线
2.原子核的组成
(1)原子核由质子(eq \\al(1,1)H)和中子(eq \\al(1,0)n)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(Z)＝质子数＝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eq \\al(A,Z)X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数．
(4)同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．
二、放射性元素的衰变
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：eq \\al(A,Z)X→eq \\al(A－4,Z－2)Y＋eq \\al(4,2)He
β衰变：eq \\al(A,Z)X→eq \\al(A,Z+1)Y＋eq \\al(0,-1)e
当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．
(3)两个典型的衰变方程
α衰变：eq \\al(eq \\al(238, ), 92)U→eq \\al(234, 90)Th＋eq \\al(4,2)He
β衰变：eq \\al(234, 90)Th→eq \\al(234, 91)Pa＋eq \\al(0,-1)e.
2．半衰期
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．
三、探测射线的方法
威尔逊云室，气泡室，盖革—米勒计数器．
四、放射性的应用与防护
1．应用射线：工业上可以测厚度、医疗方面可以放射治疗、照射种子来培育优良品种等．
2．示踪原子：有关生物大分子的结构及其功能的研究，要借助于示踪原子．
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．
4．裂变的应用：原子弹、核反应堆．
五、核裂变
1．典型的裂变反应方程：
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(89,36)Kr＋eq \\al(144, 56)Ba＋3eq \\al(1,0)n.
2．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．
3．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．
4．裂变的应用：原子弹核反应堆．
六、核聚变
1．典型的聚变反应方程：
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV
2．人工转变：
(1)卢瑟福发现质子：eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H.
(2)查德威克发现中子：eq \\al(9,4)Be＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n.
1．与原子核内部变化有关的现象是( )
A．α粒子散射现象
B．光电效应现象
C．电离现象
D．天然放射现象
答案 D
2．(2016·衢州市调研)医学界通过14C标记的C60发现了一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是( )
A．示踪原子 B．电离作用
C．催化作用 D．贯穿作用
答案 A
3．表示放射性元素碘131(eq \\al(131, 53)I)β衰变的方程是( )
A. eq \\al(131, 53)I→eq \\al(127, 53)Sb＋eq \\al(4,2)He B. eq \\al(131, 53)I→eq \\al(131, 54)Xe＋eq \\al(0,-1)e
C. eq \\al(131, 53)I→eq \\al(130, 53)I＋eq \\al(1,0) n D. eq \\al(131, 53)I→eq \\al(130, 52)Te＋eq \\al(1,1)H
答案 B
4. 1932年，英国物理学家查德威克用α射线轰击铍核(eq \\al(9,4)Be)时，产生了碳核(eq \\al(12, 6)C)和一种不受电场和磁场影响、穿透能力很强的射线，经过进一步证实，这种射线是( )
A．光子流 B．中子流
C．电子流 D．质子流
答案 B
5．太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少．太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近( )
A．1036 kg B．1018 kg C．1013 kg D．109 kg
答案 D
6．下列说法正确的是( )
A．重核裂变时放出能量，而轻核聚变时吸收能量
B．轻核聚变必须在很高的温度下才能进行
C．氢弹是利用轻核聚变制成的，因此它的威力比原子弹小
D．人类制成了原子弹，从而实现了用人工方法控制链式反应的速度，和平利用核能
答案 B
命题点一 原子核及核反应
例1 (多选)(2016·10月浙江选考·16)用中子(eq \\al(1,0)n)轰击铀核(eq \\al(235, 92)U)产生裂变反应，会产生钡核(eq \\al(144, 56)Ba)和氪核(eq \\al(89,36)Kr)并释放出中子(eq \\al(1,0)n)，当达到某些条件时可发生链式反应．一个铀核(eq \\al(235, 92)U)裂变时，释放的能量约为200 MeV(1 eV＝1.6×10－19 J)．以下说法正确的是( )
A. eq \\al(235, 92)U的裂变方程为eq \\al(235, 92)→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋2eq \\al(1,0)n
B. eq \\al(235, 92)U的裂变方程为eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
C. eq \\al(235, 92)U发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D．一个eq \\al(235, 92)U裂变时，质量亏损约为3.6×10－29 kg
解析 铀核在裂变过程中需要中子的轰击，产生链式反应，所以选项A错误，选项B正确．而链式反应在进行过程中，还需要铀矿达到临界体积才能维持链式反应持续不断进行下去，所以选项C正确．根据释放出来的核能，结合质能方程ΔE＝Δmc2可知，反应过程中，亏损质量为Δm＝eq \f(200×106×1.6×10－19,(3×108)2) kg≈3.6×10－28 kg，选项D错误．
答案 BC
1．核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头“→”连接并表示反应方向，不能用等号连接．
2．核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程．
3．核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化．
4．核反应遵循电荷数守恒．
题组阶梯突破
1．(多选)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约为5 700年，已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减少，现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是( )
A．该古木的年代距今约5 700年
B．12C、14C具有相同的中子数
C．14C衰变为14N的过程中放出β射线
D．增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变
答案 AC
解析 放射性元素经过一个半衰期剩下的原子核的质量是原来的一半，故该古木的年代距今约为5 700年，A正确；具有相同的质子数、不同的中子数的元素称为同位素，B错误；14C衰变为14N，电荷数增加1，说明放出了电子，发生了β衰变，C正确；半衰期由元素本身决定，与外界因素无关，D错误．
2．(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n.下列说法正确的有( )
A．上述裂变反应中伴随着中子放出
B．铀块体积对链式反应的发生无影响
C．铀核的链式反应可人工控制
D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响
答案 AC
解析 核裂变反应是重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应，A选项正确；铀块要发生链式反应需达到一定的体积，B选项错误；链式反应可人工控制用以建立核电站，C选项正确；原子核的半衰期是由原子核本身的性质决定，与其所处的环境或状态无关，D选项错误．
3．(多选)据报道，2014年3月4日英国兰开夏郡的一名13岁学生杰米·爱德华兹在学校实验室里成功完成了一项核试验，成为世界上实现聚变的最年轻的人，引起人们对氢元素、氢的同位素、核反应的热议．下列说法正确的是( )
A．氢原子光谱是线状谱
B．氘(eq \\al(2,1)H)可以发生α衰变
C.eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H―→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n是核聚变
D．核聚变都是可控的
答案 AC
解析 因为氢原子释放的能量是不连续的，氢原子的光谱是线状光谱，选项A正确；原子序数较大的原子核才可能发生α衰变，选项B错误；eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H―→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n是核聚变，选项C正确；核聚变并非都是可控的，选项D错误．
4. eq \\al(232, 90)Th(钍核)经过6次α衰变和4次β衰变后变成铅核，则( )
A．铅核的符号为eq \\al(208, 82) Pb，它比eq \\al(232, 90)Th少8个中子
B．铅核的符号为eq \\al(204, 78) Pb，它比eq \\al(232, 90)Th少16个中子
C．铅核的符号为eq \\al(208, 82)Pb，它比eq \\al(232, 90)Th少16个中子
D．铅核的符号为eq \\al(220, 78) Pb，它比eq \\al(232, 90)Th少12个中子
答案 C
解析 设铅核的质量数为M，核电荷数为Z，则由质量数守恒可得M＝232－6×4＝208，由核电荷数守恒可得Z＝90－6×2＋4×1＝82.则铅核的中子数N1＝208－82＝126，钍核的中子数N2＝232－90＝142.所以铅核的中子数比钍核的中子数少16个．C正确．
命题点二 核能的计算
例2 铀核裂变的一种方式是eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(143, 60)Nd＋eq \\al(90,40)Zr＋3eq \\al(1,0)n＋8X，该反应的质量亏损是0.2 u,1 u相当于931.5 MeV的能量．
(1)核反应方程中的X是____________．
(2)该反应放出的能量是________J．(结果保留3位有效数字)
解析 ①根据质量数和电荷数守恒得：X质量数为0，核电荷数为－1，故此粒子是电子 0－1e，②该核反应质量亏损为：Δm＝0.2 u，能量亏损为：ΔE＝0.2×931.5 MeV≈2.98×10－11 J.
答案 ①eq \\al(0,-1)e ②2.98×10－11 J
核能的计算方法
1．根据爱因斯坦质能方程列式计算：即ΔE＝Δmc2(Δm的单位：kg)．
2．根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量，则ΔE＝Δm×931.5 MeV(Δm的单位：u)．
3．核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能．
题组阶梯突破
5．(多选)“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)是我国自行研制的可控热核反应实验装置．设该实验反应前氘核(eq \\al(2,1)H)的质量为m1，氚核(eq \\al(3,1)H)的质量为m2，反应后氦核(eq \\al(4,2)He)的质量为m3，中子(eq \\al(1,0)n)的质量为m4，光速为c.下列说法中正确的是( )
A．这种装置中发生的核反应方程式是eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同
答案 ACD
解析 可控热核反应装置中发生的核反应方程式是eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n，故A正确；核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1＋m2≠m3＋m4，故B错误；核反应过程中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，释放的核能ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C正确；这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变，它们的核反应原理不同，故D正确．
6．氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋x，式中x是某种粒子．已知：eq \\al(2,1)H、eq \\al(3,1)H、eq \\al(4,2)He和粒子x的质量分别为2.0141 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝931.5 MeV.由上述反应方程和数据可知，粒子x是______，该反应释放出的能量为______MeV(结果保留3位有效数字)．
答案 eq \\al(1,0)n或中子 17.6
解析 由核电荷数守恒可知，x粒子的核电荷数为：1＋1－2＝0，由质量数守恒可知，x粒子的质量数为：2＋3－4＝1，则x粒子是eq \\al(1,0)n或中子；核反应过程中释放的能量为E＝Δmc2≈17.6 MeV.
1．(多选)以下是有关近代物理内容的若干叙述：其中正确的有( )
A．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用
B．太阳内部发生的核反应是热核反应
C．原子的核式结构模型是由汤姆逊在α粒子散射实验基础上提出的
D．关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象
答案 ABD
解析 核力为短程力，只能跟邻近的核子产生核力的作用，故A正确；太阳内部发生的是热核反应；故B正确；原子的核式结构模型是由卢瑟福在α粒子散射实验基础上提出的，故C错误；关于原子核内部的信息，最早来自于天然放射现象，故D正确．
2．在核反应堆外修建很厚的水泥层，是为了防止( )
A．核爆炸 B．放射性外泄
C．快中子外泄 D．慢中子外泄
答案 B
解析 核爆炸用水泥层是防不住的，反应堆内部是用镉棒控制中子数目，修建很厚的水泥层，是为了屏蔽放射线，B正确．
3．(多选)(2016·东阳市联考)有关放射性同位素eq \\al(30,15)P的下列说法，正确的是( )
A.eq \\al(30,15)P与eq \\al(30,14)X互为同位素
B.eq \\al(30,15)P与其同位素有相同的化学性质
C.用eq \\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期变长
D.含有eq \\al(30,15)P的磷肥释放正电子，可用作示踪原子，观察磷肥对植物的影响
答案 BD
解析 同位素有相同的质子数，所以选项A错误．同位素有相同的化学性质，所以选项B正确．半衰期与元素属于化合物或单质没有关系，所以eq \\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期不变，选项C错误．含有eq \\al(30,15)P的磷肥由于衰变，可记录磷的踪迹，所以选项D正确．
4．(多选)有关原子核的知识，下列说法正确的是( )
A．原子核可发生β衰变表明原子核中有电子
B．放射性元素的原子核经过2个半衰期将全部衰变
C．在核反应中，动量守恒
D．在核反应中，质量数和电荷数都守恒
答案 CD
解析 原子核内只有质子和中子，β衰变的实质是原子核中的中子转化为质子，并放出电子，选项A错误；放射性元素的原子核经过2个半衰期还剩余总量的eq \f(1,4)，选项B错误；核反应前后，满足动量守恒定律，选项C正确；在核反应前后，质量数和电荷数守恒，选项D正确．
5．曾任美国总统的老布什曾让医生们虚惊了一场，那是在访日宴会上突然昏厥，美国政府急忙地将他送回国，医生用123I进行诊断，通过体外跟踪，迅速查出了病因. 123I的特性是( )
A．半衰期长，能迅速从体内清除
B．半衰期长，并缓慢从体内清除
C．半衰期短，能迅速从体内清除
D．半衰期短，并缓慢从体内清除
答案 C
解析 利用放射性同位素123I放出的γ射线，穿透本领比α、β射线强.123I的半衰期较短，可以迅速从体内消失，不至于因长时间辐射而对身体造成伤害．故C对．
6．(多选)下列应用是把放射性同位素作为示踪原子的是( )
A．利用钴60治疗肿瘤等疾病
B．γ射线探伤
C．利用含有放射性碘131的油检测地下输油管的漏油情况
D．把含有放射性元素的肥料施给农作物用以研究农作物吸收养分的规律
答案 CD
解析 利用钴60治疗肿瘤和利用γ射线探伤是利用钴60或γ射线能量高、贯穿本领大的特点，故A、B错误；C、D项是利用放射性同位素作为示踪原子，故C、D正确．
7．(多选)下列说法正确的是( )
A．分别用X射线和绿光照射同一金属表面都能发生光电效应，则用X射线照射时光电子的最大初动能较小
B．用升温、加压或发生化学反应的方法不能改变放射性元素的半衰期
C．以mD、mp、mn分别表示氘核、质子、中子的质量，则mD＝mp＋mn
D．天然放射现象中的γ射线是原子核受激发产生的
答案 BD
解析 分别用X射线和绿光照射同一金属表面都能发生光电效应；由光电效应方程：Ek＝hν－W0，则用频率比较大的X射线照射时光电子的最大初动能较大；故A错误；半衰期与原子核所处的物理环境和化学状态无关，故B正确；质子和中子结合成氘核，有质量亏损，可知mD＜mp＋mn，故C错误；天然发射现象中的γ射线是原子核受激发产生的，故D正确．
8．放射性元素A经过2次α衰变和1次β衰变后生成一新元素B，则元素B在元素周期表中的位置较元素A的位置向前移动了( )
A．1位 B．2位 C．3位 D．4位
答案 C
解析 原子核经过一次α衰变，电荷数减小2，所以经过2次α衰变后电荷数减小4；同时，经过一次β衰变，电荷数增加1；所以元素A经过2次α衰变和1次β衰变后电荷数减小3，则生成的新元素在元素周期表中的位置向前移3位，故C正确，A、B、D错误．
9．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有( )
A.eq \\al(3,1)H＋eq \\al(2,1)H―→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n是核聚变反应
B.eq \\al(3,1)H＋eq \\al(2,1)H―→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n是β衰变
C.eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n―→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n是核裂变反应
D.eq \\al(235, 92) U＋eq \\al(1,0)n―→eq \\al(140, 54) Xe＋eq \\al(94,38)Sr＋2eq \\al(1,0)n是α衰变
答案 AC
解析 两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对，B错．重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对．原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变．原子核衰变的反应物只有一种，故D错．
10．在核反应堆中，使用的核燃料是钚239，裂变时释放出快中子，周围的铀238吸收快中子后变成铀239，铀239(eq \\al(239, 92)U)很不稳定，会发生β衰变成钚239(eq \\al(239, 94)Pu)
(1)铀239(eq \\al(239, 92)U)经过______次β衰变后变成钚239(eq \\al(239, 94)Pu)．
(2)写出铀239(eq \\al(239, 92)U)衰变成钚239(eq \\al(239, 94)Pu)核的反应方程式：____________.
(3)若铀239(eq \\al(239, 92)U)的质量为m1，钚239(eq \\al(239, 94)Pu)的质量为m2，电子的质量为m3，光速为c，则铀239(eq \\al(239, 92)U)衰变成钚239(eq \\al(239, 94)Pu)放出的能量为__________．
答案 (1)2 (2)eq \\al(239, 92)U―→eq \\al(239, 94)Pu＋2 0－1e (3)(m1－m2－2m3)c2
解析 (1)从铀239(eq \\al(239, 92)U)到钚239(eq \\al(239, 94)Pu)电荷数增加2，故经过了2次β衰变；(2)核反应方程为：eq \\al(239, 92) U―→eq \\al(239, 94)Pu＋2 0－1e；(3)反应的质量亏损是：Δm＝(m1－m2－2m3)，根据质能方程E＝mc2可知，放出的能量为ΔE＝(m1－m2－2m3)c2.
11.eq \\al(238, 92)U核经一系列的衰变后变成eq \\al(206, 82)Pb核，问：
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？
(2) eq \\al(206, 82)Pb和eq \\al(238, 92)U相比，质子数和中子数各少了多少？
(3)综合写出这一衰变过程的方程．
答案 (1)8 6 (2)10 22
(3)eq \\al(238, 92)U―→eq \\al(206, 82)Pb＋8eq \\al(4,2)He＋6 0－1e
解析 (1)设eq \\al(238, 92)衰变为eq \\al(206, 82)Pb经过x次α衰变和y次β衰变．由质量数守恒和核电荷数守恒可得
238＝206＋4x①
92＝82＋2x－y②
联立①②解得x＝8，y＝6.即一共经过8次α衰变和6次β衰变．
(2)因为原子核的核电荷数等于质子数，因此质子数减少了92－82＝10个．原子核的质量数为质子数与中子数的和，故中子数减少量为(238－92)－(206－82)＝22个．
(3)此核反应方程为eq \\al(238, 92)U―→eq \\al(206, 82)Pb＋8eq \\al(4,2)He＋6eq \\al(0,-1)e.知识内容
必考要求
加试要求
说明
原子核的组成
a
1.不要求识记反映三种放射线穿透能力的数据．
2.不要求知道威尔逊云室、气泡室的工作原理．
3.不要求知道盖革—米勒计数器的技术细节．
4.不要求了解比结合能概念以及比结合能曲线．
5.不要求了解核电站的工作流程．
6.不要求知道受控核聚变中的技术问题．
7.不要求识记新粒子以及各种夸克的名称．
8.不要求识记宇宙与恒星演化的细节.
放射性元素的衰变
c
探测射线的方法
a
放射性的应用与防护
a
核力与结合能
c
核裂变
c
核聚变
c
粒子和宇宙
a
名称
构成
符号
电离能力
贯穿本领
α射线
氦核
eq \\al(4,2)He
最强
最弱
β射线
电子
eq \\al(0,-1)e
较强
较强
γ射线
光子
γ
最弱
最强