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第 2課時(shí)　原子核
基礎(chǔ)知識歸納
1.天然放射現(xiàn)象
(1)天然放射現(xiàn)象：某些物質(zhì)能　自發(fā)　發(fā)射出人眼看不見但能使照相底片感光的射線，物質(zhì)發(fā)射這種射線的性質(zhì)叫做放射性.天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，揭示了原子核也具有　復(fù)雜結(jié)構(gòu)　.
(2)半衰期
放射性元素的原子核有　半數(shù)　發(fā)生衰變需要的時(shí)間叫半衰期.半衰期與放射性元素的多少及物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，只由　核內(nèi)部的因素　決定，不同的元素有不同的半衰期.
三種射線的本質(zhì)和特性
名稱實(shí)質(zhì)射出
速度電離
作用穿透本領(lǐng)云室中徑跡
α射線高速
氦核流 較強(qiáng)小紙片即
可擋住直而粗
β射線高速
電子流 較弱較強(qiáng)(穿透幾毫
米厚的鋁板)細(xì)而彎曲
γ射線高能
光子流c更小強(qiáng)(穿透幾厘
米厚的鉛板)一般看不到
(3)放射性同位素的利用主要有兩個(gè)途徑：一是利用它的　射線　，二是作為　示蹤原子　.　過量的放射線　會(huì)對環(huán)境造成污染，對人類和自然界產(chǎn)生破壞作用.為了防止一些人工合成的放射性物質(zhì)和天然的放射性物質(zhì)對環(huán)境造成的污染，人們需要采取有效措施.
2.原子核的變化
(1)衰變：
α衰變：原子核放出α粒子.其衰變規(guī)律：
β衰變：原子核放出β粒子.其衰變規(guī)律：
γ衰變：α衰變或β衰變時(shí)形成的新核不穩(wěn)定，釋放出γ光子.
(2)人工核轉(zhuǎn)變：
(發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng))
(人工制造放射性同位素)
(3)重核的裂變： 在一定條件下(超過臨界體積)，裂變反應(yīng)會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng).鈾235核能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的　臨界體積　.
核反應(yīng)堆的構(gòu)造：
A.核燃料??用鈾棒(含 U,3%～4%的濃縮鈾).
B.減速劑??用石墨、重水或普通水( U只吸收慢中子).
C.控制棒??用鎘做成(鎘吸收中子的能力很強(qiáng)).
D.冷卻劑??用水或液態(tài)鈉(把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳遞出去).
(4)輕核的聚變：21H＋31H→42He＋10n(需要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反應(yīng))
3.核能及其運(yùn)用
(1)核力：原子核的半徑很小，其中的質(zhì)子之間的庫侖力很大，受到這么大的庫侖斥力卻能是穩(wěn)定狀態(tài)，一定還有另外一種力把各核子緊緊地拉在一起，這種力叫做　核力　.
①核力是很強(qiáng)的力.
②核力作用范圍小，只在2.0×10－15 m短距離內(nèi)起作用.
③每個(gè)核子只跟它相鄰的核子間才有核力作用.
(2)核能
①結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時(shí)放出一定的能量，原子核分解成核子時(shí)吸收一定能量，這種能量叫　結(jié)合能　.
②質(zhì)量虧損：核子結(jié)合生成原子核，所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些，這種現(xiàn)象叫做　質(zhì)量虧損　.
也可以認(rèn)為在核反應(yīng)中，參加核反應(yīng)的總質(zhì)量m和核反應(yīng)后生成的核總質(zhì)量m′之差：Δm＝m－m′.
③愛因斯坦質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對論指出：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們的關(guān)系是：E＝mc2，這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程.
質(zhì)能方程的另一個(gè)表達(dá)形式是：ΔE＝Δmc2.
4.粒子物理學(xué)
到19世紀(jì)末，人們認(rèn)識到物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成.
20世紀(jì)30年代以來，人們認(rèn)識了正電子、μ子、K介子、π介子等粒子.后來又發(fā)現(xiàn)了各種粒子的反粒子(質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反).
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種，形成了粒子物理學(xué).按照粒子物理理論，可以將粒子分成三大類：媒介子、輕子和強(qiáng)子，其中強(qiáng)子是由更基本的粒子??夸克組成.從目前的觀點(diǎn)看，媒介子、輕子和夸克是沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)狀”粒子.用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化.
重點(diǎn)難點(diǎn)突破
一、半衰期由什么決定，如何計(jì)算
1.半衰期是研究衰變過程的一個(gè)重要概念.放射性元素的衰變規(guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只適用于含有大量原子的樣品，半衰期表示放射性元素的大量原子核有50%發(fā)生衰變所需要的時(shí)間，表示大量原子核衰變的快慢，對某一個(gè)原子核而言，半衰期是無意義的，因此這個(gè)核何時(shí)發(fā)生衰變，會(huì)受到各種偶然因素的影響.同樣地，當(dāng)樣品中原子數(shù)目減少到統(tǒng)計(jì)規(guī)律不再起作用的時(shí)候，也就不能肯定在某一時(shí)間里這些原子核會(huì)有多少發(fā)生衰變了，所以不能根據(jù)半衰期來推斷放射性元素的樣品全部衰變完所需的時(shí)間.
2.決定因素：由原子核本身決定，與外部的物理?xiàng)l件、化學(xué)變化等因素?zé)o關(guān).
3.公式：N余＝N原(12) 　M余＝M原(12)
式中N原、M原分別表示衰變前放射性元素的原子核個(gè)數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時(shí)間，T表示半衰期.
二、如何推斷核衰變的次數(shù)
兩種衰變規(guī)律為
AZX→A－4Z－2Y＋42He，AZX→AZ＋1Y＋0－1e.
由此可知，α衰變時(shí)其質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)都改變，β衰變時(shí)只改變核電荷數(shù)，不改變質(zhì)量數(shù).所以在判斷發(fā)生幾次α和β衰變的問題時(shí)，必須先由質(zhì)量數(shù)的變化來確定α衰變的次數(shù).
三、怎樣正確寫出核反應(yīng)方程
解決這類問題的方法：一是要掌握核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律；二是要熟悉和掌握教材中出現(xiàn)的重要核反應(yīng)方程式，并知道其意義；三是要熟記常見的基本粒子的符號，如質(zhì)子、中子、α粒子、β粒子、正電子、氘核、氚核等.另外，還要注意在寫核反應(yīng)方程時(shí)，不能無中生有，必須是確實(shí)存在、有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的核反應(yīng).
另外，核反應(yīng)通常是不可逆的，方程中只能用箭頭“→”連接并指示反應(yīng)方向，而不是用“＝”連接.
四、三種射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí)有何特點(diǎn)
三種射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí)有以下特點(diǎn)：
1.不論在電場還是磁場中，γ射線總是做勻速直線運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生偏轉(zhuǎn).
2.在勻強(qiáng)電場中，α和β粒子沿相反方向做類平拋運(yùn)動(dòng)，且在同樣的條件下，β粒子的偏移大.
如圖所示，粒子在電場力方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，位移x可表示為x＝12at2＝qE2m(y0v)2∝qmv2.
典例精析
1.α、β、γ三種射線的性質(zhì)
【例1】如圖所示，x為未知放射性源，L為一薄鋁片，N、S可以提供強(qiáng)磁場.當(dāng)將強(qiáng)磁場移走時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率不變，然后鋁片移開，則計(jì)數(shù)率大幅度上升，這些現(xiàn)象說明放射源是(　　)
A.純?chǔ)铝Ｗ臃派湓碆.純?chǔ)霉庾臃派湓?br>C.α粒子和β粒子混合放射源D.α粒子和γ光子混合放射源
【解析】鋁片L已將α射線擋住，故通過L的可能是β射線和γ射線.當(dāng)將強(qiáng)磁場移開時(shí)，由于不受強(qiáng)磁場的偏轉(zhuǎn)作用，若含有β射線，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率增大，題意為不變，說明放射源中不含β射線.將鋁片移開，計(jì)數(shù)率大幅度上升，說明放射源中含α粒子.
【答案】D
【思維提升】根據(jù)三種射線的不同特性進(jìn)行判斷.
【拓展1】一天然放射性物質(zhì)射出三種射線，經(jīng)過一個(gè)勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場共存的區(qū)域(方向如圖所示)，調(diào)整電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小，使得在MN上只有兩個(gè)點(diǎn)受到射線照射，下面的哪種判斷是正確的(已知α粒子比β粒子速度小)( C )ks5u.com
A.射到b點(diǎn)的一定是α射線
B.射到b點(diǎn)的一定是β射線
C.射到b點(diǎn)的一定是α射線或β射線
D.射到b點(diǎn)的一定是γ射線
【解析】γ射線不帶電，在電場或磁場中它都不受場的作用，只能射到a點(diǎn)，因此D選項(xiàng)不對.調(diào)整E和B的大小，即可以使帶正電的α射線沿直線前進(jìn)，也可以使帶負(fù)電的β射線沿直線前進(jìn).沿直線前進(jìn)的條件是電場力與洛倫茲力平衡，即qE＝qBv
已知α粒子比β粒子的速度小得多，當(dāng)我們調(diào)節(jié)使α粒子沿直線前進(jìn)時(shí)，速度大的β粒子向右偏轉(zhuǎn)，有可能射到b點(diǎn)，當(dāng)我們調(diào)節(jié)使β粒子沿直線前進(jìn)時(shí)，速度較小的α粒子也將會(huì)向右偏，也可能射到b點(diǎn)，因此C選項(xiàng)正確，而A、B選項(xiàng)都不對.
2.半衰期
【例2】(1)關(guān)于放射性元素的半衰期，下列說法正確的是(　　)
A.是原子核質(zhì)量減少一半所需的時(shí)間
B.是原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間
C.把放射性元素放在密封的容器中，可以減慢放射性元素的半衰期
D.可以用來測定地質(zhì)年代、生物年代等
(2)設(shè)鐳226的半衰期為1.6×103年，質(zhì)量為100 g的鐳226經(jīng)過4.8×103年后，有多少克鐳發(fā)生衰變？若衰變后的鐳、變?yōu)殂U206，則此時(shí)鐳、鉛質(zhì)量之比為多少？
【解析】(2)經(jīng)過三個(gè)半衰期，剩余鐳的質(zhì)量為
M′余＝M原(12)tT＝100×18 g＝12.5 g
已衰變的鐳的質(zhì)量為(100－12.5) g＝87.5 g
設(shè)生成鉛的質(zhì)量為m，則226∶206＝87.5∶m
得m＝79.8 g
所以鐳、鉛質(zhì)量之比為125∶798
【答案】(1)BD　(2)87.5 g；125∶798
【思維提升】(1)半衰期是原子核有半數(shù)發(fā)生衰變，變成新核，并不是原子核的數(shù)量、質(zhì)量減少一半.
(2)要理解半衰期公式中各物理量的含義.
【拓展2】目前，在居家裝修中經(jīng)常用花崗巖、大理石等裝修，這些巖石都不同程度含有放射性元素，比如，有些含有鈾、釷的花崗石會(huì)釋放出放射性的惰性氣體氡，而氡會(huì)發(fā)生放射性衰變，放出α、β、γ射線，這些射線會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生癌變及呼吸道等方面的疾病，根據(jù)有關(guān)放射性知識可知，下列說法正確的是( B )
A.氡的半衰期為3.8天，若取8個(gè)氡原子核，經(jīng)7.6天后一定剩下2個(gè)氡原子核
B.β衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子和電子所產(chǎn)生的
C.γ射線一般伴隨著α或β射線產(chǎn)生，在這三種射線，γ射線的穿透能力最強(qiáng)，電離能力也最強(qiáng)
D.發(fā)生α衰變時(shí)，生成核與原來的原子核相比，中子數(shù)減少了4
2.質(zhì)量虧損與核能的計(jì)算
【例3】已知氮核質(zhì)量mN＝14.007 53 u，氧核質(zhì)量m0＝17.004 54 u，氦核質(zhì)量mHe＝4.003 87 u，質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.008 15 u，試判斷核反應(yīng)：
H＋42He→ O＋11H
是吸能反應(yīng)，還是放能反應(yīng)？能量變化多少？
【解析】先計(jì)算出質(zhì)量虧損Δm，然后由1 u相當(dāng)于931.5 MeV能量代入計(jì)算即可.
反應(yīng)前總質(zhì)量mN＋mHe＝18.011 40 u
反應(yīng)后總質(zhì)量mO＋mH＝18.012 69 u
因?yàn)榉磻?yīng)中質(zhì)量增加，所以此反應(yīng)為吸能反應(yīng)，所吸收能量為
ΔE＝Δmc2＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV＝1.2 MeV
【思維提升】(1)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損Δm的數(shù)值乘以真空中光速的平方，即ΔE＝Δmc2.
(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5 MeV，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.
【拓展3】一個(gè)靜止的232 92U(原子質(zhì)量為232.037 2 u)，放出一個(gè)α粒子(原子質(zhì)量為4.002 60 u)后，衰變成228 90Th(原子質(zhì)量為228.028 7 u).假設(shè)放出的核能完全變成Th核和α粒子的動(dòng)能，試計(jì)算α粒子的動(dòng)能.
【解析】反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)量虧損
Δm＝mU－(mTh＋mα)＝0.005 9 u
反應(yīng)中釋放的核能
ΔE＝Δm×931.5 MeV＝5.5 MeV
在U核衰變過程中動(dòng)量守恒、能量守恒，則
0＝mαvα－mThvTh
ΔE＝12mαv2α＋12mThv2Th
解以上兩式得
ΔE＝(mαvα)22mα＋(mThvTh)22mTh
＝(mαvα)2(mTh＋mα)2mαmTh
則α粒子的動(dòng)能
Eα＝12mαv2α
＝mThmTh＋mαΔE
＝228228＋4×5.5 MeV
＝5.41 MeV


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