2023新教材高考物理一轮第十五章原子结构和波粒二象性原子核第3讲放射性元素的衰变核能课件

第3讲　放射性元素的衰变　核能\n必备知识·自主排查关键能力·分层突破\n必备知识·自主排查\n一、放射现象、原子核的组成、衰变1．天然放射现象：(1)天然放射现象：放射性元素________地发出射线的现象，首先由________发现．天然放射现象的发现，说明________具有复杂的结构．放出的射线有α射线、β射线、γ射线三种．(2)放射性同位素的应用与防护①放射性同位素：有________放射性同位素和________放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同．②应用：工业测厚、放射治疗、作为________等．③防护：防止放射性物质对环境的污染和对人体组织的伤害．自发贝可勒尔原子核天然人工示踪原子\n2．三种射线的比较：名称构成符号电荷量质量电离能力穿透能力α射线氦核________4u________β射线________u____较强γ射线光子γ____0最弱____2e最强较差电子－e较弱0最强\n3.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________．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＝__________________．②质量数(A)＝________＝质子数＋中子数．(3)X元素的原子核的符号为，其中A表示________，Z表示核电荷数．核子中性原子的核外电子数核子数质量数\n4．放射性元素的衰变、半衰期：(1)原子核的衰变：①原子核放出________或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变．②规律：________和________都守恒．③分类α衰变：Y＋________，例：β衰变：Y＋________，例：+α粒子电荷数质量数e\n(2)半衰期①定义：放射性元素的原子核有________发生衰变所需的时间．②影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核________自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________关系．③公式：N＝，m余＝半数内部没有\n二、核力和核能1．核力(1)概念：原子核内部，________所特有的相互作用力．(2)特点：核力是强相互作用力、短程力，只发生在相邻的核子间．2．核能(1)质能关系：E＝________(2)核能的释放：核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其释放的能量ΔE＝________．(3)核能的吸收：原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝________．核子mc2Δmc2Δmc2\n三、重核裂变和轻核聚变1．重核裂变：(1)定义：质量数较________的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较________的原子核的过程．(2)特点①裂变过程中________巨大能量．②裂变的同时能够释放出2～3(或更多)个________．③裂变的产物不是唯一的．对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小．大小释放出中子\n(3)典型的裂变反应方程＋―→＋＋3____．(4)链式反应：由重核裂变产生的________使裂变反应一代接一代继续下去的过程．(5)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生________的最小体积及其相应的质量．(6)裂变的应用：________、核反应堆．(7)反应堆构造：核燃料、慢化剂、________、防护层．中子链式反应原子弹镉棒\n2．轻核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量________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________反应．(2)特点①产能效率高；②燃料的储量丰富；③安全、清洁．(3)典型的聚变反应方程n＋17.6MeV.较大热核\n【教材拓展】1.[人教版选择性必修第三册P109图5.2－2]\n(1)β衰变中的电子来源于原子核外电子．()(2)天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分.()(3)原子核是由质子和电子组成的.()(4)人工放射性同位素被广泛地应用．()(5)发生β衰变时，新核的电荷数不变.()(6)半衰期是一个统计规律．对少数原子核不适用.()(7)三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是γ射线、β射线、α射线.()(8)目前核电站多数是采用核聚变反应发电.()(9)轻核聚变比重核裂变的产能效率更高.()×√×√×√√×√\n2．(多选)钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素．已知钚的一种同位素的半衰期为24100年，其衰变方程为→X＋＋γ，下列有关说法正确的是()A．X原子核中含有143个中子B．80个经过24100年后一定还剩余40个C．衰变发出的γ射线是频率很高的电磁波，具有很强的穿透能力D．由于衰变时释放出巨大能量，根据E＝mc2可知，衰变过程总质量增加答案：AC\n解析：本题考查元素的衰变和质能方程．根据核反应前后电荷数守恒和质量数守恒得X的电荷数为94－2＝92，质量数为239－4＝235，则中子数为235－92＝143，故A正确；半衰期具有统计规律，对大量的原子核适用，故B错误；衰变发出的γ射线是频率很高的电磁波，具有很强的穿透能力，故C正确；在衰变的过程中，根据质能方程知，有能量放出，则一定有质量亏损，故D错误．\n3．(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.n是核聚变反应Bn是β衰变Cn是核裂变反应D＋答案：AC解析：A、B所列反应是核聚变，不是β衰变，β衰变要放出电子，故A对，B错；C、D两种反应都是核裂变，故C对，D错．\n4．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n，已知的质量为2.0136u，的质量为3.0150u，的质量为1.0087u，1u＝931.5MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV答案：B解析：本题考查质能方程的计算．氘核聚变反应的质量亏损Δm＝2m氘－m氦－mn＝0.0035u，则该反应释放的核能ΔE＝Δm×931.5MeV≈3.3MeV，故选B.\n关键能力·分层突破\n考点一　原子核的衰变、半衰期1．确定衰变次数的方法：(1)设放射性元素经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素，则表示该核反应的方程为→＋He＋m.根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程.2．对半衰期的理解：(1)半衰期是统计规律，描述的是大量原子核衰变的规律．(2)放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．\n3．α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变过程Y＋→＋衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子＋2→→＋匀强磁场中的轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒\n例1[2021·河北卷，1]银河系中存在大量的铝同位素26Al.26Al核β＋衰变的衰变方程为→＋，测得26Al核的半衰期为72万年．下列说法正确的是()A．26Al核的质量等于26Mg核的质量B．26Al核的中子数大于26Mg核的中子数C．将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中，其半衰期不变D．银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年以后全部衰变为26Mg答案：C\n解析：26Al发生衰变的过程中释放正电子的同时还有核能释放，发生质量亏损，所以26Al核的质量大于26Mg核的质量，故A错误；26Al核的中子数n1＝26－13＝13，而26Mg核的中子数n2＝26－12＝14，所以26Al核的中子数小于26Mg核的中子数，故B错误；半衰期是原子核固有的属性，与物理环境和化学状态无关，故C正确；铝同位素26Al的半衰期为72万年，所以经过144万年也就是两个半衰期后还剩下没有衰变，故D错误．\n命题分析试题情境属于基础性题目，以放射性同位素铝26衰变为素材创设学习探索问题情境必备知识考查衰变方程、半衰期等知识关键能力考查理解能力、推理能力．理解放射性元素的衰变规律和半衰期知识学科素养考查物理观念中的物质观、科学思维．要求考生利用电荷数守恒和质量数守恒、半衰期分析判断\n【跟进训练】1.[2021·湖南卷，1]核废料具有很强的放射性，需要妥善处理．下列说法正确的是()A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害答案：D\n解析：根据半衰期的定义可知，放射性元素经过两个完整的半衰期后，还剩原来的未衰变，A错误；原子核衰变时电荷数和质量数都守恒，B错误；放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系，因此改变压力、温度或浓度，放射性元素的半衰期不变，C错误；过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，若辐射强度在安全剂量内则不会对人体组织造成伤害，D正确．\n2．[2021·广东卷，1]科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26.铝26的半衰期为72万年，其衰变方程为→＋Y.下列说法正确的是()A．Y是氦核B．Y是质子C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变答案：C解析：根据电荷数守恒与质量数守恒可知Y为正电子，A、B错误．经过一个半衰期，铝26衰变一半，经过两个半衰期，铝26还剩下四分之一，C正确，D错误．\n3．[2021·全国甲卷，17]如图，一个原子核X经图中所示的一系列α、β衰变后，生成稳定的原子核Y，在此过程中放射出电子的总个数为()A．6B．8C．10D．14答案：A解析：根据图像可得其原子核分别为、，设经历α衰变x次，β衰变y次，由于β衰变不会改变原子核的质量数，则可根据衰变前后质量数的变化求解α衰变的次数，即x＝＝8，根据电荷数守恒求β衰变的次数，即y＝82＋2x－92＝6，而只有β衰变才放出电子，故β衰变6次，放出6个电子，故选项B、C、D错误，选项A正确．\n考点二　核反应类型与核反应方程核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发→＋β衰变自发→＋人工转变人工控制＋→＋(卢瑟福发现质子)＋→＋(查德威克发现中子)＋→＋(约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时探测到正电子)→＋重核裂变比较容易进行人工控制＋→＋＋3＋→＋＋10轻核聚变很难控制＋→＋\n【跟进训练】4.[2021·浙江6月，14](多选)对四个核反应方程(1)→＋；(2)→＋；(3)＋→＋；(4)＋→＋＋17.6MeV.下列说法正确的是()A．(1)(2)式核反应没有释放能量B．(1)(2)(3)式均是原子核衰变方程C．(3)式是人类第一次实现原子核转变的方程D．利用激光引发可控的(4)式核聚变是正在尝试的技术之一答案：CD解析：(1)是α衰变，(2)是β衰变，均有能量放出，A错误；(3)是人工核转变，B错误；(3)式是人类第一次实现原子核转变的方程，C正确；利用激光引发可控的(4)式核聚变是正在尝试的技术之一，D正确．\n5．(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是()A．→＋是α衰变B．＋→＋是β衰变C．＋→＋是轻核聚变D．→＋2是重核裂变答案：AC解析：B选项是卢瑟福发现质子的核反应，B选项错误；D选项是β衰变，D选项错误．A、C选项正确．\n6．(多选)新冠病毒是一种传染病毒，传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式模型，类似于核裂变链式反应模型．铀裂变核反应方程为＋→＋＋R，其中n表示中子．裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”．\n下列说法正确的有()A．从铀裂变核反应方程看，“传染系数”R＝2B．核反应堆中通过镉板吸收中子降低“传染系数”C．链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为1D．核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关答案：BC解析：中子的电荷数Z＝0，质量数A＝1，核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒，因此可计算得R＝3，故A错误；核反应堆中通过镉板吸收中子，减少轰击铀核的中子数，最终起到降低实际“传染系数”的作用，所以B正确；在链式反应中，当实际“传染系数”R≥1时，反应才能持续发展下去，当实际“传染系数”R<1时，反应将趋于停滞，即R＝1是链式反应持续下去的临界值，故C正确；核反应堆中还可以通过铀棒来控制核反应的速率，实际上就是通过调整铀浓度来控制实际“传染系数”，所以D错误．\n考点三　核能及其计算1．核能的计算方法：―→(1)根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”．(2)根据ΔE＝Δm×931.5MeV计算．因1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．\n2．应用规律：\n例2[2022·苏州一模]一个静止的铀核(质量为232.0372u)放出一个α粒子(质量为4.0026u)后衰变成钍核(质量为228.0287u)，已知1u相当于931MeV的能量．下列说法正确的是()A．该核衰变反应方程为B．该核衰变反应中释放出的核能为0.059MeVC．该反应产生的钍核和α粒子的动量相同D．假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能，则钍核获得的动能约为0.017MeV答案：A\n解析：由题意可知，该核衰变反应方程为选项A正确；质量亏损Δm＝0.0059u，释放出的核能ΔE＝Δm×931MeV＝0.0059×931MeV≈5.49MeV，选项B错误；由该核衰变反应过程中系统动量守恒，可知反应后的钍核和α粒子的动量大小相等、方向相反，即pTh＝－pα，EkTh＝，Ekα＝，EkTh＝Ekα＝ΔE，所以钍核获得的动能EkTh＝×ΔE＝×5.49MeV≈0.095MeV，选项C、D错误．\n【跟进训练】7.(多选)2021年1月30日，“华龙一号”全球首堆福建福清核电5号机组投入商业运行．这是中国核电发展的重大跨越，标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列，成为继美国、法国、俄罗斯等国家之后真正掌握自主三代核电技术的国家．“华龙一号”运用了先进的百万千瓦级压水堆核电技术，设某核反应方程为＋→＋＋3，其中、、、的质量分别为m1、m2、m3、m4，光速为c.下列说法正确的是()A．此核反应为核聚变反应B．及的比结合能小于的比结合能C．一次核反应释放的核能为E＝(m1－m2－m3－2m4)c2D．核燃料需达到临界体积才能发生链式反应答案：CD\n解析：“华龙一号”压水堆核电技术利用的是核裂变反应，目前核聚变技术还不成熟，没有投入商用，A错误及是中等质量的核，其比结合能均大于重核的比结合能，B错误．根据爱因斯坦质能方程，可知一次核反应释放的核能为E＝(m1－m2－m3－2m4)c2，C正确．原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，裂变反应时，核燃料需达到临界体积才能使中子有足够大的概率打中某个铀核，才能发生持续的核反应，D正确．\n8．[2022·山东荷泽模拟]2019年8月我国已经建成了新托卡马克(EAST)装置——中国环流器二号M装置(HL2M)，为“人造太阳”创造了条件，其等离子温度有望超过2亿摄氏度，将中国的聚变堆技术提升到了新的高度．设该热核实验反应前氘核()的质量为m1，氚核()的质量为m2，反应后氦核()的质量为m3，中子()的质量为m4.关于聚变的说法正确的是()A．核裂变比核聚变更为安全、清洁B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较聚变前减少D．HL2M中发生的核反应方程式是答案：D\n解析：轻核聚变比核裂变更为安全、清洁，选项A错误；棱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选项B错误；两个轻核结合成质量较大的核，根据质量亏损与质能方程，则有聚变后比结合能将增大，选项C错误；根据质量数和电荷数守恒知HL－2M中发生的核反应方程式是n，选项D正确．故选D.