選修3-5.3.2放射性元素的衰變--核能

1、第2講 放射性元素的衰變 核能,考點1 三種射線、兩種衰變,1.天然放射現(xiàn)象(1)天然放射現(xiàn)象.元素_______地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn).天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明________具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu).(2)放射性和放射性元素.物質(zhì)發(fā)射某種看不見的射線的性質(zhì)叫________.具有放射性的元素叫________元素.,自發(fā),原子核,放射性,放射性,(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是_____

2、____、___________、___________.(4)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù).①放射性同位素：有_________放射性同位素和_________放射性同位素兩類，放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同.②應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、作__________等.③防護(hù)：防止放射性對人體組織的傷害.2.原子核的衰變(1)原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種________的變化稱為__________的衰變.,α射線,β射線,

3、γ射線,天然,人工,示蹤原子,原子核,原子核,(2)分類. (3)半衰期：放射性元素的原子核有________發(fā)生衰變所需的時間.半衰期由原子核內(nèi)部的因素決定，跟原子所處的_______________無關(guān).,半數(shù),物理、化學(xué)狀態(tài),42He,0-1e,物理、化學(xué)狀態(tài),2.α衰變、β衰變的比較,3.對半衰期的兩點說明(1)根據(jù)半衰期的概念,可總結(jié)出公式.N余=N原( )t/τ，m余=m原( )t/τ.式中N原、m原表

4、示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，τ表示半衰期.(2)影響因素:放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部因素決定的,跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān).,考點2 核反應(yīng)的四種類型核反應(yīng)的四種類型比較,42He,0-1e,11H,10n,10n,01e,310n,1010n,10n,關(guān)于核反應(yīng)的三點說明(1)核反應(yīng)過程一般都

5、是不可逆的，所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向，不能用等號連接.(2)核反應(yīng)的生成物一定要以實驗為基礎(chǔ)，不能憑空只依據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程.(3)核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；遵循電荷數(shù)守恒.,考點3 核能1.核力：核子間的作用力.核力是短程力，作用范圍在___________m之內(nèi)，只在相鄰的核子間發(fā)生作用.2.核能：核子結(jié)合為原子核時_______的能量或原子核分解為核子時_______

6、_的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能.3.質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程E=______，原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Δm,這就是質(zhì)量虧損.由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE=_______.,1.5×10-15,釋放,吸收,mc2,Δmc2,1.對核力的三點說明(1)核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)；(2)核力是短程力，作用范圍在1.5×10-15 m之內(nèi)；(3)每個核子只跟它的相鄰核子間才

7、有核力作用.2.結(jié)合能與比結(jié)合能(1)結(jié)合能：把構(gòu)成原子核的結(jié)合在一起的核子分開所需的能量.(2)比結(jié)合能：①定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能.②特點：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定.,3.獲得核能的兩種途徑(1)重核裂變：①定義:質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過程.②特點:a.裂變過程中能夠放出巨大

8、的能量;b.裂變的同時能夠放出2～3(或更多)個中子;c.裂變的產(chǎn)物不是惟一的.對于鈾核裂變有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比較小.③典型的分裂方程:,(2)輕核聚變.①定義：某些輕核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)較大的原子核的反應(yīng)過程.②特點:a.聚變過程放出大量的能量,平均每個核子放出的能量,比裂變反應(yīng)中每個核子放出的能量大3至4倍.b.聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)更劇烈.c.對環(huán)境污染較少.d.自然界中聚變反應(yīng)原料豐富.③典型的

9、聚變方程:,衰變與其射線【例證1】(2011·重慶高考)核電站核泄漏的污染物中含有碘131和銫137.碘131的半衰期約為8天，會釋放β射線；銫137是銫133的同位素，半衰期約為30年，發(fā)生衰變時會輻射γ射線.下列說法正確的是( )A.碘131釋放的β射線由氦核組成B.銫137衰變時輻射出的γ光子能量小于可見光光子能量C.與銫137相比，碘131衰變更慢D.銫133和銫137含有相同的質(zhì)子數(shù),【解題指南】解答本

10、題時要把握以下三點：(1)半衰期的長短代表了衰變的快慢.(2)光子能量大小由頻率高低決定.(3)同位素的核電荷數(shù)相同.【自主解答】選D.β射線是高速運動的電子流，不是氦原子核，A錯誤；γ射線的頻率大于可見光的頻率，根據(jù)E=hν可知，γ射線光子能量大于可見光光子能量，B錯誤；半衰期越短，衰變越快，C錯誤；銫133和銫137都是銫元素，是質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同位素，所以D正確.,【總結(jié)提升】解答本題關(guān)鍵在于搞清三種射線的性質(zhì)，以及半衰

11、期及同位素的概念.對易錯選項及錯誤原因具體分析如下：,核反應(yīng)類型與核反應(yīng)方程【例證2】(2011·北京高考)表示放射性元素碘 衰變的方程是( ),【解題指南】解答本題時要把握以下兩點：(1)在原子核衰變過程中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒.(2)β 衰變是原子核放出高速電子流. 【自主解答】選B. 碘( )的原子核內(nèi)一個中子放出一個電子，變成一個質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)沒有發(fā)生變化，核電荷數(shù)增加1，所以生

12、成54號元素 放出一個電子.B選項正確.,【總結(jié)提升】核反應(yīng)方程的書寫方法(2)掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)，所以要理解并應(yīng)用好質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律.(3)熟悉核反應(yīng)的四種基本類型，可以幫助我們理清思路，很快寫出正確的核反應(yīng)方程.,與核能相關(guān)的綜合問題【例證3】(11分)钚的放射性同位素23994Pu靜止時衰變?yōu)殁櫤思ぐl(fā)態(tài)23592U*、α粒子,而鈾核激發(fā)

13、態(tài)23592U*立即衰變?yōu)殁櫤?3592U,并放出能量為0.097 MeV的γ光子.已知:23994Pu、23592U和α粒子的質(zhì)量分別為mPu=239.052 1 u、mU=235.043 9 u和mα=4.002 6 u,1 u=931.5 MeV/c2.(1)寫出衰變方程;(2)已知衰變放出的光子的動量可忽略,求α粒子的動能.,【解題指南】解答本題時可按以下思路分析:【規(guī)范解答】(1)衰變方程為23994Pu

14、23592U*+α ①(1分)23592U* 23592U+γ ②(1分)或合起來有23994Pu 23592U+α+γ ③(2)上述衰變過程的質(zhì)量虧損為Δm=mPu-mU-mα ④(1分),,,,放出的能量為ΔE=Δm·c2

15、 ⑤(1分)ΔE是鈾核23592U的動能EU、α粒子的動能Eα和γ光子的能量Eγ之和，ΔE=EU+Eα+Eγ ⑥(1分)可得EU+Eα=(mPu-mU-mα)c2-Eγ ⑦(1分)設(shè)衰變后的鈾核和α粒子的速度分別為vU和vα,則由動量守恒有mUvU=mαvα

16、 ⑧(1分)又由動能的定義知EU= mUvU2,Eα= mαvα2 ⑨(1分)由⑧⑨式得 ⑩(1分)由⑦⑩式得Eα= ［(mPu-mU-mα)c2-Eγ］代入題給數(shù)據(jù)得Eα=5.034 MeV (2分),【總結(jié)提升】計算

17、核能的四種方法(1)根據(jù)ΔE=Δmc2計算，計算時Δm的單位是“kg”,c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”.(2)根據(jù)ΔE=Δm×931.5 MeV計算.因1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5 MeV的能量，所以計算時Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”.(3)根據(jù)平均結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能＝平均結(jié)合能×核子數(shù).(4)有時可結(jié)合動量守恒和能量守恒進(jìn)行分析計算，此時應(yīng)注意動量、動能關(guān)系式p

18、2=2mEk的應(yīng)用.,1.(2011·浙江高考)關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是 ( )A.α射線是由氦原子核衰變產(chǎn)生B.β射線是由原子核外電子電離產(chǎn)生C.γ射線是由原子核外的內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生D.通過化學(xué)反應(yīng)不能改變物質(zhì)的放射性【解題指南】解答本題時應(yīng)注意理解：(1)天然放射現(xiàn)象中三種射線的產(chǎn)生機(jī)理.(2)影響天然

19、放射現(xiàn)象的因素.,【解析】選D.α射線是在α衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是氦核，A錯誤；β射線是在β衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是高速電子束，B錯誤； γ射線是發(fā)生α衰變和β衰變時原子核發(fā)生能級躍遷而產(chǎn)生的電磁波，C錯誤；物質(zhì)的放射性由原子核內(nèi)部自身的因素決定，與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān),D正確.,2.(2011·上海高考)天然放射性元素放出的三種射線的穿透能力實驗結(jié)果如圖所示，由此可推知( )A.②來自于原子核外的電子

20、B.①的電離作用最強(qiáng)，是一種電磁波C.③的電離作用較強(qiáng)，是一種電磁波D.③的電離作用最弱，屬于原子核內(nèi)釋放的光子,【解析】選D.從穿透能力上看，③能穿透鋁板進(jìn)入鉛板，③必然是γ射線，γ射線是原子核內(nèi)發(fā)出的高頻光子，屬于電磁波，電離作用弱，故D正確，C錯誤；②能穿透紙板進(jìn)入鋁板，②必然是β射線，是原子核內(nèi)發(fā)射出的電子流，A錯誤；紙板能夠擋住①，則①是α射線，它的電離作用最強(qiáng)，但它是氦原子核，不是電磁波，B錯誤.,3.(多選)(2011

21、·常州模擬)據(jù)2011年3月14日法新社報道，日本核泄漏事故正在加?。「u第一核電站3號機(jī)組不排除像1號機(jī)組一樣發(fā)生爆炸.而2號反應(yīng)堆可能正發(fā)生泄漏，兩個反應(yīng)堆可能已經(jīng)出現(xiàn)“熔毀”現(xiàn)象.福島第一核電站3號機(jī)組所用核燃料為鈾23892U和钚23994Pu，下列關(guān)于該核泄漏事件的分析正確的是( )A.鈾238俘獲中子后形成鈾239，再經(jīng)一次β衰變，可成為原子反應(yīng)堆中的燃料钚239，由于二者都是反應(yīng)堆的核燃料，所以這

22、樣的反應(yīng)堆稱之為增值反應(yīng)堆B.钚的半衰期為24 100年，則大約7.2萬年以后泄漏的物質(zhì)中钚原子的總數(shù)將降低為原來的,C.23994Pu衰變，放出的α射線比β射線的貫穿本領(lǐng)弱，所需的屏蔽材料較薄D.原子反應(yīng)堆中Pu裂變的方程可以寫為23994Pu+10n→ 8738Sr+13756Ba+1510n,【解析】選B、C.由23892U和23994Pu質(zhì)子數(shù)差距可知鈾238俘獲中子后形成鈾239，需要經(jīng)兩次β衰變，可成為原子反應(yīng)堆中

23、的燃料钚239,A錯；7.2萬年以后泄漏的物質(zhì)中钚原子的總數(shù)為原來的 B對；α射線比β射線的貫穿本領(lǐng)弱，所需的屏蔽材料較薄，C對；原子反應(yīng)堆中Pu的反應(yīng)方程為：23994Pu+10n→8738Sr+13756Ba+1610n，D錯，故選B、C.,4.原子核AZX與氘核21H反應(yīng)生成一個α粒子和一個質(zhì)子.由此可知( )A.A=2,Z=1 B.A=2,Z=2C.A=3,Z=3

24、 D.A=3,Z=2【解析】選D.寫出核反應(yīng)方程：AZX+21H→42He+11H，由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，列方程：A+2=4+1,Z+1=2+1,解得:A=3,Z=2,故選項D正確.,5.(1)(多選)關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型，下列表述正確的有( )A.23892U→23490Th+42He 是α衰變B.147N+42He→178O+11H 是β衰變C.21H+31H→

25、42He+10n 是輕核聚變D.8234Se→8236Kr+20-1e 是重核裂變,(2)現(xiàn)有四個核反應(yīng)：A.21H+31H→42He+10nB.23592U+10n→X+8936Kr+310nC.2411Na→2412Mg+0-1eD.42He+94Be→126C+10n,①______是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程，________是研究原子彈的基本核反應(yīng)方程，_______是研究氫

26、彈的基本核反應(yīng)方程.②求B中X的質(zhì)量數(shù)和中子數(shù).【解題指南】弄清衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變的區(qū)別并熟記典型的核反應(yīng)方程，在此基礎(chǔ)上求解此題.,【解析】(1)選A、C.衰變是原子核自發(fā)地放出α或β粒子的核反應(yīng)，衰變方程的特點是箭頭的左邊只有一個原子核，箭頭的右邊出現(xiàn)α或β粒子；聚變反應(yīng)的特點是箭頭的左邊是兩個輕核，箭頭的右邊是較大質(zhì)量的原子核；裂變方程的特點是箭頭的左邊是重核與中子反應(yīng)，箭頭右邊是中等質(zhì)量的原子核.綜上所述，A、C正確

27、.,(2)①人工轉(zhuǎn)變方程的特點是箭頭的左邊是氦核與常見元素的原子核.箭頭的右邊也是常見元素的原子核.D是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程，B是裂變反應(yīng)，是研究原子彈的核反應(yīng)方程.A是聚變反應(yīng)，是研究氫彈的核反應(yīng)方程.②由電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可以判定，X質(zhì)量數(shù)為144，電荷數(shù)為56，所以中子數(shù)為144-56＝88.答案：(1)A、C (2)①D B A ②見解析,6.(1)(多選)23290Th(釷)經(jīng)過一系列α衰變和β衰變

28、,變成20882Pb(鉛).以下說法正確的是( )A.鉛核比釷核少8個質(zhì)子B.鉛核比釷核少16個中子C.共經(jīng)過4次α衰變和6次β衰變D.共經(jīng)過6次α衰變和4次β衰變(2)約里奧—居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素3015P衰變成3014Si的同時放出另一種粒子,這種粒子是_________.,【解析】(1)選A、B、D.設(shè)α衰變次數(shù)為x,β衰變次數(shù)為y,由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得232=208+4x，90=82+2x-y,解得x=6,

29、y=4,C錯D對.鉛核、釷核的質(zhì)子數(shù)分別為82、90,故A對.鉛核、釷核的中子數(shù)分別為126、142,故B對.(2)寫出衰變方程為3015P 3014Si+01e,故這種粒子為01e(正電子).答案：(1)A、B、D (2)正電子,,【總結(jié)提升】衰變次數(shù)的兩種確定方法方法一：確定衰變次數(shù)的方法是依據(jù)兩個守恒規(guī)律，設(shè)放射性元素AZX經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素A′Z′Y，則表示該核反應(yīng)的方程為

30、：AZX→A′Z′Y+n42He+m0-1e根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程A=A′+4n Z=Z′+2n-m由以上兩式聯(lián)立解得由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為求解一個二元一次方程組.方法二：因為β衰變對質(zhì)量數(shù)無影響，可先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù).,7.(2012·南通模擬)一個钚的同位素23994Pu的原子核靜止在勻強(qiáng)磁場中.某時刻該原子核垂直于磁場方向放射出一個

31、α粒子，變成鈾的同位素，同時輻射出能量為E=0.09 MeV的光子.已知钚原子核的質(zhì)量M0=238.999 655 u，α粒子的質(zhì)量m=4.001 509 u，反沖核的質(zhì)量M=234.993 470 u.取1 u·c2=931 MeV.(1)寫出衰變的核反應(yīng)方程.(2)α粒子和反沖核的動能各是多少？(3)畫出α粒子和反沖核在垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場中運動軌跡的示意圖.,【解析】(1)由題意根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得核反應(yīng)

32、方程為23994Pu→23592U+42He+E.(2)設(shè)衰變后α粒子的速度為v，反沖核的速度為v′,根據(jù)動量守恒和能量守恒，有mv=Mv′,(M0-M-m)·c2-E=Ekα+EkU≈4.26 MeV由 可整理得,(3)如圖所示.答案：(1)23994Pu→23592U+42He+E(2)4.19 MeV 0.07 MeV (3)見解析圖,8.(2011·江蘇高考)(1)下列

33、描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長關(guān)系的圖中，符合黑體輻射實驗規(guī)律的是( )(2)按照玻爾原子理論，氫原子中的電子離原子核越遠(yuǎn)，氫原子的能量______(選填“越大”或“越小”).已知氫原子的基態(tài)能量為E1(E1<0)，電子質(zhì)量為m，基態(tài)氫原子中的電子吸收一頻率為ν的光子被電離后，電子速度大小為______(普朗克常量為h).,(3)有些核反應(yīng)過程是吸收能量的.例如，在X+147N 178O+11H中，核反

34、應(yīng)吸收的能量Q＝［(mO+mH)-(mX+mN)］c2.在該核反應(yīng)方程中，X表示什么粒子？X粒子以動能Ek轟擊靜止的147N核，若Ek＝Q，則該核反應(yīng)能否發(fā)生？請簡要說明理由.,,【解題指南】解答本題時注意理解以下三點：(1)黑體輻射強(qiáng)度隨溫度變化的特點；(2)玻爾理論內(nèi)容；(3)核反應(yīng)的特點以及核能的計算.【解析】(1)選A.隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度增加，輻射強(qiáng)度的極大值向著波長較短的方向移動，A對.(2)根據(jù)玻爾理論，氫原

35、子中電子離原子核越遠(yuǎn)，氫原子能量越大，根據(jù)能量守恒定律知道：所以電子速度為：,(3)根據(jù)核反應(yīng)的規(guī)律即質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，X的電荷數(shù)是2，質(zhì)量數(shù)是4，X表示42He.因為粒子碰撞為完全彈性碰撞,應(yīng)同時滿足能量守恒和動量守恒，而X粒子以動能Ek轟擊靜止的147N核，若Ek=Q，說明碰后兩個粒子的動量都變?yōu)榱懔?，不能同時滿足能量守恒和動量守恒.所以不能發(fā)生.答案：(1)A (2)越大 (3)42He 不能發(fā)生，因為不能同時滿足