2014高三物理一轮复习：核反应和核能

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1、第 3 讲核反应和核能 (对应学生用书第 227 页) rjii . | 天然放射现象和衰变 1. 天然 (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a射线、B射线、丫射线. 放射性同位素的应用与防护. 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. 应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等. 防护：防止放射性对人体组织的伤

2、害. 2. 原子核的衰变 (1) 原子核放出a粒子或3粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变. 分类 a 衰变：ZXT Z2丫丫+ |He 3 衰变：ZXT Z：IY+吕 e (3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.半衰期由原子核内部的 因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关. 易错提醒I - 1 错误！ 【针对训练】 1. (2012 上海高考)与原子核内部变化有关的现象是 ( ) A. 电离现象 B.光电效应现象 C.天然放射现象 D . a粒子散射现象 【解析】 与原子核内部变化有关的现象是天然放射现象，故 C 正确. 【答案】 C 抄2| . . _ 核反应和

3、核能 _ 1. 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. 2. 核力 基础知识 固考基*教材啊扣 核子间的作用力.核力是短程力，作用范围在 1.5 X 1015m 之内，只在相邻的核子间发 生作用. 3. 核能 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, 叫做原子核的结合 能，亦称核能. 4质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程 E= m2,原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小 m这就 是质量亏损由质量亏损可求出释放的核能 E= mC 【针对训练】 2. （2012 广东高考）能源是社会发展的基础， 发展核

4、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. ；H+ 2HR ；He+ On 是核聚变反应 B. 1H+ 2卜卜2 2He+ in 是 3 衰变 C. 雰 U+ On 156Ba+ 36Kr + 30n 是核裂变反应 D. 235U+ Om 154xe+ 94Sr + 20n 是 a 衰变 【解析】 3衰变时释放出电子（-1e） , a衰变时释放出氦原子核（：He），可知选项 B、 D 错误；选项 A 中一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反 应；选项 C中一个 U 235 原子核吸收一个中子，生成一个 Ba 原子核和一个 Kr

5、原子核并释放 出三个中子是核裂变反应. 【答案】 AC 析考点*重难突破 （对应学生用书第 228 页） 匕-m 衰变和半衰期 1.原子核衰变规律 衰变类型 a衰变 3衰变 衰变方程 ZX Z：4Y+ ；He AX z+ 1Y+ : 1e 衰变实质 2 个质子和 2 个中子结合成一个 整体抛射出 中子转化为质子和电子 2；H+ 2； n ；He Om 1H+： ?e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量 守恒 2.对半衰期的理解 （1）根据半衰期的概念，可总结出公式 1 1 ”余=N原（2） , 口余=m原（2）* 式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子核数和质量， N余、m余表示衰变后

6、尚未发 生衰变的放射性元素的原子核数和质量， t表示衰变时间，T表示半衰期. （2）影响因素：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. （1） 23290Th（钍）经过一系列a衰变和3衰变，变成20882Pb（铅）.以下说法正确 的是（ ） 洋剖细解牡 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a衰变和 6 次B衰变 D. 共经过 6 次a衰变和 4 次B衰变 （2）约里奥一居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了 1935 年的诺贝尔化学奖，他们发 现的放射性元素10P 衰变

7、成34Si 的同时放出另一种粒子，这种粒子是 _ .32P是35P的 同位素，被广泛应用于生物示踪技术， 1 mg UP随时间衰变的关系如图 13-3- 1 所示，请 估算 4 mg 的15P 经多少天的衰变后还剩 0.25 mg? 【解析】（1）设a衰变次数为X, 3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，D 对. 铅核、钍核的质子数分别为 82、90,故 A 对. 铅核、钍核的中子数分别为 126、142,故 B 对. （2）写出衰变方程15i 10Si + +1e,故这种粒子为+ 0e（正电

8、子）由m-1图象知15P的半衰期 1 Jk 1 _t_ 为 14 天，由 口余=m原（ 2） T 得 0.25 mg = 4 mgx（ 2） 14,故 t = 56 天. 【答案】 （1）ABD （2） + 0e（正电子）56 天 |兰胡 . . | 核反应方程的书写 类型 可控性 核反应方程典例 衰变 a衰变 自发 238小 . 234小八十. 92U 90Th + He 3衰变 自发 234八十 234 “ 八 90Th 91Pa+ - 人工转变 人工 控制 147N+ ；He 178O+ 1H （卢瑟福发现质子） 4He+ 4Be 126C+ 0n （查德威克发现中子） WAI + 細尸

9、 15P+ 0n 30 30 . 15P 14Si + 0+ 1e 约里奥一居里夫妇发现放射 性同位素，同时发现正电子 重核裂变 比较容易 进行人工 控制 23592U+ 0n 14456Ba+ 3；Kr + 30n 92U+ 0n 54Xe+ 38Sr + 10。 n 轻核聚变 目前无 法控制 ?H+ 3HR 2He+ 0n 规律总结 (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；遵循电荷数

10、守恒. A. 細+ ；He+ 0n 235,1 89 1 B. 92U+ onX+ 36Kr + 3on 24 24 0 C. iiNa i2Mg+ - -ie D. 4He+ 4Be 2 364C+ 0n (1) _ 是发现中子的核反应方程， _ 是研究原子弹的基本核反应方程， _ 是研究氢弹的基本核反应方程. (2) 求 B 中 X 的质量数和中子数. 【解析】 (1)人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核.箭头的 右边也是常见元素的原子核. D 是查德威克发现中子的核反应方程， B 是裂变反应，是研究 原子弹的核反应方程. A 是聚变反应，是研究氢弹的核反应方程. (2)

11、由电荷数守恒和质量数守恒可以判定， X 质量数为 144,电荷数为 56,所以中子数 为 144- 56= 88. 【答案】 (1)D BA (2)质量数为 144，中子数为 88 |七 F . | 核能的产生和计算 1. 获得核 (1) 重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程重核裂变 的同时放出几个中子，并释放出大量核能.为了使铀 235 裂变时发生链式反应，铀块的体积 应大于它的临界体积. (2) 轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能，要 想使氘核和氚核合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应. 2核能的计算方法

12、 2 一 27 3 应用 E= A me：先计算质量亏损 m注意 m的单位 1 u = 1.66 x 10 kg,1 u 相当于 931.5 MeV 的能量，u 是原子质量单位. 4 核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律 卜 现有四个核反应: 根据 A E= A mC计算核能时，若 A m以千克为单位，“ e” 代入 3x 108 m/s，A E的单 位为 “J”；若 A m以 “u” 为单位，则由 1ue2= 931.5 MeV 得 A E= A mX 931.5 MeV. 完成29oTh 衰变反应方程10Th 29514Pa+ 来计算核能. (1) 29

13、04Th 是不稳定的，能自发的发生衰变. ?0Th 衰变为16Rn,经过 _ 次a衰变， _ 次3衰变. （2）1919 年，卢瑟福用 a粒子轰击氮核发现质子.科学研究表明其核反应过程是: 粒子轰击静止的氮核后形成了不稳定的复核，复核发生衰变放出质子，变成氧核.设 子质量为m,初速度为Vo,氮核质量为 m,质子质量为 m,氧核的质量为 m，不考虑相对 论效应. a粒子轰击氮核形成不稳定复核的瞬间，复核的速度为多大？ 求此过程中释放的核能. 【解析】 （1）根据电荷数守恒和质量数守恒，粒子为 -e. 设发生n次a衰变，m次3衰变，则有 234 = 222 + 4n,90= 86 + 2n-m解得

14、n= 3, m= 2. （2）设复核的速度为 v,由动量守恒定律得 mvo= （m+ m）v mvo 解得v= m+ 核反应过程中的质量亏损 n= m+ m- no- m 反应过程中释放的核能 E= m- c2= （ m+ m-m- m）c2. 【答案】 -oe3 2 （对应学生用书第 229 页） 1. （2012 天津高考）下列说法正确的是（ ） A. 采用物理或化学方法可以有效地改变放射性元素的半衰期 B. 由玻尔理论知道氢原子从激发态跃迁到基态时会放出光子 C. 从高空对地面进行遥感摄影是利用紫外线良好的穿透能力 D. 原子核所含核子单独存在时的总质量小于该原子核的质量 【解析】 放射

15、性元素的半衰期与压强、温度以及它是单质还是化合物无关， 因此无法 采用物理或化学方法改变放射性元素的半衰期， 选项 A 错误；氢原子从激发态跃迁到基态时 会放出光子，选项 B 正确；遥感摄影是利用红外线具有良好的衍射能力，选项 C 错误；核子 结合成原子核时，产生质量亏损，释放核能，故原子核所含核子单独存在时的总质量大于该 原子核的质量，选项 D 错误. 【答案】 B 2. 图 13- 3 - 2 甲是a、3、丫三种射线穿透能力的示意图，图乙是工业上利用射线 的穿透性来检查金属内部伤痕的示意图.图乙中检查所利用的射线是 （ ） 图 13-3-2 A. a射线 B. 3射线 C. 丫射线 D .

16、三种射线都可以 【解析】 丫射线的穿透能力足够强，它能穿透薄金属板.故检查金属内部伤痕所利 用的射线是丫射线. 【答案】 C 3.238U 放射性衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成 Bi，而Bi 可以经一次衰 练考題*随堂n测 mvo (2)v= m+ m (m+ m- m- m)c2 甲 pm 节射线 乙 变变成21ax（X 代表某种元素），也可以经一次衰变变成 8：Ti , 21；X 和/Ti 最后都变成206Pb,衰 变路径如图 13- 3-3 所示.可知图中（ ） 23B,r 210 （I） 210 也 口 - a bT 观 1 - 血 图 13-3-3 A. a= 82, b=

17、 206 B. 是3衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的 C. 是3衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的 D. U 可经过若干次衰变都放出同一种粒子生成新的原子核 Bi 【解析】 衰变的方程式：23BiT ；14x+- 1e,为3衰变，放出电子，选项 错误；衰变的方程式为：/BiT26Ti + 2He,为a衰变，故选项 C 错误； 衰变和 6 次3衰变后可生成新核206Pb,故选项 D 错误. 【答案】 B 4. （2012 重庆高考）以下是物理学史上 3 个著名的核反应方程 x+ 3LI 2, y + 7Nx+8。 y+ Be Z+ 1eC x、y和Z是 3 种不同的粒子

18、，其中 Z是（ ） A. a粒子 B .质子 C.中子 D .电子 【解析】 第二、三个核反应分别是发现质子和中子的核反应方程， 质量数和电荷数守恒可得， x、y、Z分别是1H、0n, C 正确. 【答案】 C （2012 福建高考）关于近代物理，下列说法正确的是 （ ： a射线是高速运动的氦原子 核聚变反应方程 1H+ 1 T2He+ On 中，On 表示质子 从金属表面逸出的光电子的最大初动能与照射光的频率成正比 玻尔将量子观念引入原子领域，其理论能够解释氢原子光谱的特征 a射线是高速氦核流，故 A项错误；On 表示中子，故 5. A. B. C. D. B 正确、A 2SU需经过 8 次

19、a 根据核反应方程的 B 项错误；根据光电 一次函数关系，故 C 【解析】 效应方程 E= h v W 可知，光电子的最大初动能与照射光的频率 v是 项错误；根据近代物理学史知， D 项正确. 【答案】 D 6. （2011 重庆高考）核电站核泄漏的污染物中含有碘 131 和铯 137.碘 131 的半衰期约 为8 天，会释放3射线；铯 137 是铯 133 的同位素，半衰期约为 30 年，发生衰变时会辐射 丫射线.下列说法正确的是（ A. B. C. D. ） 碘 131 释放的3射线由氦核组成 铯 137 衰变时辐射出的 丫光子能量小于可见光光子的能量 与铯 137 相比，碘 131 衰变

20、更慢 铯 133 和铯 137 含有相同的质子数 【解析】 3射线的本质是电子，并非氦核， A 项错；丫光子的频率大于可见光光子 的频率，由 = hv可知丫光子的能量大于可见光光子的能量， B 项错误；半衰期越小表 示元素衰变越快，C 项错；同位素含有相同的质子数但中子数不同，故 D 项正确. 【答案】 D 7. （2013 届宝鸡模拟）太阳内部持续不断地发生着 4 个质子（1H）聚变为 1 个氦核（；He）的 热核反应，核反应方程是 41HT 4He+ 2X,这个核反应释放出大量核能.已知质子、氦核、 X 的质量分别为 m、m、m,真空中的光速为 c.下列说法中正确的是（ ） 方程中的 X

21、表示中子（0n） 方程中的 X 表示电子（1e） 这个核反应中质量亏损 m= 4m m 这个核反应中释放的核能 E= （4 m m- 2m） c2 A. B. C. D. 【解析】 由核反应质量数守恒、电荷数守恒可推断出 X 为0e, A、B 错；质量亏损为 mi= 4m m 2m3释放的核能为 E= A mC= (4 mi- m2-2m3)c2, C 错、D 对. 【答案】 D &我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有： 亂+ 0m l0Sr + i54iXe+ k0n 2 3 4 | (2) iH+ iHR2He+ don 关于这两个方程的下列说法，正确的是 ( ) A.

22、方程属于a衰变 B. 方程(2)属于轻核聚变 C. 方程(I)中k= 8，方程(2)中d= I D. 方程(I)中k= 6，方程(2)中d= I 【解析】(I)为典型的裂变方程，故 A 选项错误.(2)为聚变反应，故 B 项正确根据 质量数守恒和电荷数守恒定律可得 k= I0, d= I,故 C D 选项错误. 【答案】 B 9. 雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子 (V e)而获得了 2002 年度诺贝尔物理 学奖.他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满 6I5 t 四氯乙烯(C2CI4)溶液的巨桶电 子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程为 V e+ I；CIR I：Ar

23、 +0Ie，已知I7CI 的质量为 36.95658 u , ?7Ar 的质量为 36.9569I u , 0Ie 的质量为 0.00055 u,I u 质量对应的 能量为 93I.5 MeV.根据以上数据可知，参与上述反应的电子中微子的最小能量为 ( ) A. 0.82 MeV B . 0.3I MeV C. I.33 MeV D . 0.5I MeV 【解析】 核反应增加的质量为： A m= 36.9569I u + 0.00055 u 36.95658 u = 0.00088 u 需吸收的能量 A E= A mC= 0.82 MeV. 【答案】 A 10. 一个质子和一个中子聚变结合成一

24、个氘核，同时辐射一个 丫光子已知质子、中 子、氘核的质量分别为 m、m2、m3,普朗克常量为h,真空中的光速为 c.下列说法正确的是 ( ) A. 核反应方程是 IH+ 0nR IH+ Y B. 聚变反应中的质量亏损 A m= m+ m- m3 C. 辐射出的 丫光子的能量 E= ( m3 m- m2) c _ h _ D. 丫光子的波长入=m+ m m3 c2 【解析】 此核反应的核反应方程为；H+ 0nR IH+丫，A 错；由质能方程，丫光子的能 c _ h _ 量为E= (m+ m2 m3) c2, C 错；由E= h入知，波长 入= m+ m2 m3 c， D 错；故 B 正确. 【答

25、案】 B 11. 裂变反应是目前核能利用中常用的反应， 以原子核为燃料的反应堆中， 当俘获一个 慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为： 1?U+ 0nR I549Xe+ 38Sr + 30n 反应方程下方的数字是中子及有关原子核的静止质量 (以原子质量单位 u 为单位)已知 I u 的质量对应的能量为 9.3 x I02 MeV,此裂变反应释放的能量是 _ MeV. 【解析】 由题中给出的核反应方程计算质量亏损 A m 即: A m= m m = (235.0439 + I.0087 I38.9I78 93.9I54 3X I.0087)u = 0.I933 u 所以释放的能

26、量为： A E= A mc= 0.I933 x 9.3 x I0 2 MeV= I.8 x I02 MeV. 【答案】 I.8 x I02 12. (20I2 银川一模)核聚变能是一种具有经济性能好、 安全可靠、无环境污染等优势 的新能源.近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将 建成商用核聚变电站.一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘 (又叫重氢)和氚(又叫超重 氢)聚合成氦，并释放一个中子若已知氘原子的质量为 2.0141 u，氚原子的质量为 3.0160 u,氦原子的质量为 4.0026 u，中子的质量为 1.0087 u,1 u = 1.66 X 10 一

27、27 kg. (1) 写出氘和氚聚合的反应方程； (2) 试计算这个核反应释放出来的能量； (3) 若建一座发电功率为 3.0 X 105 kW 的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转 变成了电能，则每年要消耗多少千克氘？ (一年按 3.2 X 107 s 计算，光速c= 3.0 X 108 m/s , 结果取两位有效数字) 【解析】 1H+ 2He+ 0n. (2) 质量亏损 mt= (2.0141 u + 3.0160 u) (4.0026 u + 1.0087 u) = 0.0188 u = 3.12 X 10 29 kg 产生的核能 E= mC= 2.8 X 10 12 J. (3) 核电站在一年中产生的核能为： 16 E= 2E电=2Pt = 1.92 X 10 J 1 mol 的?H 的质量m= 2 g ,含有n= 6.02 X 1023个?H 原子，所以一年中消耗的?H 的质量 为： E 1.92 X 1016X 2X 10 -3 M nA Ena= 6.02 X 1023X 2.8 X 10 12 kg 23 kg. 【答案】 (1) ?H+ ；He+ 0n (2)2.8 X 10 12 J 23 kg