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1、第二单元 放射性元素的衰变 核能,1天然放射现象：某些元素 放射某些射线的现象称为天然放射现象，这些元素称 2三种射线的本质：射线是 ，射线是 ，射线是 ,自发地,放射性元素,氦核流,电子流,电磁波,1定义：原子核自发地放出某种粒子而转变为 的变化叫原子核的 2分类,新核,衰变,3半衰期 (1)定义：放射性元素的原子核 发生衰变需要的时间 (2)半衰期的大小由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的 (如压强、温度等)或 (如单质或化合物)无关,有半数,物理状态,化学状态,4放射性同位素及应用 (1)同位素 有些原子的原子核电荷数 ，但质量数 ，这样一些具有相同核电荷数和不同中子数的
2、原子互称为同一位素 (2)放射性同位素的应用 放射性同位素放出的射线应用于工业、探伤、农业、 医疗等,相同,不同,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 的过程 2原子核的人工转变：用 轰击靶核，产生另一种 的方法 如应用原子核的人工转变的三大发现的核反应如下：,原子核,高能粒子,新核,(1)1919年卢瑟福用 轰击氮原子核，产生了氧的同位素，第一次实现了原子核的人工转变，并发现了质子，其核,粒子,1核力： 之间的相互作用力叫核力，它是短程力 2核能：由于原子核间存在核力，所以核子结合成原子核或原子核 为核子时均伴随着巨大的能量变化，这种能量称为核能 3质能方程：,核子,分裂,
3、Emc2(Emc2),4质量亏损总是发生在系统向外辐射能量的情况下，系统能量减少了，质量自然也就减少了当系统的质量减少m时，系统的能量就减少了E，减少的能量向外辐射出去了减少的质量转化为光子的质量，减少的能量转化为光子的能量虽然光子的静止质量为零，但在光子的辐射过程中，具有能量Eh，所以运动的光子具有一定的质量光子运动的速度始终为c，Ehmc2，所以当一个光子的频率为时，它的质量为m .,2轻核的聚变：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结合成氦核，必须达到 的高温，因此聚变反应又叫 反应如：,几百万度以上,热核,3裂变反应堆：又称核反应堆，简称反应堆反应
4、堆主要由以下几部分组成： ； ； ； ； ,核燃料,减速剂,控制棒,冷却剂,反射层,1衰变和衰变的比较,由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组有了这个方程组，确定衰变次数就十分方便 实际确定方法是：根据衰变不改变质量数，首先由质量数改变确定衰变次数，然后根据核电荷数守恒确定衰变次数 (2)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 (3)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,(4)核反应方程遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒,说明：半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原
5、子所处的物理状态(如压强、温度等)或化学状态(如单质或化合物)无关,3衰变：衰变是伴随着衰变或衰变同时发生的，衰变不改变原子核的电荷数和质量数其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变过程中，产生的新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子,4核反应四种类型比较,核能的计算方法： 1根据爱因斯坦的质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(m)的千克数乘以真空中光速(c3108m/s)的平方 即Emc2 2根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5 MeV，即 Em931.5 MeV,注意：式中m的单位是千克(kg)，
6、E的单位是焦耳(J)式中m的单位是指原子质量单位u，(1 u1.6605661027 kg)，E的单位是兆电子伏(MeV)能的转化和守恒定律,3核反应中释放的核能，在无光子辐射的情况下，将转化为生成的新核和新粒子的动能因此在此情况下可应用动量守恒定律和能量守恒及转化定律来计算核能,【例1】 (1)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的有 ( ) A是原子核质量减少一半所需的时间 B是原子核有半数发生衰变所需的时间 C把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的半衰期 D可以用来测定地质年代、生物年代等,(2)设镭226的半衰期为1.6103年，质量为100 g的镭226经过4.8103年
7、后，有多少克镭发生衰变？若衰变后的镭变为铅206，则此时镭铅质量之比为多少？,答案：(1)BD (2)87.5 g 125798,变式1：为测定水库的容量，将一瓶含有放射性同位素的溶液倒入水库中，已知这瓶溶液每分钟衰变5.12108次，这种同位素的半衰期为24小时，5天以后从水库中取出1 m3的水，并测得它每分钟衰变10次，试求水库的容量 解析：可认为5天后放射性同位素均匀分布于水库中，5天后，水库的水中放射性同位素每分钟衰变的总次为N,答案：1.6106m3,【例2】 (2009年山东卷)历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV的质子H轰击静止的X，生成两个动能均为
8、8.9 MeV的He.(1 MeV1.61013J) 上述核反应方程为_ 质量亏损为_kg.,高分通道 质量亏损并不是质量的消失，并不与质量守恒定律矛盾，而是亏损的质量以能量的形式辐射出去了 在核能问题的计算中，c的单位取国际单位中的单位，此时若m单位为千克，能量单位为焦耳如m的单位为u时，记住1u相当于931.5 MeV的能量关系,分析：根据问题，合理选择求核能的方法，求解时注意各量 解析：核反应前的总质量： m1(235.04391.0087) u236.0526 u 核反应后的总质量： m2(138.917893.915431.0087)u235.8593 u 质量亏损mm1m20.19
9、33 u 因为1 u931.5 MeV 所以E0.1933931.5 MeV1.8102 MeV. 答案：1.8102,【例3】 天文学家测得银河系中氦的含量约为25%，有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后二分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的 (1)把氢核聚变反应简化为4个氢核(H)聚变成氦核(He)，同时放出2个正电子(e)和2个中微子(ve)，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量,(2)研究表明，银河系的年龄约为t3.81017 s，每秒钟银河系产生的能量约为11037 J(即P11037 J/s)现假定该能量全部
10、来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字) (3)根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断(可能用到的数据：银河系质量约为M31041 kg，原子质量单位1 u1.661027 kg,1 u相当于1.51010 J的能量，电子质量m0.0005 u，氦核质量m4.0026 u，氢核质量mp1.0078 u，中微子ve质量为零),高分通道 题目涉及了许多新的知识，解此类信息题必须将题目提供的规律和物理基础知识，与已有的知识相结合并迁移到要回答的问题中，再列方程求解,【例4】 原来静止的铀U和钍234同时在同一匀强磁场中，由于衰变而开始做匀速圆周运动铀23
11、8发生了一次衰变，钍234发生了一次衰变 (1)试画出铀238发生一次衰变时所产生的新核及粒子在磁场中运动轨迹的示意图 (2)试画出钍234发生一次衰变时所产生的新核及粒子在磁场中的运动轨迹的示意图,解析：(1)铀238发生衰变时，由于放出粒子而产生了新核，根据动量守恒定律，它们的总动量为零，即： m1v1m2v20 因为它们都带正电，衰变后的速度正好相反，所以，受到的洛伦兹力方向也相反，因而决定了它们做圆周运动的轨迹圆是外切的它们做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供,(2)同理，钍234发生一次衰变放出的粒子与产生的新核的动量大小相等，方向相反，即总动量为零可是，粒子带负电，新核带正电，它们
12、衰变后的速度方向相反，但受的洛伦兹力方向相同，所以，它们的两个轨迹圆是内切的，且粒子的轨道半径大于新核的轨道半径，它们的轨迹示意图如图2所示，其中，c为粒子的径迹，d为新核的径迹 答案：(1)如图1所示 (2)如图2所示,高分通道 孤立的原子核在衰变时遵从动量守恒由于原子核衰变后都带电，故在匀强磁场中都可做匀速圆周运动而衰变产生的新核和粒子运动方向相反，所以如果是衰变，则衰变瞬间新核和粒子受洛伦兹力的方向相反，形成的两个轨迹圆外切；而衰变新核的轨迹圆与粒子的轨迹圆内切,变式4：云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为M的原子核在云室中发生一次衰变，粒子的质量为m，电荷量为q，其运动轨
13、迹在与磁场垂直的平面内现测得粒子运动的轨道半径为R，试求在衰变过程中的质量亏损(涉及动量问题时，亏损的质量可以不计),1(2009年上海卷)放射性元素衰变时放出的三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是 ( ) A射线，射线，射线 B射线，射线，射线 C射线，射线，射线 D射线，射线，射线,解析：由放射性元素衰变时产生的射线、射线、射线的电离及穿透性质可知B正确 答案：B,2(2009年天津卷)下列说法正确的是 ( ),解析：核反应类型分四种，核反应的方程特点各有不同，衰变方程的左边只有一个原子核，右边出现或粒子聚变方程的左边是两个轻核反应，右边是中等原子核裂变方程的左边是重核与中子反应，右边
14、是中等原子核人工核转变方程的左边是氦核与常见元素的原子核反应，右边也是常见元素的原子核，由此可知B、D两选项正确 答案：BD,3(2009年北京卷)下列现象中，与原子核内部变化有关的是 ( ) A粒子散射现象 B天然放射现象 C光电效应现象 D原子发光现象 解析：天然放射现象是放射性物质的原子核自发地放出、和射线的现象，必然使原子核内部发生变化故选B. 答案：B,答案：9 6 12 24,5放射性元素的原子核在衰变或衰变生成新原子核时，往往会同时伴随_辐射已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2，经过tT1T2时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比mAmB_. 解析：放射性元素的原子核在衰变或衰变时，出现质量亏损，多余的能量将以光子的形式释放，因此伴随辐射,答案： 2T12T2,6在用粒子轰击静止的氮核的实验中，假设某次碰撞恰好发生在同一条直线上已知粒子轰击前的速度为v0，质量为m0，产生的氧核速度为v1，质量为m1，同向飞出的质子H的质量为m2，设光速为c，问： (1)质子飞出的速度为多大？ (2)已知生成物氧核和质子的总动能比入射的粒子动能少了Ek，若该反应引起的质量亏损中，伴随着飞出一个光子，则该光子的能量E多大？,
