第十六章第二讲放射性元素的衰变核能.ppt
第二讲 放射性元素的衰变 核能,走进高考第一关 考点关考点精析,一天然放射现象1.天然放射现象贝克勒尔发现天然放射现象,揭开了人类研究原子核结构的序幕.通过对无数放射现象的研究,人们发现了原子序数大于183的所有天然存在的元素都有放射性,原子序数小于283的天然存在的元素有些也有放射性,它们放射出来的射线共有三种.,2.三种射线(1)射线:速度为光速1/10的氦核流,3贯穿作用弱,4电离作用很强.不能穿透薄纸或薄铝箔(2)射线:速度约为光速99%的电子流,5贯穿作用很强,6电离作用较弱.能穿透几毫米的铝板.(3)射线:速度为光速的光子流(波长极短的7电磁波),贯穿作用最强,电离作用很弱.能穿透几厘米的铅板,二、原子核的人工转变用高能粒子轰击靶核,产生另一种新核的反应过程,即:AZX+xAZY+y其中AZX是靶核的符号,x为入射粒子,AZY是新核,y是放射出粒子的符号.1.1919年,卢瑟福发现质子的核反应方程为:147N+42He178O+11H,衰变规律可用公式 或 表示.式中的N0,m0表示元素在t=0时的原子核数、质量,为半衰期,N、m表示这种元素的原子核在经过时间t后尚未衰变的原子核数与质量.,2.1932年,查德威克发现中子的核反应方程为:94Be+42He126C+10n3.1934年,约里奥居里夫妇发现了放射性同位素核反应方程为:2713Al+42He3015P+10n3015P3014Si+01e,原子核的人工转变使人们推知原子核的组成:由质子和中子组成.核电荷数=质子数、质量数=质子数+中子数.原子核反应遵守8质量数和9电荷数守恒.,三、原子核的衰变原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化.1.衰变:衰变的实质是其元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核),每发生一次衰变,新元素与原元素比较,核电荷数减少102,质量数减少114,即AZXA-4Z-2Y+42He2.衰变:衰变的实质是其元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子.每发生一次衰变,新元素与原元素比较,核电荷数增加121,质量数不变.即AZX AZ+1Y+0-1e,3.衰变:衰变是伴随着衰变和衰变同时发生的,衰变不改变原子核的电荷数和质量数.4.半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定,跟原子所处在物理状态和化学状态无关.,四、核能1.核力:相邻核子之间的作用力(1)核力与核子是否带电无关,质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间都可以有核力作用.(2)核力是短程力,只在132.010-15m的极短距离内有核力作用,超过这个距离,核力就迅速减小为零.由于质子和中子的半径约为140.810-15m,所以每个核子只能跟它的相邻的核子间才有力的作用.,(3)核力是很强的力.,2.核能由于原子核中的核子间存在强大的核力,使得原子核成为一个坚固的集合体,要把原子核中的核子拆散,就得克服核力而做巨大的功,反之,要把核子集合成一个原子核,就要放出巨大的能量.单个核子结合成原子核或原子核分裂成单个核子,放出或吸收的能量叫原子核的15结合能.,3.质能方程(1)质量亏损:组成原子核的核子质量与原子核的质量之差叫16质量亏损.(2)质能方程:一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=17mc2.核子在结合成原子核时出现质量亏损m,其能量也要相应地减少,即E=mc2.原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加m,吸收的能量E=mc2.,4.核能的计算根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV,即E=m931.5 MeV.注意该式中m 单位是u,E单位的是MeV.,5.核能的利用途径(1)重核裂变:重核俘获一个中子后分裂成为两个(或多个)中等质量核的反应过程.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18临界体积.如:23592U+10n9236Kr+14156Ba+310n.(2)轻核聚变:某些轻核结合成质量较大的核,同时释放出大量核能的反应过程,要想使氘核和氚核结合成氦核,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,如:21H+31H42He+10n.,考题精练1.下面列出的是一些核反应方程:3015P3014Si+X,94Be+21H10 5B+Y;42He+42He73Li+Z,其中()A.X是质子,Y是中子,Z是正电子B.X是正电子,Y是质子,Z是中子C.X是中子,Y是正电子,Z是质子D.X是正电子,Y是中子,Z是质子,解析:根据核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒的规律,可知题中所涉及的各粒子为:01X正电子,10Y中子,11Z质子,可知正确选项为D.答案:D,2.从23592U衰变为20782Pb,要经过衰变和衰变的次数是()A.14次衰变和10次衰变B.7次衰变和4次衰变C.10次衰变和14次衰变D.4次衰变和7次衰变答案:B,解析:设衰变和衰变的次数分别为x和y,则,解得x=7,y=4,故选B.,3.(2010新创题)近段时间,朝鲜的“核危机”引起了全球的瞩目,其焦点问题就是朝鲜核电站采用轻水堆还是重水堆,重水堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚239(23994Pu),这种23994Pu可由铀239(23992U)经过n次衰变而产生,则n为()A.2 B.239C.145 D.92答案:A,4.(2010上海高考)现已建成的核电站发电的能量来自于()A.天然放射性元素衰变放出的能量B.人工放射性同位素放出的能量C.重核裂变放出的能量D.化学反应放出的能量解析:现在核电站所用原料主要是铀,利用铀裂变放出的核能发电,故C项正确.答案:C,5.(2010天津高考理综)下列关于原子和原子核的说法正确的是()A.衰变现象说明电子是原子核的组成部分B.玻尔理论的假设之一是原子能量的量子化C.放射性元素的半衰期随温度的升高而变短D.比结合能越小表示原子核中的核子结合得越牢固,解析:原子核是由质子和中子组成的,衰变是核内中子转变成为质子同时生成电子,即粒子,故A错.半衰期由原子核本身决定,与外界环境因素无关,C错.比结合能越大表示原子核中核子结合得越牢固,D错.玻尔提出的氢原子能级不连续就是原子能量量子化,B对.答案:B,解读高考第二关 热点关典例剖析,考点1衰变次数的确定【例1】放射性元素钚核24494Pu经过多少次、衰变后将变成铅核20882Pb?钚核比铅核多多少个质子和中子?此衰变的全过程中共损失了多少个中子?,解析 设此过程中发生了x次衰变,y次衰变,则衰变方程可以写成如下式24494PuFYx42He+y0-1e+20882Pb根据衰变中的电荷数守恒与质量数守恒建立下面方程:,故此过程经历了9次衰变与6次衰变.钚核24494Pu的质子数为94、中子数为150,铅核20882Pb的质子数为82、中子数为126,故它们的质子数相差12、中子数相差24.此核反应的全过程中各部分的中子数如下式24494Pux42He+y 0-1e+20882Pb中子数 150 18 0 126由此可见反应前中子数为150,反应后的中子总数为18+126=144,故此过程中损失了6个中子.,答案 9次衰变 6次衰变 多12个质子、24个中子 6个中子,变式训练1:(2010全国高考)原子核23892U经放射性衰变变为原子核23490Th,继而经放射性衰变变为原子核23491Pa,再经放射性衰变变为原子核23492U.放射性衰变和依次为()A.衰变衰变和衰变B.衰变衰变和衰变C.衰变衰变和衰变D.衰变衰变和衰变答案:A,解析:由电荷数守恒与质量数守恒可分别写出衰变为23992U23490Th+42He,衰变为23490Th23491Pa+0-1e,衰变为23491Pa23492U+0-1e,故知正确答案为A.,考点2半衰期的理解应用【例2】14C是一种半衰期为5730年的放射性同位素.若考古工作者探测到某古树中14C的含量为原来的,求古树的死亡时间.,解析 考查半衰期的理解应用.假设古树死亡时的质量为m0,现在的质量为m,设死亡时间至今经历的时间为半衰期n倍,由题意可知,所以n=2,古树死亡的时间为57302年=11460年前.,答案 11460年前,点评 正确理解半衰期的概念是解题关键.,变式训练2:(天津高考)一个氡核22286Rn衰变成钋核21884Po并放出一个粒子,其半衰期为3.8天.1 g氡经过7.6天衰变掉氡的质量,以及22286Rn衰变成21884Po的过程放出的粒子是()A.0.25 g,粒子 B.0.75 g,粒子C.0.25 g,粒子 D.0.75 g,粒子答案:B,解析:氡核半衰期为3.8天,7.6天为2个半衰期,所以1 g氡7.6天衰变掉的质量为=0.75 g.由22286Rn21884Po+42He知22286Rn衰变成21884Po的过程中放出的粒子是42He即粒子,所以B正确.,考点3核反应方程【例3】现有三个核反应:2411Na2412Mg+0-1e23592U+10nX+9438Sr+210n21H+31H42He+10n(1)求中X的质量数和中子数.(2)判断以上三个核反应的反应类型.,解析(1)由电荷数守恒和质量数守恒可以判断X元素质量数(核子数)为140,电荷数为54,所以中子数为140-54=86.(2)衰变是原子核自发地放出粒子变成新核的反应,因此是衰变;裂变是重核吸收中子后分裂成几个中等质量的核的反应.是裂变;聚变是几个轻核结合成较大质量的核,是聚变.答案(1)140 86(2)是衰变 是裂变 是聚变,变式训练3:(2011湖南长沙)现有三个核反应:2411Na2412Mg+0-1e23592U+10n14156Ba+9236Kr+310n21H+31H42He+10n下列说法正确的是(),A.是裂变,是衰变,是聚变B.是聚变,是裂变,是衰变C.是衰变,是裂变,是聚变D.是衰变,是聚变,是裂变解析:中的0-1e是粒子,故发生的是衰变,是重核分裂成质量轻小的核是裂变,是典型的聚变,所以C正确.答案:C,考点4核能的计算【例4】裂变反应是目前核能利用中常用的反应.以原子核23592U为燃料的反应堆中,当23592U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23592U+10nFY313954Xe+9438Sr+310n235.0439 1.0087 138.9178 93.9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位).已知1u的质量对应的能量为9.3102 MeV,此裂变反应释放出的能量是_MeV.,解析 由题给核反应方程及其下面的数据可知:裂变之前的总质量235.0439+1.0087=236.0526u,裂变之后的总质量138.9178+93.9154+31.0087=235.8593u,质量亏损m=236.0526-235.8593=0.1933u.由质能方程得E=mc2=0.1933 uc2,因为1u对应的能量为9.3102 MeV所以E=0.19339.3102 MeV=1.8102 MeV.答案 1.8102,变式训练4:(2009山东理综,38(1)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11H轰击静止的AZX,生成两个动能均为8.9 MeV的42He.(1 MeV=1.610-13J)(1)上述核反应方程式为_.(2)质量亏损为_kg.,答案:(1)11H+73X42He+42He或11H+73Li42He+42He(2)3.110-29,笑对高考第三关 技巧关考技精讲1.理解原子核的组成:(1)三个整数:核子数,质量数A,核电荷数Z.(2)两列等式:核电荷数=质子数=元素的原子序数=核外电子数质量数=核子数=质子数+中子数,2.衰变的本质原子核里发射出粒子粒子,实际上是原子核内的质子和中子结合或转化而成的.粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的,粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的.所以不能因为从原子核中发射出粒子和粒子就认为原子核也是由它们组成的.射线是伴随衰变和衰变同时产生的,其实质是放射性原子核在发生衰变、衰变时产生的某些新核由于处于激发态而辐射出光子.,当放射性物质发生连续衰变时,原子核中有的发生衰变,有的发生衰变,同时伴随辐射,这时就同时有三种射线.,3.核反应的类型,4.核反应方程的书写应注意什么?某种元素的原子核变成另一种元素的原子核的过程叫做核反应.常见的核反应分为衰变、人工转变、裂变、聚变等几种类型,无论写哪种类型的核反应方程,都应注意以下几点:(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律.有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律(例如裂变和聚变方程常含能量项).(2)核反应方程中的箭头()表示核反应进行的方向.不能把箭头写成等号.,(3)在写核反应方程时,应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上;然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核(或未知粒子)的电荷数和质量数;最后根据未知核(或未知粒子)的电荷数确定它们是哪种元素(或哪种粒子),并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号.,5.对半衰期两种错误的认识(1)N0个某种放射性元素的核,经过一个半衰期T,衰变一半,再经过一个半衰期T,全部衰变了;(2)8个某种放射性元素的核,经过一个半衰期T,衰变了4个,再经过一个半衰期T,又衰变了2个.事实上,N0(大量)个某种放射性原子核,衰变时间t后剩下的这种核的个数为N=N0()t/T,而对于少量的核,无法确定其衰变所需的时间.,考向精测考向核反应方程 质量亏损及核能的综合考查一个钚的同位素23994Pu的原子核静止在匀强磁场中.某时刻该原子核垂直于磁场方向放射出一个粒子,变成铀的同位素,同时辐射能量为E=0.09 MeV的光子,已知钚原子核的质量M0=238.999655 u,粒子的质量m=4.001509 u,反冲核的质量M=234.993470 u.取1 u5c2=931 MeV.,(1)写出衰变的核反应方程;(2)粒子和反冲核的动能各是多少?(3)画出粒子和反冲核在垂直纸面向里的匀强磁场中运动轨迹的示意图.,解析:(1)由题意根据质量数守恒和电荷数守恒可得核反应方程:23994Pu23592U+42He+E.(2)设衰变后粒子的速度为v,反冲核的速度为v,根据动量守恒定律和能量守恒定律,有 mv=Mv(M0-M-m)5c2-E=Ek+EkU=4.26 MeV,(3)如图所示.,答案:(1)23994Pu23592U+42He+E(2)4.19 MeV 0.07 MeV(3)见解析图,
