第二十二講原子核 知識(shí)要點(diǎn) 一 天然放射現(xiàn)象二 原子核的人工轉(zhuǎn)變 原子核的組成三 原子核能 知識(shí)要點(diǎn) 一 天然放射現(xiàn)象1 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾U和含鈾的礦物能發(fā)射某種看不見(jiàn)的射線 這種射線可以穿透黑紙使照像底片感光 像這樣物質(zhì)自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象叫天然放射現(xiàn)象 物質(zhì)的這種性質(zhì)叫天然放射性 具有放射性的元素 叫放射性元素 后來(lái)居里夫婦又發(fā)現(xiàn)兩種放射性更強(qiáng)的新元素 叫做釙Po和鐳Ra 2 三種射線 1 射線 本質(zhì)是氦原子核流 符號(hào)是 帶電量為 2e 質(zhì)量為4u 1u 1 66 10 27千克 貫穿本領(lǐng)最弱 電離本領(lǐng)最強(qiáng) 2 射線 本質(zhì)是電子流 符號(hào)是 帶電量為 e 1e 1 9 10 19庫(kù)侖 質(zhì)量為 貫穿本領(lǐng)較強(qiáng) 電離本領(lǐng)較強(qiáng) 3 射線 本質(zhì)是高能光子流 符號(hào)是 不帶電 靜止質(zhì)量為零 貫穿本領(lǐng)最強(qiáng) 電離本領(lǐng)最弱 3 放射性元素的衰變?cè)雍擞捎诜懦瞿撤N粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓凶鲈雍说乃プ?在衰變中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒 1 衰變 原子核放出一個(gè) 粒子 原子序數(shù) 核電荷數(shù) 就比原來(lái)少2 而質(zhì)量數(shù)少4 例如 寫(xiě)成一般式為 2 衰變 原子核放出一個(gè) 粒子 原子序數(shù) 核電荷數(shù) 就比原來(lái)多1 而質(zhì)量數(shù)不變 例如 寫(xiě)成一般式為 3 衰變 要引起核的能量發(fā)生變化 而原子序數(shù) 核電荷數(shù) 和質(zhì)量數(shù)都不改變 4 半衰期半衰期是放射性元素的大量原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間 每一種放射性元素都有一定的半衰期 不同的放射性元素 半衰期不同 放射性元素半衰期的長(zhǎng)短是由原子核的內(nèi)部因素決定的 它不受外部因素的影響 例如溫度的高低 物態(tài)的變化 化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化等等 都不能改變它的半衰期 衰變公式 如果用N0表示原耒的原子核數(shù) Nt表示t時(shí)刻還未衰變的原子核數(shù) T表示半衰期 那么 如果用M0表示原耒的原子的總重量 Mt表示t時(shí)刻還未變的原子的總質(zhì)量 那么 二 原子核的人工轉(zhuǎn)變 原子核的組成1 質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) 1919年盧瑟福做了用 粒子轟擊氮原子核的實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明 粒子擊中氮核后產(chǎn)生了新的粒子 后來(lái)測(cè)出了這種粒子的質(zhì)量和電量 確定它就是氫原子核 又叫做質(zhì)子 通常用或表示 質(zhì)子發(fā)現(xiàn)的核反應(yīng)方程是 質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)表明 可以用人工的方法實(shí)現(xiàn)原子核轉(zhuǎn)變 還表明 質(zhì)子是原子核的組成部分 2 中子的發(fā)現(xiàn) 1930年發(fā)現(xiàn)用 射線轟擊鈹時(shí) 會(huì)產(chǎn)生一種看不見(jiàn)的貫穿能力很強(qiáng)的不帶粒子 1932年用這種射線轟擊石蠟時(shí) 竟能從石蠟中打出質(zhì)子 如圖所示 查德威克經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究 證明放射性元素釙放出的 射線轟擊鈹時(shí)發(fā)出的貫穿力極強(qiáng)的射線 不是 射線 而是一種質(zhì)量差不多與質(zhì)子相等的不帶電粒子 即中子 中子的質(zhì)量數(shù)是1 電荷數(shù)是零 用表示 發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程是 實(shí)驗(yàn)證明 從許多原子核里都能打出中子來(lái) 可見(jiàn)中子也是原子核的組成部分 3 原子核的組成 原子核是由質(zhì)子和中子組成的 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子 原子核的電荷數(shù)等于它的質(zhì)子數(shù) 原子核的質(zhì)量數(shù)就等于它的核子數(shù) 即質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的和 不論是原子核的衰變還是原子核的人工轉(zhuǎn)變 統(tǒng)稱為核反應(yīng) 在核反應(yīng)的過(guò)程中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒 4 放射性同位素同位數(shù) 具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的中子數(shù)的原子互稱同位素 1 人工放射同位素的發(fā)現(xiàn)1934年小居里夫婦用 粒子轟擊鋁核 發(fā)生了下面的核反應(yīng) 核反應(yīng)生成物是磷的一種同位素它具有放射性 衰變時(shí)放出正電子 下面是它的反應(yīng)方程這是用人工方法得到的放射性同位素 2 放射性同位素的應(yīng)用 利用它的射線探傷 消除靜電 育種 消毒 防腐等 做為示蹤原子 把放射性同位素的原子攙到其它物質(zhì)中去 讓它們一起運(yùn)動(dòng) 遷移 再利用放射性探測(cè)儀器進(jìn)行追蹤 就可以知道放射性原子通過(guò)什么路徑 運(yùn)動(dòng)到哪里了 怎樣分布的 從而可以了解某些不容易察明的情況或規(guī)律 我們把這種用途的放射性同位素叫示蹤原子 三 原子核能1 原子核的結(jié)合能 1 核力 原子核內(nèi)的核子間有一種很強(qiáng)的力把它們結(jié)合在一起 這種力稱為核力 核力是強(qiáng)作用力 它與電荷無(wú)關(guān) 質(zhì)子與質(zhì)子 質(zhì)子與中子 中子與中子間都存在核力作用 它是短程力 只在2 0 10 15米距離內(nèi)起作用 即使在半徑很小的原子核內(nèi) 每個(gè)核子也只跟與它相鄰的核子間才有核力的作用 2 結(jié)合能 核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定的能量 原子核分解成核子時(shí) 要吸收同樣多的能量 這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能 3 愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 這個(gè)方程是愛(ài)因斯坦從相對(duì)論得出的 它表明物體的質(zhì)量與它的能量間有一定的聯(lián)系 當(dāng)物體的能量增加 或減少 E時(shí) 它的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)地增加 或減少 m 二者滿足的關(guān)系是 E mc2 式中c表示光在真空中的傳播速度 在使用該公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算時(shí) 要注意單位的統(tǒng)一 見(jiàn)下表 4 質(zhì)量虧損 核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出結(jié)合能 原子核的能量要比組成核的核子未組合成核時(shí)的能量小 所以原子核的質(zhì)量也要比組成核的核子的質(zhì)量小 我們把組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫做核的質(zhì)量虧損 如果知道核的質(zhì)量虧損 根據(jù)質(zhì)能方程就可以求出原子核的結(jié)合能 5 平均結(jié)合能 用核子數(shù)去除核的結(jié)合能 就得到每個(gè)核子的平均結(jié)合能 平均結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)每個(gè)核子平均放出的能量 也是把原子核分解成核子時(shí)每個(gè)核子平均吸收的能量 平均結(jié)合能越大 原子核就越難拆開(kāi) 可見(jiàn)平均結(jié)合能的大小能夠反映核的穩(wěn)定程度 如圖所示為核子的平均結(jié)合能隨原子核的質(zhì)量數(shù)變化規(guī)律的圖象 從圖中可以看出 質(zhì)量數(shù)較小的輕核和質(zhì)量數(shù)較大的重核 平均結(jié)合能都比較小 中等質(zhì)量數(shù)的原子核平均結(jié)合能大 2 重核的裂變重核的核子平均結(jié)合能比中等質(zhì)量的核的核子平均結(jié)合能小 因此 重核分裂成中等質(zhì)量的核時(shí) 會(huì)有一部分結(jié)合能釋放出來(lái) 這種核反應(yīng)叫做裂變 1 鈾核的裂變的核反應(yīng)方程 裂變后 反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量減少 m 0 2153u 反應(yīng)中釋放的能量 2 鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 鈾核裂變時(shí) 同時(shí)放出2 3個(gè)中子 如果這些中子再引起其它鈾核裂變 就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去 這種反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 鈾塊的體積對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也是重要因素 能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積 對(duì)于鈾塊如果超過(guò)了臨界體積 就會(huì)引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 發(fā)生猛烈的爆炸 3 核反應(yīng)堆 它是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置 主要的構(gòu)成有做為核燃料的濃縮鈾 做為中子減速濟(jì)的石墨 起控制作用的鎘棒 起冷卻和輸出勢(shì)能作用的液體金屬鈉或水 以及防止射線對(duì)人體的危害而修建的水泥防護(hù)層 3 輕核聚變 輕核的結(jié)合能更小 某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核時(shí) 能釋放出更多的結(jié)合能 輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的重核叫聚變 輕核聚變的核反應(yīng)方程 使核發(fā)生聚變 必須使它們接邁到10 15米 也就是接近到核力能夠發(fā)生做用的范圍 由于原子核都帶正電 要使它們接近到這種程度 必須克服電荷之間的很大斥力作用 這就要使核具有很大的動(dòng)能 只有在幾百萬(wàn)度的高溫以上 原子核才有足夠的動(dòng)能克服相互間的庫(kù)侖斥力 在碰撞中接近到可以發(fā)生聚變的程度 所以這種輕核聚變的反應(yīng)又叫做熱核反應(yīng) 和平利用核能則要求人們要實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔磻?yīng) 即用人工的方法 有控制地使氘核發(fā)生聚變反應(yīng) 緩慢而穩(wěn)定地釋放能量 典型例題 例1 釷 經(jīng)過(guò)一系列 和 衰變 成為 鉛 下列說(shuō)法正確的是A 鉛核比釷核少8個(gè)質(zhì)子B 鉛核比釷核少16個(gè)中子C 共經(jīng)過(guò)4次 衰變和6次 衰變D 共經(jīng)過(guò)6次 衰變和4次 衰變 分析 因?yàn)楹酥械腪是核的電荷數(shù) 實(shí)際上Z等于核中的質(zhì)子數(shù) M是核的質(zhì)量數(shù) 實(shí)際上M等于核中的核子 即質(zhì)中和中子 數(shù) 在知道兩個(gè)核的質(zhì)子數(shù)之差后 可以用核子數(shù)差減于質(zhì)子數(shù)差 就是中子數(shù)差 所以從和可知 鉛核比釷核少8個(gè)質(zhì)子 鉛核比釷核少 232 208 90 82 16個(gè)中子 判斷 衰變和 衰變的次數(shù)有兩種方法 方法 1 設(shè)發(fā)生 衰變的次數(shù)為x 發(fā)生 衰變的次數(shù)為y 根據(jù)在衰變過(guò)程中電荷數(shù)守恒 質(zhì)量數(shù)守恒 所以 方法 2 考慮到 衰變會(huì)引起核的質(zhì)量數(shù)發(fā)生變化 而 衰變不會(huì)引起核的質(zhì)量數(shù)發(fā)生變化 因此可以根據(jù)釷和鉛的質(zhì)量數(shù)的變化判斷 衰變的次數(shù)是6 6次 衰變應(yīng)使核電荷數(shù)減少12 但上述兩核的電荷數(shù)只減少8 說(shuō)明上述核衰變時(shí) 有 12 8 4次 衰變 答 選項(xiàng)A B D正確 解得x 6 y 4 例2 若元素A的半衰期為4天 元素B的半衰期為5天 則相同質(zhì)量的A和B 經(jīng)過(guò)20天后 剩下的質(zhì)量之比 即mA mB是A 30 31B 31 30C 1 2D 2 1 分析 放射性元素每經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期T 其質(zhì)量就衰變成原耒的1 2 經(jīng)過(guò)了N個(gè)半衰期 余下的質(zhì)量就是原耒質(zhì)量的 根據(jù)半衰期的這個(gè)定義 針對(duì)本題意列方程求解 解 因?yàn)門(mén)A 4天 TB 5天 t 20天 原耒A和B的質(zhì)量相等 用m表示 則 答 選項(xiàng)C正確 例3 一個(gè)鈾衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè) 粒子 已知鈾核的質(zhì)量為千克 釷核的質(zhì)量為千克 粒子的質(zhì)量為千克 在這個(gè)衰變過(guò)種中釋放出的能量等于 J 取2位有效數(shù)字 寫(xiě)出此衰變方程 分析 原子核發(fā)生變化時(shí)如果質(zhì)量減小 減小的質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損 m 根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 可以算出核變釋放的能量 E 說(shuō)明 本題沒(méi)給出鈾核的質(zhì)量數(shù) 所以用M表示鈾核的質(zhì)量數(shù) 這樣釷核的質(zhì)量數(shù)為M 4 另外 衰變釋放的能表現(xiàn)為 粒子的動(dòng)能E 和釷核反沖運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能ETh 由于衰變過(guò)程動(dòng)量守恒 則 答 衰變過(guò)程中釋放出的能量等于這個(gè) 衰變的方程為 這里的M是衰變前核的質(zhì)量數(shù) 因?yàn)镸 4 所以E 接質(zhì) E 由于能量守恒 則解這兩個(gè)方程可得 粒子的動(dòng)能 反饋練習(xí) 1 某放射性元素的原子核發(fā)生2次 衰變和6次 衰變 關(guān)于它的原子核的變化 下列說(shuō)法中正確的是A 中子數(shù)減少8B 質(zhì)子數(shù)減少2C 質(zhì)子數(shù)增加2D 核子數(shù)減少10 答案 C 2 放射性元素的半衰期決定于A 放射性元素質(zhì)量的多少B 放射性元素所處的物理狀態(tài)C 放射性元素外界的化學(xué)條件D 由核本身內(nèi)部因素決定 跟原子所處的物理 化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān) 答案 D 3 放射性無(wú)素經(jīng)過(guò)2h后有半數(shù)原子核發(fā)生了衰變 若再經(jīng)過(guò)2h未衰變?cè)雍说臄?shù)目將是最初的 答案 B 4 天然放射性現(xiàn)象中發(fā)生衰變后變成 已知 和 粒子的質(zhì)量分別是m1 m2和m3 它們之間應(yīng)滿足 答案 B 5 太陽(yáng)輻射能量主要來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部的A 化學(xué)反應(yīng)B 放射性衰變C 裂變反應(yīng)D 熱核反應(yīng) 答案 D 6 以下幾個(gè)原子核反應(yīng)式中 X代表 粒子的反應(yīng)式是 答案 C 7 用中子轟擊硼 核發(fā)生的核反應(yīng)是 其中的X粒子應(yīng)是A 粒子B 粒子C 質(zhì)子D 中子 答案 A 8 鈾235的原子核符號(hào)常寫(xiě)成 由此可知A 鈾235的原子核中有質(zhì)子92個(gè)B 鈾235的原子核中有電子92個(gè)C 鈾235的原子核中有中子235個(gè)D 鈾235的原子核中有中子143個(gè) 答案 AD 9 關(guān)于原子核的能 下面說(shuō)法正確的是A 只指原子核分解為核子時(shí)放出的能量B 只指核子結(jié)合為原子核時(shí)需要供給的能量C 核子結(jié)合成原子核時(shí)吸收的能量或原子核分解為核子時(shí)放出的能量D 核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量或原子核分解為核子時(shí)吸收的能量 答案 D 10 在垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 有一原來(lái)靜止的原子核 該核衰變后 放出的帶電粒子和反沖核的運(yùn)動(dòng)軌跡分別如圖中的a b所示 由圖可以判定A 該核發(fā)生的是 衰變B 該核發(fā)生的是 衰變C 磁場(chǎng)方向一定垂直紙面向里D 磁場(chǎng)方向向里還是向外不能判定 答案 BD 課后練習(xí) 一 填空題 1 鈾核經(jīng)過(guò) 次 衰變和 次 衰變后變成穩(wěn)定的鉛 2 放射性元素經(jīng)過(guò)2h 只剩1 2的核沒(méi)有衰變?cè)俳?jīng)過(guò) h 將只剩下1 8的核沒(méi)有衰變 答案 6 答案 8 6 3 在中子 質(zhì)子 電子 正電子和 粒子中選出一個(gè)適當(dāng)?shù)牧Ｗ?分別填在下列核反應(yīng)式的橫線上 答案 4 一個(gè)鈾核衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè) 粒子 已知 鈾核的質(zhì)量為 粒子的質(zhì)量為釷核的質(zhì)量為這個(gè)衰變過(guò)程中釋放出的能量等于 J 保留二位有效數(shù)字 答案 8 7 10 13 二 選擇題 5 關(guān)于 射線 下列說(shuō)法中正確的是A 它是波長(zhǎng)極短的電磁波B 它是高速運(yùn)動(dòng)的電子流C 它是貫穿本領(lǐng)比 射線弱D 它對(duì)空氣的電離作用比 射線強(qiáng) 答案 B 6 放射性同位素的樣品經(jīng)過(guò)6h后還剩下1 8沒(méi)有衰變 它的半衰期是A 2hB 1 5hC 1 17hD 0 75h 答案 A 7 目前能夠在實(shí)際上作為巨大能源應(yīng)用的原子核能是A 重核裂變時(shí)放出的能量B 熱核反應(yīng)時(shí)放出的能量C 氘和氚聚變時(shí)放出的能量D 放射性同位素放出射線的能量 答案 A 8