微型專(zhuān)題核反應(yīng)方程[學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求]物理觀念：1.了解四類(lèi)核反應(yīng)的特征，并能書(shū)寫(xiě)這四類(lèi)核反應(yīng)方程.2.知道核反應(yīng)方程遵循的規(guī)律，即質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒．科學(xué)思維：1.會(huì)書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程.2.學(xué)會(huì)結(jié)合動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律解決核反應(yīng)相關(guān)問(wèn)題．一、四種核反應(yīng)1．衰變：放射性元素的原子核自發(fā)放出某種粒子后變成新的原子核的變化．(1)α衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He(2)β衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e2．原子核的人工轉(zhuǎn)變：用人工的方法，使原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過(guò)程．(1)質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福)(2)中子的發(fā)現(xiàn)：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克)3．裂變：一個(gè)重核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核，這樣的核反應(yīng)叫做裂變．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n4．聚變：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做聚變．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n例1(2016·全國(guó)卷Ⅱ)在下列描述核過(guò)程的方程中，屬于α衰變的是________，屬于β衰變的是________，屬于裂變的是________，屬于聚變的是________．(填正確答案標(biāo)號(hào))A.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eB.eq\o\al(32,15)P→eq\o\al(32,16)S＋eq\o\al(0,－1)eC.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HE.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)nF.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n答案CABEF解析α衰變是一種放射性衰變，α粒子(eq\o\al(4,2)He)會(huì)從原子核中射出，C項(xiàng)符合要求；β衰變是指原子核內(nèi)自發(fā)地放出一個(gè)電子(eq\o\al(0,－1)e)，同時(shí)原子序數(shù)加1的過(guò)程，A、B兩項(xiàng)符合要求；裂變是指一些質(zhì)量非常大的原子核，如鈾、釷和钚等在吸收一個(gè)中子后分裂成兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出多個(gè)中子和很大能量的過(guò)程，E項(xiàng)符合要求；聚變是指由兩個(gè)輕原子核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核并釋放大量能量的過(guò)程，F(xiàn)項(xiàng)符合要求．四種核反應(yīng)方程的快速區(qū)分1．衰變反應(yīng)：反應(yīng)方程左邊只有一個(gè)原子核，右邊有兩個(gè)粒子且其中一個(gè)為α粒子或β粒子．2．人工核反應(yīng)：核反應(yīng)方程左邊有一個(gè)原子核以及α粒子、中子、質(zhì)子、氘核等粒子中的一個(gè)，右邊有一個(gè)新核，還可能放出其他粒子；3．重核的裂變：左邊為重核與中子，右邊為兩個(gè)中等質(zhì)量的核和若干個(gè)中子；4．輕核的聚變：左邊為兩個(gè)輕核，右邊為質(zhì)量較大的核，例如氘核和氚核結(jié)合成氦核的反應(yīng)．例2(多選)下列核反應(yīng)方程中，正確的是()A.eq\o\al(10,5)B＋(α粒子)→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,1)HB.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋(質(zhì)子)C.eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋(中子)D.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋(氘核)答案BC解析由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知：A選項(xiàng)中質(zhì)量數(shù)10＋4≠14＋1，D選項(xiàng)中質(zhì)量數(shù)14＋4≠17＋2，所以A、D錯(cuò)誤，B、C正確．二、利用動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律解決核反應(yīng)問(wèn)題動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律作為力學(xué)的兩大規(guī)律，不僅適用于宏觀物體的相互作用，也適用于微觀粒子的相互作用．原子核的衰變、人工轉(zhuǎn)變、聚變反應(yīng)中同樣遵循動(dòng)量守恒和總能量守恒．例3在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，一個(gè)靜止的放射性原子核發(fā)生了一次α衰變．放射出的α粒子(eq\o\al(4,2)He)在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道半徑為R.以m、q分別表示α粒子的質(zhì)量和電荷量．(1)放射性原子核用eq\o\al(A,Z)X表示，新核的元素符號(hào)用Y表示，寫(xiě)出該α衰變的核反應(yīng)方程；(2)α粒子的圓周運(yùn)動(dòng)可以等效成一個(gè)環(huán)形電流，求圓周運(yùn)動(dòng)的周期和環(huán)形電流大??；(3)設(shè)該衰變過(guò)程釋放的核能都轉(zhuǎn)化為α粒子和新核的動(dòng)能，新核的質(zhì)量為M，真空中光速為c，求衰變過(guò)程的質(zhì)量虧損Δm.答案(1)eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He(2)eq\f(2πm,qB)eq\f(q2B,2πm)(3)eq\f(q2B2R2M＋m,2Mmc2)解析(1)由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，知eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He(2)根據(jù)洛倫茲力提供向心力，有qv1B＝meq\f(v\o\al(12,),R)所以v1＝eq\f(qBR,m)，圓周運(yùn)動(dòng)的周期T＝eq\f(2πR,v1)＝eq\f(2πm,qB)等效電流I＝eq\f(q,T)＝eq\f(q2B,2πm).(3)衰變過(guò)程動(dòng)量守恒，有0＝pY＋pα所以pY＝－pα，“－”號(hào)表示方向相反．因?yàn)閜＝mv，Ek＝eq\f(1,2)mv2所以Ek＝eq\f(p2,2m)即EkY∶Ekα＝m∶M由能量守恒定律得Δmc2＝EkY＋EkαΔm＝eq\f(Ekα,c2)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(M＋m,M)))，其中Ekα＝eq\f(1,2)mveq\o\al(12,)＝eq\f(q2B2R2,2m)，所以Δm＝eq\f(q2B2R2M＋m,2Mmc2).例4在可控核反應(yīng)堆中需要使快中子減速，常用輕水、重水和石墨等作慢化劑．中子在重水中可與eq\o\al(2,1)H核碰撞減速，在石墨中與eq\o\al(12,6)C核碰撞減速．上述碰撞可簡(jiǎn)化為彈性碰撞模型．某反應(yīng)堆中快中子與靜止的靶核發(fā)生對(duì)心正碰，通過(guò)計(jì)算說(shuō)明，僅從一次碰撞考慮，用重水和石墨作減速劑，哪種減速效果更好？答案用重水作減速劑減速效果更好解析設(shè)中子質(zhì)量為Mn，靶核質(zhì)量為M，由動(dòng)量守恒定律得Mnv0＝Mnv1＋Mv2由能量守恒定律得eq\f(1,2)Mnveq\o\al(02,)＝eq\f(1,2)Mnveq\o\al(12,)＋eq\f(1,2)Mveq\o\al(22,)解得v1＝eq\f(Mn－M,Mn＋M)v0在重水中靶核質(zhì)量MH＝2Mn，v1H＝eq\f(Mn－MH,Mn＋MH)v0＝－eq\f(1,3)v0在石墨中靶核質(zhì)量MC＝12Mn，v1C＝eq\f(Mn－MC,Mn＋MC)v0＝－eq\f(11,13)v0與重水靶核碰后中子速度較小，故重水減速效果更好.1．(核反應(yīng)方程的認(rèn)知)(多選)下列說(shuō)法正確的是()A.eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(4,2)He是α衰變方程B.eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋γ是核聚變反應(yīng)方程C.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是核裂變反應(yīng)方程D.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程答案BD解析選項(xiàng)A、D為原子核的人工轉(zhuǎn)變方程，選項(xiàng)B為輕核聚變反應(yīng)方程，選項(xiàng)C為α衰變方程，故選項(xiàng)B、D正確．2．(核反應(yīng)方程與核能的綜合應(yīng)用)某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個(gè)核反應(yīng)方程為eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)N＋Q1①eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋X＋Q2②方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量如表：原子核eq\o\al(1,1)Heq\o\al(3,1)Heq\o\al(4,2)Heeq\o\al(12,6)Ceq\o\al(13,7)Neq\o\al(15,7)N質(zhì)量/u1.00783.01664.002612.000013.005715.0001以下推斷正確的是()A．X是eq\o\al(3,2)He，Q2>Q1 B．X是eq\o\al(4,2)He，Q2>Q1C．X是eq\o\al(3,2)He，Q2<Q1 D．X是eq\o\al(4,2)He，Q2<Q1答案B解析由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可判斷X為eq\o\al(4,2)He，①式的質(zhì)量虧損為Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u，②式的質(zhì)量虧損為Δm2＝1.0078u＋15.0001u－12.0000u－4.0026u＝0.0053u，所以Δm2>Δm1.根據(jù)質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可求得Q2>Q1，故選B.3．(動(dòng)量觀點(diǎn)在核反應(yīng)中的應(yīng)用)一個(gè)不穩(wěn)定的原子核質(zhì)量為M，處于靜止?fàn)顟B(tài)．放出一個(gè)質(zhì)量為m的粒子后反沖，已知放出的粒子的動(dòng)能為E0，則原子核反沖的動(dòng)能為()A．E0B.eq\f(m,M)E0C.eq\f(m,M－m)E0D.eq\f(Mm,M－m)E0答案C解析設(shè)放出的粒子的速度大小為v0，反沖核的速度大小為v，由動(dòng)量守恒定律得(M－m)v＝mv0＝p，又Ek＝eq\f(p2,2M－m)，E0＝eq\f(p2,2m)聯(lián)立得Ek＝eq\f(m,M－m)E0，C正確．4．(動(dòng)量觀點(diǎn)和能量觀點(diǎn)在核反應(yīng)中的應(yīng)用)(2018·北京師范大學(xué)東莞石竹附屬學(xué)校高二月考)已知氘核質(zhì)量為2.0136u，中子質(zhì)量為1.0087u，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量為3.0150u．已知1u相當(dāng)于931MeV的能量．求：(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(1)寫(xiě)出兩個(gè)氘核聚變成eq\o\al(3,2)He的核反應(yīng)方程；(2)計(jì)算上述核反應(yīng)中釋放的核能；(3)若兩氘核以相等的動(dòng)能0.35MeV做對(duì)心碰撞即可發(fā)生上述核反應(yīng)，且釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，則反應(yīng)中生成的eq\o\al(3,2)He和中子的動(dòng)能各是多少？答案(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)3.3MeV(3)1.0MeV3.0MeV解析(1)核反應(yīng)方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n；(2)反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量虧損Δm＝2×2.0136u－1.0087u－3.0150u＝0.0035u反應(yīng)過(guò)程中釋放的核能ΔE＝0.0035×931MeV