高中物理 模塊復(fù)習(xí)課 專題三課件 教科版選修35

專題三原子核質(zhì)子質(zhì)子 中子中子 核子核子 強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用 短程力短程力 與電荷無(wú)關(guān)與電荷無(wú)關(guān) 射線射線 氦核氦核 射線射線 電子電子 射線射線 光子光子 質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù) 電荷數(shù)電荷數(shù) 半數(shù)原子核發(fā)生衰變半數(shù)原子核發(fā)生衰變射線射線 射線射線 示蹤示蹤 E=mc2 一、原子核的穩(wěn)定性和結(jié)合能一、原子核的穩(wěn)定性和結(jié)合能原子核是由質(zhì)子和中子組成的原子核是由質(zhì)子和中子組成的, ,質(zhì)子之間存在著庫(kù)質(zhì)子之間存在著庫(kù)侖斥力侖斥力, ,但核子并不因此散開但核子并不因此散開, ,是因?yàn)楹俗又g存在著是因?yàn)楹俗又g存在著一種強(qiáng)相互作用一種強(qiáng)相互作用, ,即核力。核力是短程力即核力。核力是短程力, ,核子只跟相核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用。隨原子核的增大鄰的核子發(fā)生核力作用。隨原子核的增大, ,核子間的距核子間的距離增大離增大, ,核力和電磁力都會(huì)減小核力和電磁力都會(huì)減小, ,但核力減小得更快但核力減小得更快, ,原子的不穩(wěn)定性加大。此時(shí)中子數(shù)增加有利于原子核原子的不穩(wěn)定性加大。此時(shí)中子數(shù)增加有利于原子核穩(wěn)定。但由于核力的作用范圍是有限的以及核力的飽穩(wěn)定。但由于核力的作用范圍是有限的以及核力的飽和性和性, ,若再增大原子核若再增大原子核, ,一些核子間的距離會(huì)大到其間一些核子間的距離會(huì)大到其間根本沒有核力的作用根本沒有核力的作用, ,這時(shí)候再增加中子這時(shí)候再增加中子, ,形成的核也形成的核也是不穩(wěn)定的。是不穩(wěn)定的。由于核子間存在著強(qiáng)大的核力由于核子間存在著強(qiáng)大的核力, ,所以要把原子核拆所以要把原子核拆散成核子散成核子, ,需要克服核力做巨大的功需要克服核力做巨大的功, ,需要巨大的能量。需要巨大的能量。反之反之, ,核子結(jié)合成原子核要放出能量核子結(jié)合成原子核要放出能量, ,稱為結(jié)合能。再稱為結(jié)合能。再與核子數(shù)相比與核子數(shù)相比, ,稱作平均結(jié)合能。平均結(jié)合能越大稱作平均結(jié)合能。平均結(jié)合能越大, ,表表示原子核中核子結(jié)合得越牢固示原子核中核子結(jié)合得越牢固, ,原子核越穩(wěn)定。原子核越穩(wěn)定。研究表明研究表明, ,中等大小的原子核的平均結(jié)合能最大中等大小的原子核的平均結(jié)合能最大, ,這些核最穩(wěn)定這些核最穩(wěn)定, ,使較重的核分裂成中等大小的核或者把使較重的核分裂成中等大小的核或者把較輕的核合并成中等大小的核較輕的核合并成中等大小的核, ,核子的比結(jié)合能都會(huì)增核子的比結(jié)合能都會(huì)增加加, ,都可以釋放能量。因此重核裂變及輕核聚變均可放都可以釋放能量。因此重核裂變及輕核聚變均可放出巨大能量。出巨大能量。 【典例典例1 1】下列有關(guān)原子核的穩(wěn)定性及結(jié)合能的說法正下列有關(guān)原子核的穩(wěn)定性及結(jié)合能的說法正確的是確的是( () )A.A.相對(duì)而言相對(duì)而言, ,質(zhì)量數(shù)越大的原子核越穩(wěn)定質(zhì)量數(shù)越大的原子核越穩(wěn)定B.B.原子序數(shù)越低的原子核越穩(wěn)定原子序數(shù)越低的原子核越穩(wěn)定C.C.核子結(jié)合成原子核要放出能量核子結(jié)合成原子核要放出能量D.D.重核裂變成中等質(zhì)量的核要放出能量重核裂變成中等質(zhì)量的核要放出能量, ,輕核聚合成中輕核聚合成中等質(zhì)量的核要吸收能量等質(zhì)量的核要吸收能量【正確解答正確解答】選選C C。從比結(jié)合能曲線上看。從比結(jié)合能曲線上看, ,中等質(zhì)量的中等質(zhì)量的原子核的比結(jié)合能最大原子核的比結(jié)合能最大, ,即中等質(zhì)量的原子核最穩(wěn)定即中等質(zhì)量的原子核最穩(wěn)定,A,A錯(cuò)誤錯(cuò)誤; ;原子序數(shù)越低的原子核的質(zhì)量數(shù)小原子序數(shù)越低的原子核的質(zhì)量數(shù)小, ,比結(jié)合能也比結(jié)合能也小小, ,原子核不穩(wěn)定原子核不穩(wěn)定,B,B錯(cuò)誤錯(cuò)誤; ;核子結(jié)合成原子核要放出能核子結(jié)合成原子核要放出能量量,C,C正確正確; ;中等質(zhì)量的原子核的比結(jié)合能大于重核與輕中等質(zhì)量的原子核的比結(jié)合能大于重核與輕核的比結(jié)合能核的比結(jié)合能, ,所以裂變與聚變時(shí)均要放出能量所以裂變與聚變時(shí)均要放出能量,D,D錯(cuò)誤。錯(cuò)誤?！咀兪接?xùn)練變式訓(xùn)練】( (多選多選) )對(duì)結(jié)合能、比結(jié)合能的認(rèn)識(shí)對(duì)結(jié)合能、比結(jié)合能的認(rèn)識(shí), ,下列正確的是下列正確的是( () )A.A.核子結(jié)合為原子核時(shí)核子結(jié)合為原子核時(shí), ,一定釋放能量一定釋放能量B.B.核子結(jié)合為原子核時(shí)核子結(jié)合為原子核時(shí), ,可能吸收能量可能吸收能量C.C.結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定D.D.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定【解析解析】選選A A、D D。由于自由核子結(jié)合成原子核的過程。由于自由核子結(jié)合成原子核的過程中中, ,核力做正功核力做正功, ,釋放出能量釋放出能量, ,反之反之, ,將原子核分開變?yōu)閷⒃雍朔珠_變?yōu)樽杂珊俗有枰障鄳?yīng)的能量自由核子需要吸收相應(yīng)的能量, ,該能量即為結(jié)合能該能量即為結(jié)合能, ,故故A A正確正確,B,B錯(cuò)誤錯(cuò)誤; ;對(duì)核子較多的原子核的結(jié)合能越大對(duì)核子較多的原子核的結(jié)合能越大, ,但它但它的比結(jié)合能不一定大的比結(jié)合能不一定大, ,比結(jié)合能的大小反映了原子核的比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性穩(wěn)定性, ,故故C C錯(cuò)誤錯(cuò)誤,D,D正確。正確。二、原子核的衰變、半衰期二、原子核的衰變、半衰期1.1.原子核衰變?cè)雍怂プ? :(1)(1)衰變衰變(2)(2)衰變衰變(3)(3)射線是伴隨著射線是伴隨著或或衰變產(chǎn)生的衰變產(chǎn)生的,射線不改變射線不改變?cè)雍说碾姾蓴?shù)和質(zhì)量數(shù)。原子核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)。AA 44ZZ 22XYHe。AA0ZZ 11XYe。2.2.遵守規(guī)律遵守規(guī)律: :(1)(1)質(zhì)量數(shù)守恒。質(zhì)量數(shù)守恒。(2)(2)電荷數(shù)守恒。電荷數(shù)守恒。(3)(3)動(dòng)量守恒。動(dòng)量守恒。(4)(4)能量守恒。能量守恒。3.3.半衰期半衰期: :(1)(1)公式公式:N:N余余=N=N原原 (2)(2)理解理解: :不同元素的半衰期是不同的不同元素的半衰期是不同的, ,它是由核內(nèi)部的它是由核內(nèi)部的因素決定的因素決定的, ,與原子所處的物理或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)與原子所處的物理或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān), ,它是它是對(duì)大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。ttTT011 mm22余（ ）（ ）【典例典例2 2】( (多選多選) )放射性衰變有多種可能途徑放射性衰變有多種可能途徑, ,其其中一種途徑是先變成中一種途徑是先變成 , ,而而 可以經(jīng)一次衰變變成可以經(jīng)一次衰變變成 (X(X代表某種元素代表某種元素),),也可以經(jīng)一次衰變變成也可以經(jīng)一次衰變變成和和 最后都變成最后都變成 , ,衰變路徑如圖所示衰變路徑如圖所示, ,則可知圖中則可知圖中 ( () )238 92U210 83Bi210 83Bi210 aX b21081 aTi,X b81Ti206 82PbA.aA.a=84,b=206=84,b=206B.B.是是衰變衰變, ,放出電子放出電子, ,電子是由中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子時(shí)電子是由中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的產(chǎn)生的C.C.是是衰變衰變, ,放出電子放出電子, ,電子是由中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子時(shí)電子是由中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的產(chǎn)生的D. D. 經(jīng)過經(jīng)過1010次次衰變和衰變和8 8次次衰變可變成衰變可變成238 92U206 82Pb【正確解答正確解答】選選A A、B B。在中。在中, ,質(zhì)量數(shù)不變質(zhì)量數(shù)不變, ,可知是可知是衰變衰變, ,根據(jù)電荷數(shù)守恒知根據(jù)電荷數(shù)守恒知a=84,a=84,衰變的實(shí)質(zhì)是衰變的實(shí)質(zhì)是 故故B B正確正確,C,C錯(cuò)誤錯(cuò)誤; ;在中由電荷數(shù)守恒在中由電荷數(shù)守恒, ,可知是可知是衰衰變變, ,再根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒知再根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒知b=206,Ab=206,A正確正確; ;設(shè)由設(shè)由 衰變?yōu)樗プ優(yōu)?經(jīng)過經(jīng)過m m次次衰變和衰變和n n次次衰變衰變, ,則有則有238=206+4m,238=206+4m,92=82+2m-n,92=82+2m-n,聯(lián)立解得聯(lián)立解得m=8,n=6,m=8,n=6,即一共發(fā)生了即一共發(fā)生了8 8次次衰衰變和變和6 6次次衰變衰變,D,D錯(cuò)誤。錯(cuò)誤。1101nH01e,238 92U206 82Pb【變式訓(xùn)練變式訓(xùn)練】醫(yī)院用放射性同位素醫(yī)院用放射性同位素 放出的放出的射線來治癌。請(qǐng)問射線來治癌。請(qǐng)問其原理是利用了其原理是利用了射線的射線的( () )A.A.電離作用電離作用, ,使腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化使腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化B.B.貫穿本領(lǐng)貫穿本領(lǐng), ,導(dǎo)致基因突變導(dǎo)致基因突變C.C.高能量高能量, ,殺死腫瘤細(xì)胞殺死腫瘤細(xì)胞D.D.熱作用熱作用, ,減輕病人痛苦減輕病人痛苦166 67Ho【解析解析】選選C C。利用。利用射線來治癌主要利用了射線來治癌主要利用了射線的射線的穿透能力和高能量穿透能力和高能量, ,目的是殺死癌細(xì)胞目的是殺死癌細(xì)胞, ,所以只有選項(xiàng)所以只有選項(xiàng)C C正確。正確。三、核能三、核能1.1.原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能: :克服核力做功克服核力做功, ,使原子核分解為單使原子核分解為單個(gè)核子時(shí)吸收的能量或若干單個(gè)核子在核力的作用下個(gè)核子時(shí)吸收的能量或若干單個(gè)核子在核力的作用下結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量。結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量。2.2.質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損: :核反應(yīng)中的質(zhì)量減少。注意核反應(yīng)中的質(zhì)量減少。注意: :質(zhì)量數(shù)與質(zhì)質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量是兩個(gè)不同的概念。量是兩個(gè)不同的概念。3.3.質(zhì)能方程質(zhì)能方程:E=mc:E=mc2 2即一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系即一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系, ,物體的總能量和它的質(zhì)量成正比物體的總能量和它的質(zhì)量成正比, ,當(dāng)物體的質(zhì)量發(fā)生變當(dāng)物體的質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)化時(shí)E=mcE=mc2 2。4.4.核能的計(jì)算方法核能的計(jì)算方法: :(1)(1)根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程, ,用核子結(jié)合成原子核時(shí)用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損( (mm) )的千克數(shù)乘以真空中光速的平方的千克數(shù)乘以真空中光速的平方(c=3(c=310108 8m/s),m/s),即即E=mcE=mc2 2( (焦耳焦耳) )。(2)(2)根據(jù)根據(jù)1 1原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位(u)(u)相當(dāng)于相當(dāng)于931.5931.5兆電子伏兆電子伏( (MeVMeV) )能量能量, ,用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位乘以乘以931.5MeV,931.5MeV,即即E=mE=m931.5MeV931.5MeV。5.5.釋放核能的途徑釋放核能的途徑: :(1)(1)重核的裂變重核的裂變: :重核分裂成中等質(zhì)量的原子核重核分裂成中等質(zhì)量的原子核, ,在一定條件下在一定條件下( (超過臨超過臨界體積界體積),),裂變反應(yīng)會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去裂變反應(yīng)會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去, ,這就是鏈?zhǔn)竭@就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。反應(yīng)。(2)(2)輕核的聚變輕核的聚變 ( (需要幾百萬(wàn)攝氏度高需要幾百萬(wàn)攝氏度高溫溫, ,所以又叫熱核反應(yīng)所以又叫熱核反應(yīng)) )。2351141921 920 56360UnBaKr3 n23411120HHHen6.6.如果在核反應(yīng)中無(wú)光子輻射如果在核反應(yīng)中無(wú)光子輻射, ,核反應(yīng)中釋放的能量將核反應(yīng)中釋放的能量將轉(zhuǎn)化為生成的新核和新粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為生成的新核和新粒子的動(dòng)能, ,在這種情況下在這種情況下, ,可可利用動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律來處理有關(guān)問題。利用動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律來處理有關(guān)問題。【典例典例3 3】靜止的原子核靜止的原子核 發(fā)生衰變時(shí)發(fā)生衰變時(shí), ,放出的能量都放出的能量都轉(zhuǎn)變成了轉(zhuǎn)變成了粒子和新核的動(dòng)能粒子和新核的動(dòng)能, ,若測(cè)得若測(cè)得粒子動(dòng)能為粒子動(dòng)能為E,E,則新原子核的動(dòng)能為多少則新原子核的動(dòng)能為多少? ?衰變中質(zhì)量虧損是多少衰變中質(zhì)量虧損是多少? ?abX【正確解答正確解答】衰變方程為衰變方程為由由E= E= 得得粒子的速度粒子的速度v v1 1= =由動(dòng)量守恒定律得由動(dòng)量守恒定律得新核的動(dòng)能新核的動(dòng)能E=E=aa 44bb 22XYHe211mv22Em2121a4442Emvmv ,vv4a4a4m222a4a411162E4Emvm2424ma4a4原子核衰變放出的能量原子核衰變放出的能量E=E+E= E=E+E= 由質(zhì)能方程由質(zhì)能方程E=mcE=mc2 2得得mm= =答案答案: :4EaEEa4a422EaEca4 c24E aE a4a4 c【變式訓(xùn)練變式訓(xùn)練】首次用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證首次用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“愛因斯坦質(zhì)能方程愛因斯坦質(zhì)能方程”的核反應(yīng)方程的核反應(yīng)方程是是 已知已知m mLiLi=7.0160u,m=7.0160u,mH H=1.0078u,m=1.0078u,mHeHe= =4.0026u,4.0026u,則該核反應(yīng)方程中的則該核反應(yīng)方程中的k k值和釋放的能量分別是值和釋放的能量分別是多少多少? ?714312LiHk He,【解析解析】由電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得由電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得k=2,k=2,質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損mm=m=mLiLi+m+mH H-2m-2mHeHe=(7.016 0+1.007 8-2=(7.016 0+1.007 8-24.0026)u=0.018 6u4.0026)u=0.018 6u由愛因斯坦質(zhì)能方程得由愛因斯坦質(zhì)能方程得釋放的核能釋放的核能E=mE=m931.5MeV=0.0186931.5MeV=0.0186931.5MeV=17.33MeV931.5MeV=17.33MeV答案答案: :2 217.33MeV17.33MeV