核反应和核能-课件

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第三单元 核反应 核能
基础整合
1.原子核的组成 (1)原子核由质子和中子组成. (2)具有相同的质子数、不同的中子数的原子互称为同位
素,同位素具有相同的化学性质. (3)物质发射射线的性质称为放射性,放射性元素自发地
放出射线的现象叫做天然放射现象.
2.核反应 (1)衰变射线,其射线的本质和性质如下表:
D.0.51 MeV
解析:可认为电子中微子质量为零.根据核反应方程可得质 量增量为Δm=36.956 91 u+0.000 55 u-36.956 58 u=
0.000 88 u,而1 u相当于931.5 MeV,所以电子中微子的 最小能量为ΔE=0.000 88×931.5 MeV=0.82 MeV,所以A 正确.
已知
Cl 37 17
核的质量为
36.956
58
u,3718Ar 核的质量为
36.956
91
u,
e 0
-1
的质
量为 0.000 55 u,1 u 质量对应的能量为 931.5 MeV.根据以上数据,可以判断
参与上述Βιβλιοθήκη Baidu应的电子中微子的最小能量为( )
A.0.82 MeV
B.0.31 MeV
C.1.33 MeV
【例 3】 在各种能源中,核能具有能量密度大、地区适应性强 的优势,在核电站中,核反应堆释放的核能被转化为电能.核反 应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应,释放大量核能. (1)核反应方程式 235 92U+n→14156Ba+9236Kr+aX 是反应堆中发生的许 多核反应中的一种,n 为中子,X 为待求粒子,a 为 X 的个数,则 X 为__________________,a=__________________.以 m U、m m 、 Ba kr 分别表示 235 92U、14156Ba、9236Kr 核的质量,mn、m p 分别表示中子、质 子的质量,c 为光在真空中的传播速度,则在上述核反应过程中放 出的核能 ΔE=__________________.
(2)由电荷数守恒和质量数守恒可以判定X的质量数为140, 电荷数为54,所以中子数为:140-54=86.
(3)衰变是原子核自发地放出α粒子或β粒子的反应,C是β 衰变,D是α衰变,E是人工控制的原子核的变化,属人工 转变,裂变是重核吸收中子后分裂成几个中等质量的核的 反应,B是裂变,聚变是几个轻核结合成较大质量的核的 反应,A是聚变. 答案:(1)E A、B (2)140 86 (3)见解析
方法技巧. (1)电荷数守恒和质量数守恒是正确书写核反应方程的关
键. (2)熟记几种核反应类型的基本概念.
针对训练 2-1:放射性元素钚核 244 94Pu 经过多少次 α、
β 衰变后将变成铅核 208 82Pb?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 α 衰变、y 次 β 衰变, 则衰变方程可以写成 244 94Pu→x42He+y 0-1e+20882Pb
子数相差 24.
此核反应的全过程中各部分的中子数如下式:
244 94Pu→942He+6
e+ Pb 0
208
-1
82
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 α 衰变,6 次 β 衰变 多 12 个质子,24 个中子 6 个中子
的能量全部转化为新核和 α 粒子的动能,求铀核衰变中的质量亏损.
解析:(1)放射性元素在衰变过程中动量守恒 m1v1+m2v2=0, 所以产生的新核与衰变粒子(α 粒子或 β 粒子)的动量大小相等, 方向相反. 带电粒子在磁场中运动时由洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定
v2
mv
律有 m =qvB,即 R= ,
(3)核裂变和核聚变 ①重核裂变 重核裂变:是重核分裂成中等质量的核的反应过程. 如:235 92U+10n→13654Xe+9038Sr+ 1010n. 由于重核裂变产生的中子使裂变反应能持续地进行的 过程称为链式反应,发生链式反应的条件是:裂变物 质的体积大于临界体积. 裂变的应用:原子弹、核反应堆. ②轻核聚变 聚变是两个轻核结合成质量较大的核的反应过程. 如:31H+21H→42He+ 10n+17.60 MeV 使核发生聚变需要几百万度以上的高温,因此聚变又叫热核反应.
答案:A.
【例 4】 在磁感应强度为 B 的匀强磁场中有原来静止的铀核
238 U92 和 234 90Th,由于发生衰变而使生成物做匀速圆周运动. (1)试画出铀 238 发生 α 衰变时产生 α 粒子及新核的运动 轨迹示意图和钍 234 发生 β 衰变时产生 β 粒子及新核的运动 轨迹示意图.
(2)若铀核的质量为 M,α 粒子的质量为 m,α 粒子带的电荷量 为 q,测得 α 粒子做圆周运动的轨道半径为 R,反应过程中释放
种类 本质
射线 42He
射线
e0
-1
射线 光子
电离本领 最强 较弱
穿透本领 最弱(空气中几厘米或一张薄纸) 较强(几毫米的铝板)
最弱
最强(几厘米的铅板)
按照衰变时放出粒子的不同又分为 α 衰变和 β 衰变,
其核反应方程如下:
U 238 92
23490Th+42He( 衰变)
Th 234 90
解析:(1)根据核反应过程中的电荷数守恒和质量数守恒可知:式中的 X 为中子(10n),a=3.核反应中质量亏损为 Δm=m U+mn-m Ba-mkr-3mn=m U-m Ba-mkr-2mn, 根据爱因斯坦质能方程可得核反应过程中释放出的核能 ΔE=Δmc2=(mU-m Ba-mkr-2mn)c2. (2)核电站一年的发电量 W=Pt① 式中 t 表示一年的时间 一年内核电站提供的核能为 E=W/η② 每次核反应释放的能量为 ΔE,一年内需要核反应的次数为 N=E/ΔE③ 一年内消耗 235 U92 的质量为 m=NMU④ ①②③④联立并代入数据得:m=1.10×103 kg.
答案:(1)10n 3 (mU-m Ba-mkr-2mn)c2 (2)1.10×103 kg 方法技巧. ①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. ②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 Δm 单位为千克, 能量单位为焦耳.如 Δm 的单位为 u 时,记住 1 u 相当于 931.5 MeV 的能量关系.
【例 2】 现有五个核反应:
A.21H+31H→42He+10n
B.235 92U+10n→X+9438Sr+210n
C.2411Na→2412Mg+
e 0 -1
D.22088Ra→21686Rn+42He
E.42He+2713Al→3015P+10n
(1)__________________是发现中子的核反应方程,
D.β射线的电子是原子核外电子释放出来而形成的
解析:元素的半衰期与它的物理状态和化学状态无关,A 对;一个原子核衰变时只能放出一个α粒子或一个β粒子, 同时由于新核不稳定,伴随着γ射线的释放,大量不同元
素的原子核衰变时可同时放出α、β、γ射线,但α、β粒子
是实物粒子,γ是电磁波,B错;治疗脑肿瘤的“γ刀”是 利用了γ射线贯穿本领大,能量高的特点,C错;β射线的 电子是原子核衰变时由一个中子变成质子同时释放出的一 个电子,D错. 答案:A.
根据衰变中的电荷数守恒与质量数守恒建立下面方程:
244=4x+208 94=2x-y+82,解之得:x=9,y=6
故此过程经历了 9 次 α 衰变与 6 次 β 衰变.
钚核
244
94Pu
的质子数为
94、中子数为
150,铅核
Pb 208 82

质子数为 82、中子数为 126,故它们的质子数相差 12、中
(2)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. 典型核反应: ①卢瑟福发现质子的核反应方程为 147N+42He→178O+11H. ②查德威克发现中子的核反应方程为 94Be+42He→126C+10n. ③居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为: 2713Al+42He→3015P+10n; 3015P→3014Si+0 1e.
(2)有一座发电能力为 P=1.00×10 6 kW 的核电站,核能转化为电 能的效率 η=40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的 核反应,已知每次核反应过程放出的核能 ΔE=2.78×10-11 J,235 U92 核的质量 M U=3.90×10-25kg.求每年(1 年=3.15×107 s)消耗的 235 U92 的质量.
典例研析 类型一.关于半衰期的理解 【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 1.6×103年,质量为 100 g 的镭 226 经过 4.8×103 年后,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?
R
qB
可见放射性元素衰变时,产生的新核和放出的粒子在同一磁场中各自做 圆周运动的半径与电荷量成反比.对于铀核来说,α 衰变产生的钍 234 带 的电荷量是 α 粒子的 45 倍,所以 α 粒子做圆周运动的半径是产生的新核 钍的 45 倍,另外 α 粒子与新核钍都是带正电的,所以两个轨迹圆是外切 的.
__________________是研究两弹的基本核反应方程.
(2)求 B 项中 X 的质量数和中子数.
(3)判断以上五个核反应的反应类型.
思路点拨:根据核反应方程遵循的基本规律,正确书写方程, 还要注意衰变、人工转变、裂变、聚变的区别.
解析:
(1)E是查德威克发现中子的核反应方程,A是氢弹,B是 原子弹的核反应方程.
设生成铅的质量为 m,则 226∶206=87.5∶m, 得 m=79.8 g.
所以镭铅质量之比为 125∶798. 答案:(1)BD (2)125∶798 误区警示: (1)半衰期是原子核有半数发生衰变,变成新核, 并不是原子核的数量、质量减少一半.
(2)要理解半衰期公式中各物理量的含义,在公式
(4)核反应方程遵循的规律 ①质量数守恒. ②电荷数守恒.
3.核能 (1)核力:核子间的作用力.其特点为短程强引力:作用范围 为 2.0×10-15 m,只在相邻的核子间发生作用. (2)核能:核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核 子时吸收的能量,叫做原子核的结合能,亦称核能. (3)质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程 E= mc2,原子核的质量必然比组成它的核子的 质量和要小 Δm,这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能 ΔE=Δmc2.
23491Pa+0-1e( 衰变)
原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原 子核的衰变.放射性元素衰变时放出的射线共有三种: α 射线,β 射线和 γ 射线,其射线的本质和性质如下表: 射线和 半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间, 它表示放射性元素衰变的快慢,半衰期是由元素的性质决 定的,与它所处的物理状态和化学状态无关,不同的放射性 元素半衰期不同.
n=N
(
1
t
)

2
M′=M
(
1
t
)
中,n、M′是指剩余的原子核的量,而不是衰变的量.
2
针对训练1-1:关于原子核衰变,下列说法正确的是( ) A.同一种放射性元素处于单质状态或化合物状态,温度升
高或降低,其半衰期相同
B.原子核衰变可同时放出α、β、γ射线,它们都是电磁波 C.治疗脑肿瘤的“γ刀”是利用了γ射线电离本领大的特性
思路点拨:半衰期是指原子核有半数发生衰变所经历的时间,它是由原
子核内部因素决定的,与外界环境无关,由
n=N
(
1
t
)
2
,M′=M
(
1
t
)
可进行有关计算.
2
解析:(2)经过三个半衰期,剩余镭的质量为
M′=M
(
1
t
)
=100×
1
g=12.5 g.
2
8
已衰变的镭的质量为(100-12.5) g=87.5 g.
针对训练 3-1:雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(νe)而获得了
2002 年度诺贝尔物理学奖.他探测电子中微子所用的探测器的主体是一个贮满
615 t 四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶中微子可以将一个氯核转变为一个氩核和
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