核反应和核能 PPT课件

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?
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
（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.
【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=__________________.
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
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.
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继续保持安静
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.
（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
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
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+yቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0－1e+20882Pb
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
一个电子，其核反应方程式为 νe+3717Cl→3718Ar+ 0－1e.
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：
（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.
（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.
【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，
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.
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.
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
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
参与上述反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
__________________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.
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.
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= ，
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.
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
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.
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
的
质子数为 82、中子数为 126，故它们的质子数相差 12、中
（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.