原子核及核能知識結(jié)構(gòu)整合

■山東省日照市第一中學 徐恒峰

原子核及核能知識結(jié)構(gòu)整合

■山東省日照市第一中學 徐恒峰

原子核及核能是原子物理中的核心內(nèi)容,同學們在高三一輪復習時,必須弄清四類核反應的特點,熟練掌握五種粒子的本質(zhì),正確理解核反應中的四種守恒等?，F(xiàn)將相關知識整合如下,以期幫助同學們優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)、提高復習效果。

一、四類核反應

1.衰變。

原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓性雍说乃プ儭?/p>

(1)α衰變。放射性元素放出α粒子后變成另一種元素的衰變過程叫α衰變。如(在核反應過程中,有兩個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成氦原子核,即

(2)β衰變。放射性元素放出β粒子后變成另一種元素的衰變過程叫β衰變。如(在核反應過程中,有一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子,同時放出一個電子,即

放射性的原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時,蘊藏在核內(nèi)的能量會釋放出來,使產(chǎn)生的新核處于較高能級,新核輻射出γ光子后躍遷到低能級。當放射性物質(zhì)連續(xù)衰變時,原子核中有的發(fā)生α衰變,有的發(fā)生β衰變,同時伴隨著γ輻射。

放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間叫半衰期。半衰期由核內(nèi)部因素決定,與放射性物質(zhì)所處的物理、化學狀態(tài)等無關。

2.人工轉(zhuǎn)變。

原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程,稱為原子核的人工轉(zhuǎn)變。原子核人工轉(zhuǎn)變的三個典型實例如下:

3.核裂變。

1938年底德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)重核裂變,即一個重核在俘獲一個中子后,分裂成幾個中等質(zhì)量的核的反應過程。如在一定條件下(超過臨界體積),裂變反應會連續(xù)不斷地進行下去,這就是鏈式反應。

4.核聚變。

二、五種粒子

3.γ光子,即高能光子,伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生。γ光子的穿透本領極強,電離作用很弱。

三、四種守恒

1.質(zhì)量數(shù)守恒:原子核的質(zhì)量數(shù)等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和。在核反應過程中,質(zhì)子與中子可以相互轉(zhuǎn)化,但質(zhì)子和中子的總個數(shù)保持不變,即質(zhì)量數(shù)守恒。

2.電荷數(shù)守恒:原子核由質(zhì)子和中子組成,質(zhì)子帶一個單位的正電荷(電荷量為1.6026×10-19C),中子不帶電。在核反應過程中,當質(zhì)子數(shù)減少時必有正電子產(chǎn)生,當質(zhì)子數(shù)增加時必有電子產(chǎn)生,總電荷數(shù)保持不變,即電荷數(shù)守恒。

3.能量守恒:在核反應過程中,當核子結(jié)合成原子核時,總質(zhì)量減少,由愛因斯坦質(zhì)能方程知相應的總能量也減少,由能量守恒定律知減少的這部分能量不會憑空消失,它必須釋放出去。當原子核分裂成核子時,總質(zhì)量增加,由愛因斯坦質(zhì)能方程知相應的總能量也增加,由能量守恒定律知增加的這部分能量也不會憑空產(chǎn)生,它必須由外部來供給。因此,核反應過程滿足能量守恒定律。

4.動量守恒:原子核內(nèi)發(fā)生相互作用時,由于相互間的作用力巨大,作用時間極短,屬于內(nèi)力遠大于外力的情形,因此,核反應過程滿足動量守恒定律。

四、六點注意

1.質(zhì)子和中子相互轉(zhuǎn)變:在核反應過程中,質(zhì)子與中子可以相互轉(zhuǎn)化。若核反應中有電子產(chǎn)生,說明在核反應中有一個中子轉(zhuǎn)化為一個質(zhì)子,核反應方程為若核反應中有正電子產(chǎn)生,說明在核反應中有一個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個中子,核反應方程

2.半衰期的統(tǒng)計意義:半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律,只有大量的原子核發(fā)生衰變時,半衰期才有意義。對于少量的原子核發(fā)生衰變而言,半衰期沒有意義。

3.核力的作用范圍:核力與核子是否帶電無關,質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間,中子與中子間都可以有核力作用,但只有鄰近的核子間才有核力作用,即核力是一種短程力(當兩個核子間的距離r＜1.5×10-15m時才發(fā)生作用)。

4.質(zhì)量虧損與質(zhì)量守恒的關系:發(fā)生核反應時有能量放出或需要吸收能量,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2可知,能量變化時質(zhì)量要相應變化,因此,在核反應過程中存在質(zhì)量虧損。從表面上看,核反應中質(zhì)量是不守恒的,但根據(jù)相對論可知,反應后的粒子速度比較大,算上它們的動質(zhì)量,核反應前后的總質(zhì)量仍然守恒。

5.電荷數(shù)守恒和電荷守恒的關系:二者在本質(zhì)上是一樣的,只不過所用之處不同。在核反應方程配平時,用的是電荷數(shù)守恒;在計算物體帶電荷的多少上,用的是電荷守恒。

6.能量守恒和愛因斯坦質(zhì)能方程的關系:愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2說明一定的質(zhì)量m總是跟一定的能量mc2相對應;能量守恒說明在核反應中,反應前后的總能量應保持不變,這是自然界的普適規(guī)律。

五、練一練

1.下列表述正確的有( )。

2.如圖1所示,P為放在勻強電場中的天然放射源,其放出的射線在電場的作用下分成a、b、c三束,以下判斷正確的是( )。

圖1

A.a為α射線、b為β射線

B.a為β射線、b為γ射線

C.b為γ射線、c為β射線

D.b為α射線、c為γ射線

A.6次 B.10次

C.22次 D.32次

4.以下說法中正確的是( )。

B.新發(fā)現(xiàn)的一種放射性元素X,它的氧化物X2O的半衰期為8天,則放射性元素X的半衰期一定為8天

C.現(xiàn)有100個某種放射性元素的原子核,經(jīng)過一個半衰期后,沒有衰變的原子核一定為50個

D.放射性元素Y,處在低溫狀態(tài)下,半衰期為τ,若它處于高溫狀態(tài)下,則半衰期τ有可能變小

5.浙江秦山核電站第三期工程有兩個6×105kW發(fā)電機組,發(fā)電站的核能來源于的裂變。回答以下問題:

(2)235892U原子核一種可能的裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核,其核反應方程式為

(3)若這兩個6×105kW發(fā)電機組正常發(fā)電,每年需要多少濃縮鈾?已知鈾核的質(zhì)量為235.0439u,中子的質(zhì)量為1.0087u,鍶(Sr)核的質(zhì)量為89.9077u,氙(Xe)核的質(zhì)量為135.9072u。1u=1.66×10-27kg,濃縮鈾中鈾235的含量占2%。

6.太陽中含有大量的氘核,氘核不斷發(fā)生核反應釋放的核能,以光和熱的形式向外輻射。已知氘核的質(zhì)量為2.0136u,氦核的質(zhì)量為3.0150u,中子的質(zhì)量為1.0087u,1u的質(zhì)量相當于931.5MeV的能量。則:

(2)求核反應中釋放的核能。

(3)在兩氘核以相等的動能0.35MeV進行對心碰撞,并且核能全部轉(zhuǎn)化為機械能的情況下,求反應中產(chǎn)生的中子和氦核的動能。

參考答案:1.AC 2.B 3.A 4.B

5.(1)92 143 (2)210n (3)6.02×104kg。

6.(1)32He (2)3.26MeV。 (3)EHe=0.99MeV,En=2.97MeV。

(責任編輯 張 巧)