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第五章　原子核 章末素養提升
物理觀念 天然放射現象：三種射線 α射線(He)：氦核流，穿透能力________，電離作用________ β射線(e)：高速電子流， 穿透能力______， 電離作用______ γ射線：是一種電磁波，伴隨α衰變和β衰變而產生，穿透能力________，電離作用________
原子核的衰變 意義：放射性元素的原子核自發放出某種粒子后變成新的原子核的變化 ①α衰變：X→Y＋He ②β衰變：X→Y＋e
核反應與核能 核力：短程力，只與________核子發生作用 結合能：原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們________所需要的能量就是原子核的結合能 比結合能(平均結合能)：比結合能越______，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定 愛因斯坦質能方程：E＝mc2或ΔE＝________ 重核的裂變：U＋n―→Ba＋Kr＋________ 輕核的聚變：H＋H―→________＋n
“基本 粒子” 粒子的分類：強子、輕子、規范玻色子、希格斯玻色子 夸克模型
科學思維 1.能根據質量數守恒和電荷數守恒寫出核反應方程 2．能用半衰期、質量虧損和愛因斯坦質能方程計算核能相關問題
科學態度與責任 1.了解兩類核能應用的利弊，關注受控熱核反應研究的進展 2．關注核技術應用對人類生活和社會發展的影響
例1　在下列描述核反應的方程中，屬于α衰變的是______，屬于β衰變的是______，屬于核裂變的是________，屬于核聚變的是________。(填正確答案前的字母)
A.C→N＋e
B.P→S＋e
C.U→Th＋He
D.N＋He→O＋H
E.U＋n→Xe＋Sr＋2n
F.H＋H→He＋n
例2　(2022·蘇州市高二期末)央視曝光“能量石”核輻射嚴重超標，該“能量石”含有放射性元素釷Th，Th經多次衰變后變成穩定的鉛Pb，Th半衰期長達1.4×1010年。則(　　)
A．衰變過程中發生了6次α衰變和4次β衰變
B.Pb比Th少12個中子
C．衰變產生的射線中β射線穿透能力最強
D.Th在高溫、高壓條件下半衰期會變短
例3　(2022·常州市高二期末)在勻強磁場中，一個原來靜止的原子核，由于衰變放出一個粒子，結果得到一張兩個相切圓的徑跡照片(如圖)，現測得兩個相切圓半徑之比r1∶r2＝1∶44，則(　　)
A．軌道1是α粒子的徑跡
B．軌道2是β粒子的徑跡
C．衰變前原子核所含的質子數為88
D．衰變前原子核所含的質子數為90
例4　(2022·徐州市高二期中)硼中子俘獲療法是腫瘤治療的新技術。如圖所示，硼核(B)進入癌細胞內中吸收中子后轉變成鋰核(Li)和α粒子。已知質子的質量為mp，中子的質量為mn，硼核的比結合能為E1，鋰核的比結合能為E2，氦核的比結合能為E3，真空中光速為c。
(1)寫出核反應方程并求核反應過程中的質量虧損Δm；
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(2)求α粒子的核子平均質量mα。
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例5　核電站利用核反應堆工作，鈾核U裂變生成鋇核Ba和氪核Kr。在一個反應堆中用石墨做慢化劑使快中子減速。碳核的質量是中子的12倍，假設中子與碳核的每次碰撞都是彈性正碰，而且認為碰撞前碳核都是靜止的。
(1)試完成鈾核裂變反應方程：
U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)已知U、Ba、Kr核以及中子的質量分別是235.043 9 u,140.913 9 u,91.897 3 u和1.008 7 u，計算一個鈾核裂變放出的核能。1 u＝1.66×10－27 kg，c＝3.0×108 m/s。(結果保留兩位有效數字)
(3)設碰撞前中子的動能是E0，經過一次碰撞，中子失去的動能是多少。
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章末素養提升
物理觀念 天然放射現象：三種射線 α射線(He)：氦核流，穿透能力很弱，電離作用很強 β射線(e)：高速電子流，穿透能力較強， 電離作用較弱 γ射線：是一種電磁波，伴隨α衰變和β衰變而產生，穿透能力更強，電離作用更弱
原子核的衰變 意義：放射性元素的原子核自發放出某種粒子后變成新的原子核的變化 ①α衰變：X→Y＋He ②β衰變：X→Y＋e
核反應與核能 核力：短程力，只與鄰近核子發生作用 結合能：原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開所需要的能量就是原子核的結合能 比結合能(平均結合能)：比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定 愛因斯坦質能方程：E＝mc2或ΔE＝Δmc2 重核的裂變：U＋n―→Ba＋Kr＋3n 輕核的聚變：H＋H―→He＋n
“基本粒子” 粒子的分類：強子、輕子、規范玻色子、希格斯玻色子 夸克模型
科學思維 1.能根據質量數守恒和電荷數守恒寫出核反應方程 2．能用半衰期、質量虧損和愛因斯坦質能方程計算核能相關問題
科學態度與責任 1.了解兩類核能應用的利弊，關注受控熱核反應研究的進展 2．關注核技術應用對人類生活和社會發展的影響
例1　在下列描述核反應的方程中，屬于α衰變的是________，屬于β衰變的是________，屬于核裂變的是________，屬于核聚變的是______。(填正確答案前的字母)
A.C→N＋e
B.P→S＋e
C.U→Th＋He
D.N＋He→O＋H
E.U＋n→Xe＋Sr＋2n
F.H＋H→He＋n
答案　C　AB　E　F
解析　α衰變是一種放射性衰變，α粒子(He)會從原子核中射出，C項符合要求；β衰變是指原子核內自發地放出一個電子(e)，同時原子序數加1的過程，A、B兩項符合要求；核裂變是指一些質量較大的原子核，如鈾、釷和钚等在吸收一個中子后分裂成兩個或多個質量較小的原子核，同時放出多個中子和很大能量的過程，E項符合要求；核聚變是指兩個輕核結合成質量較大的原子核并釋放大量能量的過程，F項符合要求；D項屬于人工核轉變的方程。
例2　(2022·蘇州市高二期末)央視曝光“能量石”核輻射嚴重超標，該“能量石”含有放射性元素釷Th，Th經多次衰變后變成穩定的鉛Pb，Th半衰期長達1.4×1010年。則(　　)
A．衰變過程中發生了6次α衰變和4次β衰變
B.Pb比Th少12個中子
C．衰變產生的射線中β射線穿透能力最強
D.Th在高溫、高壓條件下半衰期會變短
答案　A
解析　根據α和β衰變的特征可知，每經過一次α衰變，質量數減少4、電荷數減少2，每經過一次β衰變，質量數不變，電荷數增加1，所以Th變成Pb的衰變過程中發生α衰變的次數為n1＝＝6，發生β衰變的次數為n2＝2n1－(90－82)＝4，故A正確；中子數等于質量數減質子數，所以Pb和Th的中子數分別為126和142，所以Pb比Th少16個中子，故B錯誤；γ射線通常會伴隨α和β衰變而產生，衰變產生的這三種射線中γ射線穿透能力最強，其次是β射線，最差的是α射線，故C錯誤；半衰期由放射性元素本身決定，與外界環境無關，故D錯誤。
例3　(2022·常州市高二期末)在勻強磁場中，一個原來靜止的原子核，由于衰變放出一個粒子，結果得到一張兩個相切圓的徑跡照片(如圖)，現測得兩個相切圓半徑之比r1∶r2＝1∶44，則(　　)
A．軌道1是α粒子的徑跡
B．軌道2是β粒子的徑跡
C．衰變前原子核所含的質子數為88
D．衰變前原子核所含的質子數為90
答案　D
解析　原子核X衰變過程滿足動量守恒，放出的粒子和新核Y(帶正電)初速度方向相反，二者在同一磁場中軌跡形成外切圓，由左手定則可知粒子也帶正電，所以是α衰變。X發生α衰變的反應式為X→He＋Y，由動量守恒知α粒子和新核的動量大小p相等，根據牛頓第二定律可得qvB＝m，解得r＝＝，可知粒子圓周運動的半徑與帶電粒子電荷量成反比，即＝＝，由此可得，α粒子做圓周運動的半徑大于新核Y做圓周運動的半徑，即圓軌道2是α粒子的徑跡，圓軌道1是新核Y的徑跡，A、B錯誤；由＝＝，解得Z＝90，即衰變前原子核原來所含的質子數是90，C錯誤，D正確。
例4　(2022·徐州市高二期中)硼中子俘獲療法是腫瘤治療的新技術。如圖所示，硼核(B)進入癌細胞內中吸收中子后轉變成鋰核(Li)和α粒子。已知質子的質量為mp，中子的質量為mn，硼核的比結合能為E1，鋰核的比結合能為E2，氦核的比結合能為E3，真空中光速為c。
(1)寫出核反應方程并求核反應過程中的質量虧損Δm；
(2)求α粒子的核子平均質量mα。
答案　(1)B＋n→He＋Li　　(2)－
解析　(1)核反應方程為B＋n→He＋Li，由質能方程ΔE＝Δmc2
且ΔE＝4E3＋7E2－10E1，聯立解得Δm＝
(2)2個質子和2個中子結合為α粒子時放出能量E＝4E3，質量虧損Δm′＝
則α粒子的核子平均質量mα＝－
例5　核電站利用核反應堆工作，鈾核U裂變生成鋇核Ba和氪核Kr。在一個反應堆中用石墨做慢化劑使快中子減速。碳核的質量是中子的12倍，假設中子與碳核的每次碰撞都是彈性正碰，而且認為碰撞前碳核都是靜止的。
(1)試完成鈾核裂變反應方程：
U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)已知U、Ba、Kr核以及中子的質量分別是235.043 9 u,140.913 9 u,91.897 3 u和1.008 7 u，計算一個鈾核裂變放出的核能。1 u＝1.66×10－27 kg，c＝3.0×108 m/s。(結果保留兩位有效數字)
(3)設碰撞前中子的動能是E0，經過一次碰撞，中子失去的動能是多少。
答案　(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n　(2)3.2×10－11 J　(3)E0
解析　(1)根據電荷數和質量數守恒可得：
核反應方程為U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)核反應過程中的質量虧損為
Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u
由愛因斯坦質能方程得一個鈾核裂變放出的能量為
ΔE＝Δmc2＝0.215 3×1.66×10－27×(3×108)2 J≈3.2×10－11 J
(3)設中子和碳核的質量分別為m和M，碰撞前中子的速度為v0，碰撞后中子和碳核的速度分別為v和v′，
根據動量守恒定律，可得mv0＝mv＋Mv′
根據彈性碰撞中能量守恒，
可得E0＝mv02＝mv2＋Mv′2
解得v＝v0
已知M＝12m，
可得v＝－v0
則在碰撞過程中中子損失的能量為
ΔE＝mv02－mv2＝E0

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