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第五章 原子核——高二物理人教版（2019）期末復習知識大盤點
第一部分：單元學習目標整合
本章概述
本章在上一章內容的基礎上進一步探究原子核內部奧秘,本章主要內容為兩個方面:有關原子核的知識，有關核能的開發和利用的知識。前者涉及原子核的組成、核力和結合能、核反應、衰變和半衰期、裂變和聚變、基本粒子和夸克模型;后者則包括放射性同位素和核能的開發和利用。
重點 ①原子核的衰變和半衰期 ②核能的利用
難點 ①原子核的衰變與磁場 ②電場偏轉以及動量守恒定律等知識的結合 ③比結合能的理解
第二部分：經典例題復盤
例1.研究放射性元素射線性質的實驗裝置如圖所示，放射源能放出α、β、γ三種射線，兩塊平行放置的金屬板分別與電源的兩極連接.放射源發出的射線從其上方小孔向外射出，下列說法正確的是( )
A.到達A板的射線穿透能力最強
B.到達B板的射線穿透能力最強
C.到達A板的射線為β射線，是原子核內的中子轉化為質子時放出的
D.到達B板的射線電離本領最強，可以用于治療腫瘤
答案：C
解析：由題圖可知A板帶正電，B板帶負電，由于α射線帶正電，β射線帶負電，γ射線不帶電，故打在A板上的是β射線，打在B板上的是α射線，不發生彎曲的是γ射線，其中γ射線的穿透能力最強，可用于治療腫瘤，故A、B、D錯誤；到達A板的射線為β射線，由電子組成，是原子核內的中子轉化為質子時放出的，故C正確.
例2.我國的火星探測車用放射性材料作為燃料，中的Pu元素是，已知發生衰變的核反應方程為，的半衰期為87.7年.下列說法正確的是( )
A.放出的X射線是高速質子流
B.10個經過87.7年后還有5個未衰變
C.經過87.7年，現有的衰變一半
D.環境溫度升高，的半衰期將會縮短
答案：C
解析：根據質量數和電荷數守恒可知，X的質量數為4，電荷數為2，X為α粒子，選項A錯誤；半衰期是大量原子核衰變的統計規律，對少數的原子核衰變不適用，選項B錯誤；經過87.7年，即經過1個半衰期，現有的衰變一半，選項C正確；外部因素不改變半衰期，選項D錯誤.
例3.如圖所示，圖甲為原子核的比結合能與質量數關系曲線，圖乙為原子核的平均核子質量與原子序數的關系曲線，根據兩曲線，下列說法正確的是( )
A.根據圖甲可知，核的結合能約為7 MeV
B.根據圖甲可知，核的結合能比核的結合能大
C.根據圖乙可知，核D裂變成核E和F的過程中，比結合能減小
D.根據圖乙可知，若能結合成C，結合過程一定吸收能量
答案：B
解析：題圖甲中核的比結合能約為7 MeV，但圖中不能看出核的比結合能，不能計算出核的結合能，故A錯誤；分析題圖甲可知，核比核的比結合能略小，但核子數遠大于核，根據結合能等于比結合能與核子數的乘積可知，核的結合能比核的結合能大，故B正確；核D分裂成，由題圖可知是重核的裂變，因此比結合能將增大，故C錯誤；若能結合成C，平均核子質量減少，會有質量虧損，釋放出核能，故D錯誤.
例4.2023年4月12日21時，中國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創造了新的世界紀錄，成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒.下列關于核聚變的說法正確的是( )
A.核電站采用核聚變技術發電
B.任何兩個原子核都可以發生聚變
C.兩個輕核結合成質量較大的原子核，核子的比結合能變大
D.兩個輕核結合成質量較大的原子核，生成核的質量大于兩輕核的質量之和
答案：C
解析：核電站采用核裂變技術發電，故A錯誤；自然界中最容易實現的聚變反應是氫的同位素——氘與氚的聚變，不是任意的原子核就能發生核聚變，故B錯誤；兩個輕核結合成質量較大的核的過程中要釋放能量，所以核子的比結合能增加，故C正確；兩個輕核結合成質量較大的原子核，釋放能量，生成核的質量小于兩輕核的質量之和，故D錯誤.
例5.我國自主研發的“玲瓏一號”核反應堆，是全球最小的商用核反應堆，核反應方程為，反應產物會發生β衰變.已知核和的質量分別是235.0439 u、140.9139 u、91.8973 u和1.0087 u，1 u為，真空中的光速.則下列說法正確的是( )
A.核反應方程中的，
B.核的比結合能小于核的比結合能
C.的衰變方程為
D.一個核裂變放出的核能約為
答案：B
解析：根據質量數守恒和電荷數守恒可知核反應方程中的，，故A錯誤；核反應的產物比反應物更穩定，而比結合能越大原子核越穩定，可知核的比結合能小于核的比結合能，故B正確；根據題意可知，會發生β衰變，因此其衰變方程為，故C錯誤；根據愛因斯坦的質能方程有，解得，故D錯誤.
第三部分：重難知識概括
原子核的組成
一、射線的本質
自從發現了天然放射性現象，人們就一直在研究在射線究竟是什么？
1.研究方法
把放射源鈾、釙或鐳放入用鉛做成的容器中，射線只能從容器的小孔射出，成為細細的一束。
其中兩束在磁場中向不同的方向偏轉，證明它們是帶電粒子流；另一束在磁場不偏轉，說明它不帶電。于是把這三者射線分別叫a射線，β射線和γ射線。
帶電粒子在磁場中受到了洛倫茲力而偏轉。 那么根據左手定則
①a射線向上偏轉帶正電荷
②β射線向下偏轉帶負電荷
③γ射線不偏轉就不帶電
如果不加磁場加電場，根據正負相吸的原理電場線向左的。則右邊正電左邊負電荷。
三種射線
三種射線的本質、射出速度和電離性一定要記牢。
成分 速度 電離能力 穿透能力
a射線 氦原子核 1/10光速 很強 較弱
β射線 電子流 接近光速 較弱 較強
γ射線 電磁波 光速 更弱 很強
3.射線的來源
實驗發現，如果一種元素具有放射性，那么，無論它是以單質存在的，還是以化合物形式存在的，都具有放射性。放射性的強度也不受溫度、外界壓強的影響。由于元素的化學性質決定于原子核外的電子，這就說明射線與這些電子無關，即
射線來自原子核。這說明原子核內部是有結構的。
拓展學習：威爾遜云室
由微觀粒子構成的射線，肉眼是看不見的。但是，射線中的粒子與其他物質作用時產生的現象，會顯示射線的存在。威爾遜云室就是一種常用的射線探測裝置。（動圖展示射線通過云室）
放射性元素的的衰變
一、原子核的衰變
1．定義：原子核自發地放出α粒子或β粒子，由于核電荷數變了，它變成另一種原子核。這種變化稱為原子核的衰變。
2．衰變規律：原子核衰變時電荷數和質量數都守恒。
3．衰變分類
(1)α衰變：放出α粒子的衰變。(2)β衰變：放出β粒子的衰變。
4．衰變方程及實質
(1)α衰變：X→Y＋He。
實質：原子核中的兩個中子和兩個質子會結合起來形成α粒子，并被釋放出來。新核質量數減少4，電荷數減少2，如：U→Th＋He。
(2)β衰變：X→Y＋e。
實質：原子核內的中子轉化成了一個質子和一個電子，產生的電子發射到核外，即β粒子，其轉化方程是：n→H＋e。新核質量數不變，電荷數增加1。如：Th→Pa＋e。
(3)γ射線經常是伴隨α射線和β射線產生的。
實質：放射性的原子核在發生α衰變、β衰變時產生的新核處于高能級，要向低能級躍遷，并放出γ光子。
5．衰變次數的分析方法和技巧
(1)方法：設放射性元素X經過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩定的新元素Y，則衰變方程為：
X→Y＋nHe＋me
根據質量數守恒和電荷數守恒可列方程：
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m。
(2)技巧：為了確定衰變次數，一般先由質量數的改變確定α衰變的次數(這是因為β衰變的次數多少對質量數沒有影響)，然后根據電荷數的改變確定β衰變的次數。
二、核反應
衰變是原子核的自發變化，科學家更希望衛控制原子核的變化。
1、盧瑟福用α粒子轟擊氮核，生成質子和氧17。
定義：原子核在其它粒子的轟擊下產生新原子核的過程，叫做核反應。
核反應過程中質量數和電荷數都守恒
2、三個重要原子核的人工轉變方程
(1)1919年盧瑟福發現質子的核反應方程:
(2)1932年查德威克發現中子的核反應方程:
(3)1934年約里奧-居里夫婦發現放射性同位素和正電子的核反應方程:
原子核的人工轉變必須要有一定的裝置和條件,不會自發產生。
核力與結合能
一、核力與四種基本相互作用
1、核力
組成原子核的核子之間有很強的相互作用力，使核子能夠克服庫侖斥力而緊密地結合在一起，這種力稱為核力。
2、核力是短程力
核力是一種強相互作用力，在它的作用范圍內比庫侖力大得多；核力是一種短程力，作用范圍僅局限于1.5×10－15 m，在大于0.8×10－15 m時表現為引力，超過1.5×10－15 m時，核力急劇下降為零；而距離小于0.8×10－15 m時，核力表現為斥力。
3、核力的飽和性
每個核子只跟相鄰的核子發生核力的作用．
二、結合能
1、結合能
把原子核分解為獨立的核子，需要克服強大的核力做功，因此需要吸收的能量或核力把核子結合在一起放出的能量，稱為原子核的結合能。
2、比結合能
結合能與核子數之比稱為比結合能。比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。
三、質量虧損
1、質量虧損
核反應前與反應后的總質量之差稱為質量虧損。
2、愛因斯坦質能方程：E＝mc2。
3、核能的計算：ΔE＝Δmc2，其中Δm是質量虧損。
核裂變與核聚變
一、核裂變及鏈式反應
裂變:重核分裂成質量較小的核，并釋放核能的反應。
鏈式反應：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過
條件：每次裂變產生的中子，至少平均有一個能引發新的裂變
①保證的純度←提純
②鈾塊的大小
臨界體積:裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積
相應的質量：臨界質量
二分裂
質量數守恒，電荷守恒
如果 1 kg 鈾全部裂變，它放出的能量就相當于 2800 t 標準煤完全燃燒時放出的化學能。
1、核裂變：重核被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊的核反應。
2、鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時，鈾核發生裂變，其產物是多樣的，其中一種典型的裂變是。
3、鏈式反應：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程叫核裂變的鏈式反應。
4、臨界體積和臨界質量：把裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫作它的臨界體積，相應的質量叫作臨界質量。
5、核裂變的能量：1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學能。
二、核電站
1、核電站：利用核能發電，它的核心設施是反應堆，它主要由以下幾部分組成：
（1）燃料；（2）慢化劑；（3）控制棒。
2、工作原理：核燃料裂變釋放的能量，使反應區溫度升高。
3、能量輸出
4、核污染的處理
三、核聚變
1、定義：兩個輕核結合成質量較大的核，并釋放出能量的反應。
2、舉例：
3、條件：熱核反應。
4、應用：氫彈
四、受控熱核反應
1、聚變的優點：效率高；儲量豐富；安全、清潔。
2、聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經受熱核反應的高溫。
3、控制方法：（1）磁約束（2）慣性約束
“基本”粒子
1、基本粒子不基本：
1932年發明的粒子加速器，能使帶電粒子加速到很高的能量。讓這些高能粒子彼此對撞，就能產生更多的粒子，這種裝置稱為對撞機。利用加速器和對撞機，人們發現了更多的粒子。
部分新粒子的實驗發現年代圖：
（1）19世紀末，人們都認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子。
（2）隨著科學的發展，科學家們發現了很多的新粒子都不是由質子、中子、電子組成的，又發現質子、中子等本身也有自己的復雜結構。
2、發現新粒子：
（1）新粒子：1932年發現了正電子，1937年發現了μ子，1947年發現了K介子和π介子及以后的質量比質子的質量大的超子。
（2）粒子的分類：按照粒子與各種相互作用的不同關系，可將粒子分為三大類：強子、輕子和媒介子。
（3）夸克模型的提出：1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由更基本的成分組成，這種成分叫作夸克。夸克模型指出電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數電荷。
第四部分：掌握核心素養
①物理觀念:能了解原子核的組成和核力的內涵，知道四種基本相互作用，能根據質量數守恒和電荷數守恒寫出核反應方程，知道放射性、原子核衰變、半衰期和同位素等，知道原子核結合能、原子核裂變與聚變;能運用所學知識解釋核物理的一些技術應用。具有與原子核和核能相關的物質觀念、相互作用觀念和能量觀念。
②科學思維:能用原子核的結構模型解釋與核物理有關的問題;能對原子核與放射性物理問題進行分析和推理，能推算原子核的半衰期，知道半衰期的統計意義;能恰當使用證據證明相關結論;能對已有結論提出有依據的質疑，采用不同方式分析解決物理問題。
③科學探究:能查閱資料，提出和原子核與核能相關的物理問題;能進行調研，收集和原子核與核能相關的信息;能處理信息，形成相關結論。
④科學態度與責任:能體會人類對物質結構的探索是不斷深入的，科學的探索沒有止境;能自覺抵制違反實事求是的精神行為;能主動關注核技術應用對人類生活和社會發展帶來的影響，有保護環境的使命感。

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