■山東省日照市第一中學(xué) 徐恒峰

原子核及核能知識(shí)結(jié)構(gòu)整合

■山東省日照市第一中學(xué) 徐恒峰

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

一、四類核反應(yīng)

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(yīng)過程中,有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)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(yīng)過程中,有一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子,同時(shí)放出一個(gè)電子,即

放射性的原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時(shí),蘊(yùn)藏在核內(nèi)的能量會(huì)釋放出來,使產(chǎn)生的新核處于較高能級(jí),新核輻射出γ光子后躍遷到低能級(jí)。當(dāng)放射性物質(zhì)連續(xù)衰變時(shí),原子核中有的發(fā)生α衰變,有的發(fā)生β衰變,同時(shí)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(shí)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(xué)狀態(tài)等無關(guān)。

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(gè)典型實(shí)例如下:

3.核裂變。

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

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(lǐng)極強(qiáng),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(yīng)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(gè)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(gè)單位的正電荷(電荷量為1.6026×10-19C),中子不帶電。在核反應(yīng)過程中,當(dāng)質(zhì)子數(shù)減少時(shí)必有正電子產(chǎn)生,當(dāng)質(zhì)子數(shù)增加時(shí)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(yīng)過程中,當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí),總質(zhì)量減少,由愛因斯坦質(zhì)能方程知相應(yīng)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(huì)憑空消失,它必須釋放出去。當(dāng)原子核分裂成核子時(shí),總質(zhì)量增加,由愛因斯坦質(zhì)能方程知相應(yīng)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(huì)憑空產(chǎn)生,它必須由外部來供給。因此,核反應(yīng)過程滿足能量守恒定律。

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

四、六點(diǎn)注意

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

2.半衰期的統(tǒng)計(jì)意義:半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,只有大量的原子核發(fā)生衰變時(shí),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(guān),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(dāng)兩個(gè)核子間的距離r＜1.5×10-15m時(shí)才發(fā)生作用)。

4.質(zhì)量虧損與質(zhì)量守恒的關(guān)系:發(fā)生核反應(yīng)時(shí)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(shí)質(zhì)量要相應(yīng)變化,因此,在核反應(yīng)過程中存在質(zhì)量虧損。從表面上看,核反應(yīng)中質(zhì)量是不守恒的,但根據(jù)相對論可知,反應(yīng)后的粒子速度比較大,算上它們的動(dòng)質(zhì)量,核反應(yīng)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(guān)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(yīng)方程配平時(shí),用的是電荷數(shù)守恒;在計(jì)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(guān)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(yīng);能量守恒說明在核反應(yīng)中,反應(yīng)前后的總能量應(yīng)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(qiáng)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(gè)某種放射性元素的原子核,經(jīng)過一個(gè)半衰期后,沒有衰變的原子核一定為50個(gè)

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(gè)6×105kW發(fā)電機(jī)組,發(fā)電站的核能來源于的裂變?；卮鹨韵聠栴}:

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

(3)若這兩個(gè)6×105kW發(fā)電機(jī)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(yīng)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(dāng)于931.5MeV的能量。則:

(2)求核反應(yīng)中釋放的核能。

(3)在兩氘核以相等的動(dòng)能0.35MeV進(jìn)行對心碰撞,并且核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的情況下,求反應(yīng)中產(chǎn)生的中子和氦核的動(dòng)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(zé)任編輯 張 巧)