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【必备知识·自主排查】
一、放射现象、原子核的组成、衰变
1．天然放射现象：
(1)天然放射现象：放射性元素________地发出射线的现象，首先由________发现．天然放射现象的发现，说明________具有复杂的结构．放出的射线有α射线、β射线、γ射线三种．
(2)放射性同位素的应用与防护
①放射性同位素：有________放射性同位素和________放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同．
②应用：工业测厚、放射治疗、作为________等．
③防护：防止放射性物质对环境的污染和对人体组织的伤害．
2．三种射线的比较：
名称
构成
符号
电荷量
质量
电离能力
穿透能力
α射线
氦核
____
____
4 u
____
____
β射线
____
-10e
____
11840 u
____
较强
γ射线
光子
γ
____
0
最弱
____
：
(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为________．质子带正电，中子不带电．
(2)基本关系
①核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝________．
②质量数(A)＝________＝质子数＋中子数．
(3)X元素的原子核的符号为ZAX，其中A表示________，Z表示核电荷数．
4．放射性元素的衰变、半衰期：
(1)原子核的衰变：
①原子核放出________或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变．
②规律：________和________都守恒．
③分类
α衰变：ZAX→Z-2A-4Y＋________，例：92238U→90234Th+24He
β衰变：ZAX→Z+1 AY＋________，例：90234Th→ 91234Pa+-10e
(2)半衰期
①定义：放射性元素的原子核有________发生衰变所需的时间．
②影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核________自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________关系．
③公式：N＝N0·12tτ，m余＝m0·12tτ
二、核力和核能
1．核力
(1)概念：原子核内部，________所特有的相互作用力．
(2)特点：核力是强相互作用力、短程力，只发生在相邻的核子间．
2．核能
(1)质能关系：E＝________
(2)核能的释放：核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其释放的能量ΔE＝________．
(3)核能的吸收：原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝________．
三、重核裂变和轻核聚变
1．重核裂变：
(1)定义：质量数较________的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较________的原子核的过程．
(2)特点
①裂变过程中________巨大能量．
②裂变的同时能够释放出2～3(或更多)个________．
③裂变的产物不是唯一的．对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小．
(3)典型的裂变反应方程
U＋n―→Ba＋Kr＋3____．
(4)链式反应：由重核裂变产生的________使裂变反应一代接一代继续下去的过程．
(5)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生________的最小体积及其相应的质量．
(6)裂变的应用：________、核反应堆．
(7)反应堆构造：核燃料、慢化剂、________、防护层．
2．轻核聚变
(1)定义：两个轻核结合成质量________的核的反应过程．轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫________反应．
(2)特点
①产能效率高；②燃料的储量丰富；③安全、清洁．
(3)典型的聚变反应方程
12H+13H―→24 He＋01n＋ MeV.
【教材拓展】
1.[人教版选择性必修第三册P109图－2]
(1)β衰变中的电子来源于原子核外电子．( )
(2)天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分. ( )
(3)原子核是由质子和电子组成的. ( )
(4)人工放射性同位素被广泛地应用．( )
(5)发生β衰变时，新核的电荷数不变. ( )
(6)半衰期是一个统计规律．对少数原子核不适用. ( )
(7)三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是γ射线、β射线、α射线. ( )
(8)目前核电站多数是采用核聚变反应发电. ( )
(9)轻核聚变比重核裂变的产能效率更高. ( )
2．(多选)钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素．已知钚的一种同位素Pu的半衰期为24 100年，其衰变方程为Pu→X＋He＋γ，下列有关说法正确的是( )
A．X原子核中含有143个中子
B．80个Pu经过24 100年后一定还剩余40个
C．衰变发出的γ射线是频率很高的电磁波，具有很强的穿透能力
D．由于衰变时释放出巨大能量，根据E＝mc2可知，衰变过程总质量增加
3．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有( )
+12H→24He+01n是核聚变反应
+12H→24He+01n是β衰变
C. 92235U+01n→ 56144Ba+3689Kr+301n是核裂变反应
D. 92235U+01n→ 54140Xe+3894 Sr＋201n是α衰变
4．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电，氘核聚变反应方程是12H+12H→23 He＋01n，已知12H的质量为 6 u，23He的质量为 0 u，01n的质量为 7 u，1 u＝ MeV/( )
A． MeV
B． MeV
C． MeV
D． MeV
【关键能力·分层突破】
考点一 原子核的衰变、半衰期
1．确定衰变次数的方法：
(1)设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示该核反应的方程为ZAX→Z'A'Y＋n24He＋m-10e.
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A=A'+4nZ=Z'+2n-m.
(2)因为β衰变对质量数无影响，先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数．
2．对半衰期的理解：
(1)半衰期是统计规律，描述的是大量原子核衰变的规律．
(2)放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．
3．α衰变、β衰变的比较
衰变类型
α衰变
β衰变
衰变过程
ZAX→Z-2A-4Y＋24He
ZAX→Z+1AY＋-10e
衰变实质
2个质子和2个中子结合成一个整体射出
1个中子转化为1个质子和1个电子
211H＋201n→24He
01n→11H＋-10e
匀强磁场中的轨迹形状
衰变规律
电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
例1 [2021·河北卷，1]＋衰变的衰变方程为Al→1226Mg＋10e，测得26Al核的半衰期为72万年．下列说法正确的是( )
A．26Al核的质量等于26Mg核的质量
B．26Al核的中子数大于26Mg核的中子数
C．将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中，其半衰期不变
D．银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年以后全部衰变为26Mg
[解题心得]
命题分析
试题情境
属于基础性题目，以放射性同位素铝26衰变为素材创设学习探索问题情境
必备知识
考查衰变方程、半衰期等知识
关键能力
考查理解能力、推理能力．理解放射性元素的衰变规律和半衰期知识
学科素养
考查物理观念中的物质观、科学思维．要求考生利用电荷数守恒和质量数守恒、半衰期分析判断
【跟进训练】
1.[2021·湖南卷，1]核废料具有很强的放射性，需要妥善处理．下列说法正确的是( )
A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽
B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒
C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期
D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
2．[2021·广东卷，1]，其衰变方程为1326Al→1226Mg＋( )
A．Y是氦核
B．Y是质子
C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半
D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变
3．[2021·全国甲卷，17]如图，一个原子核X经图中所示的一系列α、β衰变后，生成稳定的原子核Y，在此过程中放射出电子的总个数为( )
A．6 B．8
C．10 D．14
考点二 核反应类型与核反应方程
核反应的四种类型
类型
可控性
核反应方程典例
衰变
α衰变
自发
92238U→90234Th＋24He
β衰变
自发
90234Th→91234Pa＋-10e
人工转变
人工控制
714N＋24He→817O＋11H(卢瑟福发现质子)
24He＋49Be→612C＋01n(查德威克发现中子)
1327Al＋24He→1530P＋01n
(约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时探测到正电子)
1530P→1430Si＋10e
重核裂变
比较容易进行人工控制
92235U＋01n→56144Ba＋3689Kr＋301n
92235U＋01n→54136Xe＋3890Sr＋1001n
轻核聚变
很难控制
12H＋13H→24He＋01n
【跟进训练】
4.[2021·浙江6月，14](多选)对四个核反应方程
(1) 92238U→90234Th＋24He；
(2)90234Th→91234Pa＋-10e；
(3)714N＋24He→817O＋11H；
(4)12H＋13H→24He＋01n＋ MeV.
下列说法正确的是( )
A．(1)(2)式核反应没有释放能量
B．(1)(2)(3)式均是原子核衰变方程
C．(3)式是人类第一次实现原子核转变的方程
D．利用激光引发可控的(4)式核聚变是正在尝试的技术之一
5．(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是( )
A．92238U→90234Th＋24He是α衰变
B．714N＋24He→817O＋11H是β衰变
C．12H＋13H→24He＋01n是轻核聚变
D． 3482Se→3682Kr＋2-10e是重核裂变
6．(多选)新冠病毒是一种传染病毒，传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式模型，类似于核裂变链式反应模型．铀裂变核反应方程为92235U＋ZAn→56144Ba＋3689Kr＋R ZAn，其中n表示中子．裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”．下列说法正确的有( )
A．从铀裂变核反应方程看，“传染系数”R＝2
B．核反应堆中通过镉板吸收中子降低“传染系数”
C．链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为1
D．核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关
考点三 核能及其计算
1．核能的计算方法：
书写核反应方程―→计算质量亏损Δm―→利用ΔE=Δmc2，计算释放的核能
(1)根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”．
(2)根据ΔE＝Δm× MeV计算．因1原子质量单位(u)相当于 MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．
2．应用规律：
例2 [2022·苏州一模]一个静止的铀核92232U( 2 u)放出一个α粒子(质量为
6 u)后衰变成钍核90228Th( 7 u)，已知1 u相当于931 MeV的能量．下列说法正确的是( )
A．该核衰变反应方程为92232U→ 90228Th+24He
B． MeV
C．该反应产生的钍核和α粒子的动量相同
D．假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能， MeV
【跟进训练】
7.(多选)2021年1月30日，“华龙一号”全球首堆福建福清核电5号机组投入商业运行．这是中国核电发展的重大跨越，标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列，成为继美国、法国、俄罗斯等国家之后真正掌握自主三代核电技术的国家．“华龙一号”运用了先进的百万千瓦级压水堆核电技术，设某核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，其中U、Ba、Kr、n的质量分别为m1、m2、m3、m4， ( )
A．此核反应为核聚变反应
B．Ba及Kr的比结合能小于U的比结合能
C．一次核反应释放的核能为E＝(m1－m2－m3－2m4)c2
D．核燃料需达到临界体积才能发生链式反应
8．[2022·山东荷泽模拟]2019年8月我国已经建成了新托卡马克(EAST)装置——中国环流器二号M装置(HL­2M)，为“人造太阳”创造了条件，其等离子温度有望超过2亿摄氏度，将中国的聚变堆技术提升到了新的高度．设该热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(01n) ( )
A．核裂变比核聚变更为安全、清洁
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较聚变前减少
D．HL­2M中发生的核反应方程式是12H+13H―→ 24He+01n
第3讲 放射性元素的衰变 核能
必备知识·自主排查
一、
1．(1)自发 贝可勒尔 原子核 (2)天然 人工 示踪原子
2e 最强 较差 电子 －e 较弱 0 最强
3．(1)核子 (2)中性原子的核外电子数 核子数 (3)质量数
4．(1)α粒子 电荷数 质量数 24He -1 0e
(2)半数 内部 没有
二、
1．(1)核子
2．(1)mc2 (2)Δmc2 (3)Δmc2
三、
1．(1)大 小 (2)释放出 中子 301n (4)中子 (5)链式反应 (6)原子弹 (7)镉棒
2．(1)较大 热核
教材拓展
1．答案：(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)√
(7)√ (8)× (9)√
2．解析：本题考查元素的衰变和质能方程．根据核反应前后电荷数守恒和质量数守恒得X的电荷数为94－2＝92，质量数为239－4＝235，则中子数为235－92＝143，故A正确；半衰期具有统计规律，对大量的原子核适用，故B错误；衰变发出的γ射线是频率很高的电磁波，具有很强的穿透能力，故C正确；在衰变的过程中，根据质能方程知，有能量放出，则一定有质量亏损，故D错误．
答案：AC
3．解析：A、B所列反应是核聚变，不是β衰变，β衰变要放出电子，故A对，B错；C、D两种反应都是核裂变，故C对，D错．
答案：AC
4．解析：本题考查质能方程的计算．氘核聚变反应的质量亏损Δm＝2m氘－m氦－mn＝ 5 u，则该反应释放的核能ΔE＝Δm× MeV≈ MeV，故选B.
答案：B
关键能力·分层突破
例1 解析：26Al发生衰变的过程中释放正电子的同时还有核能释放，发生质量亏损，所以26Al核的质量大于26Mg核的质量，故A错误；26Al核的中子数n1＝26－13＝13，而26Mg核的中子数n2＝26－12＝14，所以26Al核的中子数小于26Mg核的中子数，故B错误；半衰期是原子核固有的属性，与物理环境和化学状态无关，故C正确；铝同位素26Al的半衰期为72万年，所以经过144万年也就是两个半衰期后还剩下14没有衰变，故D错误．
答案：C
1．解析：根据半衰期的定义可知，放射性元素经过两个完整的半衰期后，还剩原来的14未衰变，A错误；原子核衰变时电荷数和质量数都守恒，B错误；放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系，因此改变压力、温度或浓度，放射性元素的半衰期不变，C错误；过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，若辐射强度在安全剂量内则不会对人体组织造成伤害，D正确．
答案：D
2．解析：根据电荷数守恒与质量数守恒可知Y为正电子10e，A、B错误．经过一个半衰期，铝26衰变一半，经过两个半衰期，铝26还剩下四分之一，C正确，D错误．
答案：C
3．解析：根据图像可得其原子核分别为92238X、82206Y，设经历α衰变x次，β衰变y次，由于β衰变不会改变原子核的质量数，则可根据衰变前后质量数的变化求解α衰变的次数，即x＝238-2064＝8，根据电荷数守恒求β衰变的次数，即y＝82＋2x－92＝6，而只有β衰变才放出电子，故β衰变6次，放出6个电子，故选项B、C、D错误，选项A正确．
答案：A
4．解析：(1)是α衰变，(2)是β衰变，均有能量放出，A错误；(3)是人工核转变，B错误；(3)式是人类第一次实现原子核转变的方程，C正确；利用激光引发可控的(4)式核聚变是正在尝试的技术之一，D正确．
答案：CD
5．解析：B选项是卢瑟福发现质子的核反应，B选项错误；D选项是β衰变，D选项错误．A、C选项正确．
答案：AC
6．解析：中子的电荷数Z＝0，质量数A＝1，核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒，因此可计算得R＝3，故A错误；核反应堆中通过镉板吸收中子，减少轰击铀核的中子数，最终起到降低实际“传染系数”的作用，所以B正确；在链式反应中，当实际“传染系数”R≥1时，反应才能持续发展下去，当实际“传染系数”R<1时，反应将趋于停滞，即R＝1是链式反应持续下去的临界值，故C正确；核反应堆中还可以通过铀棒来控制核反应的速率，实际上就是通过调整铀浓度来控制实际“传染系数”，所以D错误．
答案：BC
例2 解析：由题意可知，该核衰变反应方程为92232U→ 90228Th+24He，选项A正确；质量亏损Δm＝ 9 u，释放出的核能ΔE＝Δm×931 MeV＝ 9×931 MeV≈ MeV，选项B错误；由该核衰变反应过程中系统动量守恒，可知反应后的钍核和α粒子的动量大小相等、方向相反，即pTh＝－pα，EkTh＝pTh2 2mh，Ekα＝pα2 2mα，EkTh＝Ekα＝ΔE，所以钍核获得的动能EkTh＝mαmα+mTh×ΔE＝44+228× MeV≈ MeV，选项C、D错误．
答案：A
7．解析：“华龙一号”压水堆核电技术利用的是核裂变反应，目前核聚变技术还不成熟，没有投入商用， 是中等质量的核，其比结合能均大于重核92235U的比结合能，B错误．根据爱因斯坦质能方程，可知一次核反应释放的核能为E＝(m1－m2－m3－2m4)c2，C正确．原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，裂变反应时，核燃料需达到临界体积才能使中子有足够大的概率打中某个铀核，才能发生持续的核反应，D正确．
答案：CD
8．解析：轻核聚变比核裂变更为安全、清洁，选项A错误；棱反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1＋m2≠m3＋m4选项B错误；两个轻核结合成质量较大的核，根据质量亏损与质能方程，则有聚变后比结合能将增大，选项C错误；根据质量数和电荷数守恒知HL－2M中发生的核反应方程式是12H+13H→24 He＋01n，选项D正确．故选