两两相对举 学好核物理

■江苏省扬中市第二高级中学 陈朝晖

两两相对举 学好核物理

■江苏省扬中市第二高级中学 陈朝晖

高中阶段,原子核物理的内容很多,但仔细梳理就会发现,有三条两两相互对举的“辫子”,只要我们善于“抓辫子”,就能理清纷乱的头绪,学好核物理的全部内容。

一、天然衰变与人工转变

原子核的变化可以分为积极主动的变化和被动的变化,即天然衰变和人工转变。天然衰变核反应方程中的反应物只有一种,人工转变核反应方程中的反应物是两个或两个以上。

1.天然衰变。

天然衰变包括α衰变和β衰变,同时都释放出γ射线。α射线本质是氦核流(42He),速度是,电离能力最强;β射线本质是高速运动的电子流(0-1e),速度接近于c;γ射线本质是γ光子流,无静止质量,电中性,速度是c,电离能力最差,贯穿本领最强。每一次α衰变质量数(核子数)减少4个,即质子数减少2个,中子数也减少2个;每一次β衰变质量数(核子数)不变,即中子数减少1个,质子数相应增加1个。

放射性元素的原子核的衰变具有一定的周期性,原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期,半衰期公式为半衰期是一个统计规律,是原子核的特性,与压力、温度等物理因素无关,也与单质、化合态等化学因素无关。

下列说法正确的是( )。

A.22688Ra衰变为22286Rn要经过1次α衰变和1次β衰变

B.23892U衰变为23491Pa要经过1次α衰变和1次β衰变

C.23290Th衰变为20882Rb要经过6次α衰变和4次β衰变

D.23892U衰变为22286Rn要经过4次α衰变和4次β衰变

解析:设22688Ra衰变为22286Rn要经过x次α衰变和y次β衰变,则其衰变方程为22688Ra→,根据质量数守恒和电荷数守恒得226=222+4x,88=86+2x-y,解得x=1,y=0,选项A错误。设23892U衰变为23491Ra要经过n次α衰变和m次β衰变,则其衰变方程为238892U→2348291Ra+n42He+m0-1e,由质量数守恒和电荷数守恒得238=234+4n, 92=91+2n-m,解得n=1,m=1,选项B正确。同理,选项C正确、D错误。答案为BC。

点评:质量数守恒和电荷数守恒是原子核变化必然遵守的基本规律。

一个氡核22286Rn衰变成钋核21884Po并放出一个粒子,其半衰期为3.8天。1g氡核经过7.6天衰变掉的质量和22286Rn衰变成Po的过程放出的粒子是( )。

A.0.25g,α粒子 B.0.75g,α粒子

C.0.25g,β粒子 D.0.75g,β粒子

解析:氡核的半衰期为3.8天,7.6天为2个半衰期,所以1g氡核经过7.6天衰变掉的质量为由22286Rn→21884Po+42He知22286Rn衰变成21884Po的过程放出的粒子是42He,即α粒子。答案为B。

计算出衰变后剩余的原子核质量,再计算衰变掉的原子核质量。

2.人工转变。

原子核的人工转变可以分为两类:一类是用粒子去轰击旧核,使其转变为一种新核,比如质子的发现、中子的发现)、正电子的发现;另一类是重核裂变和轻核聚变,重核俘获一个粒子(如中子),就能裂解成两个中等质量的核,几个轻核在几百万摄氏度的高温下就能重组成一个中等质量的核。

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中,表述正确的有( )。

A.157N+11H→126C+42He是α衰变

B.31H+21H→42He+10n是β衰变

C.23592U+10n→14054Xe+9438Sr+210n是核裂变反应

D.23292U→22890Th+42He是核裂变反应

解析:选项A中的核反应是原子核的人工转变,选项B中的核反应是氢核的聚变,选项C中的核反应是重核的裂变反应,选项D中的核反应是天然放射现象(α衰变)。答案为C。

二、核力与核能

核力是自然界四种基本相互作用中最强的作用,核力做功伴随着巨大的核能变化。

1.核力。

核力也称强相互作用,核力是一种存在于任意两相邻核子之间的一种短程力,核子的半径大约是0.8fm,核力的作用范围是2fm,核力与电性无关。

2.核能。

核力很大,导致核力对核子做功时,核能变化很大。如果一个核反应有质量亏损,那么就会有核能释放。核能用爱因斯坦质能方程(E=mc2)计算,一点点质量亏损会释放出巨大的核能,一原子质量单位对应的核能是931.5MeV,即1uc2=931.5MeV。

一个静止的铀核23292U(原子质量为232.0372u)放出一个α粒子(原子质量为4.0026u)后衰变成钍核22890Th(原子质量为228.0287u)。已知1u=1.67×10-27kg,1u相当于931.5MeV的能量。

(1)写出铀核的衰变反应方程。

(2)算出该衰变反应中释放出的核能。

解析:(1)铀核衰变成钍核的核反应方程为23292U→22890Th+42He。

(2)质量亏损Δm=mU-mα-mTh= 0.0059u。由爱因斯坦质能方程得ΔE= Δmc2=0.0059×931.5MeV=5.50MeV。

三、重核裂变与轻核聚变

重核裂变的特点是三多,即产物多(二裂变还可以裂变成Xe和Sr,Sb和Nb)、中子多(平均每个核反应繁殖出2个或3个中子)、核能多(平均每个核子释放1MeV的能量)。重核要发生链式反应,必须达到临界体积或临界质量(直径为4.8cm,质量约为1kg),质量为1kg的U全部裂变释放出的核能相当于2000t优质煤完全燃烧释放出的化学能。

在核反应中有一种是一个23592U原子核在中子的轰击下发生的一种可能的裂变反应,其裂变方程为23592U+10n→X+9438Sr+ 1010n,则下列叙述正确的是( )。

A.X原子核中含有54个质子

B.X原子核中含有53个中子C.裂变时释放能量是因为亏损的质量变成了能量

D.裂变时释放能量,出现质量亏损,质量数不守恒

解析:由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知,X原子核中含有54个质子, 78个中子,选项A正确,B、D错误。裂变时释放能量不是亏损的质量变成了能量,而是亏损的质量以能量的形式释放出来,选项C错误。答案为A。

点评:一般把能量大于0.1MeV的中子称为快中子,把能量小于0.1MeV的中子称为慢中子。U235对慢中子容易吸收,且容易反应;U238对能量大于1MeV的快中子容易吸收,且不易反应。

2.轻核聚变。

轻核结合成质量较大的核的变化叫轻核聚变,如21H+31H→42He+10n+17.6MeV。轻核聚变需要几百万摄氏度的高温(因此又称热核反应),使反应物首先成为等离子体,以很高的动能克服强大的库仑斥力,结合在一起。轻核聚变的特点是两多一少,两多指平均每个核子释放的核能多,核原料多,一少是指污染少。

假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子,已知氘核的质量是2.0136u,中子的质量是1.0087u,氦核的同位素的质量是3.0150u, 1u相当于931.5MeV,则该聚变的核反应方程式是____,在聚变反应中释放的能量是____MeV(保留两位有效数字)。

解析:由题意可知,该聚变的核反应方程式为21H+21H→32He+10n。该核反应过程中的质量亏损Δm=2mH-mHe+mn(

)=3.5× 10-3u。由爱因斯坦质能方程得ΔE= 3.5×10-3×931.5MeV=3.3MeV。

点评:轻核聚变所释放的巨大核能为轻核聚变的持续进行提供了温度保障。轻核聚变在自然界中并不罕见,恒星(如太阳)内部时时刻刻都发生着轰轰烈烈的聚变反应。

(责任编辑 张 巧)

重核裂变与轻核聚变的过程都有质量亏损,都有核能放出。轻核聚变释放的核能更多,放出的射线少,对环境的污染小。重核裂变的原料(如U等)在自然界中的储量极少,而轻核聚变的主要原料是氘核,每升海水中含有0.03g氘,这些氘核所释放的核能相当于300L汽油完全燃烧所释放出来的化学能。轻核聚变反应的发生需要几百万摄氏度的高温,发生条件苛刻。运用重核裂变原理可以制成原子弹,运用轻核聚变原理可以制成氢弹,运用核能发电是人类对核能的和平利用方式之一。

1.重核裂变。

重核分裂成质量较小的核的反应叫重核