原子核及核能知识结构整合

■山东省日照市第一中学 徐恒峰

原子核及核能知识结构整合

■山东省日照市第一中学 徐恒峰

原子核及核能是原子物理中的核心内容,同学们在高三一轮复习时,必须弄清四类核反应的特点,熟练掌握五种粒子的本质,正确理解核反应中的四种守恒等。现将相关知识整合如下,以期帮助同学们优化知识结构、提高复习效果。

一、四类核反应

1.衰变。

原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变。

(1)α衰变。放射性元素放出α粒子后变成另一种元素的衰变过程叫α衰变。如(在核反应过程中,有两个质子和两个中子结合成氦原子核,即

(2)β衰变。放射性元素放出β粒子后变成另一种元素的衰变过程叫β衰变。如(在核反应过程中,有一个中子转变为一个质子,同时放出一个电子,即

放射性的原子核在发生α衰变或β衰变时,蕴藏在核内的能量会释放出来,使产生的新核处于较高能级,新核辐射出γ光子后跃迁到低能级。当放射性物质连续衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰变,同时伴随着γ辐射。

放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。半衰期由核内部因素决定,与放射性物质所处的物理、化学状态等无关。

2.人工转变。

原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为原子核的人工转变。原子核人工转变的三个典型实例如下:

3.核裂变。

1938年底德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现重核裂变,即一个重核在俘获一个中子后,分裂成几个中等质量的核的反应过程。如在一定条件下(超过临界体积),裂变反应会连续不断地进行下去,这就是链式反应。

4.核聚变。

二、五种粒子

3.γ光子,即高能光子,伴随α衰变或β衰变产生。γ光子的穿透本领极强,电离作用很弱。

三、四种守恒

1.质量数守恒:原子核的质量数等于核内的质子数与中子数之和。在核反应过程中,质子与中子可以相互转化,但质子和中子的总个数保持不变,即质量数守恒。

2.电荷数守恒:原子核由质子和中子组成,质子带一个单位的正电荷(电荷量为1.6026×10-19C),中子不带电。在核反应过程中,当质子数减少时必有正电子产生,当质子数增加时必有电子产生,总电荷数保持不变,即电荷数守恒。

3.能量守恒:在核反应过程中,当核子结合成原子核时,总质量减少,由爱因斯坦质能方程知相应的总能量也减少,由能量守恒定律知减少的这部分能量不会凭空消失,它必须释放出去。当原子核分裂成核子时,总质量增加,由爱因斯坦质能方程知相应的总能量也增加,由能量守恒定律知增加的这部分能量也不会凭空产生,它必须由外部来供给。因此,核反应过程满足能量守恒定律。

4.动量守恒:原子核内发生相互作用时,由于相互间的作用力巨大,作用时间极短,属于内力远大于外力的情形,因此,核反应过程满足动量守恒定律。

四、六点注意

1.质子和中子相互转变:在核反应过程中,质子与中子可以相互转化。若核反应中有电子产生,说明在核反应中有一个中子转化为一个质子,核反应方程为若核反应中有正电子产生,说明在核反应中有一个质子转化为一个中子,核反应方程

2.半衰期的统计意义:半衰期是一个统计规律,只有大量的原子核发生衰变时,半衰期才有意义。对于少量的原子核发生衰变而言,半衰期没有意义。

3.核力的作用范围:核力与核子是否带电无关,质子与质子间、质子与中子间,中子与中子间都可以有核力作用,但只有邻近的核子间才有核力作用,即核力是一种短程力(当两个核子间的距离r＜1.5×10-15m时才发生作用)。

4.质量亏损与质量守恒的关系:发生核反应时有能量放出或需要吸收能量,根据爱因斯坦质能方程E=mc2可知,能量变化时质量要相应变化,因此,在核反应过程中存在质量亏损。从表面上看,核反应中质量是不守恒的,但根据相对论可知,反应后的粒子速度比较大,算上它们的动质量,核反应前后的总质量仍然守恒。

5.电荷数守恒和电荷守恒的关系:二者在本质上是一样的,只不过所用之处不同。在核反应方程配平时,用的是电荷数守恒;在计算物体带电荷的多少上,用的是电荷守恒。

6.能量守恒和爱因斯坦质能方程的关系:爱因斯坦质能方程E=mc2说明一定的质量m总是跟一定的能量mc2相对应;能量守恒说明在核反应中,反应前后的总能量应保持不变,这是自然界的普适规律。

五、练一练

1.下列表述正确的有( )。

2.如图1所示,P为放在匀强电场中的天然放射源,其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束,以下判断正确的是( )。

图1

A.a为α射线、b为β射线

B.a为β射线、b为γ射线

C.b为γ射线、c为β射线

D.b为α射线、c为γ射线

A.6次 B.10次

C.22次 D.32次

4.以下说法中正确的是( )。

B.新发现的一种放射性元素X,它的氧化物X2O的半衰期为8天,则放射性元素X的半衰期一定为8天

C.现有100个某种放射性元素的原子核,经过一个半衰期后,没有衰变的原子核一定为50个

D.放射性元素Y,处在低温状态下,半衰期为τ,若它处于高温状态下,则半衰期τ有可能变小

5.浙江秦山核电站第三期工程有两个6×105kW发电机组,发电站的核能来源于的裂变。回答以下问题:

(2)235892U原子核一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核,其核反应方程式为

(3)若这两个6×105kW发电机组正常发电,每年需要多少浓缩铀?已知铀核的质量为235.0439u,中子的质量为1.0087u,锶(Sr)核的质量为89.9077u,氙(Xe)核的质量为135.9072u。1u=1.66×10-27kg,浓缩铀中铀235的含量占2%。

6.太阳中含有大量的氘核,氘核不断发生核反应释放的核能,以光和热的形式向外辐射。已知氘核的质量为2.0136u,氦核的质量为3.0150u,中子的质量为1.0087u,1u的质量相当于931.5MeV的能量。则:

(2)求核反应中释放的核能。

(3)在两氘核以相等的动能0.35MeV进行对心碰撞,并且核能全部转化为机械能的情况下,求反应中产生的中子和氦核的动能。

参考答案: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。

(责任编辑 张 巧)