5.3 核力与核反应方程&5.4 核力与核反应方程（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第三节　核力与核反应方程 第四节　放射性同位素 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道原子核的组成和核子、中子、质子，知道原子核的质量数、电荷数、了解同位素的概念． 2．知道核力和四种基本相互作用，核力是强相互作用． 3．知道结合能、比结合能的概念，掌握质量亏损及物体能量与质量的关系式． 1.物理观念：中子、质子、原子核的质量数、电荷数，同位素，结合能、比结合能、质量亏损． 2．科学思维：衰变和核反应方程的书写，半衰期的应用，利用质能方程解决原子核衰变问题． 3．科学探究：结合能、比结合能与原子核的稳定性的关系． 4．科学态度与责任：放射性元素的应用，核辐射的安全防护． [对应学生用书P80] 1．质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，质子是原子核的组成部分． 2．中子的发现：卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子．查德威克通过实验证实了这个猜想． 3．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子． 4．原子核的符号 [思考] 人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么问题？绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么问题？ 提示　质子是原子核的组成部分．原子核由质子和中子组成，原子核的质量数是其质子数加中子数． 1．核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程． 2．质子和中子的发现 (1)N＋He―→O＋H (2)Be＋He―→C＋n 3．遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒． [判断] (1)衰变和原子核的人工转变均满足质量数守恒和电荷数守恒．(√) (2)发现质子、发现中子和发现放射性同位素P的核反应均属于原子核的人工转变．(√) 1．核力：原子核里的核子间存在着相互作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核． 2．核力特点 (1)核力是核子间的强相互作用的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大的多． (2)核力是短程力，作用范围在10－15m之内． 3．四种基本相互作用 [判断] (1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡．(×) (2)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大．(×) (3)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因．(√) 1．结合能和比结合能 (1)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开也需要能量，这就是原子核的结合能． (2)比结合能(平均结合能)：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能．比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等大小的核的比结合能最大、最稳定． 2．质量亏损 (1)爱因斯坦质能方程E＝mc2． (2)质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象． (3)核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，与它们在互相结合过程中放出的能量ΔE的关系是ΔE＝Δmc2． 1．放射性同位素的发现 (1)同位素：具有相同的质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素．例如，氢有三种同位素氕、氘、氚，符号是H、H、H. (2)放射性同位素：具有放射性的同位素． (3)核反应方程 Al＋He―→P＋n P―→Si＋e＋ν 2．放射性同位素的应用 (1)应用射线：利用γ射线的穿透性可以测厚度等，还可以用于放射治疗、照射种子培育优良品种等． (2)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置． (3)半衰期：在地质和考古工作中，可利用放射性衰变的半衰期来推断地层或古代文物的年代． 3．射线的危害与防护 人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用．要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染． [对应学生用书P82] 探究点一　核反应方程 放射性元素发生α衰变、β衰变时放出α粒子与β粒子，如图为α衰变、β衰变示意图． (1)当原子核发生α衰变时，新核的核电荷数与质量数相对原来的原子核变化了多少？ (2)当发生β衰变时，原子核的质量数是否发生变化？新核在元素周期表中的位置怎样变化？ (1)提示　当原子核发生α衰变时，原子核的质子数减小2，中子数减小2，因为α衰变的实质是2个质子和2个中子结合在一起从原子核中被抛射出来，所以新核的核电荷数比原来的原子核减少2，质量数减少4. (2)提示　β粒子为电子，发生β衰变时原子核的质量数不发生变化，但新核的核电荷数相对原来的原子核核电荷数增加1，所以原子序数增加1，元素在周期表上向原子序数增加的方向移动1位． 1．原子核的组成：原子核是由质子、中子构成的，质子带正电，中子不带电．不同的原子核内质子和中子的个数并不相同．原子核的直径为10－15～10－14 m. 2．原子核的符号和数量关系 (1)符号：X. (2)数量关系：核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数．质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数． 3．核反应规律 在核反应过程中，方程两边的总的质量数和电荷数是守恒的．原子核在发生衰变时，也具有相同的特点． 4．同位素：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的化学性质，同种元素的质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同，所以它们的物理性质不同． 某实验室工作人员，用初速度为v0＝0.09c(c为真空中的光速)的α粒子轰击静止在匀强磁场中的Na，产生了质子．若某次碰撞可看作对心正碰，碰后新核的运动方向与α粒子的初速度方向相同，质子的运动方向与新核运动方向相反，它们在垂直于磁场的平面内分别做匀速圆周运动．通过分析轨迹半径，可得出新核与质子的速度大小之比为1∶10，已知质子质量为m. (1)写出核反应方程； (2)求出质子的速度v(结果保留两位有效数字). 解析　(1)核反应方程为 He＋Na―→Mg＋H. (2)α粒子、新核的质量分别为4m、26m，质子的速率为v，因为是对心正碰，由动量守恒定律得 4mv0＝26m×－mv 解得v＝0.23c. 答案　(1)He＋Na―→Mg＋H　(2)0.23c [训练1]　在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子： ①H＋X1―→He＋n ②N＋He―→O＋X2 ③Be＋He―→C＋X3 ④Mg＋He―→Al＋X4 以下判断正确的是(　　) A．X1是质子　　　　　　 B．X2是中子 C．X3是电子 D．X4是质子 D　[由质量数和电荷数守恒可知：X1是H(氘核)；X2是H(质子)；X3是n(中子)；X4是H(质子)；故选项D正确．] [训练2]　匀强电场里有一个原来速度几乎为零的放射性碳14原子核，它所放射的粒子与反冲核经过相等的时间所形成的径迹如图所示(a、b均表示长度)，那么碳14的衰变方程可能是(　　) A．C―→He＋Be B．C―→e＋B C．C―→e＋N D．C―→＋H＋B A　[由轨迹弯曲方向可以看出，反冲核与放出的射线的受力方向均与电场强度方向相同，均带正电，所以放出的粒子为α粒子，即发生α衰变，则核反应方程是C―→He＋Be，故A正确．] 探究点二　结合能 如图所示是原子核转变示意图． (1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒？ (2)在该核反应过程中会释放出能量，反应前后原子核的质量是否会发生变化？ 提示　(1)在核反应过程中质量数与核电荷数守恒． (2)核反应过程中会发生质量亏损． 1．结合能：要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量． 2．比结合能：等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度． 3．比结合能曲线：不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示． 从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小． 4．比结合能与原子核稳定的关系 (1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定． (2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定． (3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能．例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能． 5．质量亏损 核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转化为能量．物体的质量应包括静止质量和运动质量．质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量．另外，质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的． 6．对质能方程E＝mc2的理解 (1)质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系．具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和． (2)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2. 镭核Ra发生衰变放出一个粒子变为氡核Rn.已知镭核质量为226.025 4 u，氡核质量为222.016 3 u，放出粒子质量为4.002 6 u. (1)写出核反应方程； (2)求镭核衰变放出的能量． [思路点拔] (1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程． (2)根据质能方程ΔE＝Δmc2计算核能． 解析　(1)核反应(衰变)方程为：Ra―→Rn＋He. (2)镭核衰变放出的能量为： ΔE＝Δmc2＝Δm×931.5 MeV ＝(226.025 4－4.002 6－222.016 3)×931.5 MeV ＝6.05 MeV. 答案　(1)Ra―→Rn＋He　(2)6.05 MeV [题后总结]　核能的两种单位换算技巧 (1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2. (2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV. (3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J. [训练3]　原子质量单位为u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c.当质量分别为m1(kg)和m2(kg)的原子核结合为质量为M(kg)的原子核时，释放出的能量是(　　) A．(M－m1－m2)·c2 J B．(m1＋m2－M)×931.5 J C．(m1＋m2－M)·c2 J D．(m1＋m2－M)×931.5 eV C　[在计算核能时，如果质量的单位是kg，则用ΔE＝Δmc2进行计算，能量单位是J；若质量单位是u，则利用ΔE＝Δm×931.5 MeV进行计算，故选项C正确．] [训练4]　2个质子和1个中子结合可以生成氦3，核反应方程为：2H＋n―→He.已知每个质子的质量为1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u，氦核的质量为3.002 315 u，试求氦3的结合能(1 u相当于931.5 MeV，e＝1.6×10－19 C). 解析　粒子结合前后的质量亏损为 Δm＝2mH＋mn－mHe＝0.020 904 u 由于1 u相当于931.5 MeV，则结合能为 E＝0.020 904×931.5 MeV≈19.472 1 MeV≈3.115 5×10－12 J. 答案　19.472 1 MeV(或3.115 5×10－12 J) 探究点三　放射性同位素的应用 如图是LUNATM260型伽玛射线放疗机． (1)伽玛射线放疗机的工作原理是什么？ (2)试举出其他利用伽玛射线的实例． 提示　(1)利用放射性元素释放出的γ射线杀死癌细胞． (2)利用γ射线的穿透特性测金属板的厚度；利用γ射线杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等． 1．利用它的射线 (1)工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性； (2)农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等； (3)医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症． 2．作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置． 用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然的放射性同位素只不过40多种，而今天人工制造的放射性同位素已达1 000多种，每种元素都有放射性同位素．放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面得到了广泛的应用． (1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失．其原因是(　　) A．射线的贯穿作用 B．射线的电离作用 C．射线的物理、化学作用 D．以上三个选项都不是 (2)如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图．如果工厂生产的是厚度1毫米的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是______射线． (3)在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素的结晶是同一种物质，为此曾采用放射性同位素14C作________． 解析　(1)因放射线的电离作用，空气中的与验电器所带电荷电性相反的离子与验电器所带电荷相互中和，从而使验电器所带电荷消失． (2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1毫米的铝板，因而探测器不能探测，γ射线穿透物质的本领极强，穿透1毫米厚铝板和几毫米厚铝板打在探测器上很难分辨．β射线也能够穿透1毫米甚至几毫米厚的铝板，但厚度不同，穿透后β射线中的电子运动状态不同，探测器容易分辨． (3)把掺入14C的人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经过多次重新结晶后，得到了放射性14C分布均匀的牛胰岛素结晶，这就证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素完全融为一体，它们是同一种物质．这种把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可以知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易查明的情况或规律．人们把这种放射性同位素叫作示踪原子． 答案　(1)B　(2)β　(3)示踪原子 [训练5]　(多选)下列关于放射性同位素的一些应用的说法中正确的是(　　) A．利用放射性消除静电是利用射线的穿透作用 B．利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用 C．利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异 D．在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子的 BCD　[利用放射性消除静电是利用射线的电离作用，故A不正确；人们利用γ射线穿透能力强的特点，可以探查较厚的金属部件内部是否有裂痕，故B正确；人们利用γ射线照射种子，可以使种子内的遗传物质发生变异，经过筛选，培育出新的优良品种，故C正确；在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子的，故D正确．] [训练6]　下列说法中正确的是(　　) A．γ射线是原子受激发后向低能级跃迁时放出的 B．在稳定的重原子核中，质子数比中子数多 C．核反应过程中如果核子的平均质量减小，则要吸收核能 D．诊断甲状腺疾病时，注入的放射性同位素碘131作为示踪原子 D　[γ射线一般是伴随着α射线或β射线产生的电磁波，具有一定的能量，不是原子核受激发后向低能级跃迁时放出的，故A错误；在稳定的重原子核中，质子数比中子数少，故B错误；核反应过程中如果核子的平均质量减小，说明核反应的过程中有质量亏损，属于要释放核能，故C错误；给疑似患有甲状腺的病人注射碘131，诊断甲状腺的器质性和功能性疾病，是将碘131作为示踪原子，故D正确．] [对应学生用书P86] 1．(核力和四种相互作用)(多选)对于核力，以下说法正确的是(　　) A．核力是弱相互作用，作用力很小 B．核力是强相互作用，是强力 C．核子之间的距离小于0.8×10－15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起 D．人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.8×10－15 m时，核力的变化规律更清楚 BC　[核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.5×10－15 m之内，核力比库仑力大得多，因此，选项B正确，A错误；核力在大于0.8×10－15 m时，表现为吸引力，且随距离增大而减小，在距离小于0.8×10－15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，所以，选项C正确；人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们奋力攻克的堡垒，故选项D错误．] 2．(结合能与比结合能)(多选)关于原子核的结合能与比结合能，下列说法中正确的是(　　) A．原子核的结合能等于核子与核子结合成原子核时核力做的功 B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离时外力克服核力做的功 C．比结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量 D．不同原子核的比结合能不同，重核的比结合能比轻核的比结合能大 ABC　[原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子中分离，需要外力克服核力做功，外力克服核力所做的功等于原子核的结合能；当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量，核力所做的功等于原子核的结合能；对于某种原子核，平均每个核子的结合能称为比结合能；不同原子核的比结合能不同，重核的比结合能比中等质量核的比结合能要小，轻核的比结合能比稍重的核的比结合能要小，综上所述，A、B、C正确．] 3．(质量亏损和质能方程)(北京卷)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)(　　) A．(m1＋m2－m3)c　　　　　 B．(m1－m2－m3)c C．(m1＋m2－m3)c2 D．(m1－m2－m3)c2 C　[该聚变反应方程为H＋n→H，故发生的质量亏损是m1＋m2－m3，根据质能方程得该反应放出的能量ΔE＝(m1＋m2－m3)c2，C正确．] 4．(放射性同位素)某校学生在进行社会综合实践活动时，收集列出了一些放射性同位素的半衰期和可供利用的射线(见下表)，并总结出它们的几种用途． 同位素 钋210 镅241 锶90 锝99 钴60 氡 放射线 α β β γ γ α 半衰期 138天 433天 28年 6小时 5年 3.8天 根据上表请你分析判断下面结论正确的是(　　) A．塑料公司生产聚乙烯薄膜，方法是让较厚的聚乙烯薄膜通过轧辊后变薄，利用α射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀 B．钴60的半衰期为5年，若取4个钴60原子核，经10年后就一定剩下一个原子核 C．把放射性元素钋210掺杂到其他稳定元素中，放射性元素的半衰期变短 D．用锝99可以作为示踪原子，用来诊断人体内的器官是否正常，方法是给被检查者注射或口服附有放射性同位素的元素的某些物质，当这些物质的一部分到达要检查的器官时，可根据放射性同位素的射线情况分析器官正常与否 D　[A错：因为α射线穿透能力弱，不适合测量薄膜的厚度． B错：钴60的半衰期为5年是指大量钴60原子核因衰变而减少到它原来数目的一半所需要的时间． C错：半衰期由元素本身决定，与原子核所处环境、状态无关． D对：检查时，要在人体外探测到体内辐射出来的射线，而又不能让放射性物质长期留在体内，所以应选取锝99作为示踪原子．] 学科网（北京）股份有限公司 $$