第五章 原子核【速记清单】2024-2025学年高二物理单元速记·巧练（人教版2019选择性必修第三册）

第五章 原子核 01 思维导图 02 考点速记 考点1 原子核的组成 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。 2．中子的发现：卢瑟福猜想，原子核内可能还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中子的存在，中子是原子核的组成部分。 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 5．同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．例如，氢有三种同位素H、H、H。 考点2 原子核的衰变 1．定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，而变成另一种原子核的变化。 2．衰变类型 (1)α衰变： 原子核放出α粒子的衰变．进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2，U的α衰变方程：U→Th＋He。 (2)β衰变： 原子核放出β粒子的衰变．进行β 衰变时，质量数不变，电荷数加1，Th的β衰变方程：Th→Pa＋e。 3． 衰变规律：电荷数守恒，质量数守恒。 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 X→Y＋He X→　AZ＋1Y＋　e 衰变实质 2个质子和2个中子结合成氦核2H＋2n→He 1个中子转化为1个质子和1个电子n→H＋e 典型方程 U→Th＋He Th→Pa＋e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 考点3 半衰期 1．定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。 2．特点 (1)不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。 (2)放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。 3．适用条件：半衰期描述的是统计规律，不适用于少数原子核的衰变。 半衰期 定义 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 衰变规律 N余＝N原，m余＝m原式中N原、m原分别表示衰变前的原子核数和质量，N余、m余分别表示衰变后的尚未发生衰变的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期. 影响因素 由原子核内部因素决定，跟原子所处的外部条件、化学状态无关 半衰期规律是对大量原子核衰变行为作出的统计结果，可以对大量原子核衰变行为进行预测，而单个特定原子核的衰变行为不可预测 考点4 射线的本质 天然放射现象 1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线。 2．物质发出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象。 3原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线。 1．α射线： (1)是高速粒子流，其组成与氦原子核相同。 (2)速度可达到光速的 。 (3)电离作用强，穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。 2．β射线： (1)是高速电子流。 (2)它的速度更大，可达光速的99%。 (3)电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。 3．γ射线： (1)是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下。 (2)电离作用更弱，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。 α、β、γ三种射线的比较 种类 α射线 β射线 γ射线 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高频电磁波) 质量 4mp(mp＝1.67×10－27kg) 静止质量为零 带电荷量 2e －e 0 速率 0.1c 0.99c c 穿透能力 最弱，用一张纸就能挡住 较强，能穿透几毫米 最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土厚的铝板 电离作用 很强 较弱 很弱 在磁场中 偏转 偏转 不偏转 考点5 核反应 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 U→Th＋He β衰变 自发 Th→Pa＋e 人工转变 人工控制 N＋He→O＋H(卢瑟福发现质子) He＋Be→C＋n(查德威克发现中子) Al＋He→P＋n P→Si＋e 约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子 重核裂变 容易控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Xe＋Sr＋10n 轻核聚变 现阶段很难控制 H＋H→He＋n 核反应方程式的书写 (1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础．如质子(H)、中子(n)、α粒子(He)、β粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等。 (2)掌握核反应方程遵循的规律：质量数守恒，电荷数守恒。 (3)由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。 考点6 核力与核能 核力与四种基本相互作用 1．核力：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。这种作用称为强相互作用。 2．强相互作用的特点 (1)强相互作用是短程力，作用范围只有约10－15 m。 (2)距离增大时，强相互作用急剧减小．超过10－15 m，相互作用不存在。 3．弱相互作用 (1)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。 (2)弱相互作用是短程力，其力程只有10－18 m。 4．四种基本相互作用 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：中等大小的核的比结合能最大，最稳定。 结合能 把原子核分成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量 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 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，中等大小的核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能要小 考点7 质能方程 1．质能方程 物体的能量与它的质量的关系是：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．质量亏损Δm的理解 所谓质量亏损，并不是质量消失，而是减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。 4．质能方程E＝mc2的理解 (1)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 (2)运用质能方程时应注意单位。一般情况下，公式中各量都应取国际单位制单位。但在微观领域，用国际单位制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位，1 u对应931.5 MeV能量。 考点8 核裂变与核聚变 核裂变的发现 1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。 2．铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 U＋n→Ba＋Kr＋3n。 3．链式反应 中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。 4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 反应堆与核电站 1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒． (2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)． (3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒． 2．工作原理 核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。 3．核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 核电站的主要部件及作用 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 浓缩铀 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害 核聚变 1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2．核反应方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。 方法：加热到很高的温度。 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸． 6．核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 解决方案：磁约束和惯性约束。 技巧归纳：重核裂变与轻核聚变的区别 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍 03 素养提升 基础巩固练 1．2025年3月28日，中核集团新一代人造太阳“中国环流三号”，首次实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的参数水平，标志着中国可控核聚变向工程化应用迈出重要一步。下列关于轻核聚变说法正确的是（　　） A．与核裂变相比，相同质量的核燃料，聚变反应中产生的能量比较少 B．“人造太阳”中的核反应方程为，其中X为中子 C．目前我国利用核聚变发电已进入实用阶段 D．轻核发生聚变后，比结合能减少，因此反应中释放能量 2．2024年10月3日，Physical Review C期刊上发表了中国科学院近代物理研究所的研究成果：研究团队合成了新核素钚，并测定了该新核素发生α衰变时放出的能量约为8191KeV，半衰期约为0.78s。下列说法正确的是（　　） A．钚-227发生α衰变的核反应方程为 B．钚-227发生α衰变的核反应方程为 C．10个钚-227原子核经过0.78s后一定还剩余5个 D．原子核的比结合能比原子核的比结合能大 / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第五章 原子核 01 思维导图 02 考点速记 考点1 原子核的组成 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。 2．中子的发现：卢瑟福猜想，原子核内可能还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中子的存在，中子是原子核的组成部分。 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 5．同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．例如，氢有三种同位素H、H、H。 考点2 原子核的衰变 1．定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，而变成另一种原子核的变化。 2．衰变类型 (1)α衰变： 原子核放出α粒子的衰变．进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2，U的α衰变方程：U→Th＋He。 (2)β衰变： 原子核放出β粒子的衰变．进行β 衰变时，质量数不变，电荷数加1，Th的β衰变方程：Th→Pa＋e。 3． 衰变规律：电荷数守恒，质量数守恒。 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 X→Y＋He X→　AZ＋1Y＋　e 衰变实质 2个质子和2个中子结合成氦核2H＋2n→He 1个中子转化为1个质子和1个电子n→H＋e 典型方程 U→Th＋He Th→Pa＋e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 考点3 半衰期 1．定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。 2．特点 (1)不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。 (2)放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。 3．适用条件：半衰期描述的是统计规律，不适用于少数原子核的衰变。 半衰期 定义 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 衰变规律 N余＝N原，m余＝m原式中N原、m原分别表示衰变前的原子核数和质量，N余、m余分别表示衰变后的尚未发生衰变的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期. 影响因素 由原子核内部因素决定，跟原子所处的外部条件、化学状态无关 半衰期规律是对大量原子核衰变行为作出的统计结果，可以对大量原子核衰变行为进行预测，而单个特定原子核的衰变行为不可预测 考点4 射线的本质 天然放射现象 1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线。 2．物质发出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象。 3原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线。 1．α射线： (1)是高速粒子流，其组成与氦原子核相同。 (2)速度可达到光速的 。 (3)电离作用强，穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。 2．β射线： (1)是高速电子流。 (2)它的速度更大，可达光速的99%。 (3)电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。 3．γ射线： (1)是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下。 (2)电离作用更弱，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。 α、β、γ三种射线的比较 种类 α射线 β射线 γ射线 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高频电磁波) 质量 4mp(mp＝1.67×10－27kg) 静止质量为零 带电荷量 2e －e 0 速率 0.1c 0.99c c 穿透能力 最弱，用一张纸就能挡住 较强，能穿透几毫米 最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土厚的铝板 电离作用 很强 较弱 很弱 在磁场中 偏转 偏转 不偏转 考点5 核反应 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 U→Th＋He β衰变 自发 Th→Pa＋e 人工转变 人工控制 N＋He→O＋H(卢瑟福发现质子) He＋Be→C＋n(查德威克发现中子) Al＋He→P＋n P→Si＋e 约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子 重核裂变 容易控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Xe＋Sr＋10n 轻核聚变 现阶段很难控制 H＋H→He＋n 核反应方程式的书写 (1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础．如质子(H)、中子(n)、α粒子(He)、β粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等。 (2)掌握核反应方程遵循的规律：质量数守恒，电荷数守恒。 (3)由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。 考点6 核力与核能 核力与四种基本相互作用 1．核力：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。这种作用称为强相互作用。 2．强相互作用的特点 (1)强相互作用是短程力，作用范围只有约10－15 m。 (2)距离增大时，强相互作用急剧减小．超过10－15 m，相互作用不存在。 3．弱相互作用 (1)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。 (2)弱相互作用是短程力，其力程只有10－18 m。 4．四种基本相互作用 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：中等大小的核的比结合能最大，最稳定。 结合能 把原子核分成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量 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 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，中等大小的核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能要小 考点7 质能方程 1．质能方程 物体的能量与它的质量的关系是：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．质量亏损Δm的理解 所谓质量亏损，并不是质量消失，而是减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。 4．质能方程E＝mc2的理解 (1)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 (2)运用质能方程时应注意单位。一般情况下，公式中各量都应取国际单位制单位。但在微观领域，用国际单位制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位，1 u对应931.5 MeV能量。 考点8 核裂变与核聚变 核裂变的发现 1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。 2．铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 U＋n→Ba＋Kr＋3n。 3．链式反应 中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。 4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 反应堆与核电站 1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒． (2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)． (3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒． 2．工作原理 核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。 3．核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 核电站的主要部件及作用 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 浓缩铀 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害 核聚变 1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2．核反应方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。 方法：加热到很高的温度。 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸． 6．核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 解决方案：磁约束和惯性约束。 技巧归纳：重核裂变与轻核聚变的区别 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍 03 素养提升 基础巩固练 1．2025年3月28日，中核集团新一代人造太阳“中国环流三号”，首次实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的参数水平，标志着中国可控核聚变向工程化应用迈出重要一步。下列关于轻核聚变说法正确的是（　　） A．与核裂变相比，相同质量的核燃料，聚变反应中产生的能量比较少 B．“人造太阳”中的核反应方程为，其中X为中子 C．目前我国利用核聚变发电已进入实用阶段 D．轻核发生聚变后，比结合能减少，因此反应中释放能量 【答案】B 【详解】A．与核裂变相比，轻核聚变的产能效率更高，即相同质量的核燃料，聚变反应中产生的能量比较多，A错误； B．“人造太阳”中的核反应方程为 根据核反应方程前后质量数和核电荷数守恒可知X为中子，B正确； C．我国利用核聚变发电的研究取得了重大进展，目前还只是在实验研究阶段，没有进入实用阶段，C错误； D．轻核发生聚变后比结合能增加，因此反应中会释放能量，D错误。 故选B。 2．2024年10月3日，Physical Review C期刊上发表了中国科学院近代物理研究所的研究成果：研究团队合成了新核素钚，并测定了该新核素发生α衰变时放出的能量约为8191KeV，半衰期约为0.78s。下列说法正确的是（　　） A．钚-227发生α衰变的核反应方程为 B．钚-227发生α衰变的核反应方程为 C．10个钚-227原子核经过0.78s后一定还剩余5个 D．原子核的比结合能比原子核的比结合能大 【答案】B 【详解】AB．钚-227发生α衰变，生成，核反应方程为 故A错误，B正确； C．半衰期是大量粒子的统计规律，对少量原子核衰变不成立，10个钚-227经过一个半衰期不一定还剩余5个，故C错误； D．钚-227衰变的过程中是释放能量的，新核更加稳定，比结合能更大，所以的比结合能比的比结合能小，故D错误。 故选B。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$