第15章 近代物理 第3讲 原子核反应 学案-2026届高考物理一轮复习

第15章 近代物理 第3讲 原子核反应

课前复习

一、天然放射性、原子核的组成　

1.天然放射现象

(1)放射性与放射性元素：物质发出（     ）的性质称为放射性。具有（     ）的元素称为放射性元素。

(2)天然放射现象：放射性元素（      ）地发出射线的现象，叫作天然放射现象，首先由（             ）发现。天然放射现象的发现，说明（          ）内部是有结构的。放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线。

(3)三种射线的比较

2．原子核的组成

(1)原子核由（   ）和（     ）组成，质子和中子统称为（    ）。质子带正电，中子不带电。

(2)原子核常用符号X表示，X为元素符号，A表示核的（     ），Z表示核的（      ）。

(3)原子核的电荷数＝核内的（     ）数＝元素的原子序数＝（        ）的核外电子数，原子核的质量数＝核内的核子数＝（                   ），质子和中子都为一个单位质量。

(4)同位素：具有相同（      ）而（       ）不同的原子核组成的元素，在元素周期表中处于（       ）位置，因而互称同位素，具有相同的（      ）性质。

二、放射性元素的衰变　射线的危害和防护　

1.原子核的衰变

(1)原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种（        ）的变化，称为原子核的衰变。原子核衰变时（     ）数和（    ）数都守恒。

(2)分类

α衰变：X→Y＋（     ）；   β衰变：X→Y＋（      ）。

注：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ射线辐射。

(3)两个重要的衰变

①U→Th＋He；     ②Th→Pa＋e。

2．α衰变、β衰变和γ辐射的实质

(1)α衰变：原子核中的两个中子和两个质子结合起来形成（      ），并被释放出来。

(2)β衰变：核内的一个（   ）转化为一个（    ）和一个电子，电子发射到核外。

(3)γ辐射：原子核的能量不能连续变化，存在着能级。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出（     ）。因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。

（4）衰变次数确定：由于发生α衰变，质量数减4，电荷数减2，.发生β衰变，质量数不变，电荷数加1，所以β衰变对质量数无影响，故先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据电荷数的改变确定β衰变的次数。

3.原子核衰变过程中，α粒子、β粒子和新原子核在磁场中的轨迹

静止的原子核在匀强磁场中自发衰变，其轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒定律m1v1＝m2v2和r＝知，半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子，其特点对比如下表：

 

3．半衰期

（1）放射性元素的原子核有（      ）发生衰变所需的时间。剩余质量，n表示几个半衰期。

（2）半衰期的易错点

1)半衰期是一个统计规律，只有对大量的原子核才成立，对少数的原子核无意义。

2)经过一个半衰期，有半数原子核发生衰变变为其他物质，而不是消失。

3)衰变的快慢由原子核内部因素决定，跟原子所处的外部条件及所处化学状态无关。

4．放射性的应用与防护

(1)放射性同位素：具有放射性的同位素叫放射性同位素。

例如：Al＋He→P＋n，P→Si＋e。

有（      ）放射性同位素和（       ）放射性同位素两类。

(2)应用：工业测厚，放射治疗，培优、保鲜，作为（            ）等。

(3)防护：防止过量射线对人体组织的破坏。

三、核反应方程　

1．核反应

(1)核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程，称为核反应。

(2)核反应中遵循两个守恒规律，即（               ）和（                ）。

2．衰变及核反应的三种类型的比较

四、核力、结合能、质量亏损　

1．核力

(1)定义：原子核中的核子之间存在的一种很强的相互作用力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。

(2)特点

①核力是强相互作用的一种表现；

②核力是短程力，作用范围只有约10－15 m，即原子核的大小。

2．结合能

原子核是核子凭借（      ）结合在一起构成的，要把它们分开，也需要（      ），这就是原子核的结合能。

3．比结合能

(1)定义：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。

(2)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。如果是释放能量的核反应方程，生成物比反应物稳定。

4．质能方程、质量亏损

爱因斯坦质能方程E＝（        ）。原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这就是质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的（         ）。释放的能量

 

五、核裂变和核聚变、裂变反应堆

1．重核裂变

(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。

(2)特点

①核裂变过程中能够放出巨大的能量。

②核裂变的同时能够放出2或3个中子。

③核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非常小。

(3)典型的核裂变反应方程  U＋n→Kr＋Ba＋3n。

(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：核裂变物质能够发生（           ）的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。

(6)核裂变的应用：（         ）、核反应堆。

(7)反应堆构造：核燃料、慢化剂(如重水、石墨)、（       ）(也叫控制棒，它可以吸收中子，用于调节中子数目以控制反应速度)、防护层。

2．轻核聚变

(1)定义

两个轻核结合成（        ）的核的核反应。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫（          ）。

(2)特点

①核聚变过程放出大量的能量，平均每个核子放出的能量，比核裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍。

②核聚变反应比核裂变反应更剧烈。

③核聚变反应比核裂变反应更安全、清洁。

④自然界中核聚变反应原料丰富。

(3)典型的核聚变反应方程  H＋H→He＋n＋17.6 MeV。

六、 判断题

1．β射线中的电子来源于原子核外电子。(　　)

2．目前核电站多数是采用核聚变反应发电。(　　)

3．人工放射性同位素被广泛地应用。(　　)

4．核力是弱相互作用力。(　　)

5．质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。(　　)

6．质量亏损说明在核反应过程中质量数不守恒。(　　)

 

课堂讲解

例1、（教材选择性必修三P107页第5题）用符号表示以下原子核，并说出原子核的质子数、中子数。

（1）α粒子。

（2）质量数为14的碳原子核。

（3）电荷数为8、质量数为17的氧原子核。

（4）质量数为40的钾原子核。

（5）电荷数为86、核子数为222的氡原子核。

 

变式1、（教材选择性必修三P107页第6题）写出原子核中的中子数分别为0、1、2 的三种氢的同位素符号。比较铀的三种同位素、、的异同。

 

 

例2、（多选）（2025·黑吉辽蒙卷·高考真题）某理论研究认为，原子核可能发生双衰变，衰变方程为。处于第二激发态的原子核先后辐射能量分别为和的、两光子后回到基态。下列说法正确的是（   ）

A． B．

C．的频率比的大 D．的波长比的大

 

 

变式2、（2025·海南·高考真题）核反应方程中，则是（　　）

A． B． C． D．

 

 

 

例3、完成以下各小题

（1）、（教材选择性必修三P114页第1题）β射线是高速电子流。原子核中没有电子，为什么有些放射性元素的原子核会放出β粒子？写出放射性元素的β衰变方程。

 

 

 

（2）、（教材选择性必修三P114页第2题）写出Th（钍核）放射性元素的α衰变方程。U（铀核）衰变为Rn（氡核）要经过几次α衰变，几次β衰变？

 

 

 

 

（3）、（教材选择性必修三P114页第3题）已知钍234的半衰期是24 d，1 g钍234 经过120 d后还剩多少？若已知铋210的半衰期是5 d，经过多少天后，20 g铋210还剩1.25 g？

 

 

 

（4）、（教材选择性必修三P114页第5题）写出下列原子核人工转变的核反应方程。

1、Na（钠核）俘获1个α粒子后放出1个质子。

2、Al（铝核）俘获1个α粒子后放出1个中子。

3、O（氧核）俘获1个中子后放出1个质子。

4、Si（硅核）俘获1个质子后放出1个中子。

 

变式3、（教材选择性必修三P114页第6题）完成下列核反应方程

 

（1）       （2）       （3）

 

例4、（教材选择性必修三P118页第6题）一个铀核衰变为钍核时释放一个α粒子。在这个衰变过程中释放的能量等于多少焦耳？已知铀核的质量为3.853 131×10-25 kg，钍核的质量为3.786 567×10-25kg，α粒子的质量为6.646 72×10-27 kg。

 

 

 

 

变式4、（2022·辽宁·高考真题）2022年1月，中国锦屏深地实验室发表了首个核天体物理研究实验成果。表明我国核天体物理研究已经跻身国际先进行列。实验中所用核反应方程为，已知、、的质量分别为，真空中的光速为c，该反应中释放的核能为E。下列说法正确的是（   ）

A．X为氘核 B．X为氚核

C． D．

 

例5、（教材选择性必修三P125页第6题）秦山核电站第一期工程装机容量为3×108W。如果1 g 铀235 完全核裂变时产生的能量为8.2×1010 J，并且假定所产生的能量都变成了电能，那么每年要消耗多少铀235？

 

 

 

变式5、（教材选择性必修三P125页第7题） 太阳的总输出功率为3.8×1026W，它来自三种核反应，这些反应的最终结果是氢转变为氦He。按照总输出功率计算，太阳每秒失去多少质量？

 

 

 

例6、（2022·全国甲卷·T17）两种放射性元素的半衰期分别为和，在时刻这两种元素的原子核总数为N，在时刻，尚未衰变的原子核总数为，则在时刻，尚未衰变的原子核总数为（　　）

A.  B.  C.  D.

 

变式6、（2022·山东卷·T1）碘125衰变时产生射线，医学上利用此特性可治疗某些疾病。碘125的半衰期为60天，若将一定质量的碘125植入患者病灶组织，经过180天剩余碘125的质量为刚植入时的（　　）

A.  B.  C.  D.

 

 

课后巩固

1．（2025·云南·高考真题）2025年3月，我国科学家研制的碳14核电池原型机“烛龙一号”发布，标志着我国在核能技术领域与微型核电池领域取得突破。碳14的衰变方程为，则（   ）

A．X为电子，是在核内中子转化为质子的过程中产生的

B．X为电子，是在核内质子转化为中子的过程中产生的

C．X为质子，是由核内中子转化而来的

D．X为中子，是由核内质子转化而来的

 

2．（2025·河南·高考真题）由于宇宙射线的作用，在地球大气层产生有铍的两种放射性同位素和。测定不同高度大气中单位体积内二者的原子个数比，可以研究大气环境的变化。已知和的半衰期分别约为53天和139万年。在大气层某高度采集的样品中，研究人员发现和的总原子个数经过106天后变为原来的，则采集时该高度的大气中和的原子个数比约为（　　）

A． B． C． D．

 

 

3．（多选）（2025·福建·高考真题）核反应方程为→+17.6MeV，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为与的动能，则（　　）

A．该反应有质量亏损

B．该反应为核裂变

C．获得的动能约为14MeV

D．获得的动能约为14MeV

 

 

4．（2025·安徽·高考真题）2025年4月，位于我国甘肃省武威市的钍基熔盐实验堆实现连续稳定运行，标志着人类在第四代核电技术上迈出关键一步。该技术利用钍核（）俘获x个中子（），共发生y次衰变，转化为易裂变的铀核（），则（　　）

A． B． C． D．

 

5．（多选）（2024·天津·高考真题）中国钍基熔盐堆即将建成小型实验堆，为我国能源安全和可持续发展提供有力支持。反应堆中涉及的核反应方程有：①②，下列说法正确的是（　　）

A．方程①中X是中子