第53讲 原子核和核能（复习讲义）（上海专用）2027年高考物理一轮复习讲练测

第53讲 原子核和核能 目录 01 命题透视·考情前瞻 对标素养，研判高考命题趋势 02 思维建模·脉络梳理 搭建知识框架，构建系统思维 03 考点精讲·靶向突破 拆解核心考点，归纳解题范式 知●识●解●构 知识点01 天然放射性和三种射线 知识点02 原子核的衰变 知识点03 放射性元素的半衰期 知识点04 质子的发现 知识点05 中子的发现 知识点06 人工放射性（人工合成放射性同位素） 知识点07 原子核的结合能和平均结合能 知识点08 原子核的裂变 知识点09 原子核的聚变 考●向●破●译 考向01 三种射线 考向02 核反应方程 考向03 半衰期计算 考向04 发现质子和中子的实验 考向05 质能公式 考向06 核裂变和核聚变 04 真题溯源·考向感知 溯源真题逻辑，感知高考考向 命题透视·考情前瞻 ——对标素养，研判高考命题趋势 核心考点 2026年 2025年 2024年 选择题 √ √ √ 填空题 × × √ 计算题 × × × 实验题 × × × 综合题 × × × 考情分析 1．本节内容是微观理论物理的重点之一，知识点多，且比较分散，近年来出题的频率较高，属于高频考点，难度不很高，是需要确保得分的题目类型。 2．从题型上看，通常以选择题或填空题的形式出现可能性较大，但分值比例不会太高。 3．考题通常以结合电学知识的物理实验或微观物理模型为背景。 复习目标 1. 了解原子核衰变、半衰期的概念及原子核衰变的规律。 2. 了解三种射线的本质及其区别。 3. 了解核反应的电荷数守恒和质量数守恒，并能进行有关计算。 4. 了解发现质子和中子的实验和核反应方程。 5. 了解人工放射性及其核反应方程。 6. 了解核力和比结合能的概念。 7. 了解核反应中的质量亏损，会使用质能方程进行计算。 8. 了解核裂变和核聚变的基本概念。 思维建模·脉络梳理 ——搭建知识框架，构建系统思维 考点精讲·靶向突破 ——拆解核心考点，归纳解题范式 知●识●解●构 知识点01 天然放射性和三种射线 1. 天然放射现象：物质自发放出射线的现象。 放射性：物质发射射线的性质。 原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发放出射线；原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。 最早发现天然放射现象的科学家是贝可勒尔。 2. 三种射线 (1)把放射源铀、钋或镭放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。 (2)在射线经过的空间施加磁场。 ①射线分裂成三束，如图（1）； ②两束在磁场中向不同的方向偏转，这说明它们是带电粒子流；且电性相反。 ③另一束在磁场中不偏转，说明它不带电。 图（1） 图（2） 这三种射线分别叫作α射线、β射线和γ射线。 射线与核外电子无关，它来自原子核。说明原子核内部是有结构的。 5. 天然放射现象中的三种射线的比较，穿透能力如图（2）： 粒子 特性 α射线 （正电） 贯穿本领小（空气中射程只有几厘米），一张薄铝箔或一张薄纸就能将它挡住，电离本领强，容易使空气电离。速度为c/10 β射线 (负电) 高速电子流，贯穿本领大（能穿透几毫米的铝板）电离作用较弱，速度为9c/10，接近光速。 γ射线 高能光子（中性） 波长很短的电磁波，贯穿本领最大（能穿透几厘米的铅板），电离作用最小。 4. 电离：射线使原子中的电子脱离核的束缚成为自由电子的过程。 知识点02 原子核的衰变 1. 定义：原子核自发地放出 α粒子或 β粒子而转变为新核的现象。 2. 衰变的种类：α衰变、β衰变 原子核一般用表示，其含义如下。描述原子变化的表达式称核反应方程。 α衰变方程： β衰变方程： 上述描述核反应过程的公式称核反应方程，一般不可逆，所以用箭头表示，而不是等号。 3. 衰变过程中质量数守恒，核电荷数守恒。 注意：质量数守恒并非质量守恒，因为有能量的释放，会出现质量亏损。 4. 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γ光子。 γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的，不会单独产生。 放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线。 但一次衰变只能是α衰变或β衰变，不可能同时进行α衰变和β衰变。 5. 在磁场中的轨迹： α衰变：发生衰变的原子核原来静止，由于无外力作用，动量守恒，新核与放出的粒子速度方向相反，新核和α粒子都带正电荷，则它们所受的洛伦兹力方向相反，则轨道应是外切圆，又因为r＝，半径大的应该是电荷量小的α粒子的运动轨迹。 β衰变：新核和β衰粒子所带电性相反，则它们所受的洛伦兹力方向相同，它们的轨道应是内切圆，同理，半径大的应该是电荷量小的电子的运动轨迹。 知识点03 放射性元素的半衰期 若放射性元素原来的质量为m0、原子数为N0；剩余的质量m，剩余的原子数为N，半衰期为𝝉，半衰期个数为n，经过时间t，则： 未衰变核数的计算关系：；未衰变核的质量的计算关系： ⑴元素的半衰期由原子核内部的因素决定，只与元素的种类有关，跟元素所处的物理或化学状态无关。 不同元素半衰期不同。 ⑵半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。 知识点04 质子的发现 1. 1919年，卢瑟福第一次实现了原子核的人工转变，用高速α粒子轰击原子核，使原子核放出了质子。 2. 实验步骤及结果： (1)适当选择铝箔的厚度，使荧光屏恰好不出现闪光 (2)充入氮气后，荧光屏出现了闪光 3. 发现质子的核反应方程式： 知识点05 中子的发现 1. 卢瑟福依据原子核的电荷数与质量数的差别，预见到原子核中应该存在质量与质子相等的、不带电的粒子，卢瑟福称其为中子。　 2. 1932年，查德威克用放射性元素钋发出的α射线轰击铍，证实了中子的存在。 查德威克用碰撞中的动量守恒和能量守恒分析得到不可见粒子是质量与质子几乎相等的、不带电的粒子，它正是卢瑟福预见的中子。中子的质量数与质子的相等，都是1，中子不带电，其电荷数为零。 物理学中用符号表示中子。 3. 发现中子的核反应方程式： 1．原子核(符号X) 2．基本关系 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。 知识点06 人工放射性（人工合成放射性同位素） 1. 1932年，美国物理学家安德森发现正电子。正电子的质量和电荷量大小与电子相同，但电性与电子相反，正电子的符号是，它是人类发现的首个反物质基本粒子。 2. 1934年，居里夫妇用α粒子轰击铝后，发现了放射性同位素，即人工制得放射性元素 核反应方程： 磷30具有放射性，发生正电子衰变，衰变方程： 磷30是首个人工合成放射性同位素。 3. 原子序数超过92的放射性同位素都是通过人工方法获得的。 现在，利用原子能反应堆和粒子加速器生成的同位素已经超过2000种，每种元素都有放射性同位素。 4. 放射性同位素的应用 (1)检测：利用射线的穿透能力可以检查各种产品厚度、密封在容器中的液面高度等。 (2)放疗：放射性同位素放出的射线会致癌，但也用射线对某些癌症患者进行放射性治疗。 射线对迅速生长的癌细胞有破坏作用，但同时也会破坏周边的正常细胞。 (3)示踪：在某种元素中掺进适量的放射性同位素，放射性同位素会跟随这种元素一起运动。 通过探测放射性同位素放出的射线，就可以知道这种元素的踪迹，该放射性同位素称为示踪原子。 知识点07 原子核的结合能和平均结合能 1. 核力：原子核内一定有一种比库仑斥力更强的吸引力，使得核子彼此吸引并紧密地结合在一起的作用力。 核力的性质： (1) 质子和质子、质子和中子以及中子和中子之间都存在核力。 (2) 核力大小是相同的，与核子是否带电无关。 (3) 短程力：作用范围大约在 1.4×10-15m(大约相当于质子的半径) 以内，超出这一范围，迅速减小为零。所以核力只发生在邻近的少数核子之间，核力比库仑力强100倍以上，即强相互作用。 2. 四种相互作用：引力相互作用，电磁相互作用，强相互作用，弱相互作用。 万有引力、重力是引力相互作用； 弹力、摩擦力本质上是电磁相互作用力； 质子和中子之间的相互作用就是强相互作用； 原子核β衰变是弱相互作用。 3. 原子核分解需要吸收能量，核子结合成原子核放出能量。 要使一个核子脱离原子核，外界必须克服核力做功。 因此，将原子核分解成彼此分离的核子，所有核子的能量之和比未分离的原子核能量大。 例如，用能量为 2.22 MeV 的γ粒子照射氘核，会发生如下的核反应： 反之，在中子和质子结合成核的过程中会放出一个能量为 2.22 MeV 的γ粒子。 这表明，原子核分解成核子需要吸收一定的能量，核子结合成原子核时则放出同样大的能量。 4. 原子核的结合能： 原子核各个核子彼此分离时的总能量与该原子核能量之差称为原子核的结合能。 一般来说，原子核的核子数越多，结合能越大。 5. 比结合能： (1)指原子核中每个核子结合能的平均值，也称平均结合能。 (2)结合能 = 比结合能 × 核子数 (3)比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。（通俗理解，吸引得越紧） (4)比结合能-原子序数的图像如下： (5)如果核反应从比结合能小的原子核变成比结合能大的原子核，分解所需能量小于结合释放能量，总体 释放能量。从上图可知，中等质量数的核比结合能较大，所以重核裂变或轻核聚变都会释放能量。 6. 质量亏损和质能方程 ①质量亏损：原子核的质量小于组成原子核的所有核子的总质量，两者之差称为质量亏损。 ②质能方程：物体的能量与它的质量的关系是：E＝mc2。 ③质量亏损 ∆m 与原子核的结合能 E之间的关系符合爱因斯坦提出的质能方程： 深化理解： (1)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。反之，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。 (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。 (3)运用质能方程时单位常用“原子质量单位”(u)和“兆电子伏特”(MeV)，即1u=931.5 MeV。 知识点08 原子核的裂变 1. 核裂变：重核受到中子轰击后分裂成中等质量的原子核，同时放出能量的核反应。 2. 典型的裂变方程 (1)U＋n→Xe＋Sr＋2n (2)U＋n→Ba＋Kr＋3n 3. 链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。 链式反应的条件: ①有足够浓度的铀235 ②有足够数量的慢中子 ③发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。 4. 原子弹 高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。 5. 可控核裂变，核裂变反应堆的主要组成： （1）核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀235占3%~4%）。核燃料：铀235和钚239。 （2）减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收）。 （3）控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。 （4）冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。 （5）水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。 核电站：利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。 知识点09 原子核的聚变 1. 定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 2. 核聚变方程： 3. 人工热核反应：氢弹 核反应方程： 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．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。 6. 核反应类型总结 类型：①天然放射现象、衰变、➁人工转变、➂裂变、➃聚变 规律：核反应方程遵循电荷数守恒和质量数守恒。 7. 可控核聚变： 人造小太阳的原理是利用太阳内部的能量产生机制在地球上制造和利用能量，叫“可控核聚变”。 考●向●破●译 考向01 三种射线 例1. （2026·上海奉贤·二模）某放射性样品竖直向上发出三种射线，通过虚线区域内方向水平向右、场强大小为的匀强电场，呈现如图所示的三种不同轨迹I、II、III。 （1）轨迹I、II、III分别对应___________； A．、、射线 B．、、射线 C．、、射线 D．、、射线 （2）已知轨迹I上、两点间距离为，线段与轨迹II夹角为（）。则、两点间电势差___________； （3）移去匀强电场，在虚线区域内加上匀强磁场，使I、III对应的射线仍在纸面内分别向左和向右偏转，如图所示。 ①匀强磁场的方向___________； A．水平向右    B．垂直纸面向外    C．水平向左    D．垂直纸面向里 ②已知、粒子的质量之比约为，电荷量大小之比约为，在磁场中运动的速率之比约为，则、粒子此时做匀速圆周运动的半径之比约为___________。 考向02 核反应方程 例1. 钍核经过6次衰变和4次衰变后变成铅核，则（　　） A．铅核的符号为，它比少8个中子 B．铅核的符号为，它比少16个中子 C．铅核的符号为，它比少16个中子 D．铅核的符号为，它比少12个中子 【变式训练1】（2025·上海崇明·二模）粒子轰击铝原子核后发生核反应，完成其核反应方程________。其中铝原子核（）内有________个中子。 考向03 半衰期计算 例1. 医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线，而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn，经过时间t后剩余的113Sn质量为m，其­t图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为（ ） A．67.3 d B．101.0 d C．115.1 d D．124.9 d 【变式训练1】（26-27高三上·上海宝山·阶段检测）研究表明，质量大于8倍太阳质量的恒星生命末期会发生毁灭性爆炸，可产生重元素（如铀）。已知和的半衰期分别为年和年，若地球上的铀来自年前的恒星爆炸，且爆炸时产生相同数量的和，则目前地球上两者的数量比约为（     ） A． B． C． D． 考向04 发现质子和中子的实验 例1. 卢瑟福发现质子，并第一次实现原子核人工转变的实验示意图是（ ） 【变式训练1】（2024虹口二模）查德威克用钋放出的 α 射线轰击铍，从而发现了中子。装置图中的粒子 B 为___________，发现中子的核反应方程为：94Be + 42He → _________ + 10n。 考向05 质能公式 例1. （26-27高三上·上海宝山·阶段检测）福建福清核电站采用我国完全自主研发的“华龙一号”反应堆技术，建设了安全级别世界最高的机组。机组利用235U核裂变释放的能量发电，典型的核反应方程为，则A=_______；Z=__________；若核反应过程中质量亏损1g，释放的能量为___________J。（光速大小取） 【变式训练1】（26-27高三上·上海长宁·阶段检测）在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个静止的放射性原子核发生了一次衰变。放射出粒子（）在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为R。以m、q分别表示粒子的质量和电荷量。 （1）粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流，求圆周运动的周期和环形电流大小。 （2）设该衰变过程释放的核能都转化为粒子和新核的动能，新核的质量为M，求衰变过程的质量亏损。 考向06 核裂变和核聚变 例1.（25-26高二下·上海青浦·期末）如图是正在进行重核裂变的原子： ①如果图中进行的是的裂变，用一个慢中子轰击，生成的元素是和，请写出其核裂变方程：__________________________________________。 ②要产生自发、持续的链式反应，除了需要裂变产生的快中子减速为慢中子，还需要具备下列哪些条件( ) A．直接从自然界开采天然铀； B．需要加热到很高的温度 C．需要采用扩散和离心分离技术将天然铀制成浓缩铀； D．铀块的体积要大于等于临界体积 真题溯源·考向感知 ——溯源真题逻辑，感知高考考向 1．（2026年上海高考真题）1. 航天器中一种可能的铀核裂变方程为________。 A. B. C. D. 2. （2026年上海高考真题）若某核反应发生前，所有参与反应物质的总静止质量为；反应完成后，所有生成物的总静止质量为。已知真空中的光速为，则该核反应过程中释放的核能________。 3. （2024年上海高考真题）原子核之间由于相互作用会产生新核，这一过程具有多种形式。 （1）质量较小的原子核结合成质量较大原子核的过程称为______ A．链式反应 B．衰变 C．核聚变 D．核裂变 （2）核的质量为，核的质量为，它们通过核反应形成一个质量为的氦原子核，此过程释放的能量为______。（真空中光速为c） 4. （2025年上海高考真题）太阳内部发生的反应是核聚变，即氢原子核在高温高压条件下聚合成氦原子核并释放能量的过程；其核反应方程为，则X是（　　） A. H核 B. 核 C. 核 D. 核 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第53讲 原子核和核能 目录 01 命题透视·考情前瞻 对标素养，研判高考命题趋势 02 思维建模·脉络梳理 搭建知识框架，构建系统思维 03 考点精讲·靶向突破 拆解核心考点，归纳解题范式 知●识●解●构 知识点01 天然放射性和三种射线 知识点02 原子核的衰变 知识点03 放射性元素的半衰期 知识点04 质子的发现 知识点05 中子的发现 知识点06 人工放射性（人工合成放射性同位素） 知识点07 原子核的结合能和平均结合能 知识点08 原子核的裂变 知识点09 原子核的聚变 考●向●破●译 考向01 三种射线 考向02 核反应方程 考向03 半衰期计算 考向04 发现质子和中子的实验 考向05 质能公式 考向06 核裂变和核聚变 04 真题溯源·考向感知 溯源真题逻辑，感知高考考向 命题透视·考情前瞻 ——对标素养，研判高考命题趋势 核心考点 2026年 2025年 2024年 选择题 √ √ √ 填空题 × × √ 计算题 × × × 实验题 × × × 综合题 × × × 考情分析 1．本节内容是微观理论物理的重点之一，知识点多，且比较分散，近年来出题的频率较高，属于高频考点，难度不很高，是需要确保得分的题目类型。 2．从题型上看，通常以选择题或填空题的形式出现可能性较大，但分值比例不会太高。 3．考题通常以结合电学知识的物理实验或微观物理模型为背景。 复习目标 1. 了解原子核衰变、半衰期的概念及原子核衰变的规律。 2. 了解三种射线的本质及其区别。 3. 了解核反应的电荷数守恒和质量数守恒，并能进行有关计算。 4. 了解发现质子和中子的实验和核反应方程。 5. 了解人工放射性及其核反应方程。 6. 了解核力和比结合能的概念。 7. 了解核反应中的质量亏损，会使用质能方程进行计算。 8. 了解核裂变和核聚变的基本概念。 思维建模·脉络梳理 ——搭建知识框架，构建系统思维 考点精讲·靶向突破 ——拆解核心考点，归纳解题范式 知●识●解●构 知识点01 天然放射性和三种射线 1. 天然放射现象：物质自发放出射线的现象。 放射性：物质发射射线的性质。 原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发放出射线；原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。 最早发现天然放射现象的科学家是贝可勒尔。 2. 三种射线 (1)把放射源铀、钋或镭放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。 (2)在射线经过的空间施加磁场。 ①射线分裂成三束，如图（1）； ②两束在磁场中向不同的方向偏转，这说明它们是带电粒子流；且电性相反。 ③另一束在磁场中不偏转，说明它不带电。 图（1） 图（2） 这三种射线分别叫作α射线、β射线和γ射线。 射线与核外电子无关，它来自原子核。说明原子核内部是有结构的。 5. 天然放射现象中的三种射线的比较，穿透能力如图（2）： 粒子 特性 α射线 （正电） 贯穿本领小（空气中射程只有几厘米），一张薄铝箔或一张薄纸就能将它挡住，电离本领强，容易使空气电离。速度为c/10 β射线 (负电) 高速电子流，贯穿本领大（能穿透几毫米的铝板）电离作用较弱，速度为9c/10，接近光速。 γ射线 高能光子（中性） 波长很短的电磁波，贯穿本领最大（能穿透几厘米的铅板），电离作用最小。 4. 电离：射线使原子中的电子脱离核的束缚成为自由电子的过程。 知识点02 原子核的衰变 1. 定义：原子核自发地放出 α粒子或 β粒子而转变为新核的现象。 2. 衰变的种类：α衰变、β衰变 原子核一般用表示，其含义如下。描述原子变化的表达式称核反应方程。 α衰变方程： β衰变方程： 上述描述核反应过程的公式称核反应方程，一般不可逆，所以用箭头表示，而不是等号。 3. 衰变过程中质量数守恒，核电荷数守恒。 注意：质量数守恒并非质量守恒，因为有能量的释放，会出现质量亏损。 4. 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γ光子。 γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的，不会单独产生。 放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线。 但一次衰变只能是α衰变或β衰变，不可能同时进行α衰变和β衰变。 5. 在磁场中的轨迹： α衰变：发生衰变的原子核原来静止，由于无外力作用，动量守恒，新核与放出的粒子速度方向相反，新核和α粒子都带正电荷，则它们所受的洛伦兹力方向相反，则轨道应是外切圆，又因为r＝，半径大的应该是电荷量小的α粒子的运动轨迹。 β衰变：新核和β衰粒子所带电性相反，则它们所受的洛伦兹力方向相同，它们的轨道应是内切圆，同理，半径大的应该是电荷量小的电子的运动轨迹。 知识点03 放射性元素的半衰期 若放射性元素原来的质量为m0、原子数为N0；剩余的质量m，剩余的原子数为N，半衰期为𝝉，半衰期个数为n，经过时间t，则： 未衰变核数的计算关系：；未衰变核的质量的计算关系： ⑴元素的半衰期由原子核内部的因素决定，只与元素的种类有关，跟元素所处的物理或化学状态无关。 不同元素半衰期不同。 ⑵半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。 知识点04 质子的发现 1. 1919年，卢瑟福第一次实现了原子核的人工转变，用高速α粒子轰击原子核，使原子核放出了质子。 2. 实验步骤及结果： (1)适当选择铝箔的厚度，使荧光屏恰好不出现闪光 (2)充入氮气后，荧光屏出现了闪光 3. 发现质子的核反应方程式： 知识点05 中子的发现 1. 卢瑟福依据原子核的电荷数与质量数的差别，预见到原子核中应该存在质量与质子相等的、不带电的粒子，卢瑟福称其为中子。　 2. 1932年，查德威克用放射性元素钋发出的α射线轰击铍，证实了中子的存在。 查德威克用碰撞中的动量守恒和能量守恒分析得到不可见粒子是质量与质子几乎相等的、不带电的粒子，它正是卢瑟福预见的中子。中子的质量数与质子的相等，都是1，中子不带电，其电荷数为零。 物理学中用符号表示中子。 3. 发现中子的核反应方程式： 1．原子核(符号X) 2．基本关系 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。 知识点06 人工放射性（人工合成放射性同位素） 1. 1932年，美国物理学家安德森发现正电子。正电子的质量和电荷量大小与电子相同，但电性与电子相反，正电子的符号是，它是人类发现的首个反物质基本粒子。 2. 1934年，居里夫妇用α粒子轰击铝后，发现了放射性同位素，即人工制得放射性元素 核反应方程： 磷30具有放射性，发生正电子衰变，衰变方程： 磷30是首个人工合成放射性同位素。 3. 原子序数超过92的放射性同位素都是通过人工方法获得的。 现在，利用原子能反应堆和粒子加速器生成的同位素已经超过2000种，每种元素都有放射性同位素。 4. 放射性同位素的应用 (1)检测：利用射线的穿透能力可以检查各种产品厚度、密封在容器中的液面高度等。 (2)放疗：放射性同位素放出的射线会致癌，但也用射线对某些癌症患者进行放射性治疗。 射线对迅速生长的癌细胞有破坏作用，但同时也会破坏周边的正常细胞。 (3)示踪：在某种元素中掺进适量的放射性同位素，放射性同位素会跟随这种元素一起运动。 通过探测放射性同位素放出的射线，就可以知道这种元素的踪迹，该放射性同位素称为示踪原子。 知识点07 原子核的结合能和平均结合能 1. 核力：原子核内一定有一种比库仑斥力更强的吸引力，使得核子彼此吸引并紧密地结合在一起的作用力。 核力的性质： (1) 质子和质子、质子和中子以及中子和中子之间都存在核力。 (2) 核力大小是相同的，与核子是否带电无关。 (3) 短程力：作用范围大约在 1.4×10-15m(大约相当于质子的半径) 以内，超出这一范围，迅速减小为零。所以核力只发生在邻近的少数核子之间，核力比库仑力强100倍以上，即强相互作用。 2. 四种相互作用：引力相互作用，电磁相互作用，强相互作用，弱相互作用。 万有引力、重力是引力相互作用； 弹力、摩擦力本质上是电磁相互作用力； 质子和中子之间的相互作用就是强相互作用； 原子核β衰变是弱相互作用。 3. 原子核分解需要吸收能量，核子结合成原子核放出能量。 要使一个核子脱离原子核，外界必须克服核力做功。 因此，将原子核分解成彼此分离的核子，所有核子的能量之和比未分离的原子核能量大。 例如，用能量为 2.22 MeV 的γ粒子照射氘核，会发生如下的核反应： 反之，在中子和质子结合成核的过程中会放出一个能量为 2.22 MeV 的γ粒子。 这表明，原子核分解成核子需要吸收一定的能量，核子结合成原子核时则放出同样大的能量。 4. 原子核的结合能： 原子核各个核子彼此分离时的总能量与该原子核能量之差称为原子核的结合能。 一般来说，原子核的核子数越多，结合能越大。 5. 比结合能： (1)指原子核中每个核子结合能的平均值，也称平均结合能。 (2)结合能 = 比结合能 × 核子数 (3)比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。（通俗理解，吸引得越紧） (4)比结合能-原子序数的图像如下： (5)如果核反应从比结合能小的原子核变成比结合能大的原子核，分解所需能量小于结合释放能量，总体 释放能量。从上图可知，中等质量数的核比结合能较大，所以重核裂变或轻核聚变都会释放能量。 6. 质量亏损和质能方程 ①质量亏损：原子核的质量小于组成原子核的所有核子的总质量，两者之差称为质量亏损。 ②质能方程：物体的能量与它的质量的关系是：E＝mc2。 ③质量亏损 ∆m 与原子核的结合能 E之间的关系符合爱因斯坦提出的质能方程： 深化理解： (1)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。反之，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。 (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。 (3)运用质能方程时单位常用“原子质量单位”(u)和“兆电子伏特”(MeV)，即1u=931.5 MeV。 知识点08 原子核的裂变 1. 核裂变：重核受到中子轰击后分裂成中等质量的原子核，同时放出能量的核反应。 2. 典型的裂变方程 (1)U＋n→Xe＋Sr＋2n (2)U＋n→Ba＋Kr＋3n 3. 链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。 链式反应的条件: ①有足够浓度的铀235 ②有足够数量的慢中子 ③发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。 4. 原子弹 高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。 5. 可控核裂变，核裂变反应堆的主要组成： （1）核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀235占3%~4%）。核燃料：铀235和钚239。 （2）减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收）。 （3）控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。 （4）冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。 （5）水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。 核电站：利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。 知识点09 原子核的聚变 1. 定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 2. 核聚变方程： 3. 人工热核反应：氢弹 核反应方程： 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．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。 6. 核反应类型总结 类型：①天然放射现象、衰变、➁人工转变、➂裂变、➃聚变 规律：核反应方程遵循电荷数守恒和质量数守恒。 7. 可控核聚变： 人造小太阳的原理是利用太阳内部的能量产生机制在地球上制造和利用能量，叫“可控核聚变”。 考●向●破●译 考向01 三种射线 例1. （2026·上海奉贤·二模）某放射性样品竖直向上发出三种射线，通过虚线区域内方向水平向右、场强大小为的匀强电场，呈现如图所示的三种不同轨迹I、II、III。 （1）轨迹I、II、III分别对应___________； A．、、射线 B．、、射线 C．、、射线 D．、、射线 （2）已知轨迹I上、两点间距离为，线段与轨迹II夹角为（）。则、两点间电势差___________； （3）移去匀强电场，在虚线区域内加上匀强磁场，使I、III对应的射线仍在纸面内分别向左和向右偏转，如图所示。 ①匀强磁场的方向___________； A．水平向右    B．垂直纸面向外    C．水平向左    D．垂直纸面向里 ②已知、粒子的质量之比约为，电荷量大小之比约为，在磁场中运动的速率之比约为，则、粒子此时做匀速圆周运动的半径之比约为___________。 【答案】 D B 365：1 【详解】（1）[1]射线在电场中受电场力作用发生偏转，射线带正电，受力方向与电场方向相同，向右偏转，对应轨迹 III；射线带负电，受力方向与电场方向相反，向左偏转，对应轨迹 I；射线不带电，不发生偏转，对应轨迹 II。故轨迹 I、II、III 分别对应、、射线。 故选D。 （2）[2]匀强电场方向水平向右，沿电场线方向电势降低，由图可知点电势低于点电势，。 、两点沿电场线方向的距离为 根据匀强电场电势差与场强的关系 可得 （3）[3] 轨迹I对应射线，带负电，向上运动，受到的洛伦兹力向左，根据左手定则，可知磁场方向垂直纸面向外。故选B。 （4）[4]带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由 得 粒子与粒子的半径之比，即。 考向02 核反应方程 例1. 钍核经过6次衰变和4次衰变后变成铅核，则（　　） A．铅核的符号为，它比少8个中子 B．铅核的符号为，它比少16个中子 C．铅核的符号为，它比少16个中子 D．铅核的符号为，它比少12个中子 【答案】C 【解析】经过1次α衰变电荷数少2，质量数少4，经过1次β衰变，电荷数增1，质量数不变。则钍核 经过6次α衰变和4次β衰变后电荷数少8，质量数少24，铅核的符号为，质量数等于质子数加中子数，则中子数少16，故C正确，ABD错误。 【变式训练1】（2025·上海崇明·二模）粒子轰击铝原子核后发生核反应，完成其核反应方程________。其中铝原子核（）内有________个中子。 【答案】 14 【详解】[1]粒子轰击铝原子核后发生核反应，根据质量数和电荷数守恒，其核反应方程 [2]其中铝原子核（）内有个中子。 考向03 半衰期计算 例1. 医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线，而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn，经过时间t后剩余的113Sn质量为m，其­t图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为（ ） A．67.3 d B．101.0 d C．115.1 d D．124.9 d 【答案】C 【解析】由图可知，从＝到＝，113Sn恰好衰变了一半，则半衰期为T＝182.4 d－67.3 d＝115.1 d 【变式训练1】（26-27高三上·上海宝山·阶段检测）研究表明，质量大于8倍太阳质量的恒星生命末期会发生毁灭性爆炸，可产生重元素（如铀）。已知和的半衰期分别为年和年，若地球上的铀来自年前的恒星爆炸，且爆炸时产生相同数量的和，则目前地球上两者的数量比约为（     ） A． B． C． D． 【答案】 B 【详解】设恒星爆炸至今经历的时间为，由衰变规律 得现在两者数量之比为 代入数据得、 则 故，故选B。 考向04 发现质子和中子的实验 例1. 卢瑟福发现质子，并第一次实现原子核人工转变的实验示意图是（ ） 【答案】D 【解析】A是天然放射性实验，B是查德威克发现中子实验，C是α粒子散射实验，D是卢瑟福发现质子实验。 BD都是原子核人工转变，但卢瑟福发现质子实验先于查德威克发现中子实验，所以D正确。 【变式训练1】（2024虹口二模）查德威克用钋放出的 α 射线轰击铍，从而发现了中子。装置图中的粒子 B 为___________，发现中子的核反应方程为：94Be + 42He → _________ + 10n。 【答案】质子，126C 【解析】A为中子，B为质子。由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知该粒子的核电荷数位6，核子数为12，所以为126C。 考向05 质能公式 例1. （26-27高三上·上海宝山·阶段检测）福建福清核电站采用我国完全自主研发的“华龙一号”反应堆技术，建设了安全级别世界最高的机组。机组利用235U核裂变释放的能量发电，典型的核反应方程为，则A=_______；Z=__________；若核反应过程中质量亏损1g，释放的能量为___________J。（光速大小取） 【答案】 92 36 【详解】[1]由核反应前后质量数守恒得，解得，故填92 [2]由电荷数守恒得，解得，故填36 [3]由爱因斯坦质能方程得释放的能量，故填 【变式训练1】（26-27高三上·上海长宁·阶段检测）在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个静止的放射性原子核发生了一次衰变。放射出粒子（）在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为R。以m、q分别表示粒子的质量和电荷量。 （1）粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流，求圆周运动的周期和环形电流大小。 （2）设该衰变过程释放的核能都转化为粒子和新核的动能，新核的质量为M，求衰变过程的质量亏损。 【答案】 （1），；（2） 【详解】（1）粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由 得 圆周运动的周期 代入得 环形电流 代入得 （2）衰变过程动量守恒，粒子与新核的动量大小相等，即 其中 粒子的动能 新核的动能 释放的核能全部转化为动能，即 由质能关系 得 代入得 考向06 核裂变和核聚变 例1.（25-26高二下·上海青浦·期末）如图是正在进行重核裂变的原子： ①如果图中进行的是的裂变，用一个慢中子轰击，生成的元素是和，请写出其核裂变方程：__________________________________________。 ②要产生自发、持续的链式反应，除了需要裂变产生的快中子减速为慢中子，还需要具备下列哪些条件( ) A．直接从自然界开采天然铀； B．需要加热到很高的温度 C．需要采用扩散和离心分离技术将天然铀制成浓缩铀； D．铀块的体积要大于等于临界体积 【答案】 CD 【详解】① ②AC．天然铀丰度低，需要通过浓缩技术提纯得到浓缩铀，A错误，C正确； B．高温是核聚变的反应条件，重核裂变不需要，B错误； D．铀块体积需要大于等于临界体积，保证中子足够引发持续裂变，D正确。 故选CD。 真题溯源·考向感知 ——溯源真题逻辑，感知高考考向 1．（2026年上海高考真题）1. 航天器中一种可能的铀核裂变方程为________。 A. B. C. D. 【答案】B 【解析】根据电荷数守恒和质量数守恒可知，铀核裂变方程为 故选B。 2. （2026年上海高考真题）若某核反应发生前，所有参与反应物质的总静止质量为；反应完成后，所有生成物的总静止质量为。已知真空中的光速为，则该核反应过程中释放的核能________。 【答案】 【解析】根据爱因斯坦质能方程，核反应中亏损的质量转化为能量。质量亏损为 释放的核能为 3. （2024年上海高考真题）原子核之间由于相互作用会产生新核，这一过程具有多种形式。 （1）质量较小的原子核结合成质量较大原子核的过程称为______ A．链式反应 B．衰变 C．核聚变 D．核裂变 （2）核的质量为，核的质量为，它们通过核反应形成一个质量为的氦原子核，此过程释放的能量为______。（真空中光速为c） 【答案】 ①. C ②. 4. （2025年上海高考真题）太阳内部发生的反应是核聚变，即氢原子核在高温高压条件下聚合成氦原子核并释放能量的过程；其核反应方程为，则X是（　　） A. H核 B. 核 C. 核 D. 核 【答案】B 【解析】根据核反应方程，反应前氢核的质量数总和为4，电荷数总和为4×1。 反应后两个正电子的质量数总和为2×0=0，电荷数总和为2×1=2。设X的质量数为A，电荷数为Z， 则有A+0=4，Z+2=4， 解得A=4，Z=2，的质量数为4，电荷数为2，故选B。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $