原子核及核能知識結構整合

■山東省日照市第一中學 徐恒峰

原子核及核能知識結構整合

■山東省日照市第一中學 徐恒峰

原子核及核能是原子物理中的核心內容,同學們在高三一輪復習時,必須弄清四類核反應的特點,熟練掌握五種粒子的本質,正確理解核反應中的四種守恒等。現將相關知識整合如下,以期幫助同學們優化知識結構、提高復習效果。

一、四類核反應

1.衰變。

原子核由于放出某種粒子而轉變為新核的變化叫原子核的衰變。

(1)α衰變。放射性元素放出α粒子后變成另一種元素的衰變過程叫α衰變。如(在核反應過程中,有兩個質子和兩個中子結合成氦原子核,即

(2)β衰變。放射性元素放出β粒子后變成另一種元素的衰變過程叫β衰變。如(在核反應過程中,有一個中子轉變為一個質子,同時放出一個電子,即

放射性的原子核在發生α衰變或β衰變時,蘊藏在核內的能量會釋放出來,使產生的新核處于較高能級,新核輻射出γ光子后躍遷到低能級。當放射性物質連續衰變時,原子核中有的發生α衰變,有的發生β衰變,同時伴隨著γ輻射。

放射性元素的原子核有半數發生衰變所需的時間叫半衰期。半衰期由核內部因素決定,與放射性物質所處的物理、化學狀態等無關。

2.人工轉變。

原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程,稱為原子核的人工轉變。原子核人工轉變的三個典型實例如下:

3.核裂變。

1938年底德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發現重核裂變,即一個重核在俘獲一個中子后,分裂成幾個中等質量的核的反應過程。如在一定條件下(超過臨界體積),裂變反應會連續不斷地進行下去,這就是鏈式反應。

4.核聚變。

二、五種粒子

3.γ光子,即高能光子,伴隨α衰變或β衰變產生。γ光子的穿透本領極強,電離作用很弱。

三、四種守恒

1.質量數守恒:原子核的質量數等于核內的質子數與中子數之和。在核反應過程中,質子與中子可以相互轉化,但質子和中子的總個數保持不變,即質量數守恒。

2.電荷數守恒:原子核由質子和中子組成,質子帶一個單位的正電荷(電荷量為1.6026×10-19C),中子不帶電。在核反應過程中,當質子數減少時必有正電子產生,當質子數增加時必有電子產生,總電荷數保持不變,即電荷數守恒。

3.能量守恒:在核反應過程中,當核子結合成原子核時,總質量減少,由愛因斯坦質能方程知相應的總能量也減少,由能量守恒定律知減少的這部分能量不會憑空消失,它必須釋放出去。當原子核分裂成核子時,總質量增加,由愛因斯坦質能方程知相應的總能量也增加,由能量守恒定律知增加的這部分能量也不會憑空產生,它必須由外部來供給。因此,核反應過程滿足能量守恒定律。

4.動量守恒:原子核內發生相互作用時,由于相互間的作用力巨大,作用時間極短,屬于內力遠大于外力的情形,因此,核反應過程滿足動量守恒定律。

四、六點注意

1.質子和中子相互轉變:在核反應過程中,質子與中子可以相互轉化。若核反應中有電子產生,說明在核反應中有一個中子轉化為一個質子,核反應方程為若核反應中有正電子產生,說明在核反應中有一個質子轉化為一個中子,核反應方程

2.半衰期的統計意義:半衰期是一個統計規律,只有大量的原子核發生衰變時,半衰期才有意義。對于少量的原子核發生衰變而言,半衰期沒有意義。

3.核力的作用范圍:核力與核子是否帶電無關,質子與質子間、質子與中子間,中子與中子間都可以有核力作用,但只有鄰近的核子間才有核力作用,即核力是一種短程力(當兩個核子間的距離r＜1.5×10-15m時才發生作用)。

4.質量虧損與質量守恒的關系:發生核反應時有能量放出或需要吸收能量,根據愛因斯坦質能方程E=mc2可知,能量變化時質量要相應變化,因此,在核反應過程中存在質量虧損。從表面上看,核反應中質量是不守恒的,但根據相對論可知,反應后的粒子速度比較大,算上它們的動質量,核反應前后的總質量仍然守恒。

5.電荷數守恒和電荷守恒的關系:二者在本質上是一樣的,只不過所用之處不同。在核反應方程配平時,用的是電荷數守恒;在計算物體帶電荷的多少上,用的是電荷守恒。

6.能量守恒和愛因斯坦質能方程的關系:愛因斯坦質能方程E=mc2說明一定的質量m總是跟一定的能量mc2相對應;能量守恒說明在核反應中,反應前后的總能量應保持不變,這是自然界的普適規律。

五、練一練

1.下列表述正確的有( )。

2.如圖1所示,P為放在勻強電場中的天然放射源,其放出的射線在電場的作用下分成a、b、c三束,以下判斷正確的是( )。

圖1

A.a為α射線、b為β射線

B.a為β射線、b為γ射線

C.b為γ射線、c為β射線

D.b為α射線、c為γ射線

A.6次 B.10次

C.22次 D.32次

4.以下說法中正確的是( )。

B.新發現的一種放射性元素X,它的氧化物X2O的半衰期為8天,則放射性元素X的半衰期一定為8天

C.現有100個某種放射性元素的原子核,經過一個半衰期后,沒有衰變的原子核一定為50個

D.放射性元素Y,處在低溫狀態下,半衰期為τ,若它處于高溫狀態下,則半衰期τ有可能變小

5.浙江秦山核電站第三期工程有兩個6×105kW發電機組,發電站的核能來源于的裂變。回答以下問題:

(2)235892U原子核一種可能的裂變是變成兩個中等質量的原子核,其核反應方程式為

(3)若這兩個6×105kW發電機組正常發電,每年需要多少濃縮鈾?已知鈾核的質量為235.0439u,中子的質量為1.0087u,鍶(Sr)核的質量為89.9077u,氙(Xe)核的質量為135.9072u。1u=1.66×10-27kg,濃縮鈾中鈾235的含量占2%。

6.太陽中含有大量的氘核,氘核不斷發生核反應釋放的核能,以光和熱的形式向外輻射。已知氘核的質量為2.0136u,氦核的質量為3.0150u,中子的質量為1.0087u,1u的質量相當于931.5MeV的能量。則:

(2)求核反應中釋放的核能。

(3)在兩氘核以相等的動能0.35MeV進行對心碰撞,并且核能全部轉化為機械能的情況下,求反應中產生的中子和氦核的動能。

參考答案: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。

(責任編輯 張 巧)