2024新鲁科版（2019）《高中物理》选择性必修第三册第五章 原子核与核能知识点总结 .docx

1、新教材 鲁科版2019版 物理选择性必修第三册第5章知识点清单目录第5章原子核与核能第1节认识原子核第2节原子核衰变及半衰期第3节核力与核能第4节核裂变和核聚变第5节核能的利用与环境保护第5章原子核与核能第1节认识原子核一、天然放射现象的发现1. 1896年，法国物理学家贝可勒尔发现某些物质具有放射性。2. 天然放射现象：物质自发地放出射线的现象。3. 放射性：物质放出射线的性质。4. 放射性元素：具有放射性的元素。5. 皮埃尔居里夫妇发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)。二、认识三种射线1. 射线：高速运动的氦原子核粒子流，射出时的速率可达0. 1c。射线有很强的电离作

2、用，但穿透能力很弱，在空气中只能飞行几厘米，一张铝箔或一张薄纸就能将它挡住。2. 射线：高速运动的电子流，射出时的速率可达0. 99c，它的穿透能力较强，能穿透几毫米厚的铝板，但电离作用较弱。3. 射线：波长很短的电磁波，穿透能力很强，能穿透几厘米厚的铅板，但电离作用很弱。三、质子和中子的发现1. 质子的发现(1)实验：为探测原子核的结构，卢瑟福用粒子轰击氮原子核发现了质子。(2)结论：质子是原子核的组成部分。2. 中子的发现(1)卢瑟福的猜想卢瑟福猜想核内可能还存在着质量跟质子质量相近的不带电的中性粒子，并将其称为中子。(2)中子的发现是许多科学家研究的结晶。1930年，科学家发现，用从钋发

3、出的射线轰击铍时，会产生一种不受电场和磁场影响、穿透能力很强的射线。1932年，约里奥居里夫妇用这种射线轰击石蜡，能从石蜡中轰击出质子。查德威克对云室中的这种射线与氮原子核碰撞的径迹进行了研究，发现这种射线是一种不带电、质量接近质子的粒子流。(3)中子是原子核的组成部分，中子不带电，用符号n表示。四、原子核的组成1. 组成：质子和中子都是原子核的组成部分，人们将质子和中子统称为核子。2. 原子核的质量和质量数：原子核的质量等于核内质子和中子的质量之和，近似等于核子质量的整数倍，通常用这个整数代表原子核的相对质量，叫作原子核的质量数，质量数等于核子数。3. 核电荷数：原子核的电荷数简称核电荷数，

4、等于它的质子数，也等于原子核外的电子数，并且核电荷数就是元素周期表中的原子序数。4. 原子核的符号X，其中X为元素符号，A表示原子核的质量数，Z表示核电荷数。5. 同位素：物理学中，具有相同的质子数、不同中子数的原子核互称同位素。6. 核反应：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。7. 核反应方程：用原子核符号描述核反应过程的式子。例如卢瑟福发现质子的方程： 24He+714N817O+11H。8. 核反应规律：核反应中质量数和核电荷数均守恒。五、对三种射线的理解1. 三种射线的比较射线射线 射线组成高速氦核流高速电子流高频电磁波单个粒子带电荷量2e-e0质量4mp(mp=

5、1. 6710-27 kg)mp1 836 静止质量为零速度0. 1c0. 99cc在电场或磁场中的偏转情况偏转与射线反向偏转不偏转贯穿本领最弱，用一张薄纸就能挡住较强，能穿透几毫米厚的铝板很强，能穿透几厘米厚的铅板对空气的电离作用很强较弱很弱通过胶片感光感光感光六、原子核的组成与核反应方程1. 原子核的大小和组成(1)原子核直径：10-15 10-14 m。(2)原子核的组成：质子：电荷量为+1. 610-19 C，质量为mp=1. 672 623 110-27 kg。中子：电荷量为零，质量为mn=1. 674 928 610-27 kg。(3)同位素：质子数相同、中子数不同的原子。2. 原

6、子核的符号和数量关系(1)原子核可用符号ZAX来表示。(2)基本关系：核电荷数(Z)=质子数=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. 同位素的性质(1)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。(2)它们的中子数不同，所以它们的物理性质不同。4. 核反应、核反应方程(1)核反应：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。(2)核反应方程：用原子核符号描述核反应过程的式子。(3)核反应的规律：在核反应中，质量数和核电荷数守恒。5. 核反应方程的书写规则(1)核反应

7、方程必须遵守核电荷数守恒和质量数守恒。(2)核反应方程中的箭头()表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。(3)写核反应方程必须要有实验依据，不能毫无根据地编造。(4)要求记住常见粒子的符号：质子(11H)、中子(01n)、电子(-10e)、粒子(24He)等。第2节原子核衰变及半衰期一、原子核的衰变1. 衰变：原子核由于放出射线或射线而转变为新核的变化。2. 衰变分类(1)衰变：放出粒子的衰变。(2)衰变：放出粒子的衰变。3. 衰变过程92238U90234Th+24He90234Th91234Pa+-10e+ (式中， 为反中微子，不带电，静止质量几乎为0)在衰变过程中，核电荷数和质量数

8、都守恒。二、衰变的快慢半衰期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. 公式：m=M12tT。3. 决定因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核自身的因素决定的，跟原子所处的物理、化学状态无关。4. 适用条件：半衰期描述的是大量原子核发生衰变的统计规律，即在大量原子核群体中，经过一定时间将有一定比例的原子核发生衰变。三、放射性的应用与防护1. 推断时间：对于任何含碳物质，只要测定剩余的放射性14C的含量，就可推断年代。2. 示踪原子：用仪器探测放射性同位素放出的射线，可以查明放射性元素的行踪，人们把具有这种用途的放射性同位素称为示踪原子。3. 射线在工业、农业和医疗等领域的应用(

9、1)辐射育种、食品辐射保存、放射性治疗等。(2)放射性同位素电池：把放射性同位素衰变时释放的能量转换成电能的装置。(3)射线探伤：利用了射线穿透能力强的特点。4. 放射性污染和防护：过量的射线对人类和自然界产生破坏作用。要防止放射性物质的污染。四、对原子核的衰变及半衰期的理解1. 原子核的衰变(1)衰变实质衰变：原子核内两个质子和两个中子结合成一个粒子，并在一定条件下作为一个整体从较大的原子核中放射出来，发生衰变。201n+211H24He衰变：原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内，同时放出一个电子，即粒子放射出来。01n11H+-10e(2)衰变规律原子核发生衰变时，遵循三个守恒规律。

10、衰变前后的核电荷数守恒。质量数守恒。动量守恒。(3)衰变方程通式衰变：ZAXZ-2A-4Y+24He衰变： ZAXZ+1AY+-10e(4)确定原子核衰变次数的方法与技巧方法：设放射性元素X经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素ZAY，则衰变方程为：ZAXZAY+n24He+m-10e根据质量数守恒和核电荷数守恒可列方程A=A+4n，Z=Z+2n-m联立以上两式解得n=A-A4，m=A-A2+Z-Z。由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定衰变的次数(这是因为衰变对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定衰变的次数。2. 对半衰期的

11、理解(1)半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，不同元素的半衰期不同，有的差别很大。(2)半衰期公式N余=N原12tTm余=m012tT式中N原、m0分别表示衰变前的原子个数和质量，N余、m余分别表示经时间t后尚未发生衰变的原子数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期。(3)适用条件：半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时刻衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核。第3节核力与核能一、核力与核的稳定性1. 核力：把原子核中的核子维系在一起的力。2. 核力特点(1)核力是短程力。(2)核力

12、是一种强相互作用。3. 核素：具有一定质子数和中子数的原子核。4. 核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图像称为核素图(如图所示)。5. 核的稳定性(1)核素的稳定区：在核素图中，稳定的核素几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线的两侧，这个区域称为核素的稳定区。(2)稳定核素的中子数与质子数的关系：随着质子数的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数。二、四种基本相互作用1. 四种基本相互作用：现代物理学认为，自然界中所有的作用力，从本质来说都可归结为四种基本的相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。2. 特点(1)引力相互作用：是所有

13、物体之间都存在的一种相互作用，日常生活中的物体和微观粒子，它们之间的引力非常微弱，可忽略不计。但对于质量较大的天体，引力则是它们之间的主要作用力，是长程力。(2)电磁相互作用：是电荷间、磁体间或电荷与磁体间的相互作用，摩擦力、弹力等接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现，是长程力。(3)强相互作用和弱相互作用：是短程力，作用范围在原子核尺度内。核子间的核力是由强相互作用引起的。质量数相同的不同原子核之间的转换是由弱相互作用引起的。3. 四种相互作用按由强到弱排列：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。三、结合能与平均结合能1. 原子核的结合能：核子结合成原子核所释放的

14、能量。2. 质量亏损(1)质量亏损：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损。(2)爱因斯坦质能方程：E=mc2。(3)亏损的质量与释放的能量间的关系：E=mc2。3. 平均结合能(1)定义：原子核的结合能与其质量数之比称为该核的平均结合能，又称为比结合能。(2)意义：平均结合能越大，原子核越难分离成单个，核子越稳定。四、对核力与核的稳定性的理解原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。质子间存在着库仑斥力，但是质子没有被排斥开，反而还紧紧地结合在一起。1. 核力的性质(1)核力是四种基本相互作用中的强相互作用的一种表现。(2)核力是短程力，约在10

15、-15 m数量级时起作用，距离大于0. 810-15 m时为引力，距离小于0. 810-15 m时为斥力，距离超过1. 510-15 m时，核力急剧下降几乎消失。(3)核力具有饱和性。核子只与相邻的核子间有核力作用，而不是与核内所有核子发生作用。(4)核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。2. 原子核中质子与中子的比例关系(1)较轻的原子核，其质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，其中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多。(2)形成原因若人工构建质子数和中子数相等的原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和库仑力都会减小，但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时，核子

16、间的核力不足以平衡质子之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核的中子数要比质子数多。由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。五、结合能、平均结合能与核能的计算1. 结合能由于核力的存在，原子核分解成核子时，需要外力克服核力做功，当自由核子结合成原子核时要放出一定的能量，人们把核子结合成原子核所释放的能量称为原子核的结合能。2. 平均结合能(1)原子核的结合能与质量数之比称为该核

17、的平均结合能，平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。(2)平均结合能(比结合能)曲线：不同原子核的平均结合能随质量数变化的图线如图所示。从图中可看出，中等质量原子核的比结合能较大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。3. 比结合能与原子核稳定性的关系(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，就会释放核能。例如，一个核子

18、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。4. 质量亏损与核能的计算(1)质量亏损科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等，例如，精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫作质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。m是核反应前与核反应后的质量之差。(2)质能方程E=mc2爱因斯坦指出，物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系，即E=mc2，式中c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值巨大，因而物体的能量是十分可观的。

19、(3)从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化E与物体的质量变化m的关系：E=mc2。(4)核能的计算方法根据核反应方程计算核反应前和核反应后的质量亏损m，根据爱因斯坦质能方程E=mc2或E=mc2计算核能，其中m的单位是千克，E的单位是焦耳。利用原子质量单位u和电子伏特eV计算根据1原子质量单位(1 u)相当于931. 5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931. 5 MeV可计算出释放的核能，即E=m931. 5 MeV，其中m的单位是u，E的单位是MeV。注原子质量单位u与kg、电子伏特eV与J间的关系：1 u=1. 660 610-27 kg则E=m

20、c2=1. 660 610-27(2. 997 9108)2 J1. 492 410-10 J。1 eV=1. 602 210-19 J所以E=931. 5 MeV。利用比结合能来计算核能原子核的结合能=比结合能质量数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。第4节核裂变和核聚变第5节核能的利用与环境保护一、重核裂变及链式反应1. 重核的裂变(1)核裂变：用中子轰击铀核，铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量。科学家把这种核反应过程叫作核裂变。核裂变是释放核能的方法之一。(2)用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是

21、多种多样的，其中一种典型的反应是92235U+01n56141Ba+3692Kr+301n。2. 链式反应(1)定义：在92235U核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可以放出23个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击92235U，使之发生裂变，就能产生第2代中子，这样继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应。(2)临界体积：能够发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。二、轻核聚变及可控热核聚变1. 轻核聚变采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能。这样的核反应称为核聚变。2. 太阳内部核聚变的反应方程12H+13H24He+01n

22、。3. 轻核聚变的条件要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围。4. 物质第四态等离子态高温下，原子已完全电离，形成等离子态。高温等离子体的密度及高温必须维持一定时间才能实现聚变。5. 约束高温等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束。三、核能的利用与环境保护1. 核电站(1)核电站就是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。(2)目前核电站的反应堆以92235U为燃料，发电成本低于煤电。(3)采用增殖反应堆可以使资源得到充分利用。2. 核武器原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器。(1)原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置。(2)氢弹：是一种不需人工控制而实现核

23、聚变的反应装置。3. 核能的优势与危害(1)优势：核能发电比燃煤发电对环境污染小。(2)危害核废料具有高放射性，放射性物质一旦泄漏，会造成严重后果。核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏。四、对重核裂变的理解1. 裂变的解释重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的原子核，这个原子核要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力迅速减小，不足以抵消质子间的库仑斥力从而不能恢复原状，最后分裂成两部分，同时放出中子。2. 裂变过程为什么能放出能量中等大小的原子核的平均结合能较大，这些核较稳定。如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结

24、合能会增加，可以释放出能量。92235U的裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的生成物有多种，其中有一种很典型的裂变反应是：92235U+01n56141Ba+3692Kr+301n在重核裂变过程中，核反应满足核电荷数守恒和质量数守恒，但反应前后质量不同，发生了质量亏损，释放出能量。计算一个铀核在上述裂变过程放出的能量。已知m(92235 U)=235. 043 9 u，mn=1. 008 7 u，m(56141 Ba)=140. 913 9 u，m(3692 Kr)=91. 897 3 u，且1 u质量对应的能量为931. 5 MeV裂变前：m1=(235. 043 9+1. 008 7) u

25、=236. 052 6 u裂变后：m2=(140. 913 9+91. 897 3+31. 008 7) u=235. 837 3 u质量亏损：m=0. 215 3 u释放能量：E=0. 215 3931. 5 MeV200. 55 MeV。五、对核聚变的理解1. 聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离，这要克服电荷间强大的斥力作用，使轻核具有足够大的动能。2. 轻核聚变是放能反应从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。3. 核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界

26、给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。4. 核聚变的应用(1)核武器氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。5. 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34倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0. 72%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0. 03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当可控性核反应速度比较容易控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它