山东省冠县武训高级中学高三物理 16.2放射性元素的衰变核反应核能光电效应复习课件.ppt

16.2 16.2 放射性元素的衰变放射性元素的衰变 核反应核反应核能核能 光电效应光电效应一、天然放射性现象一、天然放射性现象1 1．放射性现象：．放射性现象： 像这样物质自发地发出射线的现象叫像这样物质自发地发出射线的现象叫天然放射现象天然放射现象物质的这种性质叫质的这种性质叫天然放射性天然放射性，具有放射性的元素，叫，具有放射性的元素，叫放射性放射性元素元素 人们发现人们发现原子序数大于原子序数大于8484的所有天然存在的元素都有放的所有天然存在的元素都有放射性，原子序数小于射性，原子序数小于8484的天然存在的元素有些也具有放射性，的天然存在的元素有些也具有放射性，它们放射出来的射线共有三种：它们放射出来的射线共有三种：αα射线、射线、ββ射线、射线、γγ射线射线．． 1896年贝克勒尔发现铀年贝克勒尔发现铀U和含铀的矿物能发射某种看不和含铀的矿物能发射某种看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照像底片感光见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照像底片感光2 2、三种射线的本质和特性、三种射线的本质和特性 1.α 1.α射线：射线：速度约为光速速度约为光速1 1／／1010的氦核流，贯穿作用的氦核流，贯穿作用很弱，电离作用很强．很弱，电离作用很强． 2.β2.β射线：射线：速度约为光速速度约为光速0.990.99的电子流，贯穿作用的电子流，贯穿作用很强，电离作用较弱．很强，电离作用较弱． 3.γ3.γ射线：射线：波长极短的电磁波，贯穿作用最强，电波长极短的电磁波，贯穿作用最强，电离作用最弱．离作用最弱．种种 类类本本 质质电电 荷荷( (e)e)速速 度度(C)(C)电电 离离 性性贯贯 穿穿 性性αα射线射线氦核氦核+2+20.10.1最强最强最弱，纸能挡住最弱，纸能挡住ββ射线射线电子电子-1-10.990.99较强较强较强，穿几较强，穿几mmmm铝板铝板γγ射线射线光子光子0 01 1最弱最弱最强，穿几最强，穿几cmcm铅版铅版3.3.研究放射线的方法：研究放射线的方法：(1)(1)在磁场中偏转在磁场中偏转(2)(2)在电场中偏转在电场中偏转3.3.研究放射线的方法：研究放射线的方法： 设设α与与β沿初速度方向前进相同的距离沿初速度方向前进相同的距离L，两者在电场方向，两者在电场方向上偏转的距离之比：上偏转的距离之比：例例1：：将将α、、β、、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情况中正确的是中表示射线偏转情况中正确的是 (　　　　 ) AD二、原子核的衰变规律二、原子核的衰变规律（（1 1））αα衰变的一般方程为衰变的一般方程为 每发生一次每发生一次αα衰变，新元素与原元素相比较，衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数核电荷数减小减小2 2，质量数减少，质量数减少4 4．．原子核内两个质子和两个中子结合比原子核内两个质子和两个中子结合比较紧密，有时作为一个整体从较大的原子核中抛射出来。

较紧密，有时作为一个整体从较大的原子核中抛射出来2 2））ββ衰变的一般方程为衰变的一般方程为 每发生一次每发生一次ββ衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数增加增加1 1，质量数不变．，质量数不变．ββ衰变的实质是元素的原子核内的一个衰变的实质是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子中子变成质子时放射出一个电子．． 伴随伴随αα衰变或衰变或ββ衰变同时产生的、衰变同时产生的、γγ射线不改变原子核的电射线不改变原子核的电荷数和质量数．荷数和质量数．（（3 3））γγ射线射线 实质是放射性原子核在发生实质是放射性原子核在发生α衰变或衰变或β衰变时，产生的某些衰变时，产生的某些新核由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子．新核由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子．注意：注意： 一一种种元元素素只只能能发发生生一一种种衰衰变变，，但但在在一一块块放放射射性性物物质质中中可可以以同同时时放放出出αα、、ββ和和γγ三种射线三种射线②②每一种放射性元素都有一定的半衰期每一种放射性元素都有一定的半衰期, ,不同的放射性元素不同的放射性元素, ,半衰期不同半衰期不同. . 如果用如果用M M0 0表示原来的原子质量表示原来的原子质量,M,Mt t表示表示t t时刻还未衰变的时刻还未衰变的质量质量,T,T表示半衰期表示半衰期, ,那么那么(4)(4)半衰期（统计规律）半衰期（统计规律）①①是放射性元素的大量原子核有是放射性元素的大量原子核有半数发生衰变半数发生衰变需要的时间需要的时间③③放射性元素半衰期的长短是由原子核的放射性元素半衰期的长短是由原子核的内部因素内部因素决定的决定的, ,它不受外部因素的影响它不受外部因素的影响. .例如温度、物态、化学结构等例如温度、物态、化学结构等, ,都不都不能改变它的半衰期能改变它的半衰期. .④④衰变公式衰变公式【例【例2 2】】 （钍）经过一系列（钍）经过一系列αα和和ββ衰变，衰变，变成变成（铅），下列说法正确的是（（铅），下列说法正确的是（ ）） A A．铅核比钍核少．铅核比钍核少8 8个质子个质子 B B．铅核比钍核少．铅核比钍核少1616个中子个中子C C．共经过．共经过4 4次次αα衰变和衰变和6 6次次ββ衰变衰变 D D．共经过．共经过6 6次次αα衰变和衰变和4 4次次ββ衰变衰变 ABD ABD 【例【例3 3】】铀（铀（ ）经过）经过αα、、ββ衰变形成衰变形成稳定的铅（稳定的铅（ 问在这一变化过程中，共有多少中子转变为质子（问在这一变化过程中，共有多少中子转变为质子（ ））A A．．6 6 ；； B B．．1414；； C C．．22 22 ；； D D．．32 32 ））A A 【例【例4 4】】若元素若元素A A的半衰期为的半衰期为4 4天，元素天，元素B B的半衰期为的半衰期为5 5天天, ,则相同则相同质量的质量的A A和和B B，经过，经过2020天后，剩下的质量之比，即天后，剩下的质量之比，即m mA A ：：m mB B 是是( ( ) ) A A、、30∶31 B30∶31 B、、31∶30 C31∶30 C、、1∶2 D1∶2 D、、2∶12∶1C C【例【例5 5】】如图所示，两个相切的圆表示一个静止原子核发生如图所示，两个相切的圆表示一个静止原子核发生某种核变化后，产生的两种运动粒子在匀强磁场中的运动轨某种核变化后，产生的两种运动粒子在匀强磁场中的运动轨迹，可能的是（迹，可能的是（ ））A.A.原子核发生了原子核发生了αα衰变；衰变； B B．原子核发生了．原子核发生了ββ衰变衰变C.C.原子核放出了一个正电子；原子核放出了一个正电子；D.D.原子核放出了一个中子；原子核放出了一个中子； 由于一般新核带电量和质量均大于放出的粒子电量由于一般新核带电量和质量均大于放出的粒子电量和质量和质量, ,则由圆周运动规律可知大圆为粒子轨迹则由圆周运动规律可知大圆为粒子轨迹, ,小圆为小圆为新核轨迹新核轨迹. .AC AC αα衰变外切，衰变外切，ββ衰变内切衰变内切【例【例6】】 静止的氡核静止的氡核 放出放出α粒子后变成钋核粒子后变成钋核 α粒子动能为粒子动能为Eα。

若衰变放出的能量全部变为反冲核和若衰变放出的能量全部变为反冲核和α粒子的动能，真空中的光速为粒子的动能，真空中的光速为c，则该反应中的质量亏损，则该反应中的质量亏损为为B. 0 C正确正确三、三、核反应核反应2 2、查德威克、查德威克αα射线粒子轰击铍原子核实验射线粒子轰击铍原子核实验, ,发现了中子发现了中子定义：原子核在其它粒子的轰击下产生新核的过程叫定义：原子核在其它粒子的轰击下产生新核的过程叫核反应核反应1、、1919年卢瑟福用年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，第一次实现了粒子轰击氮原子核，第一次实现了原子核的人工转变，发现了质子原子核的人工转变，发现了质子核反应是原子核的变化，化学反应是核外电子的变化核反应是原子核的变化，化学反应是核外电子的变化在核反应中，在核反应中，质量数质量数和和电荷数电荷数都守恒都守恒4.4.注意：在人工转变中，用某高速粒子去轰击某原子核后，原注意：在人工转变中，用某高速粒子去轰击某原子核后，原子核发射出粒子和射线并转变成新的原子核的过程中，不可认子核发射出粒子和射线并转变成新的原子核的过程中，不可认为是高速粒子从原子核中打出了粒子为是高速粒子从原子核中打出了粒子. .(1)(1) 放射性同位素的发现（放射性同位素的发现（19341934年，约里奥年，约里奥··居里夫妇）居里夫妇） 具有相同具有相同质子数质子数而而中子数中子数不同的原子核不同的原子核, ,在元素周期表中处在元素周期表中处于同一位置于同一位置, ,互称互称同位素同位素. .有些同位素具有放射性有些同位素具有放射性, ,叫做放射性同叫做放射性同位素位素. .天然放射性同位素不过四十多种天然放射性同位素不过四十多种, ,而人工制造的放射性同而人工制造的放射性同位素已达位素已达1 0001 000多种多种. .3.3.同位素同位素①①放射性同位素放出的射线应用于工业、探放射性同位素放出的射线应用于工业、探 伤、农业、医疗等伤、农业、医疗等 (2)放射性同位素的应用放射性同位素的应用 ②②作示踪原子作示踪原子四、核四、核 能能 核子间作用力核子间作用力. . 短程强引力，只在相邻的核子间发生作短程强引力，只在相邻的核子间发生作用，与核子的电性无关用，与核子的电性无关. .1.核力核力2 2、结合能、结合能 由于核子间存在着强大的核力，所以核子由于核子间存在着强大的核力，所以核子结合结合成原子核成原子核或原子核或原子核分解分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化．为核子时，都伴随着巨大的能量变化． 可见，当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核可见，当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量．这个能量分解成核子时，要吸收同样的能量．这个能量叫做原子核叫做原子核的结合能的结合能，，亦称核能亦称核能．． 原子核越大，自然它的结合能越高。

因此，有意义的是它原子核越大，自然它的结合能越高因此，有意义的是它的结合能与核子数之比，称作的结合能与核子数之比，称作比结合能比结合能也叫平均结合能比结也叫平均结合能比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定比结合能比结合能中等大小的核的比中等大小的核的比结合能最大（平均结合能最大（平均每个核子的质量亏每个核子的质量亏损最大），损最大），这些核这些核最稳定有些重核分裂成中等质量的核放出能量有些重核分裂成中等质量的核放出能量有些轻核结合成中等质量的核放出能量有些轻核结合成中等质量的核放出能量获得核能的两个基本途径是重核裂变和轻核聚变获得核能的两个基本途径是重核裂变和轻核聚变 凡具有质量的物体都具有能量，物体的质量和能量间的关凡具有质量的物体都具有能量，物体的质量和能量间的关系为：系为：E=mcE=mc2 2；若原子核质量亏损为；若原子核质量亏损为△m△m，对应释放的，对应释放的能量为能量为△E=△mc△E=△mc2 2. . 3.3.质量亏损质量亏损 组成原子核的核子与原子核的质量之差叫做质量亏损；需组成原子核的核子与原子核的质量之差叫做质量亏损；需说明的是说明的是任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子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和的质量和. .4.4.爱因斯坦质能方程爱因斯坦质能方程 第一第一. .. .核反应过程中核反应过程中: :核子结合成原子核时核子结合成原子核时, ,新核质量新核质量小小于于核子的质量核子的质量( (质量亏损质量亏损),),同时以同时以 光子形式光子形式释放核能释放核能有关问题的理解和注意事项有关问题的理解和注意事项 原子核分解为核子时原子核分解为核子时, ,需要需要吸收一定能量吸收一定能量, ,核子的总质量核子的总质量大于大于原原子核的质原原子核的质第三第三. .质量亏损并非质量消失质量亏损并非质量消失, ,而是减少的质量而是减少的质量 m m以能量形以能量形式辐射式辐射( (动质量动质量),),因此因此质量守恒定律不被破坏质量守恒定律不被破坏. .第四第四. .公式公式ΔE=ΔmΔE=Δm··c c2 2 的单位问题的单位问题  m m用用““u(u(原子质量单位原子质量单位) )”” 1u=1.660566 1u=1.660566××1010-27-27kg kg ΔEΔE用用““ucuc2 2””1uc1uc2 2=931MeV =931MeV ( (表示表示1u 1u 的质量变化相当于的质量变化相当于931Me V931Me V的能量改变的能量改变) )第二第二. .核反应过程中核反应过程中, ,质量亏损时质量亏损时, ,核子个数不亏损核子个数不亏损( (即质量数即质量数守恒守恒) ), ,可理解为组成原子核后可理解为组成原子核后, ,核内每个核子仿佛核内每个核子仿佛““瘦了瘦了””一些一些第五第五. .核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级收的能量大好几个数量级两者相差数十万倍两者相差数十万倍. . 核反应中的能量核核反反应应吸收能量吸收能量放出能量核子结合成原子核核子结合成原子核有些重核分裂成中等质量的核有些重核分裂成中等质量的核有些轻核结合成中等质量的核有些轻核结合成中等质量的核2.2.链式反应：重核裂变时放出几个中子，再引起其他重核裂链式反应：重核裂变时放出几个中子，再引起其他重核裂变而使裂变反应不断进行下去变而使裂变反应不断进行下去（原子弹原理）（原子弹原理）. .五、重核的裂变五、重核的裂变1 1、定义：、定义：重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的反应过程叫重核的裂变反应过程叫重核的裂变 19381938年年1212月，德国物理学家哈恩和他的助手斯月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。

铀核裂变的产物是变铀核裂变的产物是多种多样的多种多样的，一种，一种典型典型的反的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：方程是：铀核的裂变铀核的裂变+ +→→+ ++ +裂变前的质量：裂变前的质量：裂变后的：裂变后的：铀核的裂变铀核的裂变释放出的能量为释放出的能量为(1)(1)裂变过程中能放出巨大的能量裂变过程中能放出巨大的能量裂变特点：裂变特点： (2)(2)裂变的产物不是唯一的．裂变的产物不是唯一的．(3)(3)裂变的同时能放出裂变的同时能放出2 2～～3 3个个( (或更多个或更多个) )中子．中子． 1kg1kg铀铀全部裂变，它放出的能量相当于全部裂变，它放出的能量相当于2800t2800t优质煤完全燃烧时释放的能量．优质煤完全燃烧时释放的能量． 铀核裂变时，铀核裂变时，同时释放出同时释放出2～～3个中子，如果这个中子，如果这些中子再引起其些中子再引起其他铀他铀235核裂变，核裂变，就可使裂变反应就可使裂变反应不断地进行下去，不断地进行下去，这种反应叫做链这种反应叫做链式反应式反应裂变物质能够发生链式反应的最小体裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的积叫做它的临界体积临界体积，相应的质量叫做，相应的质量叫做临临界质量界质量。

3、临界体积、临界体积  原子弹的材料一般为原子弹的材料一般为铀铀-235或或钚钚-239有中子反射的球形铀有中子反射的球形铀-235-235临界点为临界点为1515公斤公斤左右，钚左右，钚-239-239则为则为1010公斤左右公斤左右 核能的和平利用核能的和平利用————解决能源危机根本途径解决能源危机根本途径4 4、核电站、核电站（（1 1）核心部件）核心部件( (核核)反应堆：反应堆： (nuclear) reactor 人类第一座核反应堆：人类第一座核反应堆：CP-1的的“尊容尊容” 用人式方法用人式方法控制核裂变链控制核裂变链式反应速度并式反应速度并获得核能的装获得核能的装置（（2 2）反应堆的组成：）反应堆的组成：核燃料棒、减速剂、核燃料棒、减速剂、控制棒、冷却系统、控制棒、冷却系统、防护层等防护层等反反应应堆堆核燃料棒：核燃料棒：核心设施核心设施 浓缩铀制成的铀棒浓缩铀制成的铀棒减速剂：减速剂：石墨、重水或普通水，用于减小石墨、重水或普通水，用于减小中子的速度中子的速度控制棒：控制棒：镉，用于镉，用于 吸收中子，控制核反吸收中子，控制核反应的快慢。

应的快慢3%-4%的浓缩铀的浓缩铀六、轻核聚变六、轻核聚变轻核结合成质量较大的核轻核结合成质量较大的核叫聚变叫聚变轻核聚变的核反应方程轻核聚变的核反应方程 使核发生聚变；必须使它们接迈到使核发生聚变；必须使它们接迈到1010-15-15米，也就是接米，也就是接近到核力能够发生做用的范围由于原子核都带正电，要近到核力能够发生做用的范围由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服电荷之间的很大斥力作使它们接近到这种程度，必须克服电荷之间的很大斥力作用，这就要使核具有很大的动能只有在几百万度的高温用，这就要使核具有很大的动能只有在几百万度的高温以上，原子核才有足够的动能克服相互间的库仑斥力，在以上，原子核才有足够的动能克服相互间的库仑斥力，在碰撞中接近到可以发生聚变的程度所以这种轻核聚变的碰撞中接近到可以发生聚变的程度所以这种轻核聚变的反应又叫做反应又叫做热核反应热核反应氘核的质量：氘核的质量：m mD D＝＝2.014102u2.014102u氚核的质量：氚核的质量：m mT T＝＝3.016050u3.016050u氦核的质量：氦核的质量：m mαα＝＝4.002603u4.002603u中子的质量：中子的质量：m mn n=1.008665u=1.008665u 一个氘核和一个氚核结合成一个氦核一个氘核和一个氚核结合成一个氦核释放释放17.6MeV17.6MeV能量，平均每个核子放出的能能量，平均每个核子放出的能量在量在3MeV3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子以上，比裂变反应中平均每个核子释放的能量大释放的能量大3 3 ～～4 4倍．倍．核聚变的利用——氢弹弹体弹体引爆装置引爆装置小小型型原原子子弹弹三种炸药：三种炸药：普通炸药普通炸药ＵＵ235氘、氚氘、氚爆炸爆炸裂变裂变聚变聚变氘、氚、重氘、氚、重氢化钾等氢化钾等铀铀235外壳外壳普通炸药普通炸药氢弹爆炸形成的磨姑云氢弹爆炸形成的磨姑云太太阳阳的中心的中心发发生核聚生核聚变变，，放出巨大能量，放出巨大能量，太太阳阳；；这个这个天然的的核聚天然的的核聚变过变过程已程已经发经发生生了好了好几几十十亿亿年。

年核聚变普遍存在于宇宙中二、可控热核反应二、可控热核反应——核聚变的利用核聚变的利用热核反应热核反应裂变反应裂变反应相同的核燃料释放的能量多相同的核燃料释放的能量多反应中放射物质的处理较易反应中放射物质的处理较易反应中的核燃料资源较丰富反应中的核燃料资源较丰富核反应发生条件较易实现核反应发生条件较易实现出现故障自动停止出现故障自动停止。