专题58 放射性、核反应、核能一、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1．原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。

2．天然放射现象 （1）天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。

天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。

（2）放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性。

具有放射性的元素叫放射性元素。

（3）三种射线：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。

（4）放射性同位素的应用与防护①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。

②应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。

③防护：防止放射性对人体组织的伤害。

3．原子核的衰变（1）衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。

（2）分类α衰变：42X Y+He AAZZ A-→β衰变：011X Y+e AAZ Z +-→（3）半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。

半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。

二、核力、结合能、质量亏损 1．核力 （1）定义：原子核内部，核子间所特有的相互作用力。

（2）特点：①核力是强相互作用的一种表现；②核力是短程力，作用范围在1.5×10–15 m 之内； ③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。

2．结合能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。

3．比结合能 （1）定义：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。

（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，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。

4．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E =mc 2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm ，这就是质量亏损。

由质量亏损可求出释放的核能ΔE =Δmc 2。

三、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程 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）典型的裂变反应方程：235189144192036560U+n Kr+Ba 3n →+。

（3）链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。

（4）临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。

（5）裂变的应用：原子弹、核反应堆。

（6）反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。

2．轻核聚变（1）定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。

轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。

（2）典型的聚变反应方程：四、原子核的衰变和原子核的人工转变 1．衰变规律及实质 （1）两种衰变的比较衰变方程衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出 中子转化为质子和电子衰变规律电荷数守恒、质量数守恒（2）γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。

其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子。

2．原子核的人工转变用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程。

典型核反应：（1）卢瑟福发现质子的核反应方程为：1441717281N He O H +→+。

（2）查德威克发现中子的核反应方程为：941214260Be+He C n →+。

（3）居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：27430122120Al+He P n →+。

3030015141P Si e +→+。

3．确定衰变次数的方法（1）设放射性元素X AZ 经过n 次α衰变和m 次β衰变后，变成稳定的新元素Y A Z ''，则表示该核反应的方程为根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A =A ′+4n ，Z =Z ′+2n –m（2）确定衰变次数，因为β衰变对质量数无影响，先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。

4．半衰期（1）公式：N 余=N 原(21)t /τ，m 余=m 原(21)t /τ式中N 原、m 原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N 余、m 余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t 表示衰变时间，τ表示半衰期。

（2）影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态（如温度、压强）或化学状态（如单质、化合物）无关。

5．书写核反应方程时应注意（1）必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律。

（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）核反应类型及核反应方程的书写类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发β衰变自发人工转变人工控制（卢瑟福发现质子）（查德威克发现中子）约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子重核裂变比较容易进行人工控制轻核聚变很难控制五、质量亏损及核能的计算1．核能（1）核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE=Δmc2。

（2）原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE=Δmc2。

2．核能释放的两种途径的理解（1）使较重的核分裂成中等大小的核。

（2）较小的核结合成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，都可以释放能量。

六、应用质能方程解题的流程图（1）根据ΔE=Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。

（2）根据ΔE=Δm×931.5 MeV计算。

因1原子质量单位（u）相当于931.5 MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。

14C发生放射性衰变为14N，半衰期约为5 700年。

已知植物存活其间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C 的比例持续减少。

现通过测量得知，某古木样品中14C 的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。

下列说法正确的是A ．该古木的年代距今约为5 700年B ．12C 、13C 、14C 具有相同的中子数 C ．14C 衰变为14N 的过程中放出β射线D ．增加样品测量环境的压强将加速14C 的衰变 【参考答案】AC【详细解析】因古木样品中14C 的比例正好是现代植物所制样品的二分之一，则可知经过的时间为一个半衰期，即该古木的年代距今约为5 700年，选项A 正确；12C 、13C 、14C 具有相同的质子数，由于质量数不同，故中子数不同，选项B 错误；根据核反应方程可知，14C 衰变为14N 的过程中放出电子，即发出β射线，选项C 正确；外界环境不影响放射性元素的半衰期，选项D 错误；故选AC 。

1．原子核Th 23290具有天然放射性，它经过若干次α衰变和β衰变后会变成新的原子核。

下列原子核中，有三种是Th 23290衰变过程中可以产生的，它们是A ．Pb 20482B ．Pb 20382C ．Po 21084D ．Ra 22488【答案】ACD发生β衰变的次数为82+2×7–90=6，均是整数，符合要求，选项A 正确。

同理，逐一判断可知，ACD 符合要求。

2．关于天然放射性，下列说法正确的是 A ．所有元素都可能发生衰变B ．放射性元素的半衰期与外界的温度无关C ．放射性元素与别的元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D ．α、β和γ三种射线中，γ射线的穿透能力最强 【答案】BCD【解析】并不是所有的元素都能衰变，只有原子序号超过83的元素才都能发生衰变，选项A 错。

放射性元素的半衰期由原子核内部的结构决定，与外界温度无关，选项B 对。

放射性元素其放射性来自于原子核内部的，与其他元素形成化合物并没有改变其内部原子核结构所以仍具有放射性，选项C 对。

α、β和γ三种射线中，γ射线能量最高，穿透能力最强，选项D 对。

放射性元素21084Po 衰变为20682Pb ，此衰变过程的核反应方程是_______________；用此衰变过程中发出的射线轰击199F ，可得到质量数为22的氖（Ne ）元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是_______________。

【参考答案】210206484822Po Pb He →+ 41922129101He F Ne H +→+【详细解析】质量数守恒和电荷数守恒，配平守恒方程。

关键在于氖的电荷数没有告诉，需要化学知识。

则答案为210206484822Po Pb He →+，41922129101He F Ne H +→+。

1．以下说法正确的是A ．当氢原子从n =3的状态跃迁到n =1的状态时，要吸收光子B ．蓝光照射到某金属板表面时能够产生光电效应，则换用强度较低的紫光照射也可发生C ．原子序数大于83的原子核都具有放射性D ．核反应：2351141929205636U n Ba Kr X a +→++中X 为中子，a =3【答案】BCD2．一个静止的氡核22286Rn 放出一个α粒子后衰变为钋核21784Po ，同时放出能量为E =0.09 MeV 的光子。

假设放出的核能完全转变为钋核与α粒子的动能，不计光子的动量。

已知M 氡=222.086 63 u 、m α=4.002 6 u 、M 钋=218.076 6 u ，1 u 相当于931.5 MeV 的能量。

（1）写出上述核反应方程；（2）求出发生上述核反应放出的能量； （3）确定钋核与α粒子的动能。

【答案】（1）22286Rn→21884Po+42He+γ （2）6.92 MeV （3）0.12 MeV 6.54 MeV（3）设α粒子、钋核的动能分别为E kα、E k 钋，动量分别为p α、p 钋，由能量守恒定律得：ΔE =E kα+E k钋+E不计光子的动量，由动量守恒定律得：0=p α+p 钋又2k 2p E m =，故E kα:E k 钋=218:4联立解得E k 钋=0.12 MeV ，E kα=6.54 MeV用中子轰击锂核（63Li ），发生的核反应为：6331n Li H X +→+，式中n 代表中子，X 代表核反应产生的新核，同时释放出4.8 MeV 的核能（l eV=1.6×l019- J ）。

则新核中的中子数为_______，核反应过程中的质量亏损为__________kg （计算结果保留两位有效数字）。

【参考答案】2 30-10×5.8 【详细解析】因为中子10n，根据质量数及电荷数守恒可知，新核X 中的中子数为2；根据质能方程2E mc∆=∆可知，核反应过程中的质量亏损为619302824.810 1.610kg 8.510kg (310)E m c--∆⨯⨯⨯∆===⨯⨯。