山东省冠县武训高级中学高三物理复习放射性元素的衰变核反应核能光电效应省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

16.2 16.2 放射性元素衰变放射性元素衰变 核反应核核反应核能能 光电效应光电效应zxxk高三总复习高三总复习 选修选修3-53-5第1页一、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：像这么物质自发地发出射线现象叫像这么物质自发地发出射线现象叫天然放射现象天然放射现象。物质。物质这种性质叫这种性质叫天然放射性天然放射性，含有放射性元素，叫，含有放射性元素，叫放射性元素放射性元素。人们发觉人们发觉原子序数大于原子序数大于8484全部天然存在元素都有放射性，全部天然存在元素都有放射性，原子序数小于原子序数小于8484天然存在元素有些也含有放射性，它们放射天然存在元素有些也含有放射性，它们放射出来射线共有三种：出来射线共有三种：射线、射线、射线、射线、射线射线 1896年贝克勒尔发觉铀年贝克勒尔发觉铀U和含铀矿物能发射某种看不见和含铀矿物能发射某种看不见射线，这种射线能够穿透黑纸使照像底片感光。射线，这种射线能够穿透黑纸使照像底片感光。第2页2 2、三种射线本质和特征、三种射线本质和特征 1.1.射线：射线：速度约为光速速度约为光速1 11010氦核流，贯通作用很氦核流，贯通作用很弱，电离作用很强弱，电离作用很强 2.2.射线：射线：速度约为光速速度约为光速0.990.99电子流，贯通作用很电子流，贯通作用很强，电离作用较弱强，电离作用较弱 3.3.射线：射线：波长极短电磁波，贯通作用最强，电离波长极短电磁波，贯通作用最强，电离作用最弱作用最弱种种 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 性性射射线线氦核氦核+2+20.10.1最最强强最弱，最弱，纸纸能能挡挡住住射射线线电电子子-1-10.990.99较较强强较较强强，穿几，穿几mmmm铝铝板板射射线线光子光子0 01 1最弱最弱最最强强，穿几，穿几cmcm铅铅版版第3页3.3.研究放射线方法：研究放射线方法：(1)(1)在磁场中偏转在磁场中偏转第4页(2)(2)在电场中偏转在电场中偏转3.3.研究放射线方法：研究放射线方法：设设与与沿初速度方向前进相同距离沿初速度方向前进相同距离L，二者在电场方向上，二者在电场方向上偏转距离之比：偏转距离之比：zxxk第5页例例1：将将、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是中表示射线偏转情况中正确是()AD第6页二、原子核衰变规律二、原子核衰变规律（1 1）衰变普通方程为衰变普通方程为 每发生一次每发生一次衰变，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，质量数降低，质量数降低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原子核中抛射出来。较紧密，有时作为一个整体从较大原子核中抛射出来。（2 2）衰变普通方程为衰变普通方程为 每发生一次每发生一次衰变，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，质量数不变衰变实质是元素原子核内一个中子变衰变实质是元素原子核内一个中子变成质子时放射出一个电子成质子时放射出一个电子 伴随伴随衰变或衰变或衰变同时产生、衰变同时产生、射线不改变原子核电荷数射线不改变原子核电荷数和质量数和质量数（3 3）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衰变或衰变或衰变时，产生一些新衰变时，产生一些新核因为含有过多能量（核处于激发态）而辐射出光子核因为含有过多能量（核处于激发态）而辐射出光子第7页注意：注意：一一个个元元素素只只能能发发生生一一个个衰衰变变，但但在在一一块块放放射射性性物物质质中中能能够够同同时时放放出出、和和三种射线。三种射线。zxxk第8页每一个放射性元素都有一定半衰期每一个放射性元素都有一定半衰期,不一样放射性元素不一样放射性元素,半半衰期不一样衰期不一样.假如用假如用M M0 0表示原来原子质量表示原来原子质量,M,Mt t表示表示t t时刻还未衰变质量时刻还未衰变质量,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）是放射性元素大量原子核有是放射性元素大量原子核有半数发生衰变半数发生衰变需要时间需要时间放射性元素半衰期长短是由原子核放射性元素半衰期长短是由原子核内部原因内部原因决定决定,它不受它不受外部原因影响外部原因影响.比如温度、物态、化学结构等比如温度、物态、化学结构等,都不能改变它都不能改变它半衰期半衰期.衰变公式衰变公式第9页【例【例2 2】（钍）经过一系列（钍）经过一系列和和衰变，衰变，变成变成（铅），以下说法正确是（铅），以下说法正确是（）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次次衰变和衰变和6 6次次衰变衰变 D D共经过共经过6 6次次衰变和衰变和4 4次次衰变衰变 ABD ABD【例【例3 3】铀（铀（）经过）经过、衰变形成衰变形成稳定铅（稳定铅（问在这一改变过程中，共有多少中子转变为质子（问在这一改变过程中，共有多少中子转变为质子（）A A6 6；B B1414；C C22 22；D D32 32 ）A A 【例【例4 4】若元素若元素A A半衰期为半衰期为4 4天，元素天，元素B B半衰期为半衰期为5 5天天,则相同质量则相同质量A A和和B B，经过，经过2020天后，剩下质量之比，即天后，剩下质量之比，即m mA A ：m mB B 是是()()A A、3031 B3031 B、3130 C3130 C、12 D12 D、2121C C第10页【例【例5 5】如如图图所表示，两个相切所表示，两个相切圆圆表示一个静止原子核表示一个静止原子核发发生生某种核改某种核改变变后，后，产产生两种运生两种运动动粒子在匀粒子在匀强强磁磁场场中运中运动轨动轨迹，迹，可能是（可能是（）A.A.原子核原子核发发生了生了衰衰变变；B B原子核原子核发发生了生了衰衰变变C.C.原子核放出了一个正原子核放出了一个正电电子；子；D.D.原子核放出了一个中子；原子核放出了一个中子；因为普通新核带电量和质量均大于放出粒子电量和因为普通新核带电量和质量均大于放出粒子电量和质量质量,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,小圆为新小圆为新核轨迹核轨迹.AC AC 衰衰变变外切，外切，衰衰变变内切内切第11页【例【例6】静止氡核静止氡核 放出放出粒子后变成钋核粒子后变成钋核 粒子动能为粒子动能为E。若衰变放出能量全部变为反冲核和。若衰变放出能量全部变为反冲核和粒粒子动能，真空中光速为子动能，真空中光速为c，则该反应中质量亏损为，则该反应中质量亏损为 zxxkB.0 C正确正确第12页三、三、核反应核反应2 2、查德威克、查德威克射线粒子轰击铍原子核试验射线粒子轰击铍原子核试验,发觉了中子发觉了中子定义：原子核在其它粒子轰击下产生新核过程叫定义：原子核在其它粒子轰击下产生新核过程叫核反应核反应1、19卢瑟福用粒子轰击氮原子核，第一次实现了原子核人工转变，发觉了质子核反应是原子核改变，化学反应是核外电子改变核反应是原子核改变，化学反应是核外电子改变在核反应中，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第13页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原子核过程中，不可认为是子核发射出粒子和射线并转变成新原子核过程中，不可认为是高速粒子从原子核中打出了粒子高速粒子从原子核中打出了粒子.(1)(1)放射性同位素发觉（放射性同位素发觉（19341934年，约里奥年，约里奥居里夫妇）居里夫妇）含有相同含有相同质子数质子数而而中子数中子数不一样原子核不一样原子核,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.有些同位素含有放射性有些同位素含有放射性,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各种天然放射性同位素不过四十各种,而人工制造放射性同位而人工制造放射性同位素已达素已达1 0001 000各种各种.3.3.同位素同位素放射性同位素放出射线应用于工业、探放射性同位素放出射线应用于工业、探 伤、农业、医疗等伤、农业、医疗等 (2)放射性同位素应用放射性同位素应用 作示踪原子作示踪原子第14页四、核四、核 能能 核子间作用力核子间作用力.短程强引力，只在相邻核子间发生作用，短程强引力，只在相邻核子间发生作用，与核子电性无关与核子电性无关.1.核力核力2 2、结合能、结合能 因为核子间存在着强大核力，所以核子因为核子间存在着强大核力，所以核子结合结合成原子核或成原子核或原子核原子核分解分解为核子时，都伴伴随巨大能量改变为核子时，都伴伴随巨大能量改变 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，要吸收一样能量这个能量分解成核子时，要吸收一样能量这个能量叫做原子核结叫做原子核结合能合能，亦称核能亦称核能第15页 原子核越大，自然它结合能越高。所以，有意义是它结合原子核越大，自然它结合能越高。所以，有意义是它结合能与核子数之比，称作能与核子数之比，称作比结合能比结合能也叫平均结合能。比结合能越也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定。大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定。比结合能比结合能中等大小核比结合中等大小核比结合能最大（平均每个能最大（平均每个核子质量亏损最大）核子质量亏损最大），这些核最稳定。这些核最稳定。有些重核分裂成中等质量核放出能量有些重核分裂成中等质量核放出能量有些轻核结合成中等质量核放出能量有些轻核结合成中等质量核放出能量取得核能两个基本路径是重核裂变和轻核聚变取得核能两个基本路径是重核裂变和轻核聚变第16页 凡含有质量物体都含有能量，物体质量和能量间关系为：凡含有质量物体都含有能量，物体质量和能量间关系为：E=mcE=mc2 2；若原子核质量亏损为；若原子核质量亏损为mm，对应释放能量为，对应释放能量为E=mcE=mc2 2.3.3.质量亏损质量亏损 组成原子核核子与原子核质量之差叫做质量亏损；需说明组成原子核核子与原子核质量之差叫做质量亏损；需说明是是任何一个原子核质量总是小于组成它全部核子质量和任何一个原子核质量总是小于组成它全部核子质量和.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质量核子质量(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相关问题了解和注意事项相关问题了解和注意事项 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,核子总质量核子总质量大大于于原原子核质原原子核质第17页第三第三.质量亏损并非质量消失质量亏损并非质量消失,而是降低质量而是降低质量 m m以能量形式以能量形式辐射辐射(动质量动质量),),所以所以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E=mcE=mc2 2 单位问题单位问题 m m用用“u(“u(原子质量单位原子质量单位)”)”1u=1.66056610 1u=1.66056610-27-27kg kg EE用用“uc“uc2 2”1uc1uc2 2=931MeV =931MeV (表示表示1u 1u 质量改变相当于质量改变相当于931Me V931Me V能量改变能量改变)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),可了解为组成原子核后可了解为组成原子核后,核内每个核子好像核内每个核子好像“瘦了瘦了”一些一些第五第五.核反应中释放或吸收能量比化学反应中释放或吸收核反应中释放或吸收能量比化学反应中释放或吸收能量大好几个数量级能量大好几个数量级二者相差数十万倍二者相差数十万倍.第18页第19页核反应中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核有些重核分裂成中等质量核有些轻核结合成中等质量核有些轻核结合成中等质量核第20页2.2.链式反应：重核裂变时放出几个中子，再引发其它重核裂链式反应：重核裂变时放出几个中子，再引发其它重核裂变而使裂变反应不停进行下去（原子弹原理）变而使裂变反应不停进行下去（原子弹原理）.五、重核裂变五、重核裂变1 1、定义：、定义：重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量核反应重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量核反应过程叫重核裂变过程叫重核裂变 1938 1938年年1212月，德国物理学家哈恩和他助手斯特月，德国物理学家哈恩和他助手斯特拉斯曼发觉，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。拉斯曼发觉，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变产物是铀核裂变产物是各种多样各种多样，一个，一个经典经典反应是裂变为反应是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：铀核裂变铀核裂变+第21页裂裂变变前前质质量：量：裂裂变变后：后：铀核裂变铀核裂变释放出能量为释放出能量为第22页(1)(1)裂变过程中能放出巨大能量裂变过程中能放出巨大能量裂变特点：裂变特点：(2)(2)裂变产物不是唯一裂变产物不是唯一(3)(3)裂变同时能放出裂变同时能放出2 23 3个个(或更多个或更多个)中子中子 1kg1kg铀铀全部裂变，它放出能量相当于全部裂变，它放出能量相当于2800t2800t优质煤完全燃烧时释放能量优质煤完全燃烧时释放能量 铀核裂变时，铀核裂变时，同时释放出同时释放出23个中子，假如这个中子，假如这些中子再引发其些中子再引发其它铀它铀235核裂变，核裂变，就可使裂变反应就可使裂变反应不停地进行下去，不停地进行下去，这种反应叫做链这种反应叫做链式反应式反应第23页裂变物质能够发生链式反应最小体积裂变物质能够发生链式反应最小体积叫做它叫做它临界体积临界体积，对应质量叫做，对应质量叫做临界质量临界质量。3、临界体积、临界体积 原子弹材料普通为原子弹材料普通为铀铀-235或或钚钚-239。有中子反射球形铀有中子反射球形铀-235-235临界点为临界点为1515千克左千克左右，钚右，钚-239-239则为则为1010千克左右。千克左右。第24页核能和平利用核能和平利用处理能源危机根本路径处理能源危机根本路径4 4、核电站、核电站（1 1）关键部件）关键部件(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“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取得核能装置。取得核能装置。第25页（2 2）反应堆组成：）反应堆组成：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：关键设施。关键设施。浓缩铀制成铀棒浓缩铀制成铀棒减速剂：减速剂：石墨、重水或普通水，用于减小石墨、重水或普通水，用于减小中子速度中子速度控制棒：控制棒：镉，用于镉，用于 吸收中子，控制核反吸收中子，控制核反应快慢。应快慢。3%-4%浓缩铀浓缩铀第26页六、轻核聚变六、轻核聚变轻核结合成质量较大核轻核结合成质量较大核叫聚变叫聚变。轻核聚变核反应方程轻核聚变核反应方程 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，也就是靠米，也就是靠近到核力能够发生做用范围。因为原子核都带正电，要使近到核力能够发生做用范围。因为原子核都带正电，要使它们靠近到这种程度，必须克服电荷之间很大斥力作用，它们靠近到这种程度，必须克服电荷之间很大斥力作用，这就要使核含有很大动能。只有在几百万度高温以上，原这就要使核含有很大动能。只有在几百万度高温以上，原子核才有足够动能克服相互间库仑斥力，在碰撞中靠近到子核才有足够动能克服相互间库仑斥力，在碰撞中靠近到能够发生聚变程度。所以这种轻核聚变反应又叫做能够发生聚变程度。所以这种轻核聚变反应又叫做热核反热核反应应。第27页氘核质量：氘核质量：mmD D2.014102u2.014102u氚核质量：氚核质量：mmT T3.016050u3.016050u氦核质量：氦核质量：mm4.002603u4.002603u中子质量：中子质量：mmn n=1.008665u=1.008665u第28页 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，平均每个核子放出能量能量，平均每个核子放出能量在在3MeV3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子释以上，比裂变反应中平均每个核子释放能量大放能量大3 3 4 4倍倍第29页核聚变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235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第30页氢弹爆炸形成磨姑云氢弹爆炸形成磨姑云第31页太阳中心发生核聚变太阳中心发生核聚变，放出巨大能量，太放出巨大能量，太阳；这个天然核聚变过程已经发生了好几阳；这个天然核聚变过程已经发生了好几十亿年。十亿年。核聚变普遍存在于宇宙中第32页二、可控热核反应二、可控热核反应核聚变利用核聚变利用热核反应热核反应裂变反应裂变反应相同核燃料释放能量多相同核燃料释放能量多反应中放射物质处理较易反应中放射物质处理较易反应中核燃料资源较丰富反应中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顿出现故障自动停顿第33页