19．2 放射性元素的衰变

1．原子核的衰变

原子核放出α或β粒子，由于核电荷数变了，它在周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。

铀238核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，核电荷数减少2，变成新核-----钍234核。那这种放出α粒子的衰变叫做α衰变。

这个过程可以用衰变方程式来表示：23892U→23490Th+42He 衰变方程式遵守的规律： （1）质量数守恒 （2）核电荷数守恒

（进一步解释：守恒就是反应前后相等） α衰变规律：AZX→A-4Z-2Y+42He

钍234核也具有放射性，它能放出一个β粒子而变成23491Pa（镤），那它进行的是β衰变。 钍234核的衰变方程式：23490Th→23491Pa+0-1e

衰变前后核电荷数、质量数都守恒，新核的质量数不会改变但核电荷数应加1 β衰变规律：AZX→AZ+1Y+0-1e

这里就顺理成章的来解释中子转化的过程。

原子核内虽然没有电子，但核内的的质子和中子是可以相互转化的。当核内的中子转化为质子时同时要产生一个电子 10n→11H＋0-1e

这个电子从核内释放出来，就形成了β衰变。

可以看出新核少了一个中子，却增加了一个质子，并放出一个电子。

γ射线是由于原子核在发生α衰变和β衰变时原子核受激发而产生的光（能量）辐射，通常是伴随α射线和β射线而产生。γ射线的本质是能量。

2．半衰期 教材上的氡的衰变图的投影：

m/m0＝(1/2)n

（1）氡每隔3.8天质量就减少一半。（2）用半衰期来表示。（3）大量的氡核。 总结：半衰期表示放射性元素的衰变的快慢

放射性元素的原子核，有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期 半衰期描述的对象是大量的原子核，不是个别原子核，这是一个统计规律。

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例1：配平下列衰变方程

23492

U→

23090Th+( 2He )

4 234

90U→

23491Pa+( -1e )

0

例2：天然放射性元素23290Th（钍）经过一系列α衰变和β衰变之后，变成20882Pb（铅）．下列论断中止确的是(BD)

A．铅核比钍核少24个中子 B．铅核比钍核少8个质子 C．衰变过程中共有4次α衰变和8次β哀变 D．衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变

解：（1）解：A、B、根据质量数和电荷数守恒可知，铅核比钍核少8个质子，少16个中子，故A错误，B正确；

C、D、发生α衰变是放出42He，发生β衰变是放出0-1e电子，设发生了x次α衰变和y次β衰变，则根据质量数和电荷数守恒有2x-y+82=90 4x+208=232 解得x=6，y=4

故衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变，故C错误，D正确． 故选BD．

19．3 放射性的应用与防护

1．核反应：原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。在核反应中质量数守恒、电荷数守恒。

417194121人工转变核反应方程：147N?2He?8O?1H 4Be?2He?6C?0n

例：写出下列原子核人工转变的核反应方程。 解析：根据质量数守恒和电荷数守恒得：

（1）1123Na俘获1个α粒子后放出1个质子 （1）2311Na+42He→2612Mg+11H

27430AI?2He?15P?01n （2）1327Al俘获1个α粒子后放出1个中子 （2）13161116（3）816O俘获1个中子后放出1个质子 （3）8O?0n?1H?7N 301301（4）1430Si俘获1个质子后放出1个中子 （4）14si?1H?15P?0n

2．人工放射性同位素

（1）放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。放射性同位素有天然和人造两种，它们的化学性质相同。

（2）人工放射性同位素 Al

He

P

（3）人工放射性同位素的优点：放射强度容易控制；形状容易控制；半衰期短，废料容易处理。

（4）凡是用到射线时，都用人造放射性同位素

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3．放射性同位素的应用：

（1）利用射线：1、射线测厚度2、放射治疗3、培育新品种，延长保质期 （2）作为示踪原子1、棉花对磷肥的吸收2、甲状腺疾病的诊断

19．4 核力与结合能

1．核力与四种基本相互作用

（1）核力是强相互作用(强力)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）核力存在于核子之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。

（4）除核力外，核物理学家还在原子核内发现了自然界的第四种相互作用—弱相互作用(弱力)，弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子转变质子的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-18m，作用强度则比电磁力小。

四种基本相互作用力

弱力、强力、电磁力、引力和分别在不同的尺度上发挥作用： ①弱力（弱相互作用）：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因→短程力 ②强力（强相互作用）：在原子核内，强力将核子束缚在一起→短程力

③电磁力：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原了结合成分子，使分子结合成液体和固体。→长程力

④引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。→长程力

2．原子核中质子与中子的比例

随着原子序数的增加，较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。

总结：若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了；

若只增加中子，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恨本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。因此只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。

3．结合能

由于核子间存在着强大的核力，原子核是一个坚固的集合体。要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，,或者需要巨大的能量。例如用强大的γ光子照射氘核，可以使它分解为一个质子和一个中子。

从实验知道只有当光子能量等于或大于2.22MeV时，这个反应才会发生. 相反的过程一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.22MeV的能量。

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把原子核分开成核子要吸收能量，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫做原子核的结合能.

原子核越大，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，称做比结合能，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 4．质量亏损 （1）质量亏损

讲述：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，这种现象叫做质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来.

①在核反应中不遵守质量守恒定律、能量守恒定律;

（2）爱因斯坦质能方程： E?mc

讲述：相对论指出，物体的能量（E）和质量（m）之间存在着密切的关系，即E?mc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这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的。

（3）核反应中由于质量亏损而释放的能量：?E??mc2

22指出以下几点：

①物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量。

②质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少。 ③在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律;

④质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。

（巩固练习）已知1个质子的质量mp=1.007 277u，1个中子的质量mn=1.008 665u.氦核的质量为4.001 509 u. 这里u表示原子质量单位，1 u=1.660 566×10-27 kg. 由上述数值，计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量。（28.3MeV）

解析：2个中子和2个质子结合成氦核时质量亏损：△m=2mn+2mP-mHe

根据爱因斯坦质能方程，放出的能量△E=△mc2=（2mn+2mP-mHe）c2=0.030375×931.5=28.3MeV

19．6核裂变

1、重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为核裂变。 只有核子平均质量减小的核反应才能放出核能。

知识总结：不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量。只有重核裂变和轻核聚变能放出大量的能量。

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2、铀核的裂变

（1）铀核的裂变的一种典型反应。铀核的裂变的产物是多样的，最典型的一种核反应方程式是

235921U?0n?14456Ba?89361Kr?30n

（2）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的过程，叫做核裂变的链式反应。 （3）临界体积（临界质量）：

通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。 （4）裂变反应中的能量的计算。

?27裂变前的质量：mU?390.3139?10kg，mn?1.6749?10?27 kg

?27裂变后的质量：mBa?234.0016?10kg，mKr?152.6047?10?27kg，

3mn?5.0247?10?27kg，

计算：质量亏损：?m?0.3578?10?27kg，?E??mc2?0.3578?10?27?(3.0?108)2J=201MeV 3、核电站

（1）、铀棒由浓缩铀制成，作为核燃料。 (2)、控制棒由镉做成，用来控制反应速度。

(3)、减速剂由石墨、重水或普通水（有时叫轻水）做成，用来跟快中子碰撞，使快中子能量减少，变成慢中子，以便让U235俘获。

（4）、冷却剂由水或液态的金属钠等流体做成，在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全。 （5）、水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。

核能发电的优点、缺点

优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。

缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难。 例题1、下列核反应中，表示核裂变的是(C）

A、C、

23892U?234904Th?2He B、6C?141470N??1e

2359294121921Be?He?C?U?01n?141Ba?Kr?3n D、4260n 56360分析：核反应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变。其中衰变中有?衰变、?衰变等。

23892U?23490941214140Th?2He是?衰变， 146C?7N??1e是?衰变，4Be?2He?6C?0n是人工转变

1141921解：只有C选项是核裂变。 235 92U?0n?56Ba?36Kr?30n 15

例题2、秦山核电站第一期工程装机容量为30万kW，如果1g铀235完全裂变时产生的能量为8.2?1010 J，并且假定产生的能量都变成了电能，那么，每年要消耗多少铀235?（一年按365天计算）

解：核电站每天的发电量为W=Pt=3×108×24×3600 J=2.592×1013 J.

每年的发电量W总=365W=9.46×1015 J而1 g铀完全裂变时产生的能量为 8.2×1010 J. 所以，每年消耗的铀的量为

9.46?1015m?kg?1.15?102kg108.2?10

19．7 核聚变

1．聚变及其条件

两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。 （1）氢的聚变反应： 2231 1H+1H→1He+1H+4 MeV、2341

1H+1H→2He+0 n+17.6 MeV

（2）释放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV，平均每个核子释放能量3 MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍

得出结论

微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。

宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。 强调：聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。

2．可控热核反应

（1）聚变与裂变相比有很多优点

目前，人们还不能控制核聚变的速度，但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。

例：一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的质量：mD=2.014 102 u、氚核的质量：mT=3.016 050 u、氦核的质量：mα=4.002 603 u、中子的质量：mn=1.008 665 u、1u=1.660 6×10-27kg，e = 1.602 2×10-19C，请同学们求出该核反应所释放出来的能量。

根据质能方程，释放出的能量为：

0.0186?1.6606?10?27?(3?108)2?E??mc?(mD?mT?m??mn)c?eV?17.6MeV

1.6022?10?1922聚变与裂变相比，（1）、轻核聚变产能效率高。（2）地球上聚变燃料的储量丰富。（3）轻核聚变反应更为安全、清洁。

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