兩兩相對舉 學(xué)好核物理

■江蘇省揚中市第二高級中學(xué) 陳朝暉

兩兩相對舉 學(xué)好核物理

■江蘇省揚中市第二高級中學(xué) 陳朝暉

高中階段,原子核物理的內(nèi)容很多,但仔細梳理就會發(fā)現(xiàn),有三條兩兩相互對舉的“辮子”,只要我們善于“抓辮子”,就能理清紛亂的頭緒,學(xué)好核物理的全部內(nèi)容。

一、天然衰變與人工轉(zhuǎn)變

原子核的變化可以分為積極主動的變化和被動的變化,即天然衰變和人工轉(zhuǎn)變。天然衰變核反應(yīng)方程中的反應(yīng)物只有一種,人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)方程中的反應(yīng)物是兩個或兩個以上。

1.天然衰變。

天然衰變包括α衰變和β衰變,同時都釋放出γ射線。α射線本質(zhì)是氦核流(42He),速度是,電離能力最強;β射線本質(zhì)是高速運動的電子流(0-1e),速度接近于c;γ射線本質(zhì)是γ光子流,無靜止質(zhì)量,電中性,速度是c,電離能力最差,貫穿本領(lǐng)最強。每一次α衰變質(zhì)量數(shù)(核子數(shù))減少4個,即質(zhì)子數(shù)減少2個,中子數(shù)也減少2個;每一次β衰變質(zhì)量數(shù)(核子數(shù))不變,即中子數(shù)減少1個,質(zhì)子數(shù)相應(yīng)增加1個。

放射性元素的原子核的衰變具有一定的周期性,原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間叫半衰期,半衰期公式為半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律,是原子核的特性,與壓力、溫度等物理因素?zé)o關(guān),也與單質(zhì)、化合態(tài)等化學(xué)因素?zé)o關(guān)。

下列說法正確的是( )。

A.22688Ra衰變?yōu)?2286Rn要經(jīng)過1次α衰變和1次β衰變

B.23892U衰變?yōu)?3491Pa要經(jīng)過1次α衰變和1次β衰變

C.23290Th衰變?yōu)?0882Rb要經(jīng)過6次α衰變和4次β衰變

D.23892U衰變?yōu)?2286Rn要經(jīng)過4次α衰變和4次β衰變

解析:設(shè)22688Ra衰變?yōu)?2286Rn要經(jīng)過x次α衰變和y次β衰變,則其衰變方程為22688Ra→,根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得226=222+4x,88=86+2x-y,解得x=1,y=0,選項A錯誤。設(shè)23892U衰變?yōu)?3491Ra要經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變,則其衰變方程為238892U→2348291Ra+n42He+m0-1e,由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得238=234+4n, 92=91+2n-m,解得n=1,m=1,選項B正確。同理,選項C正確、D錯誤。答案為BC。

點評:質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒是原子核變化必然遵守的基本規(guī)律。

一個氡核22286Rn衰變成釙核21884Po并放出一個粒子,其半衰期為3.8天。1g氡核經(jīng)過7.6天衰變掉的質(zhì)量和22286Rn衰變成Po的過程放出的粒子是( )。

A.0.25g,α粒子 B.0.75g,α粒子

C.0.25g,β粒子 D.0.75g,β粒子

解析:氡核的半衰期為3.8天,7.6天為2個半衰期,所以1g氡核經(jīng)過7.6天衰變掉的質(zhì)量為由22286Rn→21884Po+42He知22286Rn衰變成21884Po的過程放出的粒子是42He,即α粒子。答案為B。

計算出衰變后剩余的原子核質(zhì)量,再計算衰變掉的原子核質(zhì)量。

2.人工轉(zhuǎn)變。

原子核的人工轉(zhuǎn)變可以分為兩類:一類是用粒子去轟擊舊核,使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新核,比如質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)、中子的發(fā)現(xiàn))、正電子的發(fā)現(xiàn);另一類是重核裂變和輕核聚變,重核俘獲一個粒子(如中子),就能裂解成兩個中等質(zhì)量的核,幾個輕核在幾百萬攝氏度的高溫下就能重組成一個中等質(zhì)量的核。

能源是社會發(fā)展的基礎(chǔ),發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一。下列釋放核能的反應(yīng)方程中,表述正確的有( )。

A.157N+11H→126C+42He是α衰變

B.31H+21H→42He+10n是β衰變

C.23592U+10n→14054Xe+9438Sr+210n是核裂變反應(yīng)

D.23292U→22890Th+42He是核裂變反應(yīng)

解析:選項A中的核反應(yīng)是原子核的人工轉(zhuǎn)變,選項B中的核反應(yīng)是氫核的聚變,選項C中的核反應(yīng)是重核的裂變反應(yīng),選項D中的核反應(yīng)是天然放射現(xiàn)象(α衰變)。答案為C。

二、核力與核能

核力是自然界四種基本相互作用中最強的作用,核力做功伴隨著巨大的核能變化。

1.核力。

核力也稱強相互作用,核力是一種存在于任意兩相鄰核子之間的一種短程力,核子的半徑大約是0.8fm,核力的作用范圍是2fm,核力與電性無關(guān)。

2.核能。

核力很大,導(dǎo)致核力對核子做功時,核能變化很大。如果一個核反應(yīng)有質(zhì)量虧損,那么就會有核能釋放。核能用愛因斯坦質(zhì)能方程(E=mc2)計算,一點點質(zhì)量虧損會釋放出巨大的核能,一原子質(zhì)量單位對應(yīng)的核能是931.5MeV,即1uc2=931.5MeV。

一個靜止的鈾核23292U(原子質(zhì)量為232.0372u)放出一個α粒子(原子質(zhì)量為4.0026u)后衰變成釷核22890Th(原子質(zhì)量為228.0287u)。已知1u=1.67×10-27kg,1u相當(dāng)于931.5MeV的能量。

(1)寫出鈾核的衰變反應(yīng)方程。

(2)算出該衰變反應(yīng)中釋放出的核能。

解析:(1)鈾核衰變成釷核的核反應(yīng)方程為23292U→22890Th+42He。

(2)質(zhì)量虧損Δm=mU-mα-mTh= 0.0059u。由愛因斯坦質(zhì)能方程得ΔE= Δmc2=0.0059×931.5MeV=5.50MeV。

三、重核裂變與輕核聚變

重核裂變的特點是三多,即產(chǎn)物多(二裂變還可以裂變成Xe和Sr,Sb和Nb)、中子多(平均每個核反應(yīng)繁殖出2個或3個中子)、核能多(平均每個核子釋放1MeV的能量)。重核要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),必須達到臨界體積或臨界質(zhì)量(直徑為4.8cm,質(zhì)量約為1kg),質(zhì)量為1kg的U全部裂變釋放出的核能相當(dāng)于2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒釋放出的化學(xué)能。

在核反應(yīng)中有一種是一個23592U原子核在中子的轟擊下發(fā)生的一種可能的裂變反應(yīng),其裂變方程為23592U+10n→X+9438Sr+ 1010n,則下列敘述正確的是( )。

A.X原子核中含有54個質(zhì)子

B.X原子核中含有53個中子C.裂變時釋放能量是因為虧損的質(zhì)量變成了能量

D.裂變時釋放能量,出現(xiàn)質(zhì)量虧損,質(zhì)量數(shù)不守恒

解析:由核反應(yīng)方程的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知,X原子核中含有54個質(zhì)子, 78個中子,選項A正確,B、D錯誤。裂變時釋放能量不是虧損的質(zhì)量變成了能量,而是虧損的質(zhì)量以能量的形式釋放出來,選項C錯誤。答案為A。

點評:一般把能量大于0.1MeV的中子稱為快中子,把能量小于0.1MeV的中子稱為慢中子。U235對慢中子容易吸收,且容易反應(yīng);U238對能量大于1MeV的快中子容易吸收,且不易反應(yīng)。

2.輕核聚變。

輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的變化叫輕核聚變,如21H+31H→42He+10n+17.6MeV。輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫(因此又稱熱核反應(yīng)),使反應(yīng)物首先成為等離子體,以很高的動能克服強大的庫侖斥力,結(jié)合在一起。輕核聚變的特點是兩多一少,兩多指平均每個核子釋放的核能多,核原料多,一少是指污染少。

假設(shè)兩個氘核在一直線上相碰發(fā)生聚變反應(yīng)生成氦的同位素和中子,已知氘核的質(zhì)量是2.0136u,中子的質(zhì)量是1.0087u,氦核的同位素的質(zhì)量是3.0150u, 1u相當(dāng)于931.5MeV,則該聚變的核反應(yīng)方程式是____,在聚變反應(yīng)中釋放的能量是____MeV(保留兩位有效數(shù)字)。

解析:由題意可知,該聚變的核反應(yīng)方程式為21H+21H→32He+10n。該核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損Δm=2mH-mHe+mn(

)=3.5× 10-3u。由愛因斯坦質(zhì)能方程得ΔE= 3.5×10-3×931.5MeV=3.3MeV。

點評:輕核聚變所釋放的巨大核能為輕核聚變的持續(xù)進行提供了溫度保障。輕核聚變在自然界中并不罕見,恒星(如太陽)內(nèi)部時時刻刻都發(fā)生著轟轟烈烈的聚變反應(yīng)。

(責(zé)任編輯 張 巧)

重核裂變與輕核聚變的過程都有質(zhì)量虧損,都有核能放出。輕核聚變釋放的核能更多,放出的射線少,對環(huán)境的污染小。重核裂變的原料(如U等)在自然界中的儲量極少,而輕核聚變的主要原料是氘核,每升海水中含有0.03g氘,這些氘核所釋放的核能相當(dāng)于300L汽油完全燃燒所釋放出來的化學(xué)能。輕核聚變反應(yīng)的發(fā)生需要幾百萬攝氏度的高溫,發(fā)生條件苛刻。運用重核裂變原理可以制成原子彈,運用輕核聚變原理可以制成氫彈,運用核能發(fā)電是人類對核能的和平利用方式之一。

1.重核裂變。

重核分裂成質(zhì)量較小的核的反應(yīng)叫重核