高中物理 25 原子核

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天然放射现象

放射性与放射性元素：物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。

三种射线：

α射线：是氦核流，速度约为光速的十分之一，贯穿本领很弱，电离作用很强。

β射线：是高速电子流，速度接近光速，贯穿本领较强，电离作用较弱。

γ射线：是一种波长很短的电磁波，速度为光速，贯穿本领很强，电离作用很弱。

原子核的组成

原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子带一个单位正电荷，中子不带电。质子和中子统称为核子。

核素与同位素：具有一定质子数和一定中子数的一种原子称为核素。质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素。

例如，氢有三种同位素，分别是氕（\(^1_1H\)）、氘（\(^2_1H\)或\(D\)）、氚（\(^3_1H\)或\(T\)）。

放射性元素的衰变

衰变的概念：原子核放出α粒子或β粒子后，变成新的原子核的变化称为原子核的衰变。

α衰变：\(_{Z}^{A}X\longrightarrow_{Z - 2}^{A - 4}Y + _{2}^{4}He\)，例如：\(_{92}^{238}U\longrightarrow_{90}^{234}Th + _{2}^{4}He\)

β衰变：\(_{Z}^{A}X\longrightarrow_{Z + 1}^{A}Y + _{ - 1}^{0}e\)，例如：\(_{90}^{234}Th\longrightarrow_{91}^{234}Pa + _{ - 1}^{0}e\)

半衰期：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。半衰期是由核内部本身的因素决定的，与原子所处的物理或化学状态无关。

例如，氡222的半衰期是3.8天，镭226的半衰期是1620年。

放射性的应用与防护

放射性的应用：

示踪原子：利用放射性同位素放出的射线，可以对一些不容易察见的物质的运动、转移情况进行追踪。

例如，在农业生产中，可利用放射性同位素\(^{15}N\)来研究植物对氮肥的吸收情况；在医学上，可用\(^{131}I\)来诊断甲状腺疾病等。

放射性探伤：利用γ射线的贯穿本领，可以检查金属内部有没有砂眼或裂纹等。

放射性的防护：过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然界产生破坏作用。因此，在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意放射性的防护，如穿戴防护服、使用防护屏等，防止放射性物质对人体和环境的危害。

核力与结合能

核力：原子核内相邻的质子和中子之间存在着一种特殊的力，叫做核力。核力是一种强相互作用力，其特点是短程力、力的作用范围在\(1.5\times10^{-15}m\)之内，且只在相邻的核子之间发生作用，核力与电荷无关。

结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。组成原子核的核子越多，它的结合能越高。

比结合能：原子核的结合能与核子数之比，叫做比结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。中等质量原子核的比结合能较大，轻核和重核的比结合能都较小。

重核裂变与轻核聚变

重核裂变：重核分裂成几个中等质量原子核的过程，称为重核裂变。

例如，\(_{92}^{235}U + _{0}^{1}n\longrightarrow_{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3_{0}^{1}n\)。重核裂变会释放出巨大的能量，核电站就是利用重核裂变的原理来发电的。

轻核聚变：两个轻核结合成质量较大的原子核的过程，称为轻核聚变。

例如，\(_{1}^{2}H + _{1}^{3}H\longrightarrow_{2}^{4}He + _{0}^{1}n\)。轻核聚变释放的能量比重核裂变更多，太阳内部的核聚变就是轻核聚变的典型例子。目前，科学家们正在努力研究可控核聚变，希望能够实现核聚变能的和平利用，为人类提供更清洁、更高效的能源。