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专题06 原子核模型
一、天然放射现象及三种射线
1．天然放射现象
(1)1896 年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性。
(2)①放射性：物质发射射线的性质。
②放射性元素：具有放射性的元素。
③天然放射现象：放射性元素自发地发出射线的现象。
(3)原子序数大于或等于83 的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83 的元素，有的也能放出射
线。
(4)玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)。
2．三种射线
(1)α 射线：实际上就是氦原子核，速度可达到光速的，其电离能力强，穿透能力较差，在空气中只能
前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。
(2)β 射线：是高速电子流，它速度很大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容
易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
(3)γ 射线：呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m 以下，它的电离作用更小，但穿
透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土。
说明：元素的放射性与它以单质还是化合物的形式存在无关，且天然放射现象不受任何物理变化、化
学变化的影响。
二、原子核的组成
1．质子的发现(如图所示)
2．中子的发现(如图所示)
3．原子核的组成
由质子和中子组成，它们统称为核子。
4．原子核的符号
1
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5．同位素
具有相同质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置，它们互称同位素。例如，氢
有三种同位素分别为H、H、H。
说明：同位素的化学性质相同，物理性质一般不同。
三、原子核的衰变
1．定义
原子核自发地放出α 粒子或β 粒子，由于核电荷数变了，它在元素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。
2．衰变分类
(1)α 衰变：放出α 粒子的衰变。
(2)β 衰变：放出β 粒子的衰变。
3．衰变过程
U→Th＋He。
Th→Pa＋e。
4．衰变规律
(1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
(2)任何一种放射性元素只有一种放射性，不能同时既有α 放射性又有β 放射性，而γ 射线伴随α 衰变
或β 衰变产生。
说明：原子核衰变时质量数守恒，但不是质量守恒，有质量减少(也叫质量亏损)。
四、半衰期与核反应
1．半衰期
(1)定义
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。
(2)决定因素
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
不同的放射性元素，半衰期不同。
(3)应用
利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间。
2．核反应
(1)人工核转变：
N＋He→O＋H。
(2)定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。
2
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(3)特点：在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。
说明：半衰期是大量原子核衰变的统计规律，只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义。
五、放射性同位素的应用与安全
1．放射性同位素：很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。
2．放射性同位素的应用：
(1)射线测厚仪。
(2)放射治疗。
(3)培优、保鲜。
(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后，
可以探测出原子到达的位置。
3．辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射
性物质对水源、空气、用具等的污染。
说明：一般放射性同位素半衰期短，而且强度容易控制，使用更广泛。
六、核力与四种基本相互作用
1．强相互作用
(1)定义：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在
一起，形成稳定的原子核，这种作用称为强相互作用。
(2)特点：
①核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多。
②是短程力，作用范围只有约10－15 m。
2．弱相互作用
(1)定义：在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，称为弱相互作用。
(2)也是短程力，作用范围只有10－18 m。
3．四种基本相互作用
说明：强相互作用是短程力，每个核子只跟相邻的核子发生作用，也叫核力的饱和性。
七、结合能和质量亏损
1．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。
2．比结合能
原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，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。中等大小的核的比结合能最大，最稳定。
3．质能方程
3
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物体的能量与它们质量的关系是：E＝mc2。
4．质量亏损
原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。
注意：原子核的核子结合成原子核释放的能量与把它们分开需要的能量相等。
八、核裂变
1．核裂变的发现
(1)核裂变
重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。
(2)铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋n→Ba＋Kr＋
3n。
(3)链式反应
当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种由
重核裂变产生的中子使核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
(4)链式反应的条件
发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。
2．反应堆与核电站
(1)核能释放的控制
通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。
(2)慢化剂
反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水
和普通水(也叫轻水)。
(3)控制棒
为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可
将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。
(4)能量输出
核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆
内的热量传输出去，用于发电。
说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。
九、核聚变
1．定义
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2．举例
H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．条件
(1)轻核的距离要达到10－15 m 以内。
(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应。
4
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4．优点
(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
5．约束方法
磁约束和惯性约束。
【模型演练1】(多选)如图所示，铅盒A 中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，
在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有( )
A．打在图中a、b、c 三点的依次是α 射线、γ 射线和β 射线
B．α 射线和β 射线的轨迹是抛物线
C．α 射线和β 射线的轨迹是圆弧
D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b
【规律总结】三种射线的比较方法
(1)知道三种射线带电的性质，α 射线带正电、β 射线带负电、γ 射线不带电。α、β 是实物粒子，而γ 射
线是光子流，属于电磁波的一种。
(2)在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α 和β 射线，由于γ 射线不带电，故运
动轨迹仍为直线。
(3)α 射线穿透能力较弱，β 射线穿透能力较强，γ 射线穿透能力最强。
【模型演练2】U 核经一系列的衰变后变为Pb 核，问：
(1)一共经过几次α 衰变和几次β 衰变？
(2)Pb 与U 相比，质子数和中子数各少了多少？
(3)综合写出这一衰变过程的方程。
【规律总结】衰变次数的判断方法
(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
(2)每发生一次α 衰变，质子数、中子数均减少2。
(3)每发生一次β 衰变，中子数减少1，质子数增加1。
5
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【模型演练3】关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )
A．原子核中质子数和中子数一定相等
B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多
C．原子核都是非常稳定的
D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在
【规律方法】
(1)核力是强相互作用力，只存在于相邻核子之间。
(2)核力的存在与核子是否带电及电性无关。
(3)原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关。
【模型演练4】取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α 粒子的质量
mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s。请计算α 粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)
【规律总结】核能的两种单位
(1)若以kg 为质量亏损Δm 的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2。
(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则
ΔE＝Δm×931.5 MeV。
(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J。
【模型演练5】(多选)2017 年11 月17 日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范。下列有
关核反应的说法正确的是( )
A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力
B．重核裂变反应前后一定有质量亏损
C．U＋n→U＋Sr＋dn 式中d＝1
D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小
【规律总结】对重核裂变的两点理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，
放出更多的中子的过程。
(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质
量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于
它俘获中子时得到的能量。
【模型演练6】氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)的核反应方程如下：H＋H→He＋n＋17.6 MeV
(1)这个核反应称为________。
(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文。式中17.6 MeV 是核反应中
________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量
________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)。
【规律总结】
(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据。
(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算。
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一、单选题
1．（2024·浙江·模拟预测）将放射性同位素氟-18（
）注入人体参与人体的代谢过程，如图甲所示，
氟-18 在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭并产生一对波长相等的光子，被探测器探测
到，经计算机处理后产生清晰的医学图像。氟-18 的衰变规律如图乙所示，其中纵坐标
表示任意时刻放
射性元素的原子数与
的原子数之比，设正、负电子的质量均为m，光速为c，普朗克常数为h。则（
）
A．氟-18 衰变的方程为
B．上述一对光子由氟-18 直接产生并释放
C．上述一对光子波长为
D．经5 小时人体内氟-18 的残留量是初始时的33.3%
2．（2024·河北·一模）研究表明原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大，但是二者之间并不成正比
关系，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数的关系如图所示，一般认为大于铁原子
核质量数（56）的为重核，小于则为轻核，下列对该图像的说法错误的是（ ）
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A．从图中可以看出，Fe 原子核最稳定
B．从图中可以看出，重核A 裂变成原子核B 和C 时，释放核能
C．从图中可以看出，轻核D 和E 发生聚变生成原子核F 时，释放核能
D．从图中可以看出，重核随原子序数的增加，其比结合能变大
3．（2024·安徽·模拟预测）下列说法正确的是（ ）
A．β 衰变的电子来自原子核外
B．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的重核裂变反应
C．原子核比结合能越大，表明原子核中核子结合得越牢固，原子核就越稳定
D．氢原子跃迁时核外电子从半径较大的轨道跃迁到半径较小的轨道，电子的动能减小，原子总能量减
小
4．（2024·广西柳州·三模）日本核污染排海核污水中的
属于I 类致癌物质，威胁着人类的安全。已知
的衰变方程为
，则下列说法中正确的是（ ）
A．该核反应中X 为中子
B．升高温度会使
的半衰期减小
C．
的比结合能大于
的比结合能
D．一个
核的质量小于一个
核和一个X 核的质量之和
5．（23-24 高三下·湖北·阶段练习）
呼气实验可用于检测胃部有无感染幽门螺杆菌，通过检测呼吸呼出
的CO2是否具有放射性即可诊断。已知
发生衰变的半衰期为5730 年，衰变方程为
。下
列说法正确的是（ ）
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A．X 为
B．射线比
射线的穿透能力弱
C．衰变产生的
是
核外电子被电离产生的
D．一般服下药物15 分钟后再检测，是为了避免由于
的衰变而明显降低检测准确性
6．（2024·湖北·二模）原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断中正确的是（
）
A．
核的结合能约为64MeV
B．
核比
核更稳定
C．两个
核结合成
核时吸收能量
D．
核中核子的平均结合能比
核中的大
7．（23-24 高三下·重庆九龙坡·阶段练习）某国政府不顾国际社会的反对，公然决定将大量核废水排放到
太平洋，引起了国际舆论的强烈谴责。核废水主要包含63 种放射性物质，其中以铯137、锶90、氚、碳
14 等为主，下列说法正确的是（ ）
A．铯137 的半衰期是30 年，60 年后核废水中的铯137 全部衰减殆尽
B．锶90 发生β 衰变的衰变方程可能为
C．氚具有放射性，是原子核外电子从高能级向低能级跃迁造成的
D．碳14 的半衰期为5730 年，如果一块古木中的碳14 含量是现代植物的0.25 倍，则古木的历史约
11460 年
8．（2024·四川·二模）科学史上，有一项发现的核反应方程是
。如图，让
核和X
核从S 点沿图示垂直于磁场的方向进入有界匀强磁场区域，若仅考虑磁场对核的洛伦兹力，则在磁场中（
）
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A．
核和X 核的径迹均在Ⅰ区
B．
核的径迹在Ⅱ区，X 核的径迹在Ⅰ区
C．
核和X 核运动的半径之比一定为
D．
核和X 核运动的周期之比一定为
9．（2024·湖南岳阳·二模）现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分来自太阳，即太阳内部核聚变时
释放的核能。已知氘氚核聚变方程为
，其中
的比结合能为
，
的比结合能为
，
的比结合能为
，则一个氘核与一个氚核发生这样的核反应释放的能量为（ ）
A．
B．
C．
D．
10．（2024·北京平谷·模拟预测）2023 年8 月 25 日，新一代人造太阳“中国环流三号”首次实现 100
万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录。核聚变是一种核反应
的形式。下列关于核反应的说法中正确的是（ ）
A．要使轻核发生聚变，一种可行的方法是将物质加热到几百万开尔文的高温
B．氘氚核聚变的核反应方程为
C．相同质量的核燃料，重核裂变比轻核聚变释放的核能更多
D．核聚变反应过程中没有质量亏损
11．（2024·山东枣庄·一模）2023 年8 月24 日，日本福岛核电站启动核污染水排海，核污染水里含高达64
种核放射性元素，其中碘129 的半衰期为1570 万年，其衰变方程为
，下列说法正确的是（
）
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A．核污染水被稀释后碘129 的半衰期变长
B．衰变生成了电子，说明原子核中存在电子
C．X 核内的中子数为76
D．
的比结合能小于
的比结合能
12．（23-24 高三下·河南·阶段练习）贫铀弹是以含有铀238 的硬质合金为主要原料制成的炮弹和枪弹，它
利用贫铀合金的高硬度、高比重和高熔点依靠动能来穿透目标，其多用来毁伤坦克等装甲目标。科学研究
发现，铀238 具有极大的危害性，它的半衰期为45 亿年，其衰变方程为
，该衰变过
程中产生的γ 光子照射到逸出功为
的金属上，溢出光电子的最大初动能为
。已知光电子的质量为
m，光速为c，普朗克常量为h。下列说法正确的是（ ）
A．衰变产生的γ 光子具有很强的电离能力
B．
原子核中含有92 个中子
C．γ 光子的波长为
D．100 个
经过90 亿年后一定剩余25 个
二、多选题
13．（22-23 高二下·湖北恩施·期末）下列说法正确的是（ ）
A．氡的半衰期为3.8 天，若有8 个氡核，则经过7.6 天后剩下2 个氡核
B．发生
衰变时，生成的核与原来的核相比，中子数少1
C．比结合能越大，原子核中核子结合得越紧密，原子核越稳定
D．核反应
中的
为氘核
14．（2024·陕西西安·模拟预测）关于核反应方程，下列说法正确的是（ ）
A．
，该核反应是α 衰变
B．
，该核反应是聚变
C．
该核反应是聚变
D．
该核反应是β 衰变
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15．（23-24 高三下·重庆·阶段练习）2023 年8 月25 日，“中国环流三号”托卡马克装置首次实现100 万
安培等离子体电流下的高约束模式运行，是我国核能开发进程中的重要里程碑。该模式下的核反应方程之
一为
，反应中释放出
光子，下列说法正确的是（ ）
A．该核反应属于裂变反应
B．该核反应方程中的X 为质子
C．
的比结合能大于
的比结合能
D．
光子的静止质量为0，所以它的动量也为0
16．（2024·浙江·二模）2023 年8 月24 日，日本政府不顾周边国家的反对执意向海洋排放福岛第一核电站
的核污水，核污水中的放射性物质会对海水产生长久的、风险不可控的污染。如核污水中的
具有放
射性，其发生衰变时的核反应方程为
，该核反应过程中放出的能量为Q。设
的结合
能为
，
的结合能为
，X 的结合能为
，已知光在真空中的传播速度为c，则下列说法正确的是
（ ）
A．
的比结合能大于
的比结合能
B．该核反应过程中放出的能量
C．该核反应过程中的质量亏损可以表示为
D．衰变过程中放出的光子是由新原子核从高能级向低能级跃迁产生的
17．（2024·山东日照·一模）2023 年8 月25 日，“中国环流三号”托卡马克装置首次实现100 万安培等离
子体电流下的高约束模式运行，是我国核能开发进程中的重要里程碑。下列关于核反应方程
的说法，正确的是（ ）
A．X 是中子
B．该核反应属于原子核的人工转变
C．该核反应过程电荷数和质量均守恒
D．
的比结合能大于
的比结合能
18．（2024 高二下·河南商丘·期末）2021 年5 月28 日，中国的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）
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创造了新的世界纪录，成功实现可重复的1.2 亿摄氏度101 秒和1.6 亿摄氏度20 秒等离子体运行，向核聚
变能源应用迈出重要一步。我国重大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。
氘核聚变反应的方程为：
。已知氘核的质量为
，比结合能为E，中子的质量为
，反
应中释放的核能为
，光速为c，下列说法正确的是（ ）
A．要使该聚变反应发生，必须克服两氘核间巨大的库仑斥力
B．反应产物x 为
C．x 核的质量为
D．x 的比结合能为
19．（2024 高二下·河南商丘·期中）通过百余年核物理的发展和进步，人们已经对原子核有了更进一步的
认识，下列说法正确的是（ ）
A．碘131 的半衰期是8 天，20g 碘131 经过24 天后还有2.5g 未衰变
B．我国重大科学工程“人造太阳”主要是氘核聚变，H+ H→X+ n，其中X 为He
C．原子核完全分解成自由核子所需能量为结合能，结合能越大原子核越稳定
D．铀核（
U）衰变为铅核（
Pb），需经过8 次α 衰变和6 次β 衰变
20．（2024 高三·全国·专题练习）2020 年12 月4 日，新一代“人造太阳”装置—中国环流器二号M 装置
（HL－2M）在成都建成并实现首次放电。“人造太阳”主要是将氘核与氚核聚变反应释放的能量用来发
电，
+
→X+
，氘核的质量为m1，氚核的质量为m2，中子的质量为m3，反应中释放的核能为ΔE，
光速为c，下列说法正确的是（ ）
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A．核反应前后质量数守恒、电荷数守恒
B．反应产物X 核是氦核
C．反应产物X 核的比结合能比
的比结合能小
D．反应产物X 的质量为
14
