3.2原子核衰变及半衰期 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-5）

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1、第第 2 节节 原子核衰变及半衰期原子核衰变及半衰期 目标定位 1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象，能记住三种射线的特性.2. 知道什么是原子核的衰变及衰变实质.3.理解半衰期的统计意义， 学会利用半衰期解决相关问 题 一、天然放射现象的发现 11896 年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性 2物质放出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，物质能自发地放 出射线的现象叫做天然放射现象 3皮埃尔 居里夫妇发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra) 二、放射线的本质 1三种射线：如图 1 中 1 是 射线，2 是 射线，3 是 射线 图 1 (

2、1) 射线是高速氦原子核粒子流 (2) 射线是高速运动的电子流 (3) 射线是波长很短的电磁波 2三种射线的特点 (1) 射线： 粒子容易使空气电离，但穿透能力很弱 (2) 射线： 粒子穿透能力较强，但电离作用较弱 (3) 射线： 射线电离作用很弱，但穿透能力很强 三、原子核的衰变 1原子核的衰变：原子核放出 射线或 射线，而转变为新原子核的变化原子核衰变时 电荷数和质量数都守恒 2 衰变：原子核进行 衰变时，质量数减少 4，电荷数减少 2.例：238 92U 的 衰变方程为 238 92 U234 90Th 4 2He. 3 衰变：原子核进行 衰变时，质量数不变，电荷数增加 1，例： 234

3、 90Th 的 衰变方程为 234 90 Th234 91Pa 0 1e. 四、衰变的快慢半衰期 1放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫半衰期 2元素半衰期的长短是由原子核自身的因素决定的，跟原子所处的物理、化学状态和周围 环境、温度没有关系 一、三种射线的本质及特点 1、 三种射线的性质、特征比较 种 类 射线 射线 射线 组 成 高速氦核流 高速电子流 光子流 (高频电磁波) 带电荷量 2e e 0 质 量 4mp (mp1.67 10 27 kg) mp 1 836 静止质量为零 速 率 0.1c 0.9c c 贯穿本领 最弱 用一张纸 就能挡住 较强 能穿透几毫 米厚的铝板

4、最强 能穿透几厘 米厚的铅板 电离作用 很强 较弱 很弱 2在电场、磁场中偏转情况的比较 (1)在匀强电场中， 射线偏转较小， 射线偏转较大， 射线不偏转，如图 2 甲所示 图 2 (2)在匀强磁场中， 射线偏转半径较大， 射线偏转半径较小， 射线不偏转， 如图乙所示 【例 1】 一置于铅盒中的放射源发射出的 、 和 射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外 放一铝箔，铝箔后的空间有一匀强电场进入电场后，射线变为 a、b 两束，射线 a 沿原来 方向行进，射线 b 发生了偏转，如图 3 所示，则图中的射线 a 为_射线，射线 b 为 _射线 图 3 答案 解析 在三种射线中， 射线带正电，穿透能力最弱

5、， 射线不带电，穿透能力最强； 射 线带负电，穿透能力一般，综上所述，结合题意可知，a 射线应为 射线，b 射线应为 射 线 借题发挥 三种射线的比较方法 (1) 射线是 、 三种射线中贯穿本领最弱的一种，它穿不过白纸 (2)要知道三种射线的成分，贯穿本领和电离本领的强弱 (3)要知道 、 三种射线的本质，、 射线是实物粒子， 射线是光子 针对训练 1 如图 4，放射性元素镭衰变过程中释放出 、 三种射线，分别进入匀强电 场和匀强磁场中，下列说法正确的是( ) 图 4 A表示 射线，表示 射线 B表示 射线，表示 射线 C表示 射线，表示 射线 D表示 射线，表示 射线 答案 C 解析 由三种

6、射线的带电性质可以判断出表示 射线，表示 射线，表示 射线，故 C 对 二、原子核的衰变 1 衰变： 原子核进行 衰变时，质量数减少 4，电荷数减少 2. 衰变的实质：在放射性元素的原子核中，2 个中子和 2 个质子结合得比较牢固，有时会作 为一个整体从较大的原子核中释放出来，这就是放射性元素发生的 衰变现象 2 衰变： 原子核进行 衰变时，质量数不变，电荷数增加 1. 衰变的实质：原子核中的一个中子转化成一个质子且放出一个电子即 粒子，使核电荷数 增加 1，但 衰变不改变原子核的质量数，其转化方程为：10n 11H 0 1e. 3衰变规律 衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒 【例 2】 原子

7、核238 92U 经放射性衰变变为原子核 234 90 Th， 继而经放射性衰变变为原子核234 91 Pa，再经放射性衰变变为原子核234 92U.放射性衰变、和依次为( ) A 衰变、 衰变和 衰变 B 衰变、 衰变和 衰变 C 衰变、 衰变和 衰变 D 衰变、 衰变和 衰变 答案 A 解析 根据衰变反应前后的质量数守恒和电荷数守恒特点，238 92U 核与 234 90Th 核比较可知， 衰变的另一产物为42He，所以衰变为 衰变，选项 B、C 错误；234 91Pa 核与 234 92U 核比较可 知，衰变的另一产物为 0 1e，所以衰变为 衰变，选项 A 正确，D 错误 【例 3】

8、238 92U 核经一系列的衰变后变为 206 82Pb 核，问： (1)一共经过几次 衰变和几次 衰变？ (2)206 82Pb 与 238 92U 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 答案 (1)8 次 衰变，6 次 衰变 (2)10 22 (3)见解析 解析 (1)设238 92U 衰变为 206 82Pb 经过 x 次 衰变和 y 次 衰变，由质量数守恒和电荷数守恒可 得 2382064x 92822xy 联立解得 x8，y6.即一共经过 8 次 衰变和 6 次 衰变 (2)由于每发生一次 衰变质子数和中子数均减少 2，每发生一次 衰变中子数少 1，而质

9、子 数增加 1，故206 82Pb 较 238 92U 质子数少 10，中子数少 22. (3)核反应方程为238 92U 206 82Pb8 4 2He6 0 1e. 借题发挥 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 衰变质子数、中子数均减少 2. (3)每发生一次 衰变中子数减少 1，质子数增加 1. 三、对半衰期的理解 1对半衰期的理解：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素具有的 衰变速率一定，不同元素的半衰期不同，有的差别很大 2半衰期公式 式中 N原、m0表示衰变前的原子数和质量，N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和

10、质量，t 表示衰变时间，T1/2表示半衰期 3适用条件：半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定 的原子核，无法确定其何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时刻衰变 的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核 【例 4】 氡 222 是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤它 是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一其衰变方程是222 86Rn 218 84Po_.已 知222 86Rn 的半衰期约为 3.8 天， 则约经过_天，16 g 的222 86Rn 衰变后还剩 1 g. 答案 4 2He 15.2 解析 根据质量数、电荷数守

11、恒得衰变方程为222 86Rn 218 84Po 4 2He.根据衰变规律 m 代入数值解得 t15.2 天 针对训练 2 放射性元素(222 86Rn)经 衰变成为钋( 218 84Po)，半衰期约为 3.8 天；但勘测表明， 经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素222 86Rn 的矿石，其原因是 ( ) A目前地壳中的222 86Rn 主要来自于其他放射性元素的衰变 B在地球形成的初期，地壳中元素222 86Rn 的含量足够高 C当衰变产物218 84Po 积累到一定量以后， 218 84Po 的增加会减慢 222 86Rn 的衰变进程 D.222 86Rn 主要存在

12、于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期 答案 A 解析 元素半衰期的长短由原子核自身因素决定， 一般与原子所处的物理、 化学状态以及周 围环境、温度无关，C、D 错；即使元素氡的含量足够高，经过漫长的地质年代，地壳中也 几乎没有氡了，一定是来自于其他放射性元素的衰变，故 A 对，B 错. 三种射线的特性 1. (多选)图5中P为放在匀强电场中的天然放射源， 其放出的射线在电场的作用下分成a、 b、 c 三束，以下判断正确的是( ) 图 5 Aa 为 射线，b 为 射线 Ba 为 射线，b 为 射线 Cb 为 射线，c 为 射线 Db 为 射线，c 为 射线 答案 BC 解析 由题图可知

13、电场线方向向右， 射线带正电所受电场力方向与电场线方向一致，故 射线向右偏转，即 c 为 射线； 射线带负电所受电场力方向与电场线方向相反，故 射线 向左偏转，即 a 为 射线； 射线不带电不发生偏转，即 b 为 射线故选项 B、C 正确 原子核的衰变 2原子核发生 衰变时，此 粒子是( ) A原子核外的最外层电子 B原子核外的电子跃迁时放出的光子 C原子核内存在着电子 D原子核内的一个中子变成一个质子时，放射出一个电子 答案 D 解析 因原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的， 原子核内并不含电子， 但在一 定条件下， 一个中子可以转化成一个质子和一个电子， 一个质子可以转化成一个中子

14、和一个 正电子， 其转化可用下式表示： 1 0n 1 1H 0 1e， 1 1H 1 0n 01e.由以上两式可看出 粒子(电 子)是由原子核内的中子转化而来，正电子是由原子核内的质子转化而来 3贝克勒尔在 120 年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着 广泛应用下列属于放射性衰变的是( ) A.14 6C 14 7N 0 1e B.235 92U 1 0n 139 53I 95 39Y2 1 0n C.21H31H42He10n D.42He27 13Al 30 15P 1 0n 答案 A 解析 A 属于 衰变，B 属于裂变，C 是聚变，D 是原子核的人工转变，故选

15、A 项 对半衰期的理解及计算 4下列有关半衰期的说法正确的是( ) A放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快 B放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长 C把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度 D降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度 答案 A 解析 放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间， 它反映了放 射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期长短由其本身因素 决定，与它所处的物理、化学状态无关故 A 正确，B、C、D 错误 5碘 131 的半衰期约为 8 天，若某药物含有质量为 m 的碘 131，经过 32 天后，该药物中碘 131 的含量大约还有( ) A.m 4 B. m 8 C. m 16 D. m 32 答案 C 解析 由半衰期公式 mm(1 2) t T1/2可知，mm( 1 2) 32 8 1 16m，故选项 C 正确.