4.2 放射性元素的衰变 学案（2020年粤教版高中物理选修3-5）

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1、第二节第二节 放射性元素的衰变放射性元素的衰变 学科素养与目标要求 物理观念：1.掌握三种射线的特性.2.知道原子核的衰变的概念，掌握两种衰变规律.3.了解半 衰期的概念和统计意义. 科学思维：1.能利用半衰期进行简单的计算.2.知道两种衰变的实质，会利用衰变规律写出衰 变方程. 一、原子核的衰变 1.对三种射线的认识 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 速率 0.1c 0.99c 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 最强， 能穿透几厘米厚 的铅板 电离 作用 很强 较弱 很弱 2.定义：原

2、子核放出 粒子或 粒子，变成新元素原子核的过程. 3.衰变类型 (1) 衰变：放射性元素放出 粒子的衰变过程.放出一个 粒子后，核的质量数减少 4，电荷 数减少 2，成为新核. (2) 衰变：放射性元素放出 粒子的衰变过程.放出一个 粒子后，核的质量数不变，电荷数 增加 1. 4.衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒. 5. 射线 射线是伴随 衰变或 衰变同时产生的， 射线不改变原子核的电荷数和质量数. 二、半衰期 1.定义：放射性元素的原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间. 2.半衰期公式：m 1/21 2 t T m ，其中 T1/2为半衰期. 3.特点 (1)不同的放射性元

3、素，半衰期不同，甚至差别非常大. (2)放射性元素衰变的快慢是由核本身因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件无关. 4.适用条件：半衰期描述的是统计规律，不适用于单个原子核的衰变. 1.判断下列说法的正误. (1) 射线实际上就是氦原子核， 射线具有很强的穿透能力.( ) (2) 射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板.( ) (3) 射线是能量很高的电磁波，电离作用很强.( ) (4)原子核在衰变时，它在元素周期表中的位置不变.( ) (5)放射性元素的半衰期与元素所处的物理和化学状态无关，它是一个统计规律，只对大量的 原子核才适用.( ) (6)氡的半衰期是 3.8

4、天，若有 4 个氡原子核，则经过 7.6 天后只剩下一个氡原子核.( ) 2.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 的质量大约还有_. 答案 m 16 解析 根据半衰期公式可知 m余 32 8 1 2 m m 16. 一、三种射线 1.三种射线的实质 射线：高速氦核流，带 2e 的正电荷； 射线：高速电子流，带 e 的负电荷； 射线：光子流(高频电磁波)，不带电. 2.三种射线在电场中和磁场中的偏转 (1)在匀强电场中， 射线不发生偏转，做匀速直线运动， 粒子和 粒子沿相反方向做类平 抛运动，在同样的条件下， 粒子的

5、偏移大，如图 1 所示. 图 1 图 2 (2)在匀强磁场中， 射线不发生偏转，仍做匀速直线运动， 粒子和 粒子沿相反方向做匀 速圆周运动，且在同样条件下， 粒子的轨道半径小，如图 2 所示. 例 1 一置于铅盒中的放射源可以发射 、 和 射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一 铝箔，铝箔后面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 沿原来的方 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 放射源可以发射 、 三种射线， 射线的穿透能力弱，不能穿透铝箔， 射线和 射线的穿透能力强，可以穿透铝箔

6、.由于 射线带负电，经过电场时受到电场力的作用会发生 偏转， 射线不带电，经过电场时不发生偏转，所以图中射线 a 是 射线，射线 b 是 射线. 1.对放射性和射线的理解： (1)一种元素的放射性，与其是单质还是化合物无关，这说明一种元素的放射性和核外电子无 关. (2)射线来自原子核，说明原子核是可以再分的. 2.对三种射线性质的理解： (1) 射线带正电、 射线带负电、 射线不带电. 射线、 射线是实物粒子，而 射线是光子 流，属于电磁波的一种. (2) 射线、 射线都可以在电场或磁场中偏转，但偏转方向不同， 射线则不发生偏转. (3) 射线穿透能力弱， 射线穿透能力较强， 射线穿透能力最

7、强，而电离本领相反. 针对训练 1 天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图 4 所示，由此可推知 ( ) 图 4 A.来自原子核外的电子 B.的电离作用最强，是一种电磁波 C.的电离作用较强，是一种电磁波 D.的电离作用最弱，是一种电磁波 答案 D 解析 射线能被一张纸挡住，说明它的穿透能力差，所以射线是 射线， 射线是高速 运动的氦核流，它的穿透能力差，电离作用最强，选项 B 错误；射线的穿透能力较强，能 穿透纸和几毫米厚的铝板， 说明它是 射线， 射线来自原子核， 不是来自原子核外的电子， 选项 A 错误；射线的穿透能力最强，能够穿透几厘米厚的铅板，射线是 射线， 射线 的电离

8、作用最弱，穿透能力最强，它是能量很高的电磁波，故选项 C 错误，D 正确. 二、原子核的衰变 1.衰变类型、实质与方程 (1) 衰变：A ZX A4 Z2Y 4 2He 实质：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 核中被释放出来，这就是放射性元素发生的 衰变现象. 如：238 92U 234 90Th 4 2He. (2) 衰变：A ZX A Z1 Y 0 1e. 实质：原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即 粒子，使电荷数增加 1， 衰变 不改变原子核的质量数，其转化方程为：10n11H 0 1e. 如：234 90Th 234 91Pa 0

9、 1e. (3) 射线是伴随 衰变或 衰变产生的. 实质：发生 衰变或 衰变后的原子核往往处于高能级，在向低能级跃迁时以 光子的形式 向外辐射能量. 2.衰变规律 衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒. 3.确定原子核衰变次数的方法与技巧 (1)方法：设放射性元素A ZX 经过 n 次 衰变和 m 次 衰变后，变成稳定的新元素 A ZY，则衰变 方程为： A ZX A ZYn 4 2Hem 0 1e 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程： AA4n，ZZ2nm. (2)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定 衰变的次数(这是因为 衰变次 数的多少对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定

10、衰变的次数. 例 2 原子核238 92U 经放射性衰变变为原子核234 90Th， 继而经放射性衰变变为原子核234 91Pa， 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

11、正确，D 错误. 例 3 238 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 6 (2)10 22 (3)238 92U 206 82Pb8 4 2He6 0 1e 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

12、变质子数和中子数均减少 2，每发生一次 衰变，中子数减少 1，质 子数增加 1，故206 82Pb 较 238 92U 质子数少 10，中子数少 22. (3)衰变方程为238 92U 206 82Pb8 4 2He6 0 1e. 1.衰变方程的书写：衰变方程用“”，而不用“”表示，因为衰变方程表示的是原子核 的变化，而不是原子的变化. 2.衰变次数的判断技巧 (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. 针对训练 2 在横线上填上粒子符号和衰变类型. (1)238 92U 234 90Th

13、_，属于_衰变 (2)234 90Th 234 91Pa_，属于_衰变 (3)210 84Po 210 85At_，属于_衰变 (4)66 29Cu 62 27Co_，属于_衰变 答案 (1)42He (2) 0 1e (3) 0 1e (4)42He 解析 根据质量数和电荷数守恒可以判断：(1)中生成的粒子为42He，属于 衰变.(2)中生成的 粒子为 0 1e，属于 衰变.(3)中生成的粒子为 0 1e，属于 衰变.(4)中生成的粒子为42He，属于 衰变. 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

14、不同，有的差别很大. 2.半衰期公式 N余N原 1/21 2 t T ，m余m0 1/21 2 t T 式中 N原、m0表示衰变前的原子核数和质量，N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子核 数和质量，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，即某时衰变的可能性，因此， 半衰期只适用于大量的原子核. 例 4 碘 131 核不稳定，会发生 衰变，其半衰期为 8 天. (1)碘 131 核的衰变方程：131 53I_(衰变后的元素用 X 表示). (2

15、)经过_天 75%的碘 131 核发生了衰变. 答案 (1)131 54X 0 1e (2)16 解析 (1)根据衰变过程电荷数守恒与质量数守恒可得衰变方程：131 53I 131 54X 0 1e . (2)每经 1 个半衰期，有半数原子核发生衰变，经 2 个半衰期将剩余1 4，即有 75%发生衰变， 即经过的时间为 16 天. 针对训练 3 (多选)14C 发生放射性衰变成为 14N，半衰期约 5 700 年.已知植物存活期间，其 体内 14C 与12C 的比例不变；生命活动结束后，14C 的比例持续减小.现通过测量得知，某古 木样品中 14C 的比例正好是现代植物所制样品的二分之一.下列

16、说法正确的是( ) A.该古木的年代距今约 5 700 年 B.12C、13C、14C 具有相同的中子数 C.14C 衰变为 14N 的过程中放出 射线 D.增加样品测量环境的压强将加速 14C 的衰变 答案 AC 解析 因古木样品中 14C 的比例正好是现代植物所制样品的二分之一，则可知经过的时间为 一个半衰期，即该古木的年代距今约为 5 700 年，选项 A 正确；12C、13C、14C 具有相同的质 子数，由于质量数不同，故中子数不同，选项 B 错误；根据核反应方程可知，14C 衰变为 14N 的过程中放出电子，即放出 射线，选项 C 正确；外界环境不影响放射性元素的半衰期，选 项 D

17、错误. 1.(三种射线的特性)(多选)天然放射性物质的射线包含三种成分，下列说法中正确的是( ) A. 射线的本质是高速氦核流 B. 射线是不带电的光子 C.三种射线中电离作用最强的是 射线 D.一张厚的黑纸可以挡住 射线，但挡不住 射线和 射线 答案 AD 解析 射线的本质是高速氦核流， 射线是高速电子流，A 正确，B 错误；三种射线中电离 作用最强的是 射线，C 错误；一张厚的黑纸可以挡住 射线，但挡不住 射线和 射线， D 正确. 2.(半衰期的理解)(多选)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是( ) A.原子核全部衰变所需要的时间的一半 B.原子核有半数发生衰变所需要的时间 C.相

18、对原子质量减少一半所需要的时间 D.该元素原子核的总质量减半所需要的时间 答案 BD 解析 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间叫做这种元素的半衰期，它与原子 核全部衰变所需要的时间的一半不同.放射性元素发生衰变后成为一种新的原子核， 原来的放 射性元素原子核的个数不断减少，当原子核的个数减半时，该放射性元素的原子核的总质量 也减半，故选项 B、D 正确. 3.(衰变方程识别)下列表示放射性元素碘 131(131 53I) 衰变的方程是( ) A.131 53I 127 51Sb 4 2He B.131 53I 131 54Xe 0 1e C.131 53I 130 53I 1 0n

19、D.131 53I 130 52Te 1 1H 答案 B 解析 衰变是原子核自发地释放一个 粒子(即电子)产生新核的过程， 原子核衰变时质量数 与电荷数都守恒，结合选项分析可知，选项 B 正确. 4.(衰变次数的计算)重水堆核电站在发电的同时还可以产生可供研制核武器的钚 239(239 94Pu)， 钚 239 可由铀 239(239 92U)经过 n 次 衰变而产生，则 n 为( ) A.2 B.239 C.145 D.92 答案 A 解析 衰变规律是质量数不变，质子数增加 1.239 94Pu 比 239 92U 质子数多 2，所以发生 2 次 衰变，A 对. 5.(半衰期的相关计算)一个氡核222 86Rn 衰变成钋核 218 84Po， 并放出一个 粒子， 其半衰期 T3.8 天. (1)写出该核反应方程； (2)求 32 g 氡经过多少天衰变还剩余 1 g 氡. 答案 (1)222 86Rn 218 84Po 4 2He (2)19 解析 (1)根据衰变过程中质量数和电荷数守恒可知： 该核反应的方程是222 86Rn 218 84Po 4 2He. (2)根据半衰期公式可知，m余m原 1 2 1/2 t T ，解得 t3.8 天519 天.