4.2原子核的衰变 学案（2020年沪科版高中物理选修3-5）

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1、42 原子核的衰变原子核的衰变 学习目标 1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象.2.知道三种射线的特性.3.知道 衰变及两种衰变的规律，能熟练写出衰变方程.4.会用半衰期描述衰变的速度，知道半衰期的 统计意义 一、天然放射现象和三种射线 导学探究 11896 年，法国物理学家贝可勒尔发现了放射性元素自发地放出射线的现象，即天然放射 现象是否所有的元素都具有放射性？放射性物质放出的射线有哪些种类？ 答案 原子序数大于或等于 83 的元素，都能自发地放出射线，原子序数小于 83 的元素，有 的也能放出射线放射性物质发出的射线有三种： 射线、 射线、 射线 2怎样用电场或磁场判断三种射线粒

2、子的带电性质？ 答案 让三种射线通过匀强电场， 射线不偏转，说明 射线不带电 射线偏转方向和电场 方向相同，带正电， 射线偏转方向和电场方向相反，带负电或者让三种射线通过匀强磁 场， 射线不偏转，说明 射线不带电， 射线和 射线可根据偏转方向和左手定则确定带电 性质 知识梳理 1天然放射现象 1896 年，法国物理学家贝可勒尔发现铀及其化合物能放出一种不同于 X 射线的新射线 (1)定义：物理学中把物质能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象 (2)放射性：物质放出射线的性质 (3)放射性元素：具有放射性的元素 2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

3、频电磁波) 带电荷量 2e e 0 速率 0.1c 0.99c c 贯穿本领 最弱，用一张薄锡箔 或一张纸就能挡住 较强，能穿透几毫 米厚的铝板 最强， 能穿透几厘米厚的铅 板和几十厘米厚的混凝土 电离作用 很强 较强 很弱 即学即用 判断下列说法的正误 (1)1896 年，法国的玛丽 居里首先发现了天然放射现象( ) (2)原子序数大于 83 的元素都是放射性元素( ) (3) 射线实际上就是氦原子核， 射线具有较强的穿透能力( ) (4) 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( ) (5) 射线是能量很高的电磁波，电离作用很强( ) 二、原子核的衰变 导学探究 如图 1

4、 为 衰变、 衰变示意图 图 1 1当原子核发生 衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？ 答案 发生 衰变时，质子数减少 2，中子数减少 2. 2当发生 衰变时，新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少？新核在元素周期表中 的位置怎样变化？ 答案 发生 衰变时，核电荷数增加 1.新核在元素周期表中的位置向后移动一位 知识梳理 1定义：原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化，叫做原子核的衰变 2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 A ZX A4 Z2Y 4 2He (2) 衰变：放射性元素放出 粒子的衰变过

5、程放出一个 粒子后，核的质量数不变，电荷 数增加 1. A ZX A Z1Y 0 1e 3衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒 4衰变的实质： (1) 衰变的实质：2 个中子和 2 个质子结合在一起形成 粒子 (2) 衰变的实质：核内的中子转化为了一个电子和一个质子 (3) 射线经常是伴随着 衰变和 衰变产生的 即学即用 判断下列说法的正误 (1)原子核在衰变时，它在元素周期表中的位置不变( ) (2)发生 衰变是原子核中的电子发射到核外( ) (3) 射线经常是伴随着 射线和 射线产生的( ) 三、放射性元素的半衰期 导学探究 1 什么是半衰期？对于某个或选定的几个原子核能根据该种元素

6、的半衰期预测它的衰变时间 吗？ 答案 半衰期是一个时间，是某种放射性元素的大量原子核有半数发生衰变所用的时间的统 计规律，故无法预测单个原子核或几个特定原子核的衰变时间 2某放射性元素的半衰期为 4 天，若有 10 个这样的原子核，经过 4 天后还剩 5 个，这种说 法对吗？ 答案 半衰期是大量放射性元素的原子核衰变时所遵循的统计规律，不能用于少量的原子核 发生衰变的情况，因此，经过 4 天后，10 个原子核有多少发生衰变是不能确定的，所以这种 说法不对 知识梳理 1定义：放射性元素每经过一段时间，就有一半的核发生衰变，这段时间叫做放射性元素的 半衰期 2特点： (1)不同的放射性元素，半衰期

7、不同，甚至差别非常大 (2)放射性元素衰变的快慢是由其原子核本身决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件无 关 3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 4半衰期公式：N余N原(1 2) t T ，m余m原(1 2) t T ，其中 T 为半衰期 5半衰期的应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以通过测量其衰变程度来推断时间 即学即用 判断下列说法的正误 (1)同种放射性元素，在化合物中的半衰期比在单质中长( ) (2)把放射性元素放在低温处，可以减缓放射性元素的衰变( ) (3)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( )

8、 (4)氡的半衰期是 3.8 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( ) 一、天然放射现象和三种射线 1三种射线的实质 射线：高速氦核流，带电荷量为 2e 的正电荷； 射线：高速电子流，带电荷量为 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， 粒子的偏移大，如图 2 所示 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

9、 3 所示 图 3 3元素的放射性 (1)一种元素的放射性与是单质还是化合物无关，这就说明射线跟原子核外电子无关 (2)射线来自于原子核说明原子核内部是有结构的 例 1 如图 4 所示，R 是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL是厚纸板，MM是 荧光屏，实验时，发现在荧光屏的 O、P 两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达 O 点的 射线种类、到达 P 点的射线种类应属于下表中的( ) 图 4 选项 磁场方向 到达 O 点的射线 到达 P 点的射线 A 竖直向上 B 竖直向下 C 垂直纸面向里 D 垂直纸面向外 答案 C 解析 R 可放射出来的射线有 、 三种，其中 、 射线垂直于磁场方向

10、进入磁场区域时 将受到洛伦兹力作用而偏转， 射线不偏转，故打在 O 点的应为 射线；由于 射线贯穿本 领弱，不能射穿厚纸板，故到达 P 点的应是 射线；依据 射线的偏转方向及左手定则可知 磁场方向垂直纸面向里 例 2 (多选)将 、 三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情况正 确的是( ) 答案 AD 解析 已知 粒子带正电， 粒子带负电， 射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动受洛 伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向可知，A、B、C、D 四幅图中 、 粒子的 偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步判断 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径 rmv Bq， 将数据代

11、入，则 粒子与 粒子的半径之比 r r m m v v q q 4 1 1 836 0.1c 0.99c 1 2371，A 对，B 错； 带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为 v0，垂直电场线方向位移为 x，沿电场线方向位移 为 y，则有 xv0t，y1 2 qE m t2， 消去 t 可得 y qEx2 2mv02. 对某一确定的 x 值，、 粒子沿电场线偏转距离之比 y y q q m m v2 v2 2 1 1 1 836 4 0.99c 2 0.1c2 1 37.5， C 错，D 对 三种射线的鉴别： (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

12、 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， 射线穿透能力最强，而电离本领相反 二、原子核的衰变规律和衰变方程 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 衰变的 次数多少对质量数没有影响)，然后根据

13、衰变规律确定 衰变的次数 例3 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

14、项 A 正确，D 错误 例 4 238 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

15、衰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，而质 子数增加 1，故206 82Pb 与 238 92U 相比，质子数少 10，中子数少 22. (3)衰变方程为238 92U 206 82Pb842He6 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 1 在横线上填上粒子符号和衰变类型 (1)238 92U 234 90Th ，

16、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、对半衰期的理解及有关计算 1公式：根据半衰期的概念，可总结出公式 N余N原 1 2 t T ，m余m原 1 2 t T 式中 N原、m原表

17、示衰变前的放射性元素的原子核数和质量，N余、m原表示衰变后尚未发生衰 变的放射性元素的原子核数和质量，t 表示衰变时间，T 表示半衰期 2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，无法确定何时发生衰变，但可以确定发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此， 半衰期只适用于大量的原子核 3影响因素：半衰期由放射性元素的原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理状态(如压 强、温度)或化学状态(如单质、化合物)无关，因为这些因素都不能改变原子核的结构 例 5 放射性同位素 14C 被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代，此项 研究获得 1960

18、 年诺贝尔化学奖 (1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成不稳定的14 6C，它很容易发生衰 变，放出 射线变成一个新核，其半衰期为 5 730 年，试写出14 6C 的衰变方程 (2)若测得一古生物遗骸中的14 6C 含量只有活体中的 25%，则此遗骸距今约有多少年？ 答案 (1)14 6C 0 1e14 7N (2)11 460 年 解析 (1)14 6C 的 衰变方程为：14 6C 0 1e14 7N. (2)14 6C 的半衰期 T5 730 年 生物死亡后，遗骸中的14 6C 按其半衰期变化，设活体中14 6C 的含量为 N0，遗骸中的14 6C 含 量为 N，则 N

19、 1 2 t T N0， 即 0.25N0 1 2 5 730 t N0，故 t 5 7302，t11 460 年 针对训练 2 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 根据核反应过程中电荷数守恒和质量数守恒可推得该反应的另一种生成物为42He.根据 m余m原 1 2 t T 得 t T4，代入 T3.8 天，解得 t

20、3.84 天15.2 天 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(衰变方程)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 53

21、I 131 54Xe 0 1e C.131 53I 130 53I 1 0n 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 3(半衰期的理解)关于半衰期，下列说法正确的是( ) 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

22、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自身因素 决定，与它所处的物理、化学状态无关，故 A 正确，B、C、D 错误 4(半衰期的理解及计算)(多选)14C 发生放射性衰变成为 14N，半衰期约为 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说法正确的 是( ) A该古木的年代距今约 5 700 年 B12C、13C、14C 具有相同的中子数 C14C 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 错误