3.2放射性衰变 学案（2020年教科版高中物理选修3-5）

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1、2 放射性放射性 衰变衰变 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解什么是放射性和天然放射现象，知道三种射线的实质和特征.2.了解衰变的 概念，知道放射现象的实质就是原子核的衰变.3.了解半衰期的概念，知道半衰期的统计意义. 科学思维：1.会利用带电粒子在电、磁场中的偏转判断射线的电性和种类.2.会利用衰变规律 写出衰变方程，会计算半衰期. 一、天然放射现象 1.天然放射性： (1)1896 年，法国物理学家亨利 贝克勒尔发现，铀化合物能放出看不见的射线，这种射线可 以使密封完好的照相底片感光.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. (2)玛丽 居里和她的丈夫皮埃尔

2、居里发现了两种比铀放射性更强的新元素，命名为钋、镭. 2.天然放射现象： 放射性元素自发地发出射线的现象.原子序数大于 83 的元素， 都能自发地发 出射线，原子序数较小的元素，有的也能放出射线.例如14 6C 有放射性. 二、衰变 1.放射性衰变：放射性元素是不稳定的，它们会自发地蜕变为另一种元素，同时放出射线， 这种现象为放射性衰变. 2.衰变形式：常见的衰变有两种，放出 粒子的衰变为 衰变，放出 粒子的衰变为 衰变， 而 射线是伴随 射线或 射线产生的. 3.衰变方程举例： (1) 衰变：238 92U 234 90Th 4 2He (2) 衰变：234 90Th 234 91Pa 0

3、1e. 4.原子核衰变前、后电荷数和质量数均守恒. 三、三种射线的性质 1. 射线：带正电的 粒子流， 粒子是氦原子核， 射线的速度只有光速的 10%，穿透能力 弱，容易被物质吸收，一张薄薄的铝箔或一层裹底片的黑纸，都能把它挡住. 2. 射线：带负电的电子流，它的速度很快，穿透力强，在空气中可以走几十米远，而碰到 几毫米厚的铝片就不能穿过了. 3. 射线：本质上是一种波长极短的电磁波，波长约是 X 射线波长的 1%，穿透力极强，能穿 过厚的混凝土和铅板. 四、半衰期 1.半衰期：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. 2.半衰期是大量原子核衰变的统计规律，反映放射

4、性元素衰变的快慢. 3.半衰期是由原子核自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系. 1.判断下列说法的正误. (1) 射线实际上就是氦原子核， 射线具有较强的穿透能力.( ) (2)原子核在衰变时，它在元素周期表中的位置不变.( ) (3)同种放射性元素，在化合物中的半衰期比在单质中长.( ) (4)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.( ) (5)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.( ) 2.碘 131 的半衰期约为 8 天， 若某药物含有质量为 m 的碘 131，

5、 经过 32 天后， 该药物中碘 131 的质量大约还有_. 答案 m 16 解析 由题意可知 m余m(1 2) 32 8 m 16. 一、对三种射线性质的理解 如图为三种射线在磁场中的运动轨迹示意图. (1) 射线向左偏转， 射线向右偏转， 射线不偏转说明了什么？ (2) 粒子的速度约为 粒子速度的十分之一，但 射线的偏转半径大于 射线的偏转半径说 明什么问题？ 答案 (1)说明 射线带正电， 射线带负电， 射线不带电. (2)根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式 rmv qB可知， 粒子的 m q应大于 粒子的 m q，即 粒子的质量应较大. 、 三种射线的比较 种类 射线 射线 射线

6、组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高频电磁波) 质量 4mp(mp1.6710 27kg) mp 1 836 静止质量为零 带电荷量 2e e 0 速率 0.1c 0.99c c 穿透能力 最弱，用一张纸就能挡住 较强， 不能穿透几毫 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 在电、磁场中 偏转 与 射线反向偏转 不偏转 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 1 所示， 则图中的射线

7、a 为_射线， 射线 b 为_ 射线. 图 1 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.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)射线来自于原子核，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、 射线是实物粒子流，而 射线是光 子流

8、，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. 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 2 所示，由此可推知 ( ) 图 2 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，说明它的穿透能力较差，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

9、几毫米厚的铝板，说明它是 射线， 射线来自于原子核，不是来自于原子核外 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、原子核的衰变规律与衰变方程 如图为 衰变、 衰变示意图. (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？ (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 (1) 衰变时，质子数减少 2，中子数减少 2. (2) 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. 1

10、.衰变种类、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：10n 11H 0 1e. 如：234 90Th 234 91Pa 0 1e. (3) 射线是伴随 衰变或 衰变产生的. 2.衰变规律 衰变过程遵循质量数守恒和电荷

11、数守恒. 例 2 238 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 衰变质子数

12、和中子数均减少 2，每发生一次 衰变，而质子数增加 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_，属于_衰变； (2

13、)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、半衰期的理解和有关计算 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

14、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 半衰期是放射性元素的大量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. 1.半衰期：表示放射性元素衰变的快慢. 2.半衰期公式：N余N原(1 2) 1/2 t T ，m余m0(1 2) 1/2 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

15、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，半衰期只适用于大量的原子核. 4.应用：利用半衰期非常稳定的特点，可以测算其衰变过程，推算时间等. 例 3 (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.相对原子质量减少一半所需要的时间 D.该元素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

16、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. 例 4 (多选)地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前 发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算.测得该岩石中现含有铀是岩石形成初期时(岩石形成 初期时不含铅)的一半，铀 238 衰变后形成铅 206，铀 238 的相对含量随时间变化规律如图 3 所示，图中 N 为铀 238 的原子数，N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断出( ) 图 3 A.铀 238 的半衰期为 90 亿年

17、B.地球的年龄大致为 45 亿年 C.被测定的岩石样品在 90 亿年时铀、铅原子数之比约为 14 D.被测定的岩石样品在 90 亿年时铀、铅原子数之比约为 13 答案 BD 解析 半衰期是有半数原子核发生衰变所需要的时间，根据题图可知半数衰变的时间是 45 亿年，选项 A 错误，B 正确；90 亿年是铀核的两个半衰期，有3 4的铀原子核发生衰变，还有 1 4 的铀原子核没有发生衰变， 根据衰变方程可知一个铀核衰变时产生一个铅核， 故衰变后的铀、 铅原子数之比约为 13，选项 C 错误，D 正确. 1.半衰期由核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件都无关. 2.半衰期是一个统计规律

18、，适用于对大量原子核衰变的计算，对于少数原子核不适用. 针对训练 3 大量的某放射性元素经过 11.4 天有7 8的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为 ( ) A.11.4 天 B.7.6 天 C.5.7 天 D.3.8 天 答案 D 解析 由于经过了 11.4 天还有1 8的原子核没有衰变，由 m 余 1 2 nm 0，可知该放射性元素经过 了 3 个半衰期，即可算出半衰期是 3.8 天，故 D 正确. 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

19、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.(射线的区分)研究放射性元素射线性质的实验装置如图 4 所示.两块平行放置的金属板 A、B 分别与电源的两极 a、b 连接，放射源发出的射线从其上方小孔向外射出.则( ) 图 4 A.a 为电源正极，到达 A 板的为 射线 B.a 为电源正极，到达 A 板的为 射线 C.a 为电源负极，到达 A 板的为 射线 D.a 为电源负极，到达 A 板的为 射

20、线 答案 B 解析 射线为高速电子流，质量约为质子质量的 1 1 836，速度接近光速； 射线为氦核流， 速度约为光速的 1 10.在同一电场中， 射线的偏转程度大于 射线的偏转程度，由题图知，向 左偏的为 射线；因 粒子带正电，向右偏转，说明电场方向水平向右，a 为电源正极，故 B 正确，A、C、D 错误. 3.(原子核的衰变)下列说法中正确的是( ) A. 衰变放出的电子来自组成原子核的电子 B. 衰变放出的电子来自原子核外的电子 C. 衰变说明原子核中含有 粒子 D. 射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波 答案 D 解析 原子核发生 衰变中放出的电子是原子核内的中子转化为质子而释放

21、的电子，A、B 错误； 射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起从 原子核中释放出来， 射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波，故 C 错误，D 正确. 4.(半衰期)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，随着剩下的未衰变原子核的减少，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有半数发生

22、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.(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 T1/2 3.8 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.