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第五章 原子与原子核
第二节 放射性元素的衰变
粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册
一、放射性的发现
1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀和含铀的矿物都能发出一种看不见的射线，这种射线可以使包在黑纸里的照相底片感光。后来，玛丽·居里将这种物质放射出射线的性质叫作放射性，具有放射性的元素叫作放射性元素。
在贝可勒尔的影响下，玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里对铀和各种含铀的矿石进行了深入的研究，并且发现了两种放射性更强的新元素。玛丽·居里为了纪念她的祖国波兰，把其中一种元素命名为钋，另一种元素命名为镭。
【理论·探究】
放射性并不是少数几种元素才有的。研究发现，原子序数大于83的所有元素都有放射性。原子序数小于等于83的元素，有的也具有放射性。这些能自发地放出射线的元素叫作天然放射性元素。
如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响。也就是说，放射性与元素存在的状态无关。我们知道，元素的化学性质取决于原子核外的电子，因此可以断定，射线来源于原子核，也就是说，原子核是有内部结构的。
二、原子核衰变
放射性元素放出的射线常见的有三种：α射线、β射线和γ射线，α射线和β射线由卢瑟福在1899年研究铀放射性时发现并命名，γ射线由法国科学家维拉德在1900年研究铀射线时发现α射线是高速运动的α粒子流，电荷数是2，质量数是4，实际上就是氦原子核。α粒子的速度可达光速的十分之一，具有很高的动能，很容易使气体电离，但因为它在碰撞时很容易损失能量，所以贯穿物体的本领很小。β射线是高速运动的电子流，速度可达光速的99%，但电离作用较弱，贯穿本领较强。γ射线不带电，它是频率很高的电磁波，波长很短，在10-10m数量级以下，其电离作用最小，贯穿本领却最强，甚至能穿透几厘米厚的铅板。
上述三种射线都是原子核放射出来的。原子核放出α粒子或β粒子后，会变成新的原子核。我们把一种元素经放射过程变成另一种元素的现象，称为原子核的衰变，把放出α粒子的衰变称为α衰变，放出β粒子的衰变称为β衰变。
三、半衰期
放射性元素的衰变有一定的速率。例如，氡222经过α衰变成为钋218，观察发现，对一定数量的氡，大约每过3.8天，就有一半发生了衰变。原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间，叫作半衰期，记为????????????。半衰期越大，表明放射性元素衰变得越慢。
?
如果用????????表示放射性元素衰变前的质量，经过t时间后剩余的放射性元素的质量为m，从实验得出的衰变规律可以写为
?
????=????????(????????) ????????????????
?
【理论·探究】
每一种放射性元素都有一定的半衰期，不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如，前面提到的氡222变为钋218的半衰期是3。8天，而镭226变为氡222的半衰期是1620年，铀238变为钍234的半衰期竟长达4.5×109年。
放射性元素的半衰期，描述的是大量该元素衰变的统计规律。对于一个特定或少量的原子来说，我们只知道其发生衰变的概率，而无法预测其何时发生衰变。例如，一个特定的氡核可能在1s后就发生衰变，也可能1h后发生衰变，甚至100万年后才发生衰变。但对于大量氡核，可以根据其半衰期，准确预言其在某时刻未发生衰变的比例。
放射性元素衰变的速率由核本身的因素决定，与原子所处的物理状态或化学状态无关。例如，一种放射性元素，不管它以单质的形式还是以化合物的形式存在，对它加压或者增高它的温度，都不能改变其半衰期。这是因为压力、温度或与其他元素的化合等，都不会影响到原子核的结构。
1.下列叙述正确的是（　　）
A．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能越大
B．卢瑟福依据α粒子散射实验中极少数α粒子发生大角度偏转提出了原子的核式结构模型
C．氢原子的核外电子，由离核较远的轨道自发跃迁到离核较近轨道，放出光子，电子的动能减小
D．原子核发生β衰变过程中所放出的电子来自原子的外层电子
B
课堂练习
2.自然界中的碳主要是碳12，也有少量的碳14。宇宙射线进入大气层时，同大气作用产生中子，中子撞击大气中的氮产生碳14。碳14具有放射性，能够自发地进行β衰变而变成氮，碳14的半衰期为5730年。下列说法正确的是（　　）
A．温度升高，碳14衰变加快，半衰期变小
B．通过测量某样品中碳14的含量，可以推断该物质的年代
C．碳14进行β衰变产生电子说明碳核内含有电子
D．中子撞击氮核产生碳14的同时产生一个正电子
B
课堂练习
3.下列叙述中符合物理学史的有（　　）
A．汤姆孙通过研究阴极射线实验，发现了电子和质子的存在
B．普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论
C．贝克勒尔天然放射现象的发现揭示了原子核是由中子和质子组成的
D．玻尔提出的原子模型，彻底否定了卢瑟福的原子核式结构学说
B
4.α粒子穿过充满氮气的云室时会产生氧，如图照片中有一条径迹发生了分叉，分又后粗而短、细而长的两段分别为（　　）
A．电子和氧核的径迹
B．氧核和电子的径迹
C．质子和氧核的径迹
D．氧核和质子的径迹
D
5.放射性物质单位时间内发生衰变的原子核个数叫做衰变率，衰变率与物质中放射性原子核个数成正比。????????????????是医学上常用的一种示踪剂，下表给出了一个含有????????????????样品的衰变率随时间变化情况，根据表格中数据，可以得出????????????????的半衰期是（???????）
A．4min B．32min C．36min D．25min
?
D
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}时间/min
4
36
61
86
100
132
衰变率/（个/s）
392
162
81
40.2
26.8
10.9
6.下列说法中正确的是（　　）
A．β衰变说明原子核里有电子
B．放射性物质的温度升高，其半衰期将缩短
C．某原子核经过一次α衰变和两次β衰变后，核内中子数减少4个
D．????????????????????????→????????????????????????????+????????????????是核裂变反应方程
?
C
7.氚核是最简单的放射性原子核，夜光手表就是利用氚核衰变产生的β射线激发荧光物质发光而制成的。若氚核发生β衰变的半衰期为12.43年，则下列说法正确的是（　　）
A．氚核衰变产生的新核是氘核
B．氚核衰变放出的β射线是高速电子流，来源于核外电子
C．氚核衰变过程中，核子数保持不变
D．20个氚核经过12.43年，一定有10个发生了衰变
C
8.关于天然放射现象，叙述正确的是（　　）。
A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减少
B．β衰变所释放的电子是原子核外的电子电离形成的
C．在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强
D．铀核(????????????????????????)衰变为铅核(????????????????????????)的过程中，要经过8次α衰变和10次β衰变
?
C
9.关于天然放射现象，下列说法正确的是（　　）
A．放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期
B．放射性物质放出的射线中，α粒子动能很大，因此贯穿物质的本领很强
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半衰期
D．放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线
D
10.在现代装修家居中，有很多是大理石材料都有放射性，而在核物理研究中已有很多放射性元素，其中放射性元素????????????????????????????的衰变方程为????????????????????????????→????????????????????????????+????，下列表述正确的是（　　）
A．X是由Th原子核内释放的电子
B．该衰变是α衰变
C．加压或加温都可以改变其衰变的快慢
D．Th发生衰变时原子核要吸收能量
?
A
放射性、放射性元素、天然放射性元素
课堂小结
一、放射性的发现
二、原子核衰变
1．定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，而变成另一种原子核的变化2．衰变类型(1)α衰变：原子核放出α粒子的衰变．进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2，????????????????????????的α衰变方程：????????????????????????→????????????????????????????+????????????????。(2)β衰变：原子核放出β粒子的衰变．进行β 衰变时，质量数不变，电荷数加1，3．衰变规律：电荷数守恒，质量数守恒。
?
课堂小结
三、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．特点(1)不同的放射性元素，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。3．适用条件：半衰期描述的是统计规律，不适用于少数原子核的衰变。
课堂训练
1.实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意如图。则（　　）
A．轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向里
B．轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外
C．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向外
D．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里
AD
课堂训练
2.一个静止的放射性原子核处于匀强磁场中，由于发生了衰变而在磁场中形成如图所示的两个圆形径迹，两圆半径之比为1:16，下列判断中正确的是（　　）
A．反冲核在小圆上逆时针运动
B．该原子核发生了α衰变
C．原来静止的核，其原子序数为15
D．让放射性原子核和反冲核均在磁场中做圆周运动，二者周期相同
AC
课堂训练
3.下面哪些说法是正确的（　　）
A．用α射线轰击铍（????????????????），铍核转变为????????????????，并放出一种贯穿能力很强的γ射线
B．γ射线是波长很短的电磁波，它的贯穿能力很强
C．利用γ射线的电离作用，可检查金属内部有无砂眼或裂纹（γ射线探伤）
D．当γ光子能量足够大时，用γ射线轰击氘核能使氘核分解为????????????和????????????
?
BD
课堂训练
4.如图所示是我国的“祝融号”火星车，它的电源来自于太阳能电池而非核电池（核电池能量来自钚238发生的α衰变），它多次将火星表面影像通过无线电波传送回地球，为人类提供了许多宝贵资料。下列说法正确的是（　　）
A．α粒子的速度可以达到光速
B．无线电波与光波都是电磁波
C．钚238发生α衰变后新核的中子数增加2
D．当地球距火星约为6×107km时，地球上收到的大约200s之前的影像
BD
课堂训练
5.对原子和原子核结构的认识，下列说法正确的是（　　）
A．为了解释黑体辐射规律，普朗克提出电磁辐射的“能量子”概念
B．卢瑟福依据α粒子散射实验的结果，提出了原子能级结构假设
C．法国物理学家贝可勒尔发现天然放射现象，说明原子核还可以分割
D．β衰变的实质是原子核内释放出原本存在的电子，同时原子核转变为新核
AC
课堂训练
6.根据有关知识可知，下列说法正确的是（　　）
A．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大
B．许多元素能自发地放出射线，使人们开始认识到原子是有复杂结构的
C．放射性元素发生β衰变是核内弱相互作用引起的
D．康普顿效应说明光具有波动性
BC

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