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§5.2 放射性元素的衰变
高二物理（人教版2019）
第五章 原子核
在古代，不论是东方还是西方，都有一批人追求“点石成金”之术，他们试图利用化学方法将一些普通的矿石变成黄金。当然，这些炼金术士的希望都破灭了。那么，真的存在能让一种元素变成另一种元素的过程吗？
类似于“点石成金”的事一直就在自然界中进行着，这就是伴随着天然放射现象发生的原子核“衰变”过程。
新课导入
01
原子核的衰变
原子核
任务一：原子核的衰变
原子核自发地放出 α粒子或 β粒子而转变为新核的现象。
1、衰变：
已知铀为92号元素，你能写出这个过程的反应方程式么？
----α衰变
⑴α衰变
衰变方程：
问题3：你能概括出α衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗？
问题1：在α衰变中，新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系？电荷数呢？
问题2：相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移还是向后移？要移动几位？
α衰变的一般方程：
质量数和电荷数都守恒
⑵β衰变
已知钍为90号元素，你能写出这个过程的反应方程式么？
----β衰变
(2)β衰变
衰变方程：
问题3：你能概括出β衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗？
问题1：在β衰变中，新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系？电荷数呢？
问题2：相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移还是向后移？要移动几位？
质量数和电荷数都守恒
β衰变的一般方程：
思考：衰变的α粒子、β粒子和γ光子怎么来的？
①事实表明，两个中子和两个质子能十分紧密地结合在一起，因此，在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，即发生了α衰变。
α衰变的本质
②研究发现， β衰变实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子。
β衰变的本质
③γ射线的产生
放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出γ光子。γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。
原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续的数值，因此，也存在着能级，同样是能级越低越稳定。
化学方程式 核反应方程式
联系
区别
电荷、质量守恒
电荷数、质量数守恒
用符号
用箭头
原子核
能量
质量亏损
光
这种光叫伽马射线：γ
放出粒子的不同
放出ɑ粒子和γ射线：ɑ衰变
放出β粒子和γ射线：β衰变
（氦核 ）
（电子 ）
2、衰变的区别
说明：
1.中间用单箭头，不用等号；
2.是质量数守恒，不是质量守恒;
3.方程及生成物要以实验为基础,不能杜撰。
注意：质量数守恒指衰变前后核子的总数不变，并不是质量不变！
说明：
5、一种元素只能发生一种衰变，但在一块放射性物质中可以同时放出α、β 和 γ 三种射线。
2、放射性元素衰变不可能有单独的γ衰变！γ粒子不是带电的粒子，因此γ射线并不影响原子核的核电荷数，故γ射线不会改变元素在周期表中的位置。
3、元素的放射性与元素存在的状态无关，放射性表明原子核是有内部结构的。
4、衰变后元素的化学性质发生了变化，即：生成了新的原子核！
1、核反应指的是原子核内部核子数发生相应变化，而化学反应指的是原子核外最外层电子数发生变化，二者存在本质的不同。
解析：
1
例2：在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个α粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图2所示)，今测得两个相切圆半径之比r1∶r2＝44∶1。求：
(1)图中哪一个圆是α粒子的径迹？(说明理由)
(2)这个原子核原来所含的质子数是多少？
思考：如果是β衰变会怎样？
设有一个质量为M0的原子核，原来处于静止状态。当发生一次α(或β)衰变后，释放的粒子的质量为m，速度为v，产生的反冲核的质量为M，速度为V
1．动量守恒关系： 0＝mv＋MV或mv＝－MV
α衰变和β衰变在磁场中的轨迹分析
2．在磁场中径迹的特点
例3：(多选)A、B是两种放射性元素，原来都静止在同一匀强磁场，其中一个放出α粒子，另一个放出β粒子，运动方向都与磁场方向垂直。图中a、b与c、d分别表示各粒子的运动轨迹，下列说法中正确的是 (　 　)
A．磁场方向一定为垂直纸面向里
B．A放出的是α粒子，B放出的是β粒子
C．b为α粒子运动轨迹，c为β粒子运动轨迹
D．a轨迹中粒子比b轨迹中的粒子动量大
BC　
02
半衰期
原子核
二、半衰期
思考：一个氡原子核过多久会发生衰变呢？
1s
10min
一万年
单个的微观事件是不可预测的
（大量）
3.8天
+3.8天
放射性元素的原子核有半数发生衰变，所需要的时间是固定的，称为半衰期。
衰变
未衰变
关于半衰期的计算
最初的质量：m0
半衰期：τ
时间：t
未衰变的质量：
补充几点：
①半衰期必须是大量原子核满足的统计规律
②不同元素的原子核半衰期差异很大
③每一种原子核的半衰期是固定的，由原子核内部结构决定，与外部因素无关。
氡222-----3.8天
镭226-----1620年
轴238-----4.5×109年
例4：已知钍234的半衰期是24天，1g钍经过120天后还利多少
解：根据半衰期的定义，τ=24，t=120
剩下的钍为
课堂练习
【例题3】(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的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的规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断下列选项正确的是（ ）
A.铀238的半衰期为90亿年
B.地球的年龄大约为45亿年
C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的
铀、铅原子数之比约为1∶4
D.被测定的古老岩石样品在90亿年时的
铀、铅原子数之比约为1∶3
BD
03
核反应
原子核
三、核反应
天然放射现象是原子核自发的变化，科学家更加希望人工控制原子核的变化。
方法2：用质子、中子甚至用γ光子去轰击一些原子核，都可以
实现原子核的转变
方法1：a粒子轰击氮原子核：
1、定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。
2、规律：质量数和电荷数都守恒
（人类第一次实现原子核的人工转变。 ）
⑴1919 年，卢瑟福发现质子的核反应。
⑵1932 年查德威克发现中子的核反应。
⑶1934 年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应。
3、原子核人工转变的三大发现
I·约里奥·居里，1900～1958
F·约里奥·居里，1897～1956
法国科学家。是P·居里和M·居里的女儿和女婿.由于发现人工放射性而获得1935年诺贝尔化学奖.
相同点：在发生过程中质量数和电荷数都守恒；反应前后粒子总动量守恒
不同点：
人工转变是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生
衰变是原子核自发的变化，不受物理化学条件的影响
比如 俘获一个α粒子后放出1个质子：
用α粒子、质子、中子等去轰击其它元素的原子核，也都产生类似的转变。
5、人工转变与衰变的比较
指出下列核反应中的错误并更正：
练习题
04
放射性同位素及其应用
原子核
四、放射性同位素及其应用
很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。
分类：天然的放射性同位素和人工放射性同位素
放射强度容易控制
半衰期比较短
优点：
1.射线测厚仪
在钢板一面，放置γ射线源，另一面放着接收装置。那么钢板越厚，接收到了射线信号越弱，根据信号强度就可以测量金属板的厚度。
——利用γ射线具有很强的穿透性
2. 放射治疗
——γ射线对细胞有很强的杀伤力
——γ射线遗传基因发生变异
3. 培优
保鲜
——γ射线可以杀死细菌
4. 示踪原子
含有放射性同位素的磷肥
同位素化学性质相同，这样就可以用放射性同位素了解各元素的流向。
诊断甲状腺疾病
五、辐射与安全
人类一直生活在放射性的环境中
宇宙的射线
岩石放射性物质
不过这些射的强度都在安全剂量之内，对我们没有伤害。
电磁信号
然而过量的射线对人体组织有破坏作用，这种破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉。
所以使用放射性同位素质，都必须严格遵守操作规程，做好防护。防止对空气，水源等的污染。
例3：在下列4个核反应方程中，x表示质子的是( )
A.
B.
C.
D.
C
课堂练习
05
辐射与安全
原子核
人类一直生活在放射性的环境中。例如，地球上的每个角落都有来自宇宙的射线，我们周围的岩石，其中也有放射性物质。
人类一直生活在放射性的环境中
宇宙的射线
岩石放射性物质
不过这些射的强度都在安全剂量之内，对我们没有伤害。
电磁信号
然而过量的射线对人体组织有破坏作用，这种破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉。
所以使用放射性同位素质，都必须严格遵守操作规程，做好防护。防止对空气，水源等的污染。
体检时还会做X射线透视，这更是剂量比较大的照射。不过这些射的强度都在安全剂量之内，对我们没有伤害。
香烟中含有钋210
食盐和有些水晶眼镜片中含有钾40
我们的食物和日常用品中，有的也具有放射性
生活中的放射性污染：装修建材、家居饰品
大理石
原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污染。
在利用放射性同位素给病人做“放疗”时，如果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈，导致病人因放射性损害而死去。
过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然界产生破坏作用。
有些矿石中含有过量的放射性物质，如果不注意也会对人体造成巨大的危害。
然而过量的射线对人体组织有破坏作用，这种破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉。因此，在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意人身安全，同时要防上放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
第二次世界大战末的1945年8月6日，日本广岛遭美国原子弹轰炸。
1986年4月26日苏联发生切尔诺贝利核泄漏事故
辐射与安全
广岛原子弹事件
动物变异
植物变异
核反应堆外层用厚厚的水泥来防止泄露
核废料要放在很厚的重金属箱内，并埋在深海里.
生活中尽量远离放射源.
核反应堆外层的厚厚的水泥建筑
辐射源的存放
用过的核废料要放在很厚很厚的重金属箱内，并埋在深海里。
辐射与安全
放射性物质标志
核反应堆外层的厚厚的水泥建筑
在防护状态下操作放射性物质
防护
操作放射性物质的设备
在防护状态下操作放射性物质
全身污染检测仪
生活中，哪些植物可以吸收放射线呢？
生活中具有放射性的物质
仙人球
海带
大蒜
在生活中要有防范意识，尽可能远离放射源.
放射性物质标志
贫铀弹
STS
在1909年的科索沃战争中。贫轴被用于战场。以美国为首的北约军队共发射了31000多枚贫铀弹。贫轴弹的使用及其带来的严重后果，引起了世人的高度关注。
所谓“贫铀”是从天然轴中提取轴235后的废料，99％以上是铀238、由于它具有低水平的放射性，故称贫铀。贫轴合金具有高密度、高强度，性的特点，用它做弹芯可以报坚固的建筑物基至坦克等装甲目标。铀弹炸后的残留物会产生一定的放射性，对人体造成危害。由于残留物分布广泛，清理困难，所以贫铀弹的使用造成了环境灾难。
C-14（“碳钟”）年代测定法，又称放射性碳定年法，就是根据C-14衰变的程度来判定古生物体的年代，该项研究获得1960年诺贝尔化学奖。
要推断一块古木的年代，可以先把古木加温，制取1g碳的样品，再用粒子计数器进行测量。如果测得样品每分钟衰变的次数正好是现代植物所制样品的一半，表明这块古木经过了14C的一个半衰期，即5730年，如果测得每分钟衰变的次数是其他值，也可以根据半衰期计算出古木的年代。
稳定
14C 半衰期 τ =5730 年
【碳14测年技术】
科学漫步

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