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第五章 原子核
5.2 放射性元素的衰变
人教版（2019）高中物理选择性必修第二册
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
（电子 ）
（氦核 ）
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：
放射性衰变后的原子核
ɑ粒子
β粒子
放射性衰变后的原子核
天然放射现象中原子核自发地放出 α 射线或 β 射线，这样由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，就变成另一种原子核。 我们把这种变化称为原子核的衰变。
⑴α衰变
2、衰变的种类
原子核自发放出α粒子而转变为新核的过程叫α衰变。
原子核放出一个α 粒子（ ），质量数减少4，电荷数减少2，就成了一个新原子核的过程 。
比如铀238核放出一个α 粒子后，质量数减少4，电荷数减少2，就变成了钍234核。
在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量事实表明，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
衰变方程：
ɑ粒子
核
核
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？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？你能概括出α衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗？
α衰变的一般方程：
在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。
发生一次α衰变，困为原子序数减小2，所以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2位。
α衰变过程中质量数守恒，核电荷数守恒。
思考与讨论
⑵β衰变
原子核自发放出β粒子而转变为新核的过程叫β衰变。
原子核放出一个β 粒子（ ），质量数不变，电荷数增加1，就成了一个新原子核的过程 。
比如 发生α衰变后产生的 也具有放射性，它放出一个β 粒子后质量数没有改变，但电荷数增加了1 ，就变成镤 。
发生β衰变时，除了产生电子 外，还产生反电子中微子 。由于 的质量数和电荷数都是0，所以在中学教科书中一般都不写出。
核
β 粒子
核
“电荷数之和”指代数和，因为发生β衰变时，电子的电荷数是－1。
在β衰变中，质量数、核电荷数有什么变化规律？原子核里没有电子，β衰变中的电子来自哪里？
β衰变的一般方程：
β衰变过程中质量数守恒，核电荷数守恒。
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衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。
发生一次β衰变，困为原子序数增加1，所以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后移1位。
β衰变的本质
思考与讨论
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。
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。
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。
当放射性物质连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ射线辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线。
α衰变的本质
γ射线的产生
α、β、γ三种射线同时出现
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 ）
3、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。
【思考】设放射性元素 经过n 次α衰变和 m 次β衰变后，变成稳定的新元素 ，试分析：
（1）衰变方程
（2）衰变次数n 和 m
电荷数守恒：
质量数守恒：
解得：
5、衰变次数的计算
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
【菜鸟进击—例8】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？
三种射线
圆轨道1
02
半衰期
原子核
11.4
7.6
3.8
1/2
1/4
1/8
m/m0
t /天
0
1、半衰期（ ）：
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。
氡的衰变
m/m0
t /天
3.8
1/2
2×3.8
1/4
3×3.8
1/8
1/16
4×3.8
…
…
若放射性元素原来的质量为m0 、原子数为N0；剩余的质量m，剩余的原子数为N，半衰期为 ，半衰期个数为n，经过时间t，则：
⑴元素的半衰期由原子核内部的因素决定，只与元素的种类有关，跟元素所处的物理或化学状态无关。不同元素半衰期不同。
⑵半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。
氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天
镭226衰变为氡222的半衰期为1620年
铀238衰变为钍234的半衰期长达4.5×109年
半衰期是表示放射性元素本身衰变快慢的物理量。不同元素的半衰期不同，有的差别很大。例如：
衰变的半衰期描述的对象是大量的原子核，不是个别原子核，这是一个统计规律。
比如某原子核半衰期是2天，现在有两个这样的原子核，那么过两天后是不是就剩下一个了？
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念和外部条件没有关系。例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。这是因为圧力.温度或与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构。
03
核反应
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。
3、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。 ）
2、条件：用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。
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。
4、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
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。
1、放射性同位素的分类
⑴天然放射性同位素。
⑵人工放射性同位素。
2、人工放射性同位素的优势（与天然的放射性物质相比）
⑴放射强度容易控制。
⑵半衰期短，废料易处理。
不过40多种
已达1000多种
(3)可以制成各种需要的形状。
（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
3、放射性同位素及其应用
(2)放射治疗
——γ射线对细胞有很强的杀伤力
伽马刀治疗癌症
利用钴60的γ射线治疗癌症（放疗）
——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
培育优良品种
食品保鲜
食品保鲜
医学方面：人体甲状腺的工作需要碘，碘被吸收后会聚集在甲状腺内。给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病。
用碘-131诊断甲状腺
(4)示踪原子
—— 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。
棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收。
但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究。如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决．
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

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