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高中物理人教版选择性必修三教案
第五章 原子核
第5.2节 放射性元素的衰变
学习目标
了解原子核的衰变,会正确书写衰变方程。
知道半衰期及其统计意义。
知道核反应及其遵从的规律,会正确书写核反应方程。
4.知道放射性同位素和人工放射性同位素及其在生产和科学研究领域的应用,知道射线的危害及防护。
课前导学
基础知识导学
原子核的衰变
1．定义：
原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于______数变了，它在元素周期表中的____就变了，变成另一种______．我们把这种变化称为原子核的衰变．
2．衰变类型
(1)α衰变：放射性元素放出α粒子的衰变过程．放出一个α粒子，核的质量数______，电荷数______，成为新核．
(2)β衰变：放射性元素放出β粒子的衰变过程．放出一个β粒子后，核的质量数____，电荷数______．
3．衰变规律：原子核衰变时______和______都守恒．
4．衰变的实质
(1)α衰变的实质：2个____和2个____结合在一起形成α粒子．
(2)β衰变的实质：核内的________转化为了一个____和一个____．
(3)γ射线经常的伴随α衰变和β衰变产生的．
点睛：
U→Th＋He——α衰变方程
Th→Pa＋e——β衰变方程
“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.
半衰期
1．定义：放射性元素的原子核有____发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期．
2．特点：
(1)不同的放射性元素，半衰期______，甚至差别非常大．
(2)放射性元素衰变的快慢是由____________________决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________．
3．适用条件：半衰期描述的是________，不适用于单个原子的衰变．
4．半衰期的应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以通过测量衰变程度来推断________
核反应
1．定义：原子核在其他粒子的轰击下产生________或者发生状态变化的过程．
2．原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程N＋He―→________.
3．遵循规律：__________守恒，电荷数守恒．
放射性同位素及其应用
1．应用射线：利用γ射线的________可以测厚度等，还可以用于放射治疗、照射种子培育优良品种等．
2．示踪原子：一种元素的各种同位素具有________化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置．
辐射与安全
人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织________．要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染．
理解：
衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个微观事件不可以预测”．即半衰期只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义，某一个原子核何时发生衰变，是未知的．
衰变和原子核的人工转变的不同
衰变是具有放射性的不稳定核自发进行的变化，原子核的人工转变是用α粒子、质子、中子或光子轰击靶核发生的变化．
拓展：
放射性同位素的发现
1934年，约里奥一居里夫妇用α粒子轰击铝；发现生成物中含有放射性P，这是人类第一次发现放射性的同位素，而约里奥—居里夫妇由此获得1935年诺贝尔化学奖．
知识点探究
知识点一　原子核的衰变
钋(Po)和镭(Ra)是玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里在研究中发现的两种放射性很强的元素,并且在1902年,玛丽·居里从矿渣中提取出了0.1克的镭盐。
(1)原子核是由质子和中子组成的,当放射性元素放射出α粒子时,其原子核的质子数和中子数是否改变
(2)当原子核的质子数改变时,其在元素周期表中的位置是否改变
提示　(1)改变　(2)改变
1.定义:原子核自发地放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核,这种变化称为原子核的衰变。
2.衰变类型
(1)α衰变:放射性元素放出α粒子的衰变过程。放出一个α粒子后,核的质量数减少4,电荷数减少2,成为新核。
(2)β衰变:放射性元素放出β粒子的衰变过程。放出一个β粒子后,核的质量数不变,电荷数增加1。
3.衰变规律:原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
【思考】
如图为α衰变、β衰变示意图。
(1)当铀238发生α衰变时,铀原子核的质子数、中子数和质量数如何变化
(2)当钍234发生β衰变时,新核的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
(3)原子核衰变过程中遵循哪些规律
提示　(1)铀238发生α衰变时,质子数减少2,中子数减少2,质量数减少4。
(2)钍234发生β衰变时,新核的电荷数增加1;新核在元素周期表中的位置向后移动一位。
(3)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
例1　U是一种放射性元素,能够自发地进行一系列放射性衰变,如图所示,则下列说法正确的是(　　)
A.图中a是208
B.Y和Z都是β衰变
C.X衰变放出的电子是中子转变为质子时产生的
D.X衰变中放出的射线电离能力最强
答案　C
解析Bi衰变成Tl,核电荷数少2,所以Y衰变为α衰变,放出α粒子,质量数少4,则a=206Po衰变成Pb,质量数少4,核电荷数少2,所以Z衰变为α衰变,故A、B错误Bi衰变成Po,质量数不变,核电荷数增加1,所以发生的是β衰变,其放出的β射线电离能力比α射线的电离能力弱,其本质是原子核内的一个中子转化成一个质子,放出一个电子,故C正确,D错误。
　原子核衰变的理解
衰变类型 α衰变 β衰变
衰变方程 XYHe XYe
衰变实质 2个质子和2个中子结合成氦核 H+nHe 1个中子转化为1个质子和1个电子 nHe
典型方程 UThHe ThPae
衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
例2 (2023·重庆卷,6)原子核U可以经过多次α和β衰变成为稳定的原子核Pb,在该过程中,可能发生的β衰变是(　　)
AFrRae
BBiPoe
CRaAce
DPoAte
答案　A
解析　原子核U衰变成为稳定的原子核Pb,质量数减小了28,则经过了7次α衰变,中间生成的新核的质量数可能为231,227,223,219,215,211,则发生β衰变的原子核的质量数为上述各数,则B、C、D都不可能,根据核反应的质量数和电荷数守恒可知,A正确。
确定原子核衰变次数的方法与技巧
(1)方法:设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素Y,
则衰变方程为XY+He+e
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程:
A=A'+4n,Z=Z'+2n-m。
(2)技巧:为了确定衰变次数,一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因为β衰变对质量数没有影响),然后根据衰变规律确定β衰变的次数。
知识点二　半衰期
你知道考古学家根据什么推断古化石的年代吗
提示　只要测出古化石中碳14的含量就可以根据碳14的半衰期推断古化石的年龄。
1.定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,叫作这种元素的半衰期。
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,不适用于单个原子核的衰变。
4.衰变规律:N余=N原,m余=m0,式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量,N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量,t表示衰变时间,T1/2表示半衰期。
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。
【思考】
　针对放射性元素的半衰期,一同学提出了如下问题:1 g某种放射性元素,经过一个半衰期,其质量剩余0.5 g,如果有100个该放射性元素的原子核,经过一个半衰期,是否一定剩余50个呢
提示　不一定,半衰期是一个统计规律,当放射性元素很少时,半衰期的公式就不再适用。
例3 (多选)下列关于放射性元素的半衰期的几种说法正确的是(　　)
A.同种放射性元素,在化合物中的半衰期比在单质中长
B.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,只对大量的原子核适用
C.氡的半衰期是3.8天,若有4 g氡原子核,则经过7.6天就只剩下1 g氡
D.氡的半衰期是3.8天,若有4个氡原子核,则经过7.6天就只剩下一个氡原子核
答案　BC
解析　放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间叫半衰期,这是一个统计规律,对于大量的原子核才适用,对于少量原子核是不成立的,放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身的因素决定的,与原子所处的物理和化学状态无关,故A、D错误;由m余=m0可知,4 g氡原子核经过7.6天剩下1 g氡原子核,故B、C正确。
例4 (教材P110图5.2-4改编)放射性同位素衰变的快慢有一定的规律,如图所示为2 g Rn衰变后的质量随时间t变化的图像。
(1)求Rn的半衰期;
(2)已知Rn衰变成为Po,当生成的Po数量是Rn剩余数量的15倍时,求Rn衰变所经历的时间。
答案　(1)3.8 d　(2)15.2 d
解析　(1)根据半衰期定义和题图可知0.5 Rn衰变到0.25 g所用时间即为其半衰期
则其半衰期T1/2=11.4 d-7.6 d=3.8 d。
(2)当生成的Po数量是Rn剩余数量的15倍时,已经衰变的Rn是剩余Rn数量的15倍,设未衰变部分的质量为m,总质量为m0,则有=
又m=m0（）,联立解得t=15.2 d。
知识点三　核反应
1.核反应:原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程。
(1)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。
(2)实质:用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开,而是粒子打入原子核内部使核发生了转变。
2.原子核人工转变的三大发现
(1)1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,发现了质子的核反应方程NHe→OH。
(2)1932年查德威克用α粒子轰击铍,发现了中子的核反应方程BeHe→Cn。
(3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程AlHe→Pn,
PSie。
3.遵循规律:质量数守恒,电荷数守恒。
【思考】
原子核的人工转变与衰变有什么异同
提示　
不同点:原子核的人工转变,是一种核反应,是其他粒子与原子核相互作用的结果,需要一定的装置和条件才能发生;而衰变是原子核的自发变化,它不受物理化学条件的影响。
相同点:人工转变与衰变过程一样,在发生过程中质量数与电荷数都守恒,反应前后粒子总动量守恒。
例5 (2023·北京卷,3)下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是(　　)
A.UnBaKr+(　　)
BUTh+(　　)
CNHeO+(　　)
DCN+(　　)
答案　A
解析　根据电荷数守恒和质量数守恒知,核反应方程为Un→BaKr+n,故A正确;核反应方程为UThHe,故B错误;核反应方程为NHeOH,故C错误;核反应方程为CNe,故D错误。
书写核反应方程时要注意
(1)质量数守恒和电荷数守恒。
(2)中间用箭头,不能写成等号。
(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒,核反应过程中,一般会发生质量的变化。
训练1 我国发射的“嫦娥”系列月球探测器,在着陆器和月球车内均安置有钚-238,以确保仪器舱内温度不会很低,让搭载的仪器安然度过月夜,成为仪器的“暖宝宝”Pu可以通过以下过程得到UHNp+nNp→XPu,则下列说法正确的是(　　)
A.k=1,X为质子 B.k=2,X为电子
C.k=1,X为电子 D.k=2,X为质子
答案　B
解析　在核反应方程UHNp+n中,由电荷数守恒和质量数守恒可得238+2=238+k,解得k=2,在核反应方程Np→XPu中,由电荷数守恒和质量数守恒可得93=Z+94,238=A+238,解得Z=-1,A=0,所以X为电子,故B正确,A、C、D错误。
知识点四　放射性同位素及其应用　辐射与安全
人工放射性同位素的放射强度易于控制,它的半衰期比天然放射性物质短得多,因此在国民经济和科学研究的各个领域得到广泛的应用。
(1)能用α射线来测量金属板的厚度吗
(2)γ射线照射食品延长保存期的原理是什么
提示　(1)不能。
(2)用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保存期。
1.放射性同位素
(1)定义:具有放射性的同位素。
(2)类型:天然放射性同位素和人工放射性同位素。
(3)人工放射性同位素具有资源丰富、放射强度容易控制、半衰期较短和放射性废料容易处理的优点。
2.放射性同位素的应用
(1)射线测厚仪:使用放射性同位素发出的射线来测厚度。
(2)放射治疗:利用放射性同位素发出的射线破坏癌细胞组织。
(3)培优、保鲜:利用放射性同位素放出的γ射线照射种子,培养优良品种;照射食品可以杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保存期。
(4)示踪原子:一种元素的各种同位素有相同的化学性质,用放射性同位素代替非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置。
3.辐射与安全:人类一直生活在放射性的环境中,过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
例6 (多选)关于人工放射性同位素,下列说法正确的是(　　)
A.人工放射性同位素的半衰期比天然放射性物质的半衰期长很多
B.人工放射性同位素的放射强度容易控制
C.人工放射性同位素的γ射线能进行金属探伤
D.使用人工放射性同位素也要遵守操作规程,防止对空气、水源、用具等的污染
答案　BCD
解析　人工放射性同位素的半衰期比天然放射性物质的短,故A错误;人工放射性同位素的放射强度容易控制,故B正确;人工放射性同位素的γ射线能进行金属探伤,故C正确;使用人工放射性同位素也要遵守操作规程,防止对空气、水源、用具等的污染,故D正确。
训练2 下列说法正确的是(　　)
A.给农作物施肥时,在肥料里放一些放射性同位素,是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好
B.输油管道漏油时,可以在输送的油中放一些放射性同位素探测其射线,确定漏油位置
C.天然放射性元素也可以作为示踪原子加以利用,只是较少,经济上不划算
D.放射性元素被植物吸收,其放射性将发生改变
答案　B
解析　放射性元素与它的同位素的化学性质相同,但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节对含有哪种元素的肥料吸收率高,无论植物吸收含放射性元素的肥料,还是无放射性肥料,植物生长是相同的,A错误;放射性同位素,含量易控制,衰变周期短,不会对环境造成永久污染,而天然放射性元素,剂量不易控制、衰变周期长,会污染环境,所以不用天然放射性元素作为示踪原子,C错误;放射性是原子核本身的性质,与元素的状态、组成等无关,D错误;放射性同位素可以向周围释放射线,只要在管道周围寻找射线源,就可找到漏油位置,B正确。
随堂对点自测
1.(半衰期)下列关于放射性元素半衰期的说法正确的是(　　)
A.100个放射性元素原子核经过一个半衰期后剩余50个未衰变的原子核
B.通过化学方法可以改变放射性元素的半衰期
C.通过物理方法可以改变放射性元素的半衰期
D.半衰期越长对环境的影响时间越长
答案　D
解析　半衰期具有统计规律,对大量原子核适用,对少数原子核不适用,故A错误;半衰期是由放射性元素核内部自身因素决定的,与物理状态和化学状态无关,故B、C错误;半衰期越长的放射性元素衰变的越慢,对环境的影响时间越长,故D正确。
2.(原子核的衰变)(2025·南阳市高二期末)含有钍Th)元素的花岗岩会释放出放射性气体氡Rn),从而放出α、β、γ射线,下列说法正确的是(　　)
A.发生α衰变时,生成的原子核比原来的原子核少4个中子
B.β衰变所释放的电子来自原子核的最外层
C.γ射线的穿透能力和电离能力均最强
D.α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的
答案　D
解析　发生α衰变时,生成的原子核比原来的原子核少2个质子,4个核子,所以少2个中子,故A错误;β衰变所释放的电子是原子核内部的一个中子转化成一个质子的同时释放出来的,故B错误;γ射线电离能力最弱,但穿透能力最强,故C错误;α、β、γ三种射线都是从原子核内部释放出来的,故D正确。
3.(核反应)(多选)关于核反应,下列说法正确的是(　　)
A.在核反应中,质量守恒、电荷数守恒
B.核反应方程UThHe属于α衰变
C.核反应方程NHeOH属于原子核的人工转变
D.核反应方程CNe属于β衰变,而β射线来自原子外层的电子
答案　BC
解析　核反应遵循质量数守恒,电荷数守恒,故A错误;根据核反应的特点可知,核反应方程U→ThHe属于α衰变,故B正确;核反应方程NHe→OH属于人工转变,故C正确;β衰变是原子核的衰变,与核外电子无关,β衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子的同时释放出来的,故D错误。
课后巩固训练
对点题组练
题组一　原子核的衰变
1.(2023·海南卷,1)钍元素衰变时会放出β粒子,其中β粒子是(　　)
A.中子 B.质子
C.电子 D.光子
答案　C
解析　由教材知识可知,β粒子为电子,C正确。
2.由于放射性元素Np的半衰期很短,所以在自然界一直未被发现,只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi,下列判断中正确的是(　　)
A.Bi的原子核比Np的原子核少28个中子
BBi的原子核比Np的原子核少8个中子
C.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变
D.衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变
答案　C
解析Bi的原子核有209-83=126个中子,Np的原子核有237-93=144个中子,则Bi的原子核比Np的原子核少18个中子,选项A、B错误;设衰变过程中共发生了x次α衰变,y次β衰变,则由质量数守恒和电荷数守恒有237-209=4x,93-2x+y=83,解得x=7,y=4,选项C正确,D错误。
3.(多选)放射性元素U衰变有多种可能途径,其中一种途径是先变成Bi,而Bi可以经一次衰变变成X(X代表某种元素),也可以经一次衰变变成TlX和Tl最后都变成Pb,衰变路径如图所示。则(　　)
A.a=82,b=211
BBiX是α衰变BiTl是β衰变
CXPb是α衰变TlPb是β衰变
DTl经过一次β衰变变成Pb
答案　CD
解析Bi经过一次衰变变成X,质量数没有发生变化,为β衰变,即BiX+e,解得a=84Bi经过一次衰变变成Tl,核电荷数少2,为α衰变,即BiTlHe,解得b=206,故A、B错误;结合A、B可知X→PbHe,是α衰变;TlPbe,是β衰变,故C、D正确。
题组二　半衰期
4.碘131的半衰期约为8天,若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有(　　)
A. B.
C. D.
答案　C
解析　由半衰期公式m条=m可知,m条=m×=,故C正确。
5.一块含铀的矿石质量为M,其中铀元素的质量为m,铀发生一系列衰变,最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T1/2,那么下列说法中正确的是(　　)
A.经过2个半衰期后,这块矿石中基本不再含有铀
B.经过2个半衰期后,原来所含的铀元素的原子核有发生了衰变
C.经过3个半衰期后,其中铀元素的质量还剩
D.经过1个半衰期后,该矿石的质量剩下
答案　C
解析　经过2个半衰期后,矿石中剩余的铀元素的质量为,故A、B错误;经过3个半衰期后,矿石中剩余的铀元素的质量为,故C正确;因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中,所以矿石质量没有太大的改变,故D错误。
6.(2025·黑龙江哈尔滨高二期末)来自外太空的宇宙射线在进入地球大气层,可能会与大气中的氮原子作用而产生质子,中子与氮14发生的核反应方程是N+n→C+H,产生的C不够稳定,能自发进行β衰变,其半衰期为5 730年,考古学家可利用C的衰变规律推断出古木的年代,下列说法正确的是(　　)
A.C发生β衰变的生成物是N
B.C的半衰期随温度的降低而变长
C.2个C经过5 730年必有一个发生衰变
D.若测得一古木样品的C含量为活体植物的,可知该古木距今约11 460年
答案　D
解析　根据题意可知C发生β衰变的衰变方程为CN+e,即C发生β衰变的产物是N,故A错误;半衰期与外界环境无关,故B错误;半衰期是适用于大量原子核衰变的一种统计规律,不适用于少数原子核衰变,故C错误;若测得一古木样品的C含量为活体植物的,可知经过了2个半衰期,则该古木距今约为5 730×2年=11 460年,故D正确。
题组三　核反应
7.(2025·八省联考云南卷,1) 我国科学家将放射性元素镅243(Am)引入到能量转换器中来提高转换效率。若镅243的衰变方程为AmXY,X、Y代表两种不同的元素符号,则(　　)
A.a=239,b=1 B.a=239,b=2
C.a=247,b=1 D.a=247,b=2
答案　B
解析　由质量数守恒和电荷数守恒可知243=a+4,95=93+b,解得a=239, b=2,故B正确。
8.(2024·广东卷,2)我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。其科学目标之一是探寻神秘的“119号”元素,科学家尝试使用核反应YAmX+n产生该元素。关于原子核Y和质量数A,下列选项正确的是(　　)
A.Y为Fe,A=299 B.Y为Fe,A=301
C.Y为Cr,A=295 D.Y为Cr,A=297
答案　C
解析　核反应方程为YAmX+n,设Y的电荷数为y,根据电荷数守恒有y+95=119+0,可得y=24,即Y为Cr;根据质量数守恒有54+243=A+2,可得A=295,故C正确。
题组四　放射性同位素及其应用　辐射与安全
9.(多选)下列有关放射性同位素P的说法,正确的是(　　)
A.P与X互为同位素
BP与其同位素有相同的化学性质
C.用P制成化合物后它的半衰期变长
DP能释放正电子,可用作示踪原子,观察磷肥对植物的影响
答案　BD
解析　同位素有相同的质子数,不同的质量数,故A错误;同位素有相同的化学性质,故B正确;半衰期与原子核的物理、化学状态无关,故C错误P为放射性同位素,可用作示踪原子,故D正确。
10.在放射性同位素的应用中,下列做法正确的是(　　)
A.应该用α射线探测物体的厚度
B.应该用γ粒子放射源制成“烟雾报警器”
C.放射育种利用γ射线照射种子使遗传基因发生变异
D.医院在利用放射线诊断疾病时用半衰期较长的放射性同位素
答案　C
解析　γ射线的穿透能力最强,应该用γ射线探测物体的厚度,故A错误;因为α粒子的电离作用强,所以应该用α粒子放射源制成“烟雾报警器”,故B错误;γ光子的穿透能力最强,从而使种子的遗传基因发生变异,故C正确;人体长时间接触放射线会影响健康,所以医院在利用放射线诊断疾病时用半衰期较短的放射性同位素,故D错误。
综合提升练
11.医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线,而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn,经过时间t后剩余的113Sn质量为m,其-t图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为(　　)
A.67.3 d B.101.0 d
C.115.1 d D.124.9 d
答案　C
解析　纵坐标由变为,说明这m0的113Sn中正好有一半的113Sn发生了衰变,经过的时间为一个半衰期,因此半衰期T1/2=t2-t1=115.1 d,C正确。
12.正电子发射计算机断层扫描,其原理是借助于示踪剂(正电子放射线药物)可以聚集到病变部位的特点来发现疾病。常用核素氧15标记,其半衰期仅有2分钟。对含氧元素的物质照射20~50 MeV的X射线,激发原子核边缘的中子,可以产生氧15正电子核素。下列说法正确的是(　　)
A.用30 MeV的X射线照射氧16时,生成氧15的同时释放出中子
B.氧15发生正电子衰变时,生成的新核含有9个中子
C.经过10分钟,氧15的含量减小为原来的
D.将氧15置于回旋加速器中,其半衰期可能发生变化
答案　A
解析　用30 MeV的X射线照射氧16时,生成氧15的同时释放出中子,核反应方程为XO→On,故A正确;氧15产生正电子的衰变方程为OeN,生成的新核有8个中子,故B错误;经过10分钟,即经过5个半衰期,剩余氧15的含量m=m0=m0,故C错误;改变元素所处的物理环境和化学状态,半衰期不改变,故D错误。
培优加强练
13.天然放射性铀U)发生衰变后产生钍Th)和另一个原子核。
(1)请写出衰变方程;
(2)若衰变前铀U)核的速度为v,衰变产生的钍Th)核的速度为,且与铀核速度方向相同,试估算产生的另一种新核的速度。
答案　(1UThHe
(2)v,方向与铀核速度方向相同
解析　(1)由原子核衰变时电荷数和质量数都守恒可得其衰变方程为UThHe。
(2)由(1)知新核为氦核,设氦核的速度为v',一个核子的质量为m,则氦核的质量为4m、铀核的质量为238m、钍核的质量为234m,由动量守恒定律得
238mv=234m·+4mv'
解得v'=v,方向与铀核速度方向相同。
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高中物理人教版选择性必修三教案
第五章 原子核
第5.2节 放射性元素的衰变
学习目标
了解原子核的衰变,会正确书写衰变方程。
知道半衰期及其统计意义。
知道核反应及其遵从的规律,会正确书写核反应方程。
4.知道放射性同位素和人工放射性同位素及其在生产和科学研究领域的应用,知道射线的危害及防护。
课前导学
基础知识导学
原子核的衰变
1．定义：
原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于______数变了，它在元素周期表中的____就变了，变成另一种______．我们把这种变化称为原子核的衰变．
2．衰变类型
(1)α衰变：放射性元素放出α粒子的衰变过程．放出一个α粒子，核的质量数______，电荷数______，成为新核．
(2)β衰变：放射性元素放出β粒子的衰变过程．放出一个β粒子后，核的质量数____，电荷数______．
3．衰变规律：原子核衰变时______和______都守恒．
4．衰变的实质
(1)α衰变的实质：2个____和2个____结合在一起形成α粒子．
(2)β衰变的实质：核内的________转化为了一个____和一个____．
(3)γ射线经常的伴随α衰变和β衰变产生的．
点睛：
U→Th＋He——α衰变方程
Th→Pa＋e——β衰变方程
“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.
半衰期
1．定义：放射性元素的原子核有____发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期．
2．特点：
(1)不同的放射性元素，半衰期______，甚至差别非常大．
(2)放射性元素衰变的快慢是由____________________决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________．
3．适用条件：半衰期描述的是________，不适用于单个原子的衰变．
4．半衰期的应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以通过测量衰变程度来推断________
核反应
1．定义：原子核在其他粒子的轰击下产生________或者发生状态变化的过程．
2．原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程N＋He―→________.
3．遵循规律：__________守恒，电荷数守恒．
放射性同位素及其应用
1．应用射线：利用γ射线的________可以测厚度等，还可以用于放射治疗、照射种子培育优良品种等．
2．示踪原子：一种元素的各种同位素具有________化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置．
辐射与安全
人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织________．要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染．
理解：
衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个微观事件不可以预测”．即半衰期只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义，某一个原子核何时发生衰变，是未知的．
衰变和原子核的人工转变的不同
衰变是具有放射性的不稳定核自发进行的变化，原子核的人工转变是用α粒子、质子、中子或光子轰击靶核发生的变化．
拓展：
放射性同位素的发现
1934年，约里奥一居里夫妇用α粒子轰击铝；发现生成物中含有放射性P，这是人类第一次发现放射性的同位素，而约里奥—居里夫妇由此获得1935年诺贝尔化学奖．
知识点探究
知识点一　原子核的衰变
钋(Po)和镭(Ra)是玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里在研究中发现的两种放射性很强的元素,并且在1902年,玛丽·居里从矿渣中提取出了0.1克的镭盐。
(1)原子核是由质子和中子组成的,当放射性元素放射出α粒子时,其原子核的质子数和中子数是否改变
(2)当原子核的质子数改变时,其在元素周期表中的位置是否改变
1.定义:原子核自发地放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核,这种变化称为原子核的衰变。
2.衰变类型
(1)α衰变:放射性元素放出α粒子的衰变过程。放出一个α粒子后,核的质量数减少4,电荷数减少2,成为新核。
(2)β衰变:放射性元素放出β粒子的衰变过程。放出一个β粒子后,核的质量数不变,电荷数增加1。
3.衰变规律:原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
【思考】
如图为α衰变、β衰变示意图。
(1)当铀238发生α衰变时,铀原子核的质子数、中子数和质量数如何变化
(2)当钍234发生β衰变时,新核的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
(3)原子核衰变过程中遵循哪些规律
例1　U是一种放射性元素,能够自发地进行一系列放射性衰变,如图所示,则下列说法正确的是(　　)
A.图中a是208
B.Y和Z都是β衰变
C.X衰变放出的电子是中子转变为质子时产生的
D.X衰变中放出的射线电离能力最强
　原子核衰变的理解
衰变类型 α衰变 β衰变
衰变方程 XYHe XYe
衰变实质 2个质子和2个中子结合成氦核 H+nHe 1个中子转化为1个质子和1个电子 nHe
典型方程 UThHe ThPae
衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
例2 (2023·重庆卷,6)原子核U可以经过多次α和β衰变成为稳定的原子核Pb,在该过程中,可能发生的β衰变是(　　)
AFrRae
BBiPoe
CRaAce
DPoAte
确定原子核衰变次数的方法与技巧
(1)方法:设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素Y,
则衰变方程为XY+He+e
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程:
A=A'+4n,Z=Z'+2n-m。
(2)技巧:为了确定衰变次数,一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因为β衰变对质量数没有影响),然后根据衰变规律确定β衰变的次数。
知识点二　半衰期
你知道考古学家根据什么推断古化石的年代吗
提示　只要测出古化石中碳14的含量就可以根据碳14的半衰期推断古化石的年龄。
1.定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,叫作这种元素的半衰期。
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,不适用于单个原子核的衰变。
4.衰变规律:N余=N原,m余=m0,式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量,N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量,t表示衰变时间,T1/2表示半衰期。
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。
【思考】
　针对放射性元素的半衰期,一同学提出了如下问题:1 g某种放射性元素,经过一个半衰期,其质量剩余0.5 g,如果有100个该放射性元素的原子核,经过一个半衰期,是否一定剩余50个呢
例3 (多选)下列关于放射性元素的半衰期的几种说法正确的是(　　)
A.同种放射性元素,在化合物中的半衰期比在单质中长
B.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,只对大量的原子核适用
C.氡的半衰期是3.8天,若有4 g氡原子核,则经过7.6天就只剩下1 g氡
D.氡的半衰期是3.8天,若有4个氡原子核,则经过7.6天就只剩下一个氡原子核
例4 (教材P110图5.2-4改编)放射性同位素衰变的快慢有一定的规律,如图所示为2 g Rn衰变后的质量随时间t变化的图像。
(1)求Rn的半衰期;
(2)已知Rn衰变成为Po,当生成的Po数量是Rn剩余数量的15倍时,求Rn衰变所经历的时间。
知识点三　核反应
1.核反应:原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程。
(1)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。
(2)实质:用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开,而是粒子打入原子核内部使核发生了转变。
2.原子核人工转变的三大发现
(1)1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,发现了质子的核反应方程NHe→OH。
(2)1932年查德威克用α粒子轰击铍,发现了中子的核反应方程BeHe→Cn。
(3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程AlHe→Pn,
PSie。
3.遵循规律:质量数守恒,电荷数守恒。
【思考】
原子核的人工转变与衰变有什么异同
例5 (2023·北京卷,3)下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是(　　)
A.UnBaKr+(　　)
BUTh+(　　)
CNHeO+(　　)
DCN+(　　)
书写核反应方程时要注意
(1)质量数守恒和电荷数守恒。
(2)中间用箭头,不能写成等号。
(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒,核反应过程中,一般会发生质量的变化。
训练1 我国发射的“嫦娥”系列月球探测器,在着陆器和月球车内均安置有钚-238,以确保仪器舱内温度不会很低,让搭载的仪器安然度过月夜,成为仪器的“暖宝宝”Pu可以通过以下过程得到UHNp+nNp→XPu,则下列说法正确的是(　　)
A.k=1,X为质子 B.k=2,X为电子
C.k=1,X为电子 D.k=2,X为质子
知识点四　放射性同位素及其应用　辐射与安全
人工放射性同位素的放射强度易于控制,它的半衰期比天然放射性物质短得多,因此在国民经济和科学研究的各个领域得到广泛的应用。
(1)能用α射线来测量金属板的厚度吗
(2)γ射线照射食品延长保存期的原理是什么
1.放射性同位素
(1)定义:具有放射性的同位素。
(2)类型:天然放射性同位素和人工放射性同位素。
(3)人工放射性同位素具有资源丰富、放射强度容易控制、半衰期较短和放射性废料容易处理的优点。
2.放射性同位素的应用
(1)射线测厚仪:使用放射性同位素发出的射线来测厚度。
(2)放射治疗:利用放射性同位素发出的射线破坏癌细胞组织。
(3)培优、保鲜:利用放射性同位素放出的γ射线照射种子,培养优良品种;照射食品可以杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保存期。
(4)示踪原子:一种元素的各种同位素有相同的化学性质,用放射性同位素代替非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置。
3.辐射与安全:人类一直生活在放射性的环境中,过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
例6 (多选)关于人工放射性同位素,下列说法正确的是(　　)
A.人工放射性同位素的半衰期比天然放射性物质的半衰期长很多
B.人工放射性同位素的放射强度容易控制
C.人工放射性同位素的γ射线能进行金属探伤
D.使用人工放射性同位素也要遵守操作规程,防止对空气、水源、用具等的污染
训练2 下列说法正确的是(　　)
A.给农作物施肥时,在肥料里放一些放射性同位素,是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好
B.输油管道漏油时,可以在输送的油中放一些放射性同位素探测其射线,确定漏油位置
C.天然放射性元素也可以作为示踪原子加以利用,只是较少,经济上不划算
D.放射性元素被植物吸收,其放射性将发生改变
随堂对点自测
1.(半衰期)下列关于放射性元素半衰期的说法正确的是(　　)
A.100个放射性元素原子核经过一个半衰期后剩余50个未衰变的原子核
B.通过化学方法可以改变放射性元素的半衰期
C.通过物理方法可以改变放射性元素的半衰期
D.半衰期越长对环境的影响时间越长
2.(原子核的衰变)(2025·南阳市高二期末)含有钍Th)元素的花岗岩会释放出放射性气体氡Rn),从而放出α、β、γ射线,下列说法正确的是(　　)
A.发生α衰变时,生成的原子核比原来的原子核少4个中子
B.β衰变所释放的电子来自原子核的最外层
C.γ射线的穿透能力和电离能力均最强
D.α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的
3.(核反应)(多选)关于核反应,下列说法正确的是(　　)
A.在核反应中,质量守恒、电荷数守恒
B.核反应方程UThHe属于α衰变
C.核反应方程NHeOH属于原子核的人工转变
D.核反应方程CNe属于β衰变,而β射线来自原子外层的电子
课后巩固训练
对点题组练
题组一　原子核的衰变
1.(2023·海南卷,1)钍元素衰变时会放出β粒子,其中β粒子是(　　)
A.中子 B.质子
C.电子 D.光子
2.由于放射性元素Np的半衰期很短,所以在自然界一直未被发现,只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi,下列判断中正确的是(　　)
A.Bi的原子核比Np的原子核少28个中子
BBi的原子核比Np的原子核少8个中子
C.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变
D.衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变
3.(多选)放射性元素U衰变有多种可能途径,其中一种途径是先变成Bi,而Bi可以经一次衰变变成X(X代表某种元素),也可以经一次衰变变成TlX和Tl最后都变成Pb,衰变路径如图所示。则(　　)
A.a=82,b=211
BBiX是α衰变BiTl是β衰变
CXPb是α衰变TlPb是β衰变
DTl经过一次β衰变变成Pb
题组二　半衰期
4.碘131的半衰期约为8天,若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有(　　)
A. B.
C. D.
5.一块含铀的矿石质量为M,其中铀元素的质量为m,铀发生一系列衰变,最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T1/2,那么下列说法中正确的是(　　)
A.经过2个半衰期后,这块矿石中基本不再含有铀
B.经过2个半衰期后,原来所含的铀元素的原子核有发生了衰变
C.经过3个半衰期后,其中铀元素的质量还剩
D.经过1个半衰期后,该矿石的质量剩下
6.(2025·黑龙江哈尔滨高二期末)来自外太空的宇宙射线在进入地球大气层,可能会与大气中的氮原子作用而产生质子,中子与氮14发生的核反应方程是N+n→C+H,产生的C不够稳定,能自发进行β衰变,其半衰期为5 730年,考古学家可利用C的衰变规律推断出古木的年代,下列说法正确的是(　　)
A.C发生β衰变的生成物是N
B.C的半衰期随温度的降低而变长
C.2个C经过5 730年必有一个发生衰变
D.若测得一古木样品的C含量为活体植物的,可知该古木距今约11 460年
题组三　核反应
7.(2025·八省联考云南卷,1) 我国科学家将放射性元素镅243(Am)引入到能量转换器中来提高转换效率。若镅243的衰变方程为AmXY,X、Y代表两种不同的元素符号,则(　　)
A.a=239,b=1 B.a=239,b=2
C.a=247,b=1 D.a=247,b=2
8.(2024·广东卷,2)我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。其科学目标之一是探寻神秘的“119号”元素,科学家尝试使用核反应YAmX+n产生该元素。关于原子核Y和质量数A,下列选项正确的是(　　)
A.Y为Fe,A=299 B.Y为Fe,A=301
C.Y为Cr,A=295 D.Y为Cr,A=297
题组四　放射性同位素及其应用　辐射与安全
9.(多选)下列有关放射性同位素P的说法,正确的是(　　)
A.P与X互为同位素
BP与其同位素有相同的化学性质
C.用P制成化合物后它的半衰期变长
DP能释放正电子,可用作示踪原子,观察磷肥对植物的影响
10.在放射性同位素的应用中,下列做法正确的是(　　)
A.应该用α射线探测物体的厚度
B.应该用γ粒子放射源制成“烟雾报警器”
C.放射育种利用γ射线照射种子使遗传基因发生变异
D.医院在利用放射线诊断疾病时用半衰期较长的放射性同位素
综合提升练
11.医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线,而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn,经过时间t后剩余的113Sn质量为m,其-t图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为(　　)
A.67.3 d B.101.0 d
C.115.1 d D.124.9 d
12.正电子发射计算机断层扫描,其原理是借助于示踪剂(正电子放射线药物)可以聚集到病变部位的特点来发现疾病。常用核素氧15标记,其半衰期仅有2分钟。对含氧元素的物质照射20~50 MeV的X射线,激发原子核边缘的中子,可以产生氧15正电子核素。下列说法正确的是(　　)
A.用30 MeV的X射线照射氧16时,生成氧15的同时释放出中子
B.氧15发生正电子衰变时,生成的新核含有9个中子
C.经过10分钟,氧15的含量减小为原来的
D.将氧15置于回旋加速器中,其半衰期可能发生变化
培优加强练
13.天然放射性铀U)发生衰变后产生钍Th)和另一个原子核。
(1)请写出衰变方程;
(2)若衰变前铀U)核的速度为v,衰变产生的钍Th)核的速度为,且与铀核速度方向相同,试估算产生的另一种新核的速度。
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