资源简介 (共20张PPT)第五章 原子与原子核第四节 放射性同位素当你在超市购买真空包装的熟食或新鲜水果时,是否想过它们如何在常温下长时间保鲜?这背后离不开一种 “看不见的武器”——钴 - 60(Co-60)。这种放射性同位素释放的γ 射线能穿透食品,杀灭细菌和虫卵,却不会让食物本身 “带毒”。为什么 γ 射线能灭菌而不改变食物性质?钴 - 60 的放射性是否会危害人体健康?学习目标1.知道同位素的概念;2.知道放射性同位素的应用;3.知道放射性污染及其危害,了解防范放射线的措施。一、放射性同位素的发现1934年,约里奥·居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷 。反应生成物 是磷的一种同位素,自然界没有天然的 ,它有放射性,向天然放射性元素一样发射衰变,衰变是放出正电子和中微子。(1)这是人类第一次发现正电子(2)虽然有正电子的存在,但没有特殊说明,电子均指负电子人工放射性同位素和天然放射性同位素相比的优点:具有放射性的同位素称为放射性同位素。(1)放射强度容易控制;(2)半衰期短,废料容易处理。天然放射性同位素只有六十几种,而今人工制造的放射性同位素已达一千多种。二、放射性同位素的应用放射性同位素在地质、治金、石油工业,农业、医学、考古等领域得到了广泛的应用。1.利用它的射线(1)利用人工放射性同位素放出的γ射线的穿透本领检查金属部件是否存在砂眼、裂痕,即利用射线探伤。射线探伤示意图(2)在化纤,纺织等工业生产中,利用射线使空气电离而把空气变成导电气体,以消除化纤、纺织品上的静电。(3)在农业方面,利用 射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,经过筛选可以培育出优良品种。用 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。(4)在医疗方面,患了癌症的病人可以接受钴 60 的放射治疗。为什么射线能够用于治疗癌症呢?原来人体组织对射线的耐受能力是不同的,细胞分裂越快的组织,它对射线的耐受能力就越弱。像癌细胞那样,不断迅速繁殖的、无法控制的细胞组织,在射线照射下破坏得比健康细胞快。2.作为示踪原子(1)在农业上,把含有放射性元素(如磷32)的肥料施给农作物,利用探测器的测量,找出合理的施肥规律。棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥,利用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上,被植物吸收,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,就可知道什么时候磷的吸收率最高、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。(2)在医学上,给怀疑患有甲状腺的病人注射碘131,诊断甲状腺的器质性和功能性疾病;也可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围。(3)在工业上,可利用放射性同位素来检测机件的磨损情况,以便及时更换机件。在半导体制造工艺中可利用示踪原子推测杂质在半导体内的扩散情况,以便控制掺杂过程。(4)利用含有放射性碘131的油,检测地下输油管的漏油情况。3.半衰期的应用在地质和考古的工作中,可利用放射性衰变的半衰期来推断地层或古代文物的年代。动物变异植物变异切尔诺贝利核电站射线的危害:射线能使物体或机体发生一些物理、化学或生化变化。三、射线的危害及防护【讨论与交流】在医院放射科会见到如图所示的辐射标志,请查阅资料,了解技术人员进行辐射防护的措施,以及这些防护措施的原理。遭原子弹炸后的广岛使用铅防护服等屏蔽防护用具,利用铅对辐射的吸收和阻挡特性减少辐射照射;保持安全距离,依据辐射剂量与距离平方成反比原理,远离辐射源降低受照剂量;控制操作时间,因为辐射累积剂量与时间成正比,减少操作时长可减少辐射暴露;还会设置屏蔽墙等防护设施,阻挡辐射传播。射线的防护:(1)内照射防护:尽可能地隔离放射性物质进入人体的各种途径。(2)外照射防护:①缩短受照射时间;②增大与辐射源间的距离;③屏蔽射线。1.关于放射性同位素的发现,下列说法正确的是( )A. 天然放射性同位素种类超过一千种B. 约里奥 居里夫妇首次发现正电子C. 人工放射性同位素半衰期长,废料难处理D. 放射性同位素衰变均释放负电子B2.在射线探伤技术中,主要利用的射线特性是( )A. α 射线的电离能力B. β 射线的穿透能力C. γ 射线的穿透能力D. 中子流的散射特性C3.医学上诊断甲状腺疾病时,常用哪种放射性同位素作为示踪原子( )A. 磷 - 32B. 碘 - 131C. 钴 - 60D. 铀 - 235B4.下列哪种防护措施利用了 “辐射剂量与距离平方成反比” 的原理( )A. 穿戴铅防护服B. 设置屏蔽墙C. 缩短操作时间D. 保持安全距离D放射性同位素放射性同位素的发现约里奥-居里夫妇放射性同位素的应用射线的危害及防护半衰期的应用示踪原子的应用射线的应用外照射防护内照射防护(共21张PPT)第五章 原子与原子核第二节 放射性元素衰变在古代,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,这就是放射性元素的衰变过程学习目标1.知道天然放射现象及其规律;2.理解三种射线的本质,以及如何利用磁场区分它们;3.知道放射现象的实质是原子核的衰变;4.知道两种衰变的基本性质,掌握原子核的衰变规律。放射性:物质发射射线的性质称为放射性。放射性元素:具有放射性的元素称为放射性元素。天然放射现象:放射性元素自发地放出射线的现象。放大了1000倍的铀矿石放射性不是少数几种元素才有的,研究发现,原子序数大于或等于83的所有元素,都能自发的放出射线原子序数小于83的元素,有的也具有放射性。元素的放射性是原子的性质还是原子核的性质呢?一、放射性的发现实验表明: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,即放射性与元素所处的化学状态无关。由于元素的化学性质取决于原子核外的电子,因此: 射线来源于原子核。原子核具有内部结构。原子核二、原子核衰变放射性元素放出的三种常见射线:α射线、 β射线和γ射线。为了探究三种射线的性质,将三种射线射入电场中,偏转情况如图所示,便可以通过偏转情况判定其电性。× × × × ×× × × × ×× × × × ×× × × × × α射线β射线γ射线正电负电α射线+β射线-γ射线电场E将带正电的射线命名为ɑ射线将带负电的射线命名为β射线将不带电的射线命名为γ射线1.三种射线的性质、特性α射线 β射线 γ射线本质速度特性氦核 α粒子流电子流光子流光速的光速的99%贯穿本领小,电离作用强贯穿本领大,电离作用较弱能穿透几毫米的铝板贯穿本领最强,电离作用最弱能穿透几厘米的铅板光速c2.衰变的定义衰变:放射性元素放射出粒子而转变为另一种元素(新核)的过程。①α衰变:原子核放出α粒子变成新的原子核。②β衰变:原子核放出β粒子变成新的原子核。③γ衰变: 伴随α衰变和β衰变。3.衰变的分类:研究发现,原子核除了会发出射线以外,还会发生衰变。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、β、γ三种射线同时出现:β衰变实质:核内的中子转化成了一个质子和一个电子。β衰变的本质α衰变的本质: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1.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。衰变方程:原子核衰变时电荷数和质量数都守恒2.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 。衰变方程:三、半衰期2.物理意义:用来描述原子核衰变速度快慢的物理量。不同元素半衰期不同。1.半衰期:原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间,计为3.半衰期的特点(1)不同的放射性元素,半衰期不同(2)半衰期描述的是统计规律,研究单个原子核无法预测。(3)半衰期由原子核内部因素决定,与化学状态和外部条件没有关系。半衰期越大,衰变得越慢!经过对于放射性元素衰变曲线的研究,得到如下衰变规律如下:m 为衰变后剩下原子核质量m0为衰变前的原子核质量t 为衰变的时间为元素的半衰期下图为始祖鸟的化石,美国科学家维拉·黎比运用了半衰期的原理发明“碳-14计年法”,估算出始祖鸟的年龄,并因此荣获了1960年的诺贝尔奖.“碳-14计年法”依据:空气中C14含量千百年来基本不变,由于呼吸空气,古生物活着时体内的C14含量与现代生物活着时体内C14相同。1. 关于放射性元素的描述,正确的是( )A. 原子序数在 84 以上的元素都具有放射性B. 只有人造元素才有放射性C. 放射性与元素的化学状态有关D. 所有金属都有放射性A2.三种射线中电离能力最强的是( )A. α 射线B. β 射线C. γ 射线D. 无法确定A3. β 衰变的本质是( )A. 原子核释放一个氦核B. 原子核内的中子转化为质子和电子C. 原子核释放一个光子D. 原子核内的质子转化为中子和电子B4. 若某放射性元素的半衰期为 5 天,现有 100g 该元素,15 天后剩余质量为( )A. 25gB. 12.5gC. 6.25gD. 3.125gB放射性元素的衰变放射性的发现原子核的衰变半衰期贝克勒尔居里夫妇三种射线的特点(带电、贯穿和电离能力)定义三个特点衰变规律(共18张PPT)第五章 原子与原子核第五节 裂变和聚变较重的核分裂成中等大小的核,较小的核合并成中等大小的核的过程中,都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器,利用的就是这些核能。在这些装置中,核能是怎样被转化和使用的呢?1.了解核裂变和核聚变的概念和原理;2.了解核能的应用。一、核裂变与链式反应1938年底,德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现,生成物中有原子序数为56的元素钡。奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释,铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词,把这类核反应定名为核裂变。哈恩迈特纳弗里施1.核裂变:少数重核受粒子打击,分裂成质量较小的核,释放核能的反应。铀核裂变的一种典型情形核裂变的特点裂变过程中能放出巨大的能量,一个核裂变时能释放200MeV的能量裂变的同时能放出2~3个(或更多个)中子产物不是唯一的Xe和Sr氙和锶Ba和Kr钡和氪Sb和Nb锑(tī)和铌(ní)需依据实验事实!2.链式反应(1)定义:当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再引起其他重核裂变,且能不断继续下去,这样的核反应叫链式反应。(2)必要条件:核裂变物质的体积大于或等于临界体积、临界质量。原子核的体积非常小,原子内部的空隙很大,如果铀块不够大,中子在铀块中通过时,就有可能不到铀核而跑到铀核外面去,链式反应不能继续。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积,相应的质量叫作临界质量。关于铀核裂变的说明:① 铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变,且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。② 铀238只有在俘获的中子的能量大于1MeV时才能发生核反应,且裂变的几率较小。对于能量低于1MeV的中子基本只能与238铀核发生弹性碰撞,不能引起核反应。为了使裂变的链式反应容易发生,最好是利用高浓度铀235 !二、核聚变及受控热核反应1.核聚变:(2)发生条件:例如:原子核间距离接近10-15m范围内,需要几百万摄氏度的高温,所以聚变又叫热核反应.(1)定义:轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变.(3)实例热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。氢弹,由化学炸药引爆原子弹,再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。①宇宙天体:② 核武器:实现可控核聚变的两种方案:磁约束和惯性约束。2.核聚变与核裂变相比有很多优点(1)轻核聚变产能效率高。(2)地球上核聚变燃料的储量丰富。(3)轻核聚变更为安全、清洁。可控核聚变的两种主要方案为磁约束和惯性约束:磁约束通过强磁场(如托卡马克装置的环形磁场)将高温等离子体限制在特定区域,使其长时间维持聚变所需的高温高压环境;惯性约束则利用高能量激光或粒子束瞬间压缩燃料靶丸,依靠燃料自身惯性在极短时间内完成聚变反应。前者注重稳定约束,后者依赖瞬间能量释放,两者均旨在实现可控的聚变能量输出,为未来清洁能源提供可能。受控热核反应:热核反应所释放的巨大能量不是以爆炸的形式释放,而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用。三、核能利用1.核电站:核电站工作流程核电站是利用原子核裂变反应释放出能量,经能量转化而发电的。核能热能机械能电能2.核反应堆:由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成,它是核反应堆的燃料。①铀棒:②石墨(或重水):石墨(或重水)作为慢化剂,附着在铀棒周围,使反应生成的快中子变为慢中子,便于被铀235“捉”住,发生核裂变。屏蔽射线,防止放射性污染。④水泥防护层:主要作用是吸收中子,控制反应速度,所以叫作控制棒。③镉棒:1.(多选)关于重核裂变的说法正确的是( )重核裂变为两个中等质量的核时,重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多B. 只要用中子轰击铀块,就一定能发生链式反应C. 为了使裂变的链式反应容易发生,不能利用裂变时产生的中子D. 裂变过程中释放能量,质量亏损AD2.(多选)关于重核的裂变,以下说法正确的是( )A.核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量B.铀核裂变在自然界中会自发地产生C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,所以重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能AD3.现有三个核反应方程:①;②;③。下列说法正确的是( )A.①是裂变,②是β衰变,③是聚变B.①是聚变,②是裂变,③是β衰变C.①是β衰变,②是裂变,③是聚变D.①是β衰变,②是聚变,③是裂变C4. 关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是( )A. 一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B. 聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大C. 聚变反应中粒子的比结合能变小D. 聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增大B裂变和聚变核裂变与链式反应核聚变及受控热核反应定义:少数重核受粒子打击,分裂成质量较小的核,释放核能的反应链式反应:当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再引起其他重核裂变,且能不断继续下去定义:轻核结合成质量较大的原子核的反应实现可控核聚变的两种方案:磁约束和惯性约束核能利用:核电站与核反应堆(共23张PPT)第五章 原子与原子核第三节 核力与核反应方程烟雾报警器内部含有少量放射性物质(如镅 - 241),它会持续释放 α 射线。当烟雾进入报警器时,射线被烟雾颗粒阻挡,导致电流变化,从而触发警报。放射性物质无论是单质还是化合物,都能稳定释放射线,这种现象表明原子核具有复杂的内部结构.1.掌握质量数、电荷数和核子数间的关系;2.知道核反应及其遵从的规律,会正确书写核反应方程;3.了解四种基本相互作用,知道核力的特点;4.认识原子核的结合能及质量亏损,并能应用质能方程进行计算。一、原子核的组成粒子种类 发现者 实验 粒子电性 粒子质量质子 卢瑟福 α粒子轰击氮核 正电 与氢原子的质量相近中子 查德威克 α粒子轰击铍核 不带电 与质子的质量相近核子 中子和质子统称为核子中子与质子的质量几乎相等。原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,我们把这个倍数叫作原子核的质量数,原子核的质量数就是核内的核子数。其中X为元素的符号,A表示原子核的质量数,Z表示电荷量数,即质子数A-Z表示原子核包含的中子数。原子核常用表示符号二、核反应方程核反应:利用天然放射性的高速粒子或人工加速的粒子去轰击原子核,以产生新的原子核,这个过程叫作核反应。反应能:在核反应过程中,原子核的质量数和电荷数会发生变化,同时伴随着能量的释放和吸收,所放出或吸收的能量叫作反应能。用来表示核反应过程的方程式叫作核反应方程,核反应方程通过数学手段,简洁优美的向我们展示了核反应的过程。卢瑟福用α粒子轰击氮核发现质子的核反应方程:在核反应过程中,方程两边总的电荷数和质量数守恒。查德威克用α粒子轰击铍核发现中子的核反应方程:注意:核反应过程一般都是不可逆的,核反应方程不能用等号连接,只能用单向箭头表示反应方向。思考:核反应后原子核发生了什么变化 有什么规律?原子核衰变的本质①α衰变:原子核放出α粒子变成新的原子核。②β衰变:原子核放出β粒子变成新的原子核。本质:本质:③γ衰变伴随α衰变和β衰变本质:发生衰变时,原子核受激发而产生的光子(能量)辐射。提出问题:衰变说明原子核里有α粒子和电子吗?引力是自然界的一种基本相互作用,地面物体所受的重力只是引力在地球表面附近的一种表现。1.引力相互作用三、核力及四种基本相互作用2.电磁相互作用电荷间与磁体间的相互作用宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等等,都起源于这些电荷之间的电磁相互作用。3.强相互作用原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用,即存在一种核力,它使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核。pnnppn核力是短程力。约在10-15 m量级时起作用,距离大于0.5×10-15 m时为引力, 距离为2×10-15m时核力几乎消失,距离小于0.5×10-15 m时为斥力(使核子不融合在一起)核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力,而不是与核内所有核子发生作用。核力的特点核力的定义:能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫作核力。在某些放射现象中起作用的另一种基本相互作用弱相互作用是引起原子核β衰变的原因,即引起中子---质子转变的原因。4.弱相互作用关于弱相互作用的研究成果对我们的生活有着多方面的重要影响,在能源领域,有助于优化核反应堆设计,提高核能利用效率与安全性,还可能为中微子能源开发提供可能;医疗领域中,让放射性治疗与诊断更精准,也为药物研发提供了新靶点和候选物,助力开发更有效、副作用小的药物;材料科学领域,能帮助研发具有特殊性能的新材料,如基于对分子间弱相互作用的研究开发出的新型功能材料;此外,在理解宇宙演化方面也有重要意义,如对中微子相关弱相互作用的研究,为解释宇宙中物质与反物质不对称性等提供了线索。四、结合能1.结合能定义:将原子核拆分成单个核子需要吸收的能量。将单个核子结合成原子核需要放出的能量。核子结合成原子核时会放出一定的能量,我们把这个能量叫作原子核的结合能。2.结合能大小:组成原子核的核子数越多,结合能越大。(1)物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系。质能方程 E=mc2(2)任何质量为m的物体都具有大小相当于mc2的能量。(3)物体的质量发生变化,相对应的能量也会变化。问题:如何求解原子核的结合能?ΔE = Δmc2反应前质量/kg 反应后质量/kgmn 1.674 9×10-27 m氘 3.343 6×10-27mp 1.672 6×10-27总质量 总质量 3.343 6×10-273.347 5 ×10-27原子核的质量总是小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。中子与质子结合成氘原子核→因为引力相互靠近→速度↑→撞在一起损失能量补充能量两个物体为了结合在一起付出了代价,损失了能量相距很远的两物体→一部分动能以内能的形式散失质量亏损的原因如下:问题:如果结合能越大说明把原子核分开,所需要的能量就越大,那是不是结合能越大就意味着原子核越稳定呢?原子核越大→核子个数越多→但不能说明它稳定→结合能越大结合能核子数比结合能 =物理意义:反映一个原子核内核子相互结合的紧密程度,比结合能越大,原子核越稳定。原子核的结合能与核子数之比称做比结合能,也叫平均结合能。1.在以下核反应方程 He + Be → X + n中,X指的是( )A. CB. CC. ND. OA2.关于结合能与比结合能,下列说法正确的是( )A. 结合能越大,原子核越稳定B. 比结合能是原子核总结合能与质子的比值C. 比结合能越大,核子结合越紧密D. 重核的比结合能一定大于轻核C3. 在某些恒星内,3个粒子结合成1个原子,原子的质量是,原子的质量是。已知,则下列描述错误的是( )A. 反应过程中的质量亏损是B. 反应过程中的质量亏损是C. 反应过程中释放的能量是D. 反应过程中释放的能量是D核力与核反应方程原子核的组成核方应方程结合能结合能计算比结合能结合能原子核表示方法质子和中子组成原子核衰变本质规律核力四种基本相互作用(共23张PPT)原子的结构粤教版 (2019)选择性必修三第五章 原子与原子核提出问题关于原子的结构,你知道哪些内容?三代师生的互帮互助很久很久以前,人类一直执着于探索物质是由什么组成的。物质里面是什么?世界上第一台电子显微镜诞生,人们观察到了物质内部的结构。原子不可分割原子原子不可分割在相当长的一段时间内,人们都认为组成物质的最小微粒是原子。并且原子是不可分割的。J.J.汤姆孙问题1 :从缝隙里喷出来的东西到底是什么?问题2 :如何验证你的猜想?电子带负电比原子小的多电子在原子中是如何分布的呢?1909——1911年,英国物理学家卢瑟福和他的助手们进行了α粒子散射实验。绝大多数少数极少数实验结果:绝大多数α粒子穿过金箔后沿原来的传播方向继续前进少数α粒子穿过金箔后发生偏转极少数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转甚至反弹注释:电子质量:9.1×10-31kg电子电荷量:1.6×10-19cα粒子质量:6.64×10-27kgα粒子电荷量:3.2×10-19cα射线中粒子运动速度:2×107m/s金原子质量:3.2×10-25kg根据实验现象,思考下列问题:电子能否使α粒子反弹?使α粒子大角度偏转甚至反弹的“球”应该具备哪些特征?1微米厚的金箔内含有3 000层原子层,绝大多数粒子穿过金箔仍沿原方向前进,说明了什么?原子核带正电原子核几乎集中了原子的全部质量原子内部非常“空旷”电子绕原子核旋转电子正电部分J.J.汤姆孙原子光谱:某种原子的气体通电后可以发光,并产生固定不变的光谱。观察氢原子光谱,归纳氢原子光谱的特点。第三章课堂小结三代师生的互帮互助汤姆孙研究了电子束,拨开了原子物理的迷雾但不清楚电子具体是怎样的分布于是提出了 枣糕模型试一试这条路他的学生卢瑟福纠正了这个错误用α打金箔转圈放个荧幕得到了原子核式结构和人们的关注卢瑟福的学生没有不学无术一个叫玻尔的学生把原子光谱进一步深入后事如何我们下节课再探一探路谢谢粤教版 (2019)选择性必修三第五章 原子与原子核 展开更多...... 收起↑ 资源列表 5.1原子的结构.pptx 5.2放射性元素的衰变.pptx 5.3核力与核反应方程.pptx 5.4放射性同位素.pptx 5.5裂变和聚变.pptx