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(共55张PPT)
2　放射性元素的衰变
素养·目标定位
目标素养
1.知道放射现象的实质是原子核的衰变
2.知道两种衰变的基本性质,并掌握原子核的衰变规律
3.理解半衰期的概念,并能利用半衰期公式进行简单的计算
4.通过对放射性元素衰变过程的探究,熟练写出核的衰变方程
知识概览
课前·基础认知
一、原子核的衰变
1.α衰变:原子核自发地放出　α粒子　,变成另一种原子核的衰变。
(1)衰变方程(以铀238为例)。
(2)衰变实质:　两个　中子和　两个　质子紧密地结合在一起,作为一个整体从较大的原子核中被释放出来。
2.β衰变:原子核自发地放出　β粒子　,变成另一种原子核的衰变。
(1)衰变方程(以钍234为例)。
3.γ射线:γ射线是伴随α射线和　β射线　产生的。
4.原子核衰变规律。
原子核衰变时　电荷数　和质量数都守恒。
微探究1 放射性元素发生α衰变、β衰变时放出α粒子与β粒子,如图为α衰变、β衰变示意图。
(1)当原子核发生α衰变时, 新核的核电荷数与质量数相比原来的原子核变化了多少
(2)当发生β衰变时,原子核的质量数是否发生变化 新核在元素周期表中的位置怎样变化
提示:(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数减少2,中子数减少2,因为α衰变的实质是2个质子和2个中子结合在一起从原子核中被释放出来,所以新核的核电荷数比原来的原子核减少2,质量数减少4。
(2)β粒子为电子,发生β衰变时原子核的质量数不发生变化,但新核的核电荷数相比原来的原子核核电荷数增加1,所以原子序数增加1,元素在周期表上向原子序数增加的方向移动1位。
二、半衰期
1.半衰期定义: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.影响因素:是由原子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.半衰期规律:是一个统计规律,对　个别少数　的原子核的衰变没有意义。
变了它的半衰期,这种说法对吗
(2)如果不对,那到底是什么原因呢
提示:(1)不对。放射性元素的半衰期由原子核本身的因素决定,与外界环境等因素无关。
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,称为核反应。
3.核反应规律:在核反应中,　质量数　守恒、电荷数守恒。
四、放射性同位素及其应用
1.放射性同位素:具有　放射性　的同位素。
2.放射性同位素的应用。
(1)利用射线:射线测厚装置,放射治疗,培育新品种、延长保质期。
(2)作为　示踪原子　:棉花对磷肥的吸收、甲状腺疾病的诊断。
微探究3 用人工方法可以得到放射性同位素,放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究等许多方面都得到了广泛的应用。试探究:
(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失,这是什么原因
(2)在我国首次用人工方法合成牛胰岛素时,需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素结晶是同一种,为此使用的放射性同位素14C的作用是什么
提示:(1)在放射线的电离作用下,空气中的分子会发生电离,空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和,所以使验电器所带电荷消失。
(2)作为示踪原子。
五、辐射与安全
1.放射性的危害。
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。
2.放射性的防止。
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,要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
课堂·重难突破
一 原子核的衰变
问题探究
原子核α衰变实质是放出一个氦原子核,β衰变实质是放出一个电子。试探究:
(1)放射性元素能不能在一次衰变中同时产生α射线和β射线
(2)γ射线又是怎样产生的
提示:(1)不能,一次衰变只能是α衰变或β衰变,而不能同时发生α衰变和β衰变。
(2)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。
归纳总结
1.α衰变和β衰变的比较。
2.α衰变和β衰变的唯一性:任何一种放射性元素只有一种放射性,不能同时既有α放射性又有β放射性,而γ射线伴随α衰变或β衰变产生。
3.确定原子核衰变次数的方法与技巧。
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程
A=A'+4n,
Z=Z'+2n-m,
由此可见,确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。
(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衰变的次数多少对质量数没有影响),然后根据衰变规律确定β衰变的次数。
典型例题
A.m=6,n=8 B.m=5,n=6
C.m=6,n=5 D.m=8,n=6
答案:D
解析:共发生m次α衰变、n次β衰变,
则238=206+4m,92=82+2m-n,解得m=8,n=6,
选项D正确,A、B、C错误。
规律总结 衰变次数的判断方法 1.衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。 2.每发生一次α衰变,质子数、中子数均减少2。 3.每发生一次β衰变,中子数减少1,质子数增加1,质量数不变。
二 半衰期
问题探究
如图为氡衰变剩余质量与原有质量比值示意图。纵坐标表示的是任意时刻氡的质量m与t=0时的质量m0的比值。
(1)每经过一个半衰期,氡原子核的质量
变为原来的多少
(2)从图中可以看出,经过两个半衰期未
衰变的原子核还有多少
(3)对于某个或选定的几个氡原子核能否
根据它的半衰期预测它的衰变时间吗
提示:(1)由示意图可看出,每经过一个半衰期,
(3)半衰期是某种放射性元素的大量原子核有半数发生衰变所用的时间的统计规律,故无法预测单个原子核或几个特定原子核的衰变时间。
归纳总结
1.半衰期的物理意义。
表示放射性元素衰变的快慢。
2.半衰期公式。
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,τ表示半衰期。
3.适用条件。
半衰期是一个统计概念,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定其何时发生衰变,半衰期只适用于大量的原子核。
4.应用。
利用半衰期非常稳定的特点,可以测算其衰变过程,推算时间等。
典型例题
【例2】 科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26,铝26的半衰期为72万年,其衰变方程为 Mg+Y,下列说法正确的是(　　)
A.Y是氦核
B.改变压力、温度或浓度,将改变放射性元素的半衰期
C.再经过72万年,现有的铝26衰变一半
D.再经过144万年,现有的铝26全部衰变
思路引领:(1)根据核反应方程判断产生的新核。
(2)半衰期是质量变为一半的时间,半衰期是元素自身的性质,与外界条件无关。
答案:C
解析:Y的质量数为0,核电荷数为1,则Y为正电子,不是氦核,选项A错误;半衰期不随压力、温度或浓度的改变而变化,选项B错误;每经过一个半衰期,都会衰变现有铝的一半,不会全部衰变,选项C正确,D错误。
规律方法 半衰期理解的两个误区 1.错误地认为半衰期就是一个放射性元素的原子核衰变到稳定核所经历的时间,其实半衰期是大量的原子核发生衰变时的统计规律。 2.错误地认为放射性元素的半衰期就是元素质量减少为原来一半所需要的时间,该观点混淆了尚未发生衰变的放射性元素的质量与衰变后元素的质量的差别,其实衰变后的质量包括衰变后新元素的质量和尚未发生衰变的元素质量两部分。
三 原子核的人工转变和核反应方程
问题探究
如图为α粒子轰击氮原子核示意图。
(1)充入氮气前荧光屏上看不到闪光,而充入氮气后荧光屏上看到了闪光,说明了什么问题
(2)原子核的人工转变与原子核的衰变有什么相同规律
(3)如何实现原子核的人工转变
提示:(1)充入氮气后,产生了新粒子。
(2)质量数与电荷数都守恒,动量守恒。
(3)用α粒子、质子、中子或光子去轰击一些原子核,可以实现原子核的转变。
归纳总结
1.人工转变核反应的条件: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.核反应的实质: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。
3.原子核人工转变的三个典型核反应。
(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应:
(2)1932年查德威克发现中子的核反应:
(3)1934年居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应:
4.人工转变核反应与衰变的比较。
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碰撞的结果,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,它不受物理和化学条件的影响
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
典型例题
【例3】 完成下列核反应方程,并指出其中　　　　是发现质子的核反应方程,　　　　是发现中子的核反应方程。
答案:见解析
其中发现质子的核反应方程是(2),
发现中子的核反应方程是(4)。
四 放射性同位素及其应用与防护
问题探究
医学上做射线治疗用的放射性元素,使用一段时间后当射线强度降低到一定程度时就需要更换放射材料,原来的材料成为核废料。这些放射治疗选用的放射性元素的半衰期应该很长还是较短 为什么
提示:应选用半衰期较短的,因为半衰期短的放射性废料容易处理。当然也不能选用太短的,否则就需要频繁更换放射原料。
归纳总结
1.放射性同位素的分类。
(1)天然放射性同位素。
(2)人工放射性同位素。
2.放射性同位素的主要作用。
(1)工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性。
(2)农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异,杀死使食物腐败的细菌、抑制蔬菜发芽、延长保存期等。
(3)作示踪原子——利用放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质。
(4)医学上——利用γ射线的高能量治疗癌症。
典型例题
【例4】 某校学生在进行社会实践活动时,收集并列出了一些放射性同位素的半衰期和可供利用的射线如下表所示,
同位素 放射线 半衰期
钋210 α 138天
碳13 β 5 730年
同位素 放射线 半衰期
锶90 β 28年
锝99 γ 6小时
同位素 放射线 半衰期
钴60 γ 5.27年
氡222 α 3.8天
下列结论正确的是(　　)
A.放射性疗法(放疗)是临床治疗肿瘤的一种方法,其利用的是β射线
B.若取100个钴60原子核,经10年后还剩下25个钴60原子核
C.将放射性元素钋210制成化合物后,放射性元素钋210的半衰期发生变化
D.临床上让患者口服碳13作为示踪原子制成的尿素片,检测是否感染幽门螺杆菌
答案:D
解析:放射性疗法(放疗)是临床治疗肿瘤的一种方法,其利用的是γ射线,选项A错误;半衰期是针对大量放射性原子核衰变的统计规律,对少量原子核并不适用,选项B错误;半衰期由核内部自身的因素决定,与原子所处的化学状态和外部条件无关,所以将放射性元素钋210制成化合物后,其半衰期不变,选项C错误;临床上检测患者是否感染幽门螺杆菌时,可以让患者口服碳13作为示踪原子制成的尿素片,由于幽门螺杆菌可产生尿素酶,可将碳13标记的尿素分解为氨气和二氧化碳,并随血液流至肺部,而碳13可发射β射线,因此通过仪器可以检测呼气时呼出的碳13,选项D正确。
规律总结 放射性同位素的两类应用 1.利用它的射线:α射线的电离作用,γ射线的贯穿本领和生物作用,β射线的贯穿本领。 2.作为示踪原子:多数情况下用β射线,因为γ射线难以探测到。
成 果 验 收 站
A.2 B.239
C.145 D.92
答案:A
发生一次β衰变质子数就增加1,
所以钚239可由铀239衰变两次得到,即n=2,选项A正确。
答案:B
变产生的电子来源于核内中子,核内中子转变成质子和电子,选项C错误;半衰期是针对大量的原子,符合统计规律的随机过程量,对于少量的原子核衰变来说半衰期是没有意义的,选项D错误。
D
4.下列方程属于原子核人工转变的是(　　)
答案:D
解析:选项A中反应放出电子,属于β衰变,选项A错误。选项B中反应是聚变反应(以后学到),选项B错误。选项C中反应放出α粒子,属于α衰变,选项C错误。选项D中反应属于原子核的人工转变,选项D正确。
5.正电子发射型计算机断层显像(PET)的基本原理是将放射性同位素15O注入人体,参与人体的代谢过程。15O在人体内衰变放出正电子,与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子,被探测器探测到,经计算机处理后产生清晰的图像。根据PET原理,回答下列问题:
(1)写出15O的衰变和正、负电子湮灭的方程式
　　　　　　　　　　,　　　　　　　　　　　　。
(2)将放射性同位素15O注入人体,15O的主要用途是　　　。
A.利用它的射线
B.作为示踪原子
(3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应该　　　　　(选填“长”“短”或“长短均可”)。
(2)B
(3)短

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