资源简介

5.2　放射性元素的衰变
【学习目标】
1.通过任务1及其活动,知道天然放射现象,了解天然放射现象是开启原子世界的一把钥匙。(物理观念)
2.通过任务2及其活动,知道原子核的衰变,掌握两种衰变的基本性质及规律。(物理观念、科学思维)
3.通过任务3及其活动,知道半衰期及其决定因素,能从统计学的角度理解半衰期相关公式的适用条件。(物理观念、科学思维)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:原子核里没有电子,β衰变中的电子来自哪里


思考2:氡222衰变成钋218的半衰期为3.8天,说明如果有6个氡222原子核,经过3.8天一定只剩3个,另三个衰变成钋218。这种说法对吗


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)原子核衰变时电荷数守恒,质量数不守恒。 (　　)
(2)放射性元素经过两个完整的半衰期后,将完全衰变殆尽。 (　　)
(3)改变压力、温度或浓度,将改变放射性元素的半衰期。 (　　)
(4)α衰变中,新生成的核比原来的核质量数减少4,电荷数减少2。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　放射性的发现
　　1896年3月的一个阴天,法国物理学家贝可勒尔把用黑纸包好的感光底片与铀盐一起锁进了抽屉,当他再次打开抽屉时,发现底片被铀盐感光了。
1.是太阳激发铀盐发出荧光,还是铀盐自身发出射线使底片感光


2.什么是天然放射现象


3.为什么有的装饰建材会有放射性 是否可以用物理方法或化学方法消除其放射性


　　天然放射现象
(1)物质发射射线的性质称为①　　　　。元素这种自发地②　　　　的现象叫作天然放射现象。具有放射性的元素称为放射性元素。
(2)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③　　　　的元素,都能自发地放出射线;原子序数小于④　　　　的元素,有的也具有放射性。
应用　天然放射现象的发现的意义
天然放射现象的发现揭示了 (　　)
A.原子不可再分
B.原子的核式结构
C.原子核还可再分
D.原子核由质子和中子组成
天然放射现象中的射线来自哪里


任务2　原子核的衰变及其规律
　　相传晋朝初年,南昌人许逊被朝廷任命为旌阳县令,他看到很多老百姓的租税交不了,非常同情他们,用点石成金的法术,免去百姓的租税。这就是成语“点石成金”的故事,不过“点石成金”在现实中是不存在的。阅读课本中的相关内容,回答下列问题。
1.有没有让一种物质自发变成另外一种物质的方法呢


2.自然界的衰变有哪几种 衰变遵循怎样的规律


3.γ射线是如何产生的


1.原子核的衰变
(1)原子核放出α或β粒子,由于⑤　　　　变了,它在周期表中的位置就变了,变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的⑥　　　　。
(2)原子核发生衰变时,⑦　　　　数和⑧　　　　数都守恒。
2.衰变类型
(1)原子核放出⑨　　　　变成新核的衰变叫作α衰变。
(2)原子核放出⑩　　　　变成新核的衰变叫作β衰变。
(3)γ射线通常伴随　　　　射线和　　　　射线而产生。
填表:完成对三种射线的比较。
种类 α射线 β 射线 γ射线
组成
带电荷量
质量 4mp(mp=1.67×10-27 kg) 静止质量为零
速度 0.1c 0.99c c
在电磁场中 偏转 与α射线反向偏转 不偏转
贯穿本领 最弱,用纸能挡住 较强,能穿透几毫米厚的铝板 最强,能穿透几厘米厚的铅板
电离作用
能否使胶片感光
应用1　探究衰变次数求法
放射性同位素钍232经α、β衰变会生成氡,其衰变方程为ThRn+xα+yβ,则 (　　)
A.x=1,y=3　　　　　 B.x=2,y=3
C.x=3,y=1 D.x=3,y=2
归纳总结
衰变次数的计算方法
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。表示该核反应的方程为XY+He+e
根据核电荷数守恒和质量数守恒,可得A=A'+4n,Z=Z'+2n-m
得n=,m=Z'+-Z。
应用2　衰变后粒子在磁场中的轨迹分析
在匀强磁场中,有一个原来静止的C原子核,发生衰变后放出的粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆,如图所示,两个圆的直径之比为7∶1,那么下列判断正确的是 (　　)
A.C原子核发生的是α衰变
B.图中1是新核的轨迹
C.磁场方向垂直纸面向外
D.衰变方程为CNe
原子核衰变时遵循动量守恒定律吗 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动时,其轨道半径怎么求



归纳总结
α衰变和β衰变在磁场中的轨迹分析
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。
(2)在磁场中径迹的特点
α衰变 XYHe 两圆外切,α粒子的轨迹半径大
β衰变 XYe 两圆内切,β粒子的轨迹半径大
任务3　怎样描述放射性元素衰变的快慢
　　2021年4月13日,日本政府单方面做出将福岛核废水排入大海的决定,引起日本国内民众及周边国家的强烈反对。核废水中的放射性物质氚H很难被分离清除,会通过食物链在人体内累积。氚H衰变后转变成稳定的氦He,半衰期大约为12.5年。
1.描述放射性元素衰变的快慢的物理量是什么 它是怎么定义的



2.半衰期的适用条件是怎样的



3.如何计算未衰变原子核的个数或质量



　　半衰期
(1)定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的　　　　叫作这种元素的半衰期。
(2)意义:半衰期表示放射性元素　　　　。半衰期描述的对象是　　　　的原子核,是一个统计规律。
(3)决定因素:元素的半衰期反映的是原子核内部的性质,与原子所处的　　　　和　　　　无关。
应用1　对半衰期的理解
下列有关半衰期的说法正确的是 (　　)
A.放射性元素的半衰期越短,表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短,衰变速度越快
B.放射性元素的样品不断衰变,随着剩下未衰变的原子核的减少,元素的半衰期也变短
C.把放射性元素放在密封的容器中,可以减慢放射性元素的衰变速度
D.降低温度或增大压强,让该元素与其他物质形成化合物,均可减小衰变速度
半衰期由什么因素决定 半衰期与放射性元素的化学或物理状态有关吗


应用2　与半衰期有关的计算
我国造出世界首个人造迷你心脏,使用有人体细胞的人造心脏试药,可以有效测试药物毒性,从而改善药效,提高新药研发效率和减少研发成本。人造心脏的放射性同位素动力源用的燃料是钚238,钚238衰变快慢有一定的规律。如图所示,横坐标表示时间,纵坐标表示任意时刻钚238的质量m与t=0时的质量m0的比值。则经过43.2年剩余钚238的质量与初始值的比值约为 (　　)
A.0.250　　　　　　 B.0.875
C.0.500 D.0.707
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(多选)关于天然放射性现象,下列说法正确的是 (　　)
A.该现象是居里夫妇首先发现的
B.首先说明了原子核不是单一的粒子
C.γ射线必须伴随α或β射线而产生
D.任何放射性元素都能同时发出三种射线
2.(任务2)某原子核的衰变过程如下:XYP,则 (　　)
A.X的中子数比P的中子数少2
B.X的质量数比P的质量数多3
C.X的质子数比P的质子数少1
D.X的质子数比P的质子数多1
3.(任务3)2023年8月24日13时,日本福岛第一核电站启动核污染水排海。核污染水含高达64种放射性元素,其中氚H)衰变过程中产生的电离辐射可损害DNA,是致癌的高危因素之一,半衰期为12.5年。其衰变方程为HHee+γ,下列说法正确的是 (　　)
A.衰变方程中x=2,y=3
B.γ是光子,其动量为零
C.秋冬气温逐渐变低时,氚的衰变速度会变慢
D.经过25年,氚将全部衰变结束
4.(任务3)银河系中存在大量的铝同位素26Al。26Al核β衰变的衰变方程为AlMge,测得26Al核的半衰期为72万年。下列说法正确的是 (　　)
A.26Al核的质量等于26Mg核的质量
B.26Al核的中子数大于26Mg核的中子数
C.将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中,其半衰期不变
D.银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年后全部衰变为26Mg
参考答案
自主预习·悟新知
思考1:β衰变的实质是原子核内的中子转化成质子和电子。
思考2:不对。半衰期是对大量原子核整体衰变做出的“统计预测”,对少量的、单个的原子核说它的半衰期毫无意义。
判断　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.没有太阳光,感光底片被黑纸包裹,不是太阳激发铀盐发出荧光,而是铀元素自身能产生辐射,发出射线使底片感光。
2.物质发射射线的性质称为放射性,放射性元素自发地放出射线的现象叫作天然放射现象。
3.装饰建材中含有放射性物质时就会放出射线,从而具有放射性。由于放射性是原子核本身的性质,不能用物理方法或化学方法消除其放射性。
知识生成　 ①放射性　②放出射线　③83　④83
应用探究
例1　【提示】来自原子核内部。
【答案】C
【解析】本题涉及物理学史的一些知识。汤姆孙发现了电子,说明原子可再分;卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构;贝可勒尔发现了天然放射现象,说明了原子核也有着复杂的结构;天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分;卢瑟福用α粒子轰击氮核,发现了质子,查德威克用α粒子轰击铍核打出了中子,使人们认识到原子核是由质子和中子组成的,所以只有C项正确。
任务2
问题引领
1.原子核的衰变,可以使一种物质自发变成另外一种物质。原子序数大于或等于83的元素、原子序数小于83的某些元素,都能自发地放出α或β粒子,由于核电荷数变了,其在元素周期表中的位置就变了,变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。
2.原子核放出α粒子变成新核的衰变叫作α衰变;原子核放出β粒子变成新核的衰变叫作β衰变。无论是何种衰变,从衰变方程可以看出,原子核发生衰变时,必须有两个守恒,即电荷数守恒,质量数守恒。
3.原子核的能量也是量子化的,也存在着不连续的能级,并且能级越低越稳定。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时,蕴藏在核内的能量会释放出来,使衰变产生的新原子核处于高能级,这时它要向较低能级跃迁,释放的能量就以γ光子的形式辐射出来,因此γ射线总是伴随着α射线、β射线产生。
知识生成　 ⑤核电荷数　⑥衰变　⑦电荷　⑧质量　⑨α粒子　⑩β粒子(电子)　α　β
应用探究
活动　
种类 α射线 β 射线 γ射线
组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高频电磁波)
带电荷量 2e -e 0
质量 4mp(mp=1.67× 10-27 kg) 静止质量为零
速度 0.1c 0.99c c
在电磁场中 偏转 与α射线反向偏转 不偏转
贯穿本领 最弱,用纸能挡住 较强,能穿透几毫米厚的铝板 最强,能穿透几厘米厚的铅板
电离作用 很强 较弱 很弱
能否使胶片感光 能 能 能
例2　D　【解析】由衰变规律可知,β衰变不影响质量数,所以质量数的变化由α衰变的次数决定,由Th变为Rn,每一次α衰变质量数减少4,根据232=220+4x,解得α衰变次数x=3;每次α衰变电荷数减少2个,每次β衰变电荷数增加1个,根据90=86+2x-y,解得β衰变次数y=2,D项正确。
例3　【提示】遵循;R=。
【答案】D
【解析】由动量守恒定律可知,放出的粒子与反冲核的动量大小相等,方向相反,由在磁场中粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆可知,反冲核带正电,放出的粒子带负电,所以是β衰变,A项错误;图中1应是β粒子的轨迹,B项错误;由左手定则可知,磁场方向垂直纸面向里,C项错误;由洛伦兹力提供向心力公式qvB=m,解得R=,又已知两圆直径之比为7∶1,可知反冲核的电荷量是衰变后放出的粒子的电荷量的7倍,D项正确。
任务3
问题引领
1.半衰期是用来表示放射性元素衰变快慢的物理量。所谓半衰期,是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。
2.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,无法确定何时发生衰变,但可以确定各个时刻发生衰变的概率,即某时衰变的可能性,因此,半衰期只适用于大量的原子核。
3.根据半衰期的定义,有N=N0()n,式中N0是开始的原子核个数,N是剩下未衰变的原子核个数,n=是半衰期个数(τ为半衰期)。用质量表示为m=m0-()n。
知识生成　 时间　衰变的快慢　大量　化学状态
外部条件
应用探究
例4　【提示】放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,与原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
【答案】A
【解析】放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,它反映出放射性元素衰变速度的快慢,若衰变越快,则半衰期越短。某种元素的半衰期长短由其本身因素决定,与它所处的物理状态或化学状态无关,A项正确。
例5　D　【解析】原子核发生衰变时,剩余质量m=m0()。经过43.2年剩余钚238的质量与初始值的比值=()=()=≈0.707,D项正确。
随堂检测·精评价
1.BC　【解析】1896年,法国物理学家贝可勒尔发现,铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线,这种射线可以穿透黑纸,使照相底片感光,A项错误;关于天然放射现象和对放射性的研究,说明了原子核不是单一的粒子,B项正确;γ射线伴随α射线或β射线而产生,C项正确;放射性元素不一定都能同时发出三种射线,D项错误。
2.D　【解析】设X的质量数为m,质子数为n,P的质量数为x,电荷数为y,则有m=x+4;n=-1+2+y,所以X的质量数比P的质量数多4,X的质子数比P的质子数多1,B、C两项错误,D项正确;根据质子数和中子数之和为质量数,以及X的质量数比P的质量数多4,X的质子数比P的质子数多1,可知X的中子数比P的中子数多3,A项错误。
3.A　【解析】由电荷数与质量数守恒可得3=y+0,1=x+(-1),解得x=2,y=3,A项正确;γ是光子,其动量不为零,B项错误;半衰期由原子核内部因素决定,与原子核所处的物理环境和化学状态无关,C项错误;半衰期是原子核发生半数衰变所需的时间,经过25年,即两个半衰期,剩余氚为原来的四分之一,并没有完全衰变,D项错误。
4.C　【解析】26Al核的质量数等于26Mg核的质量数,26Al衰变过程释放出e,故26Al核的质量不等于26Mg核的质量,A项错误;26Al核的中子数为(26-13)个=13个,26Mg 核的中子数为(26-12)个=14个,故26Al核的中子数小于26Mg核的中子数,B项错误;半衰期由原子核本身结构决定,与外界环境无关,将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中,其半衰期不变,C项正确;26Al核的半衰期为72万年,银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年后未衰变质量占原来质量的比值n==2=,则银河系中现有的铝同位素26Al在144万年后没有全部衰变为26Mg,D项错误。

展开更多......

收起↑