第五章第2節(jié)放射性元素的衰變（原卷版）

選擇性必修三學(xué)案第五章原子核第2節(jié)放射性元素的衰變一、新課標(biāo)要求1.了解衰變的概念，知道衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒。知道α衰變和β衰變的規(guī)律及實(shí)質(zhì)，并能熟練書(shū)寫(xiě)衰變方程。2.知道半衰期及其統(tǒng)計(jì)意義，學(xué)會(huì)利用半衰期解決相關(guān)問(wèn)題。3.知道核反應(yīng)及其遵從的規(guī)律，會(huì)正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程。4.了解放射性同位素及其應(yīng)用，知道射線(xiàn)的危害和防護(hù)。5.了解放射性同位素帶來(lái)的輻射與安全問(wèn)題。二、科學(xué)素養(yǎng)要求1.物理觀(guān)念：知道衰變、半衰期及原子核衰變的規(guī)律，了解核反應(yīng)及放射性同位素應(yīng)用的基本觀(guān)念和相關(guān)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2.科學(xué)思維：理解原子核的衰變規(guī)律及半衰期的計(jì)算方法，掌握核反應(yīng)方程的寫(xiě)法與放射性同位素的應(yīng)用，培養(yǎng)分析、推理能力。3.科學(xué)探究：通過(guò)學(xué)習(xí)科學(xué)家對(duì)放射性元素衰變的探究，學(xué)會(huì)觀(guān)察和思考，提高科學(xué)探究的能力。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，體驗(yàn)科學(xué)家探索科學(xué)規(guī)律的艱辛，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。三、教材研習(xí)要點(diǎn)一、原子核的衰變?cè)雍俗园l(fā)地放出α粒子或β粒子，由于核電荷數(shù)變了，它在元素周期表中的位置就變了，變成另一種原子核。我們把這種變化稱(chēng)為原子核的衰變①。原子核衰變時(shí)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。要點(diǎn)二、半衰期放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間，叫作這種元素的半衰期②。放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒(méi)有關(guān)系?！咀灾魉伎肌竣伲?）原子核發(fā)生β衰變時(shí)放出的β粒子是電子，可知原子核內(nèi)一定存在著電子，這種說(shuō)法對(duì)嗎？為什么？（2）放射性元素能不能一次衰變同時(shí)產(chǎn)生α射線(xiàn)和β射線(xiàn)？γ射線(xiàn)又是怎樣產(chǎn)生的？②某放射性元素的半衰期為4天，若有10個(gè)這樣的原子核，經(jīng)過(guò)4天后還剩5個(gè)，這種說(shuō)法對(duì)嗎？四、名師點(diǎn)睛1.兩種衰變（1）α衰變：原子核放出α粒子的衰變。放出一個(gè)α粒子，質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，?92238U的α（2）β衰變：原子核放出β粒子的衰變。放出一個(gè)電子后，質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)增加1，?90234Th的β2.半衰期的理解（1）不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差別非常大。（2）放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無(wú)關(guān)。（3）半衰期描述的是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，不適用于少數(shù)原子核的衰變。五、互動(dòng)探究探究點(diǎn)一、原子核的衰變情境探究如圖為α衰變、β衰變示意圖（1）當(dāng)原子核發(fā)生α衰變時(shí)，原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)如何變化？（2）當(dāng)發(fā)生β衰變時(shí)，新核的核電荷數(shù)相對(duì)原來(lái)的原子核變化了多少？新核在元素周期表中的位置怎樣變化？探究歸納1.衰變實(shí)質(zhì)（1）α衰變：原子核內(nèi)兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)α粒子，并在一定條件下作為一個(gè)整體從較大的原子核中拋射出來(lái)，反應(yīng)方程為20（2）β衰變：原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成一個(gè)質(zhì)子留在原子核內(nèi)，同時(shí)放出一個(gè)電子，即β粒子放射出來(lái)，反應(yīng)方程為?02.衰變規(guī)律原子核發(fā)生衰變時(shí)，衰變前后的電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、動(dòng)量、能量守恒。3.衰變方程通式（1）α衰變：?Z（2）β衰變：?Z4.確定原子核衰變次數(shù)的方法與技巧（1）方法：設(shè)放射性元素?ZAX經(jīng)過(guò)n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素?Z'A'Y，則衰變方程為：?Z（2）技巧：為了確定衰變次數(shù)，一般先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)（這是因?yàn)棣滤プ兊拇螖?shù)多少對(duì)質(zhì)量數(shù)沒(méi)有影響），然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。探究應(yīng)用【典例】一個(gè)?92238U核衰變?yōu)橐粋€(gè)?82206Pb核的過(guò)程中，發(fā)生了m次α衰變和n次β、6、8、8、4【解題感悟】衰變次數(shù)的判斷技巧（1）衰變過(guò)程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。（2）每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)均減少2。（3）每發(fā)生一次β衰變中子數(shù)減少1，質(zhì)子數(shù)增加1。模型構(gòu)建兩類(lèi)衰變?cè)诖艌?chǎng)中的徑跡模型靜止的原子核在磁場(chǎng)中發(fā)生衰變，其軌跡為兩相切圓，α衰變時(shí)兩圓外切，β衰變時(shí)兩圓內(nèi)切，根據(jù)m1v1=m2vα衰變?勻強(qiáng)磁場(chǎng)中軌跡兩圓外切，α粒子半徑大β衰變?勻強(qiáng)磁場(chǎng)中軌跡兩圓內(nèi)切，β粒子半徑大【遷移運(yùn)用】1.?92238U（鈾核）衰變產(chǎn)生新核?90234Th次α衰變次β衰變次α衰變，1次β衰變次β衰變，1次α衰變2.正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET)的基本原理是：將放射性同位素?15O注入人體，參與人體的代謝過(guò)程。（1）寫(xiě)出?15①。②。（2）將放射性同位素?15O注入人體，?A.利用它的射線(xiàn)B.作為示蹤原子C.參與人體的代謝過(guò)程D.有氧呼吸（3）P中所選的放射性同位素的半衰期應(yīng)。（填“長(zhǎng)”“短”或“長(zhǎng)短均可”）探究點(diǎn)二、半衰期的理解及有關(guān)計(jì)算情境探究如圖為氡衰變剩余質(zhì)量與原有質(zhì)量比值示意圖?？v坐標(biāo)表示的是任意時(shí)刻氡的質(zhì)量m與t=0時(shí)的質(zhì)量m0（1）每經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期，氡原子核的質(zhì)量變?yōu)樵瓉?lái)的多少？（2）從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)兩個(gè)半衰期未衰變的原子核還有多少？（3）對(duì)于某個(gè)或選定的幾個(gè)氡原子核能根據(jù)它的半衰期預(yù)測(cè)它的衰變時(shí)間嗎？探究歸納1.半衰期的物理意義：表示放射性元素衰變的快慢。2.半衰期公式：N余?=N原?(12)tτ，m余3.適用條件：半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，是對(duì)大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對(duì)于一個(gè)特定的原子核，無(wú)法確定其何時(shí)發(fā)生衰變，半衰期只適用于大量的原子核。4.應(yīng)用：利用半衰期非常穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以測(cè)算其衰變過(guò)程，推算時(shí)間等。探究應(yīng)用【典例】地球的年齡到底有多大，科學(xué)家利用天然放射性元素的衰變規(guī)律，通過(guò)對(duì)目前發(fā)現(xiàn)最古老的巖石中鈾和鉛含量來(lái)推算。測(cè)得該巖石中現(xiàn)含有的鈾是巖石形成初期時(shí)（巖石形成初期時(shí)不含鉛）的一半，鈾238衰變后形成鉛206，鈾238的相對(duì)含量隨時(shí)間變化規(guī)律如圖所示，圖中N為鈾238的原子數(shù)，N0為鈾和鉛的總原子數(shù)。由此可以判斷出A.鈾238的半衰期為90億年B.地球的年齡大致為90億年C.被測(cè)定的巖石樣品在90億年時(shí)，鈾、鉛原子數(shù)之比約為1:3D.根據(jù)鈾半衰期可知，20個(gè)鈾原子核經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期后就剩下10個(gè)鈾原子核【解題感悟】半衰期理解的兩個(gè)誤區(qū)（1）錯(cuò)誤地認(rèn)為半衰期就是一個(gè)放射性元素的原子核衰變到穩(wěn)定核所經(jīng)歷的時(shí)間，其實(shí)半衰期是大量的原子核發(fā)生衰變時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。（2）錯(cuò)誤地認(rèn)為放射性元素的半衰期就是元素質(zhì)量減少為原來(lái)一半所需要的時(shí)間，該觀(guān)點(diǎn)混淆了尚未發(fā)生衰變的放射性元素的質(zhì)量與衰變后元素的質(zhì)量的差別，其實(shí)衰變后的質(zhì)量包括衰變后新元素的質(zhì)量和尚未發(fā)生衰變的元素質(zhì)量?jī)刹糠帧！具w移應(yīng)用】1..新發(fā)現(xiàn)的一種放射性元素X，它的氧化物X2O的半衰期為8天，X2O與F發(fā)生化學(xué)反應(yīng)2?天天天天2.已知?1530P的半衰期為T(mén)=2.5?min，則32?g的?1530P經(jīng)過(guò)時(shí)間tA.2.5minB.C.7.5minD.3.一塊氡222放在天平的左盤(pán)時(shí)，需要在天平的右盤(pán)加444?g砝碼，天平才能處于平衡，氡222發(fā)生α衰變，經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期以后，欲使天平再次平衡，應(yīng)從右盤(pán)中取出的砝碼為A.222?gB.8?gC.2?4.?14C發(fā)生放射性衰變成為?14N，半衰期約為5730年。已知植物存活期間，其體內(nèi)?14C與?12A.該古木生命活動(dòng)結(jié)束的年代距今約為5730年B.再過(guò)約5730年，該樣品中的?14C.?14C衰變?yōu)?D.改變樣品測(cè)量環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)，可以改變?14探究點(diǎn)三、核反應(yīng)及核反應(yīng)方程情境探究如圖所示為α粒子轟擊氮原子核示意圖。（1）充入氮?dú)馇盁晒馄辽峡床坏介W光，而充入氮?dú)夂鬅晒馄辽峡吹搅碎W光，說(shuō)明了什么問(wèn)題？（2）原子核的人工轉(zhuǎn)變與原子核的衰變有什么相同規(guī)律？（3）如何實(shí)現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變？探究歸納核反應(yīng)的理解內(nèi)容說(shuō)明核反應(yīng)的條件用α粒子、質(zhì)子、中子，甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變核反應(yīng)的規(guī)律質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒原子核人工轉(zhuǎn)變的三大發(fā)現(xiàn)1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，核反應(yīng)方程為?1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子，核反應(yīng)方程為?1934年約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，核反應(yīng)方程為?1327人工轉(zhuǎn)變與衰變的比較相同點(diǎn)人工轉(zhuǎn)變與衰變過(guò)程一樣，在發(fā)生過(guò)程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒不同點(diǎn)人工轉(zhuǎn)變是其他粒子與原子核相碰撞的結(jié)果，需要一定的裝置和條件才能發(fā)生；而衰變是原子核的自發(fā)變化，它不受物理、化學(xué)條件的影響探究應(yīng)用【典例】盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程?24He+?m14N→?A.O、7、17、1B.C、8、17、1C.O、6、16、1D.C、7、17、2【解題感悟】寫(xiě)核反應(yīng)方程時(shí)應(yīng)注意的三點(diǎn)（1）核反應(yīng)過(guò)程一般都是不可逆的，核反應(yīng)方程不能用等號(hào)連接，只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向。（2）核反應(yīng)方程應(yīng)以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，不能憑空杜撰。（3）核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過(guò)程中，一般會(huì)發(fā)生質(zhì)量的變化?！具w移應(yīng)用】1.中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所制得了一種新的鉑元素的同位素?78（1）用質(zhì)子轟擊鈹靶?4（2）用快中子轟擊汞?80①生成?78②生成?78（3）生成的?78202Pt發(fā)生兩次β寫(xiě)出上述核反應(yīng)方程式。（5）號(hào)元素為B，79號(hào)元素為Au，80號(hào)元素為Hg）2.1920年，盧瑟福在一次著名演講中預(yù)言了中子的存在。盧瑟福的學(xué)生查德威克從1921年開(kāi)始關(guān)于中子的實(shí)驗(yàn)探索，歷經(jīng)12年，終于在1932年發(fā)現(xiàn)了中子。查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程式為α+94Be→MZXA.510B.512C.611D.6123.（多選）一個(gè)質(zhì)子以1.4×107m/s的速度撞一個(gè)孤立的靜止鋁原子核后被俘獲，鋁原子核變成硅原子核。已知鋁原子核的質(zhì)量是質(zhì)子的27倍，硅原子核的質(zhì)量是質(zhì)子的A.核反應(yīng)方程為?B.核反應(yīng)方程為?C.硅原子核速度的數(shù)量級(jí)為10D.硅原子核速度的數(shù)量級(jí)為10探究點(diǎn)四、放射性同位素的應(yīng)用情境探究如圖所示，是利用放射線(xiàn)自動(dòng)控制鋁板厚度的裝置，假如放射源能放射出α、β、γ三種射線(xiàn)。（1）根據(jù)設(shè)計(jì)，該生產(chǎn)線(xiàn)壓制的是3?mm（2）當(dāng)探測(cè)接收器單位時(shí)間內(nèi)接收的放射性粒子的個(gè)數(shù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，將如何調(diào)整兩個(gè)軋輥間的距離？探究歸納1.放射性同位素的分類(lèi)（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應(yīng)用（1）利用它的射線(xiàn)：①射線(xiàn)測(cè)厚儀：利用γ射線(xiàn)的穿透特性。②放射治療：利用γ射線(xiàn)的高能量治療癌癥。③培優(yōu)、保鮮：利用γ射線(xiàn)使種子的遺傳基因發(fā)生變異，培育新的品種；照射食品殺死使食物腐敗的細(xì)菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長(zhǎng)保存期。（2）作為示蹤原子：把放射性同位素原子通過(guò)物理或化學(xué)反應(yīng)的方式摻到其他物質(zhì)中，然后用探測(cè)儀進(jìn)行追蹤，確定其位置。3.輻射與安全：人類(lèi)一直生活在放射性的環(huán)境中，過(guò)量的射線(xiàn)對(duì)人體組織有破壞作用。要防止放射性物質(zhì)對(duì)水源、空氣、用具等的污染。探究應(yīng)用【典例】（多選）關(guān)于放射性同位素的應(yīng)用，下列說(shuō)法中正確的是()A.放射線(xiàn)改變了布料的性質(zhì)使其不再因摩擦而生電，因此達(dá)到了消除有害靜電的目的B.利用γ射線(xiàn)的貫穿性可以為金屬探傷C.用放射線(xiàn)照射農(nóng)作物種子能使其DNA發(fā)生變異，其結(jié)果一定是成為更優(yōu)秀的品種D.用γ射線(xiàn)治療腫瘤時(shí)一定要嚴(yán)格控制劑量，以免對(duì)人體正常組織造成太大的傷害解題感悟放射性同位素的應(yīng)用技巧（1）用射線(xiàn)來(lái)測(cè)量厚度，一般不選取α射線(xiàn)是因?yàn)槠浯┩改芰μ?，更多的是選取γ射線(xiàn)，也有部分選取β射線(xiàn)。（2）給病人治療癌癥、培育優(yōu)良品種、延長(zhǎng)食物保質(zhì)期一般選取γ射線(xiàn)。（3）使用放射線(xiàn)時(shí)安全是第一位的。【遷移應(yīng)用】1.（多選）下列哪些應(yīng)用是把放射性同位素作為示蹤原子()A.γ射線(xiàn)探傷儀B.利用含有放射性碘131的油，檢測(cè)地下輸油管的漏油情況C.利用鈷60治療腫瘤等疾病D.把含有放射性元素的肥料施給農(nóng)作物，用檢測(cè)放射性的辦法確定放射性元素在農(nóng)作物內(nèi)轉(zhuǎn)移和分布情況，找出合理施肥的規(guī)律2.2021年1月3日消息，諾貝爾官方稱(chēng)居里夫人的“筆記”仍具放射性，還將持續(xù)1500年。關(guān)于放射性元素、衰變和半衰期，下列說(shuō)法正確的是()A.?92238U衰變成?86222Rn要經(jīng)過(guò)4次B.放射性元素的半衰期不僅與核內(nèi)部自身因素有關(guān)，還與質(zhì)量有關(guān)C.一個(gè)放射性原子核，發(fā)生一次β衰變，則它質(zhì)子數(shù)減少一個(gè)，中子數(shù)增加一個(gè)D.原子核衰變時(shí)滿(mǎn)足電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒3.有甲、乙兩種放射性元素，它們的半衰期分別是τ甲=15天，τ乙=30天，它們的質(zhì)量分別為M甲、M乙A.1:4B.4:1C.2:1D.1:24.某校學(xué)生在進(jìn)行社會(huì)綜合實(shí)踐活動(dòng)時(shí)，收集列出了一些放射性同位素的半衰期和可供利用的射線(xiàn)（見(jiàn)表），并總結(jié)出它們的幾種用途。同位素放射線(xiàn)半衰期同位素放射線(xiàn)半衰期釙210α138天鍶99β28年镅241β433天锝99γ6小時(shí)鈷60γ5年氡α3.8天根據(jù)表中數(shù)據(jù)請(qǐng)你分析判斷下面結(jié)論正確的是()A.塑料公司生產(chǎn)聚乙烯薄膜，方法是讓較厚的聚乙烯膜通過(guò)軋輥后變薄，利用α射線(xiàn)來(lái)測(cè)定通過(guò)軋輥后的薄膜厚度是否均勻B.鈷60的半衰期為5年，若取4個(gè)鈷60原子核，經(jīng)10年后就一定剩下一個(gè)原子核C.把放射性元素釙210摻雜到其他穩(wěn)定元素中，放射性元素的半衰期變短D.用锝99可以作示