人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：5 2 放射性元素的衰變

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第2節(jié)放射性元素的衰變〖學(xué)習(xí)目標(biāo)要求〗1.知道衰變及兩種衰變的規(guī)律，能熟練寫出衰變方程。2.掌握半衰期的概念及有關(guān)計算。3.知道核反應(yīng)及其遵從的規(guī)律，會正確書寫核反應(yīng)方程。4.知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素。5.了解放射性在生產(chǎn)和科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，知道射線的危害及防護。一、原子核的衰變1.定義：原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的過程。2.衰變類型(1)α衰變：放射性元素放出α粒子的衰變過程。放出一個α粒子后，核的質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，成為新核。(2)β衰變：放射性元素放出β粒子的衰變過程。放出一個β粒子后，核的質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)增加1。3.衰變規(guī)律：原子核衰變時電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。4.衰變的實質(zhì)(1)α衰變的實質(zhì)：2個中子和2個質(zhì)子結(jié)合在一起形成α粒子。(2)β衰變的實質(zhì)：核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為了一個質(zhì)子和一個電子。(3)γ射線經(jīng)常是伴隨α衰變和β衰變產(chǎn)生的。〖想一想〗原子核發(fā)生β衰變是否為原子核中的電子發(fā)射到核外了呢？〖答案〗不是，原子核中沒有電子。二、半衰期1.定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。2.特點(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)和外部條件沒有關(guān)系。3.適用條件：半衰期描述的是統(tǒng)計規(guī)律，不適用于單個原子核的衰變。4.半衰期的應(yīng)用：利用半衰期非常穩(wěn)定這一特點，可以通過測量其衰變程度來推斷時間。〖判一判〗(1)半衰期是原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間，經(jīng)過兩個半衰期原子核就全部發(fā)生衰變。(×)(2)根據(jù)半衰期的計算，我們可以知道一個特定的原子核何時發(fā)生衰變。(×)(3)半衰期與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件都無關(guān)。(√)三、核反應(yīng)1.定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程。2.原子核的人工轉(zhuǎn)變(1)1919年盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，產(chǎn)生了氧的一種同位素，同時產(chǎn)生一個質(zhì)子。(2)盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H。3.遵循規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。四、放射性同位素及其應(yīng)用1.放射性同位素(1)定義：具有放射性的同位素。(2)類型：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資源豐富，輻射強度容易控制，半衰期較短和放射性廢料容易處理的優(yōu)點。2.放射性同位素的應(yīng)用(1)射線測厚度：使用放射性同位素發(fā)出的射線來測厚度。(2)放射治療：利用放射性同位素發(fā)出的射線破壞癌細胞組織。(3)培優(yōu)保鮮：利用放射性同位素放出的射線照射種子培養(yǎng)優(yōu)良品種等。(4)示蹤原子：一種元素的各種同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)，用放射性同位素替換非放射性的同位素后可以探測出原子到達的位置。3.輻射與安全：人類一直生活在放射性的環(huán)境中，過量的射線對人體組織有破壞作用。要防止放射性物質(zhì)對空氣、水源、用具等的污染。

探究1原子核的衰變1.衰變實質(zhì)α衰變：原子核內(nèi)兩個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成一個α粒子，并在一定條件下作為一個整體從較大的原子核中拋射出來，產(chǎn)生α衰變。2eq\o\al(1,0)n＋2eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)Heβ衰變：原子核內(nèi)的一個中子變成一個質(zhì)子留在原子核內(nèi)，同時放出一個電子，即β粒子放射出來。eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e2.衰變規(guī)律原子核發(fā)生衰變時，遵循三個守恒定律(1)衰變前后的電荷數(shù)守恒。(2)質(zhì)量數(shù)守恒。(3)動量守恒。3.衰變方程通式(1)α衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He(2)β衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e4.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eq\o\al(A,Z)X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素eq\o\al(A′,Z′)Y，則衰變方程為：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A′,Z′)Y＋neq\o\al(4,2)He＋meq\o\al(0,－1)e根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程：A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m以上兩式聯(lián)立解得：n＝eq\f(A－A′,4)，m＝eq\f(A－A′,2)＋Z′－Z。由此可見，確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個二元一次方程組。(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)(這是因為β衰變的次數(shù)多少對質(zhì)量數(shù)沒有影響)，然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)?！祭?〗放射性元素釙(eq\o\al(210,84)Po)發(fā)生衰變時，會產(chǎn)生eq\o\al(4,2)He和一種未知粒子，并放出γ射線，其衰變方程為eq\o\al(210,84)Po→eq\o\al(y,82)X＋eq\o\al(4,2)He＋γ，下列說法正確的是()A.eq\o\al(4,2)He的穿透能力比γ射線強B.y＝206C.X核的中子個數(shù)為126D.這種衰變?yōu)棣滤プ儭即鸢浮紹〖解析〗eq\o\al(4,2)He的穿透能力比γ射線弱，A錯誤；根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒可得y＝210－4＝206，B正確；X核的中子個數(shù)為206－82＝124，C錯誤；這種衰變放出α粒子，因此衰變?yōu)棣了プ儯珼錯誤。〖例2〗(2021·福建福州一中月考)在勻強磁場中，一個原來靜止的原子核，由于衰變放射出某種粒子，結(jié)果得到一張兩個相切圓1和2的徑跡照片如圖所示，已知兩個相切圓半徑分別r1、r2，則下列說法正確的是()A.原子核可能發(fā)生α衰變，也可能發(fā)生β衰變B.徑跡2可能是衰變后新核的徑跡C.若衰變方程是eq\o\al(238,91)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，則衰變后新核和射出的粒子的動能之比為117∶2D.若衰變方程是eq\o\al(238,91)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，則r1∶r2＝1∶45〖答案〗D〖解析〗原子核衰變過程系統(tǒng)動量守恒，由動量守恒定律可知，衰變生成的兩粒子動量方向相反，粒子速度方向相反，由左手定則知：若生成的兩粒子電性相反則在磁場中的軌跡為內(nèi)切圓，若電性相同則在磁場中的軌跡為外切圓，所以生成的是電性相同的粒子，可能發(fā)生的是α衰變，但不可能是β衰變，A錯誤；核反應(yīng)過程系統(tǒng)動量守恒，原子核原來靜止，初動量為零，由動量守恒定律可知，原子核衰變后生成的兩核動量p大小相等、方向相反，粒子在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，由牛頓第二定律得qvB＝meq\f(v2,r)，解得r＝eq\f(mv,qB)＝eq\f(p,qB)。由于p、B都相同，則粒子電荷量q越大，其軌道半徑r越小，由于新核的電荷量大于粒子的電荷量，則新核的軌道半徑小于粒子的軌道半徑，則徑跡1為放出新核的運動軌跡，徑跡2為粒子的運動軌跡，B錯誤；根據(jù)動量守恒定律知，新核Th和α粒子的動量大小相等，則動能Ek＝eq\f(p2,2m)，所以動能之比等于質(zhì)量之反比，為2∶117，C錯誤；根據(jù)r＝eq\f(mv,qB)＝eq\f(p,qB)，解得r1∶r2＝2∶90＝1∶45，D正確。探究2半衰期的理解1.意義：表示放射性元素衰變的快慢。2.半衰期公式：N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(\f(t,τ))，m余＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(\f(t,τ))，式中N原、m0表示衰變前的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，τ表示半衰期。3.適用條件：半衰期是一個統(tǒng)計概念，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對于一個特定的原子核，無法確定其何時發(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，可以測算其衰變過程，推算時間等。〖例3〗現(xiàn)有一塊質(zhì)量為2M、含eq\o\al(238,92)U的礦石，其中eq\o\al(238,92)U的質(zhì)量為2m，已知eq\o\al(238,92)U的半衰期為T，則下列說法正確的是()A.經(jīng)過時間2T后，這塊礦石基本不再含有eq\o\al(238,92)U了B.經(jīng)過時間2T后，礦石中的eq\o\al(238,92)U有eq\f(m,2)未發(fā)生衰變C.經(jīng)過時間2T后，該礦石的質(zhì)量剩下eq\f(M,2)D.經(jīng)過時間3T后，礦石中eq\o\al(238,92)U的質(zhì)量還剩eq\f(m,8)〖答案〗B〖解析〗經(jīng)過2T剩余eq\o\al(238,92)U為m1＝2m(eq\f(1,2))2＝eq\f(m,2)，發(fā)生衰變的為eq\f(3m,2)，故A項錯誤，B項正確；雖然eq\o\al(238,92)U發(fā)生衰變，但衰變的產(chǎn)物大部分仍然存在于礦石中，經(jīng)過2T后，礦石的質(zhì)量仍然接近2M，故C項錯誤；經(jīng)過時間3T后該礦石中eq\o\al(238,92)U的質(zhì)量還剩m2＝2m(eq\f(1,2))3＝eq\f(m,4)，故D項錯誤。探究3核反應(yīng)及核反應(yīng)方程1.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。2.核反應(yīng)的實質(zhì)：用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開，而是粒子打入原子核內(nèi)部使核發(fā)生了轉(zhuǎn)變。3.原子核人工轉(zhuǎn)變的三大發(fā)現(xiàn)(1)1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)HeＦeq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(2)1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)1934年約里奧—居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)方程eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e4.人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)與衰變的比較(1)不同點：原子核的人工轉(zhuǎn)變，是一種核反應(yīng)，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。(2)相同點：人工轉(zhuǎn)變與衰變過程一樣，在發(fā)生過程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒，反應(yīng)前后粒子總動量守恒?！祭?〗寫出下列原子核人工轉(zhuǎn)變的核反應(yīng)方程。(1)eq\o\al(23,11)Na(鈉核)俘獲1個α粒子后放出1個質(zhì)子；(2)eq\o\al(27,13)Al(鋁核)俘獲1個α粒子后放出1個中子；(3)eq\o\al(16,8)O(氧核)俘獲1個中子后放出1個質(zhì)子；(4)eq\o\al(30,14)Si(硅核)俘獲1個質(zhì)子后放出1個中子?！即鸢浮揭姟冀馕觥健冀馕觥礁鶕?jù)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，有(1)eq\o\al(23,11)Na＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(26,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H；(2)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n；(3)eq\o\al(16,8)O＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(16,7)N＋eq\o\al(1,1)H；(4)eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n?！坚槍τ?xùn)練〗(2021·江蘇南通市高二期末)中科院近代物理研究所將eq\o\al(26,12)Mg原子核加速后轟擊eq\o\al(243,95)Am原子核，成功合成了超重元素eq\o\al(265,107)Bh，其核反應(yīng)方程式為eq\o\al(26,12)Mg＋eq\o\al(243,95)Am→eq\o\al(265,107)Bh＋4X，則方程式中X表示()A.質(zhì)子 B.中子C.電子 D.氦核〖答案〗B〖解析〗設(shè)X的電荷數(shù)為n，質(zhì)量數(shù)為m，由核反應(yīng)方程式遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，有12＋95＝107＋4n，26＋243＝265＋4m，解得n＝0，m＝1，所以X為中子，故B正確。探究4放射性同位素及其應(yīng)用1.放射性同位素：具有放射性的同位素。分類：(1)天然放射性同位素。(2)人工放射性同位素。2.人工放射性同位素的優(yōu)點(1)資源豐富，應(yīng)用廣泛。(2)放射強度容易控制，可以制成各種所需的形狀，廢料容易處理。(3)現(xiàn)在凡是用到射線時，用的都是人工放射性同位素，而不用天然放射性物質(zhì)。3.放射性同位素的主要作用(1)工業(yè)部門使用射線測厚度——利用γ射線的穿透特性。(2)醫(yī)學(xué)上——利用γ射線的高能量治療癌癥。(3)農(nóng)業(yè)應(yīng)用——γ射線使種子的遺傳基因發(fā)生變異，殺死使食物腐敗的細菌、抑制蔬菜發(fā)芽、延長保存期等。(4)做示蹤原子——利用放射性同位素與非放射性同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)?！祭?〗關(guān)于放射性同位素的應(yīng)用，下列說法正確的有()A.放射性改變了布料的性質(zhì)使其不再因摩擦而生電，從而達到消除有害靜電的目的B.利用γ射線的貫穿性可以為金屬探傷，也能進行人體的透視C.用γ射線照射作物種子使其DNA發(fā)生變異，其結(jié)果一定是更優(yōu)秀的品種D.用γ射線治療腫瘤時一定要嚴(yán)格控制劑量，以免對人體正常組織造成太大的傷害〖答案〗D〖解析〗利用放射線消除有害靜電是利用放射線的電離作用，使空氣分子電離成為導(dǎo)體，將靜電消除，A錯誤；γ射線對人體細胞傷害太大，不能用來進行人體透視，B錯誤；作物種子發(fā)生的DNA突變不一定都是有益的，還要經(jīng)過篩選才能培育出優(yōu)良品種，C錯誤；用γ射線治療腫瘤對人體肯定有副作用，因此要科學(xué)地控制劑量，D正確。1.(原子核的衰變)(2021·遼寧大連市月考)據(jù)報道，香煙會釋放一種危險的放射性元素“釙(eq\o\al(210,84)Po)”，如果每天抽1包香煙，一年后累積的輻射相當(dāng)于200次胸透的輻射。eq\o\al(210,84)Po連續(xù)發(fā)生一次α衰變和一次β衰變后產(chǎn)生了新核，新核的中子數(shù)比新核的質(zhì)子數(shù)多()A.39個 B.40個C.42個 D.43個〖答案〗B〖解析〗eq\o\al(210,84)Po連續(xù)發(fā)生一次α衰變和一次β衰變后產(chǎn)生新核的質(zhì)量數(shù)為206，電荷數(shù)為83；則新核的中子數(shù)為206－83＝123，比質(zhì)子數(shù)多123－83＝40個。故選項B正確。2.(半衰期)考古學(xué)家在考古發(fā)掘的過程中常用到14C斷代法，生物體死亡時，14C的攝入停止，體內(nèi)的14C與原有含量的比值P滿足衰變規(guī)律P＝(eq\f(1,2))eq\f(t,5730)，其中t的單位為年?，F(xiàn)通過測量得知，某古生物樣品中P約為0.125，則下面判斷正確的是()A.14C衰變?yōu)?4N的過程中放出α射線B.該古生物的年代距今10460年C.伴隨著14C衰變過程將向外釋放能量D.具體推測結(jié)果還需要考慮該古生物樣品的發(fā)掘位置的氣候、濕度、巖層等的影響〖答案〗C〖解析〗根據(jù)核反應(yīng)方程可知，14C衰變?yōu)?4N的過程中放出電子，即發(fā)出β射線，選項A錯誤；因古生物樣品中14C的比例正好是現(xiàn)代該生物樣品的八分之一，則可知經(jīng)過的時間為三個半衰期，即該古生物的年代距今約為17190年，選項B錯誤；14C發(fā)生β衰變的同時還會往外釋放γ射線，會釋放能量，選項C正確；外界環(huán)境不影響放射性元素的半衰期，選項D錯誤。3.(核反應(yīng)和核反應(yīng)方程)貝克勒爾在120年前首先發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，如今原子核的放射性在眾多領(lǐng)域中有著重要作用，下列屬于放射性元素衰變的是()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He B.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(131,53)I＋eq\o\al(102,39)Y＋2eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n D.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n