放射性元素的衰變課件-高二下學期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

1、5.2 放射性元素的衰變 問題： 在古代，不論是東方還是西方，都有一批人追求“點石成金”之術，他們試圖利用化學方法將一些普通的礦石變成黃金。當然，這些煉金術士的希望都破滅了。那么，有沒有“讓一種元素變成另一種元素”的過程呢？類似于“點石成金”的事一直就在自然界中進行著，這就是伴隨著天然放射現(xiàn)象發(fā)生的原子核“衰變”過程原子核的衰變 原子核自發(fā)地放出粒子或粒子，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。我們把這種變化稱為原子核的衰變鈾238放出一個粒子后，質量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，成為新核。這個新核就是釷234（圖5.2-1）。這種衰變過程叫作衰變。這個過程可以用下面的衰

2、變方程表示衰變 在這個衰變過程中，衰變前的質量數(shù)等于衰變后的質量數(shù)之和 ；衰變前的電荷數(shù)等于衰變后的電荷數(shù)之和。大量事實表明，原子核衰變時電荷數(shù)和質量數(shù)都守恒思考與討論：在 衰變中，新核的質量數(shù)與原來的核的質量數(shù)有什么關系？相對于原來的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置應當向前移還是向后移？要移動幾位？你能概括出 衰變的質量數(shù)、核電荷數(shù)變化的一般規(guī)律嗎？衰變 鈾238在 衰變時產生的釷234 也具有放射性，它能放出一個粒子而變?yōu)殓h234（圖5.2-2）。由于電子的質量比核子的質量小得多，因此，我們可以認為電子的質量數(shù)為 0、電荷數(shù)為1，可以把電子表示為-01e 。這樣，原子核放出

3、一個電子后，因為其衰變前后電荷數(shù)和質量數(shù)都守恒，新核的質量數(shù)不會改變但其電荷數(shù)應當加1。其衰變方程為放出粒子的衰變叫作衰變“電荷數(shù)之和”指代數(shù)和，因為發(fā)生 衰變時，電子的電荷數(shù)是1衰變思考與討論:在 衰變中，質量數(shù)、核電荷數(shù)有什么變化規(guī)律？原子核里沒有電子， 衰變中的電子來自哪里?進一步的研究發(fā)現(xiàn)，衰變的實質在于核內的中子轉化成了一個質子和一個電子（圖5.2-3），其轉化方程是:這種轉化產生的電子發(fā)射到核外，就是 粒子與此同時，新核少了一個中子，卻增加了一個質子。所以，新核質量數(shù)不變，而電荷數(shù)增加1 研究還表明，在一定的條件下，原子核中的兩個中子和兩個質子會結合起來形成粒子，并被釋放出來，此時

4、原子核就發(fā)生了衰變原子核發(fā)生衰變時放出射線，原子核發(fā)生衰變時放出射線，那么，放射源鈾、釙、鐳天然放射現(xiàn)象中為什么還有射線呢？射線的產生原因原子核的能量也跟原子的能量一樣，其變化是不連續(xù)的，也只能取一系列不連續(xù)的數(shù)值，因此，也存在著能級，同樣是能級越低越穩(wěn)定。放射性的原子核在發(fā)生衰變、衰變時產生的新核處于高能級，這時它要向低能級躍遷，并放出光子。因此，射線經(jīng)常是伴隨射線和射線產生的。當放射性物質連續(xù)衰變時，原子核中有的發(fā)生衰變，有的發(fā)生衰變，同時伴隨著射線輻射。這時，放射性物質發(fā)出的射線中就會同時具有、三種射線半衰期放射性同位素衰變的快慢有一定的規(guī)律。例如氡222 經(jīng)過衰變成為釙218。如圖5.

5、2-4，橫坐標表示時間，縱坐標表示任意時刻氡的質量m與t 0時的質量m0 的比值。如果隔一段時間測量一次剩余氡的數(shù)量就會發(fā)現(xiàn)，每過3.8 d就有一半的氡發(fā)生了衰變。也就是說，經(jīng)過第一個3.8 d，剩有一半的氡；經(jīng)過第二個3.8 d，剩有 1/ 4的氡；再經(jīng)過3.8 d，剩有 1/8 的氡因此，我們可以用“半衰期”來表示放射性元素衰變的快慢。半衰期放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間，叫作這種元素的半衰期。對于一個特定的氡原子，我們只知道它發(fā)生衰變的概率，而不知道它將何時發(fā)生衰變。一個特定的氡核可能在下1 s就衰變，也可能在10 min之內衰變，也可能在200萬年之后再衰變。然而，量子理論

6、可以對大量原子核的行為作出統(tǒng)計預測。例如，對于大量氡核，可以準確地預言在1 s后、10 min后，或200萬年后，各會剩下百分之幾沒有衰變。放射性元素的半衰期，描述的就是這樣的統(tǒng)計規(guī)律半衰期不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差別非常大。例如，氡222衰變?yōu)獒?18的半衰期是3.8 d，鐳226衰變?yōu)殡?22的半衰期是1 620年，鈾238衰變?yōu)殁Q234的半衰期竟長達4.5109 年放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關系。例如，一種放射性元素，不管它是以單質的形式存在，還是與其他元素形成化合物，或者對它施加壓力、提高溫度，都不能改變它的半衰期。這是

7、因為壓力、溫度或與其他元素的化合等，都不會影響原子核的結構核反應衰變是原子核的自發(fā)變化，科學家更希望人工控制原子核的變化。當初盧瑟福用粒子轟擊氮原子核，產生了氧的一種同位素氧17和一個質子，即:這是人類第一次實現(xiàn)的原子核的人工轉變。不僅用粒子，用質子、中子甚至用光子去轟擊一些原子核，都可以實現(xiàn)原子核的轉變，通過這種方式可以研究原子核的結構，還可以發(fā)現(xiàn)和制造新元素原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程，稱為核反應。與衰變過程一樣，在核反應中，質量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。放射性同位素及其應用很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它們被稱為放射性同位素。天然放射性同位素不過40多種，而今天通過核反應

8、生成的人工放射性同位素已達1 000多種，每種元素都有了自己的放射性同位素。豐富的放射性同位素資源在國民經(jīng)濟和科學研究的各個領域中得到了廣泛的應用與天然放射性物質相比，人工放射性同位素的放射強度容易控制，半衰期比較短，因此放射性廢料容易處理，獲得了廣泛的應用。放射性同位素及其應用射線測厚儀 工業(yè)部門可以使用放射性同位素發(fā)出的射線來測厚度。例如，軋鋼廠的熱軋機上可以安裝射線測厚儀（圖5.2-5），讓射線穿過鋼板，儀器探測到的射線強度與鋼板的厚度有關，軋出的鋼板越厚，透過的射線越弱。因此，將射線測厚儀接收到的信號輸入計算機，就可以對鋼板的厚度進行自動控制。放射性同位素及其應用放射治療 在醫(yī)療方面，

9、患了癌癥的病人可以接受鈷60的放射治療（圖5.2-6）。為什么射線能夠用于治療癌癥呢？原來人體組織對射線的耐受能力是不同的，細胞分裂越快的組織，它對射線的耐受能力就越弱。像癌細胞那樣，不斷迅速繁殖的、無法控制的細胞組織，在射線照射下破壞得比健康細胞快。放射性同位素及其應用培優(yōu)、保鮮 利用射線照射種子，會使種子的遺傳基因發(fā)生變異，經(jīng)過篩選，可以培育出新品種。用射線照射食品可以殺死使食物腐敗的細菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長保存期（圖5.2-7）。放射性同位素及其應用示蹤原子 一種放射性元素的原子核，跟這種元素其他同位素的原子核具有相同數(shù)量的質子，因此，核外電子的數(shù)量也相同。由此可知，一種元素的各種同位素

10、都有相同的化學性質。這樣，我們可以用放射性同位素代替非放射性的同位素來制成各種化合物，這種化合物的原子跟通常的化合物一樣參與所有化學反應，但卻帶有“放射性標記”，可以用儀器探測出來。這種原子就是示蹤原子。 棉花在開花、結桃的時候需要較多的磷肥，把磷肥噴在棉花葉子上，磷肥也能被吸收。但是，什么時候的吸收率最高、磷在作物內能存留多長時間、磷在作物體內的分布情況等，用通常的方法很難研究。如果用磷的放射性同位素制成肥料噴在棉花的葉面上，然后每隔一定時間用探測器測量棉株各部位的放射性強度，上面的問題就解決了。放射性同位素及其應用示蹤原子 人體甲狀腺的工作需要碘，碘被吸收后聚集在甲狀腺內。如圖5.2-8，給人注射碘的放射性同位素碘131，在頸部底部的甲狀腺（紅色，部分被遮蔽），被放射性示蹤劑碘131高亮著色。定時用探測器測量甲狀腺及鄰近組織的放射強度，有助于診斷甲狀腺的疾病。輻射與安全人類一直生活在放射性的環(huán)境中。例如，地球上的每個角落都有來自宇宙的射線，我們周圍的巖石，其中也有放射性物質。我們的食物和日常用品中，有的也具有放射性，例如，食鹽和有些水晶眼鏡片中含有鉀4