2022-2023學(xué)年粵教版選擇性必修第三冊(cè) 5.2 放射性元素的衰變 學(xué)案

學(xué)習(xí)目標(biāo)物理與STSE1．知道天然放射現(xiàn)象及其規(guī)律．2．理解三種射線的本質(zhì)，以及如何利用磁場(chǎng)區(qū)分它們．(重點(diǎn))3．知道放射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是原子核的衰變．4．知道兩種衰變的基本性質(zhì)，掌握原子核的衰變規(guī)律(重點(diǎn))α、β、γ三種射線在磁場(chǎng)中的軌跡，證明了α、β、γ三種粒子的電量、電性、質(zhì)量的不同eq\a\vs4\al(半衰期不會(huì)因存在,形式的變化而變化)知識(shí)點(diǎn)一放射性的發(fā)現(xiàn)1．1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)具有放射性．2．物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)稱為放射性，具有放射性的元素稱為放射性元素，放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象叫作天然放射現(xiàn)象．3．原子序數(shù)大于或等于83的元素，都能自發(fā)地發(fā)出射線，原子序數(shù)小于83的元素，有的也能放出射線．知識(shí)點(diǎn)二原子核衰變1．對(duì)三種射線的認(rèn)識(shí)．(1)α射線：實(shí)際上就是氫原子核，速度可達(dá)到光速的eq\f(1,10)，其電離作用強(qiáng)，穿透能力較差，在空氣中只能前進(jìn)幾厘米，用一張紙就能把它擋?。?2)β射線：是高速電子流，它的速度很大，可達(dá)光速的99%，它的穿透能力較強(qiáng)，電離作用較弱．(3)γ射線：呈電中性，是頻率很高的電磁波，波長(zhǎng)很短，在10－10m以下，它的電離作用更小，但穿透能力更強(qiáng)，甚至能穿透幾厘米厚的鉛板或幾十厘米厚的混凝土．2．原子核衰變．定義：原子核放出α粒子或β粒子，由于核電荷數(shù)變了，它在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．原子核衰變時(shí)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都發(fā)生變化．知識(shí)點(diǎn)三半衰期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(shí)間．2．特點(diǎn)．(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本身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無(wú)關(guān)．3．適用條件：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．4．半衰期公式：m余＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(\f(t,T\f(1,2)))，其中Teq\s\do9(\f(1,2))為半衰期．小試身手1．以下事實(shí)可作為“原子核可再分”的依據(jù)的是()A．天然放射現(xiàn)象B．α粒子散射實(shí)驗(yàn)C．電子的發(fā)現(xiàn)D．氫原子發(fā)光A解析：貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，說(shuō)明原子核也是有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的，揭示了原子核還可再分；盧瑟福通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型；湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，說(shuō)明原子可再分；氫原子發(fā)光是能級(jí)躍遷引起的，不能說(shuō)明原子核可再分．故A正確．2．(多選)天然放射性物質(zhì)的放射線包括三種成分，下列說(shuō)法正確的是()A．一張厚的黑紙能擋住α射線，但不能擋住β射線和γ射線B．某原子核在放出γ射線后會(huì)變成另一種元素的原子核C．三種射線中對(duì)氣體電離作用最強(qiáng)的是α射線D．β粒子是電子，但不是原來(lái)繞核旋轉(zhuǎn)的核外電子ACD解析：由三種射線的本質(zhì)和特點(diǎn)可知，α射線穿透本領(lǐng)最弱，一張黑紙都能擋住，而擋不住β射線和γ射線，故A正確；γ射線是一種波長(zhǎng)很短的光子，不會(huì)使原核變成新核，故B錯(cuò)誤；三種射線中α射線電離作用最強(qiáng)，故C正確；β粒子是電子，來(lái)源于原子核，故D正確．3．(多選)目前，在居室裝修中經(jīng)常用到花崗巖、大理石等裝飾材料，這些材料都不同程度地含有放射性元素，下列有關(guān)放射性知識(shí)的說(shuō)法中正確的是()A．氡的半衰期為3.8天，若有4kg氡原子核，經(jīng)過(guò)7.6天后就只剩下1kg氡原子核B．氡的半衰期為3.8天，若有4個(gè)氡原子核，經(jīng)過(guò)7.6天后就只剩下1個(gè)氡原子核C．放射性元素發(fā)生β衰變時(shí)釋放的電子是原子核外電子電離產(chǎn)生的高速電子D．放射性元素與別的元素形成化合物時(shí)仍具有放射性AD解析：若有4kg氡原子核，經(jīng)過(guò)7.6天即經(jīng)過(guò)2個(gè)半衰期后，就只剩下4kg×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(2)＝1kg氡原子核，A正確；半衰期是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)少數(shù)原子核不適用，B錯(cuò)誤；β衰變實(shí)質(zhì)是原子核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，電子從原子核中釋放出來(lái)，C錯(cuò)誤；放射性由原子核本身決定，與所處的化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)，D正確．探究一三種射線1．α、β、γ射線性質(zhì)、特征比較．射線種類組成速度貫穿本領(lǐng)電離作用α射線α粒子是氦原子核eq\o\al(4,2)He約eq\f(1,10)c很小，一張薄紙就能擋住很強(qiáng)β射線β粒子是高速電子流eq\o\al(0,－1)e接近c(diǎn)很大，能穿過(guò)幾毫米厚的鋁板較弱γ射線波長(zhǎng)很短的電磁波等于c最大，能穿過(guò)幾厘米厚的鉛板很小2.三種射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)情況的比較．(1)在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，α射線偏轉(zhuǎn)半徑較大，β射線偏轉(zhuǎn)半徑較小，γ射線不偏轉(zhuǎn)，如圖所示．(2)在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，α射線偏離較小，β射線偏離較大，γ射線不偏離，如圖所示．3．元素的放射性．如果一種元素具有放射性，那么不論它是以單質(zhì)的形式存在，還是以某種化合物的形式存在，放射性都不受影響．也就是說(shuō)，放射性與元素存在的狀態(tài)無(wú)關(guān)，放射性僅與原子核有關(guān)．因此，原子核不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子核也存在著一定結(jié)構(gòu)．【典例1】(多選)如圖所示，鉛盒A中裝有天然放射性物質(zhì)，放射線從其右端小孔中水平向右射出，在小孔和熒光屏之間有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則下列說(shuō)法中正確的有()A．打在圖中a、b、c三點(diǎn)的依次是α射線、γ射線和β射線B．α射線和β射線的軌跡是拋物線C．α射線和β射線的軌跡是圓弧D．如果在鉛盒和熒光屏間再加一豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)，則屏上的亮斑可能只剩下bAC解析：由左手定則可知粒子向右射出后，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中帶正電的α粒子受的洛倫茲力向上，帶負(fù)電的β粒子受的洛倫茲力向下，軌跡都是圓弧．而γ射線不帶電做直線運(yùn)動(dòng)所以B錯(cuò)誤，A、C正確；如果在鉛盒和熒光屏間再加一豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，由于α粒子速度約是光速的eq\f(1,10)，而β粒子速度接近光速，所以在同樣的混合場(chǎng)中不可能都做直線運(yùn)動(dòng)，D錯(cuò)誤．三種射線的比較方法(1)知道三種射線帶電的性質(zhì)，α射線帶正電、β射線帶負(fù)電、γ射線不帶電．α、β是實(shí)物粒子，而γ射線是光子流，屬于電磁波的一種．(2)在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中，通過(guò)其受力及運(yùn)動(dòng)軌跡半徑的大小來(lái)判斷α和β射線，由于γ射線不帶電，故運(yùn)動(dòng)軌跡仍為直線．(3)α射線穿透能力較弱，β射線穿透能力較強(qiáng)，γ射線穿透能力最強(qiáng)．1．(多選)圖中P為放在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的天然放射源，其發(fā)射的射線在電場(chǎng)的作用下分成a、b、c三束，以下判斷正確的是()A．a(chǎn)為α射線、b為β射線B．a(chǎn)為β射線、b為γ射線C．b為γ射線、c為α射線D．b為α射線、c為γ射線BC解析：由題圖可知電場(chǎng)線方向向右，α射線帶正電，所受電場(chǎng)力方向與電場(chǎng)線方向一致，故α射線向右偏轉(zhuǎn)，即c為α射線．β射線帶負(fù)電，所受電場(chǎng)力方向與電場(chǎng)線方向相反，故β射線向左偏轉(zhuǎn)，即a為β射線．γ射線不帶電，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即b為γ射線．故選項(xiàng)B、C正確．2．如圖所示，X為未知的放射源，L為薄鋁片，若在放射源和計(jì)數(shù)器之間加上L后，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率大幅度減小，在L和計(jì)數(shù)器之間再加豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率不變，則X可能是()A．α和β的混合放射源B．純?chǔ)练派湓碈．α和γ的混合放射源D．純?chǔ)梅派湓碈解析：由三種射線的本質(zhì)和性質(zhì)可以判斷：在放射源和計(jì)數(shù)器之間加上鋁片后，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率大幅度減小，說(shuō)明射線中有穿透力很弱的粒子，即α粒子；在鋁片和計(jì)數(shù)器之間再加豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率不變，說(shuō)明穿過(guò)鋁片的粒子中無(wú)帶電粒子，故只有γ射線．因此放射源可能是α和γ的混合放射源．探究二半衰期1．半衰期的理解．半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量，同一放射性元素具有的衰變速率一定，不同元素的半衰期不同，有的差別很大．2．半衰期公式．N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(\f(t,T))，m余＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(\f(t,T)).式中N原、m0表示衰變前的原子核數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子核數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時(shí)間，T表示半衰期．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)法確定何時(shí)發(fā)生衰變，因此，半衰期只適用于大量的原子核的衰變．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．【典例2】放射性同位素14C被考古學(xué)家稱為“碳鐘”，它可以用來(lái)判定古生物體的年代，此項(xiàng)研究獲得1960年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)．(1)宇宙射線中高能量的中子碰到空氣中的氮原子后，會(huì)形成不穩(wěn)定的eq\o\al(14,6)C，它很容易發(fā)生衰變，放出β射線變成一個(gè)新核，其半衰期為5730年，試寫出14C的衰變方程．(2)若測(cè)得一古生物遺骸中的eq\o\al(14,6)C含量只有活體中的25%，則此遺骸距今約有多少年？解析：(1)eq\o\al(14,6)C的β衰變方程為：eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,7)N.(2)eq\o\al(14,6)C的半衰期T＝5730年．生物死亡后，遺骸中的eq\o\al(14,6)C含量按其半衰期變化，設(shè)活體中eq\o\al(14,6)C的含量為N0，遺骸中的eq\o\al(14,6)C含量為N，則N＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(\f(t,T))N0＝0.25N0，故eq\f(t,5730)＝2，t＝11460(年)．答案：(1)eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,7)N(2)11460(年)關(guān)于半衰期的兩個(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)生衰變的質(zhì)量．3．(多選)關(guān)于原子核的衰變和半衰期，下列說(shuō)法正確的是()A．半衰期是指原子核的質(zhì)量減少一半所需要的時(shí)間B．半衰期是指原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間C．發(fā)生α衰變時(shí)產(chǎn)生的新原子核在元素周期表中的位置向后移動(dòng)2位D．發(fā)生β衰變時(shí)產(chǎn)生的新原子核在元素周期表中的位置向后移動(dòng)1位BD解析：由半衰期的定義可知，A錯(cuò)誤，B正確；由α衰變和β衰變的實(shí)質(zhì)可知，C錯(cuò)誤，D正確．4．已知A和B兩種放射性元素的半衰期分別為T和2T，則相同質(zhì)量的A和B經(jīng)過(guò)2T后，剩有的A和B質(zhì)量之比為()A．1∶4