高中物理粵教版5第四章原子核 第4章第2節(jié)放射性元素的衰變

第二節(jié)放射性元素的衰變學(xué)習(xí)目標(biāo)知識脈絡(luò)1.知道三種射線的本質(zhì)和特點(diǎn)．(重點(diǎn))2.理解原子核的衰變及核反應(yīng)規(guī)律．(難點(diǎn))3.知道半衰期的概念，會應(yīng)用半衰期解決有關(guān)問題．(重點(diǎn))原子核的衰變eq\o([先填空])1．放射性物體放出的射線常見的有三種：α射線、β射線、γ射線，其實(shí)質(zhì)分別是高速α粒子流、高速電子流、頻率很高的電磁波．2．三種射線的特點(diǎn)(1)α射線：速度可達(dá)光速的eq\f(1,10)，電離作用強(qiáng)，貫穿本領(lǐng)很?。?2)β射線：速度可達(dá)光速的99%，電離作用較弱，貫穿本領(lǐng)較強(qiáng)．(3)γ射線：是頻率很高的電磁波，波長很短，電離作用最小，貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)．3．原子核的衰變(1)衰變定義：一種元素經(jīng)放射過程，變成另一種元素的現(xiàn)象，稱為原子核的衰變．(2)衰變分類①α衰變：放出α粒子的衰變．②β衰變：放出β粒子的衰變．(3)衰變方程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e(4)衰變規(guī)律①原子核衰變時電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒．②任何一種放射性元素只有一種放射性，不能同時既有α放射性又有β放射性，而γ射線伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生．4．γ射線的產(chǎn)生：放射性的原子核在發(fā)生α衰變或者β衰變后，產(chǎn)生的新核往往處于高能級，它要向低能級躍遷，并輻射γ光子，故γ射線是伴隨α射線或β射線產(chǎn)生的．eq\o([再判斷])1．三種射線都是從原子外層電子激發(fā)出來的．(×)2．放射性物質(zhì)不可能同時放出α、β和γ三種射線．(×)3．原子核發(fā)生α衰變時，核的質(zhì)子數(shù)減少2，而質(zhì)量數(shù)減少4.(√)4．原子核發(fā)生β衰變時，原子核的質(zhì)量不變．(×)5．原子核發(fā)生衰變時，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒．(√)eq\o([后思考])發(fā)生β衰變時，新核的電荷數(shù)變化多少？新核在元素周期表中的位置怎樣變化？【提示】根據(jù)β衰變方程eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e知道，新核核電荷數(shù)增加了1個，原子序數(shù)增加1個，故在元素周期表上向后移了1位．1．α、β、γ三種射線的性質(zhì)、特征的比較種類α射線β射線γ射線組成高速氦核流高速電子流光子流(高頻電磁波)帶電荷量2e－e0質(zhì)量4mpmp＝×10－27kgeq\f(mp,1840)靜止質(zhì)量為零速度c貫穿本領(lǐng)最弱用一張紙就能擋住較強(qiáng)穿透幾毫米的鋁板最強(qiáng)穿透幾厘米的鉛板電離作用很強(qiáng)較弱很弱2.在電場、磁場中偏轉(zhuǎn)情況的比較(1)不論在電場還是磁場中，γ射線總是做勻速直線運(yùn)動，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)．(2)在勻強(qiáng)電場中，α和β粒子沿相反方向做類平拋運(yùn)動，且在同樣的條件下，β粒子的偏移最大．如圖4-2-1所示．圖4-2-1(3)在勻強(qiáng)磁場中，在同樣的條件下，α和β粒子沿相反方向做勻速圓周運(yùn)動，且在同樣條件下，β粒子的軌道半徑最小，偏轉(zhuǎn)最大．如圖4-2-2所示．圖4-2-23．衰變實(shí)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，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)的一個中子變成質(zhì)子，同時放出一個電子，eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e4．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)e5．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?yàn)棣滤プ兊拇螖?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)．1．天然放射性物質(zhì)的放射線包括三種成分，下列說法正確的是()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射線后會變成另一種元素的原子核C．三種射線中對氣體電離作用最強(qiáng)的是α射線D．β粒子是電子，但不是原來繞核旋轉(zhuǎn)的核外電子E．γ射線是波長很長的光子【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射線是一種波長很短的光子，不會使原核變成新核．三種射線中α射線電離作用最強(qiáng)，故C正確，E錯誤；β粒子是電子，來源于原子核，故D正確．【答案】ACD2．原子序數(shù)大于或等于83的所有元素，都能自發(fā)地放出射線．這些射線共有三種：α射線、β射線和γ射線．下列說法中正確的是()A．原子核每放出一個α粒子，原子序數(shù)減少2B．原子核每放出一個α粒子，原子序數(shù)增加4C．原子核每放出一個β粒子，原子序數(shù)減少1D．原子核每放出一個β粒子，原子序數(shù)增加1E．原子核放出γ射線時，原子序數(shù)不變【解析】發(fā)生一次α衰變，核電荷數(shù)減少2，質(zhì)量數(shù)減少4，原子序數(shù)減少2；發(fā)生一次β衰變，核電荷數(shù)、原子序數(shù)增加1，γ射線是光子．【答案】ADE3．如圖4-2-3所示，放射性元素鐳釋放出α、β、γ三種射線，分別進(jìn)入勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中，其中________是α射線，________是β射線，________是γ射線．圖4-2-3【解析】由放射現(xiàn)象中α射線帶正電，β射線帶負(fù)電，γ射線不帶電，結(jié)合在電場與磁場中的偏轉(zhuǎn)可知②⑤是γ射線，③④是α射線．【答案】③④①⑥②⑤\o\al(238,92)U核經(jīng)一系列的衰變后變?yōu)閑q\o\al(206,82)Pb核，問：(1)一共經(jīng)過幾次α衰變和幾次β衰變？(2)eq\o\al(206,82)Pb與eq\o\al(238,92)U相比，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)各少了多少？(3)綜合寫出這一衰變過程的方程．【解析】(1)設(shè)eq\o\al(238,92)U衰變?yōu)閑q\o\al(206,82)Pb經(jīng)過x次α衰變和y次β衰變．由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得238＝206＋4x ①92＝82＋2x－y ②聯(lián)立①②解得x＝8，y＝6即一共經(jīng)過8次α衰變和6次β衰變．(2)由于每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均減少2，每發(fā)生一次β衰變中子數(shù)減少1，而質(zhì)子數(shù)增加1，故eq\o\al(206,82)Pb較eq\o\al(238,92)U質(zhì)子數(shù)少10，中子數(shù)少22.(3)衰變方程為eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(206,82)Pb＋8eq\o\al(4,2)He＋6eq\o\al(0,－1)e【答案】(1)8次α衰變和6次β衰變(2)1022(3)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(206,82)Pb＋8eq\o\al(4,2)He＋6eq\o\al(0,－1)e衰變次數(shù)的判斷方法1．衰變過程遵循質(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.半衰期eq\o([先填空])1．定義：原子核數(shù)目因衰變減少到原來的一半所經(jīng)過的時間，叫做半衰期．記為T1/2.2．衰變規(guī)律m＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(\f(t,T1/2))(其中m0為衰變前的質(zhì)量，m為t時間后剩余的放射性元素的質(zhì)量)．3．放射性元素的平均存活時間稱為平均壽命．eq\o([再判斷])1．半衰期的大小反映了放射性元素衰變的快慢．(√)2．放射性元素衰變的速率，與原子所處的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)有關(guān)．(×)3．半衰期是大量原子核發(fā)生衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，少數(shù)原子核不符合這一規(guī)律．(√)eq\o([后思考])有10個鐳226原子核，經(jīng)過一個半衰期有5個發(fā)生衰變，這樣理解對嗎？【提示】不對.10個原子核，數(shù)目太少，它們何時衰變是不可預(yù)測的，因?yàn)樗プ円?guī)律是大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律．1．意義：半衰期表示放射性元素衰變的快慢．2．決定因素：半衰期的長短由原子核自身因素決定，與原子核所處的物理、化學(xué)狀態(tài)以及周圍環(huán)境、溫度無關(guān)．3．適用條件：半衰期是一個統(tǒng)計(jì)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．5．14C發(fā)生放射性衰變成為14N，半衰期約5700年．已知植物存活期間，其體內(nèi)14C與12C的比例不變；生命活動結(jié)束后，14C的比例持續(xù)減少．現(xiàn)通過測量得知，某古木樣品中14C的比例正好是現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一．下列說法正確的是()A．該古木的年代距今約5700年B.12C、13C、14C具有相同的中子數(shù)C．12C、13C、14C具有相同的質(zhì)子數(shù)D.14C衰變?yōu)?4N的過程中放出β射線E．增加樣品測量環(huán)境的壓強(qiáng)將加速14C的衰變【解析】古木樣品中14C的比例是現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一，根據(jù)半衰期的定義知該古木的年代距今約5700年，選項(xiàng)A正確．同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)，不同的中子數(shù)，選項(xiàng)B錯誤，C正確.14C的衰變方程為eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)e，所以此衰變過程放出β射線，選項(xiàng)D正確．放射性元素的半衰期與核內(nèi)部自身因素有關(guān)，與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)，選項(xiàng)E錯誤．【答案】ACD6．若元素A的半衰期為4天，元素B的半衰期為5天，則相同質(zhì)量的A和B，經(jīng)過20天后，剩下的質(zhì)量之比mA∶mB為________．【解析】元素A的半衰期為4天，經(jīng)過20天后剩余原來的eq\b\lc\(\r