第2節(jié)　放射性元素的衰變

第2節(jié)放射性元素的衰變核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)了解原子核的衰變。(2)知道半衰期及其統(tǒng)計規(guī)律。(3)知道放射性同位素及其應用，知道射線的危害及防護?？茖W思維根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒寫出反應方程。科學探究利用14C的半衰期估算植物的年齡?？茖W態(tài)度與責任了解放射性技術在生活、科技領域的應用，培養(yǎng)對發(fā)展科學技術的熱愛。

α粒子β粒子α粒子β粒子4．衰變規(guī)律：_______守恒，________守恒。5．γ射線的產(chǎn)生：放射性的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時產(chǎn)生的新核處于高能級，向低能級躍遷時放出γ光子。二、半衰期1．定義：放射性元素的原子核有_____發(fā)生衰變所需的時間。2．決定因素不同的放射性元素，半衰期_____。放射性元素衰變的快慢是由___________的因素決定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件______關系。質(zhì)子電荷數(shù)質(zhì)量數(shù)半數(shù)不同核內(nèi)部自身沒有三、核反應放射性同位素及其應用1．核反應(1)定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生_________________________的過程。(2)遵循的規(guī)律：_______守恒，電荷數(shù)守恒。2．放射性同位素及其應用(1)定義：具有________的同位素。(2)應用①用γ射線探測鋼板的厚度。②在醫(yī)療方面，用鈷60進行放射治療。③利用γ射線照射種子，培育新品種；用γ射線照射食品，可以殺菌保鮮。④作為示蹤原子，用于農(nóng)業(yè)施肥及甲狀腺疾病的診斷。新原子核或發(fā)生狀態(tài)變化質(zhì)量數(shù)放射性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__________，要防止放射性物質(zhì)對水源、空氣、用具等的污染。1．如圖為α衰變、β衰變示意圖。 (1)當原子核發(fā)生α衰變時，原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)如何變化？為什么？

提示：α衰變時，原子核內(nèi)兩個質(zhì)子和兩個中子結合成一個α粒子拋射出來，則核內(nèi)的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都減少2個。破壞作用(2)當發(fā)生β衰變時，新核的核電荷數(shù)相對原來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？提示：β衰變時，核內(nèi)的一個中子變成一個質(zhì)子留在核內(nèi)，同時放出一個電子。則核電荷數(shù)增加1，新核在元素周期表中的位置后移一位。2．活的動植物從空氣中吸收一定比例的碳14，碳14是有放射性的，

半衰期是5730年。動植物死后，不能再吸收空氣中的碳14，于

是動植物體中的碳14將由于衰變而逐漸減少。用碳14測年法直

接測量被鑒定樣品中碳14的含量來斷定文物樣品的年代，誤差僅為數(shù)十年，測量精度非常高。請對以下說法作出判斷：(1)半衰期就是放射性元素全部衰變所用時間的一半。

()(2)半衰期是放射性元素的大量原子核衰變的統(tǒng)計規(guī)律。

()(3)對放射性元素加熱時，其半衰期縮短。

()×√×3．人工放射性同位素放射的γ射線照射食品可以延長保存期，其原理是什么？提示：殺死使食物腐敗的細菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長保存期。/方法技巧/衰變次數(shù)的判斷技巧(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。

[針對訓練]1．(2022·武漢高二檢測)(多選)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1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。答案：AD

2．(2021·全國甲卷)如圖，一個原子核X經(jīng)圖中所示的一系列α、β衰變

后，生成穩(wěn)定的原子核Y，在此過程中放射出電子的總個數(shù)為(

)A．6

B．8C．10 D．14解析：X的中子數(shù)為146，質(zhì)子數(shù)為92，質(zhì)量數(shù)為146＋92＝238，Y的中子數(shù)為124，質(zhì)子數(shù)為82，質(zhì)量數(shù)為124＋82＝206，質(zhì)量數(shù)減少238－206＝32，發(fā)生α衰變的次數(shù)為32÷4＝8，發(fā)生β衰變的次數(shù)為82－(92－2×8)＝6，即在此過程中放射出電子的總個數(shù)為6，A正確。答案：A

新知學習(二)|半衰期及其應用[任務驅(qū)動]晉朝初年，南昌人許遜被朝廷任命為旌陽縣令，他看到很多老百姓的租稅交不了，非常同情他們，用點石成金的法術，免去百姓的租稅。許遜真的能把石頭點成金子嗎？提示：不能，衰變需要一定時間。

[針對訓練]1．(2021·湖南高考)核廢料具有很強的放射性，需要妥善處理。下列說法正確的是

(

)A．放射性元素經(jīng)過兩個完整的半衰期后，將完全衰變殆盡B．原子核衰變時電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)不守恒C．改變壓力、溫度或濃度，將改變放射性元素的半衰期D．過量放射性輻射對人體組織有破壞作用，但輻射強度在安全劑量內(nèi)則沒有傷害答案：D

答案：B新知學習(三)|放射性同位素的應用[任務驅(qū)動]如圖是LUNATM260型伽馬射線放療機。伽馬射線放療機的工作原理是什么？提示：利用放射性元素放出的γ射線殺死癌細胞。

[重點釋解]1．分類可分為天然放射性同位素和人工放射性同位素兩種，天然放射性同位素不過40多種，而人工放射性同位素已達3000多種，每種元素都有自己的放射性同位素。2．人工放射性同位素的優(yōu)點(1)放射強度容易控制。(2)可以制成各種所需的形狀。(3)半衰期比天然放射性物質(zhì)短得多，放射性廢料容易處理，獲得了廣泛的應用。3．放射性同位素的主要應用(1)利用它的射線①工業(yè)部門使用射線測厚度——利用γ射線的穿透特性。②農(nóng)業(yè)應用——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。③醫(yī)療上——利用γ射線的高能量治療癌癥。(2)作為示蹤原子：放射性同位素與非放射性同位素有相同的化學性質(zhì)，通過探測放射性同位素的射線確定其位置。[典例體驗][典例]幽門螺桿菌可以引發(fā)多種胃病，因此能否準確、迅速地檢測病人是否受到感染，治療方案的選擇是個關鍵。幽門螺桿菌在生命過程中會產(chǎn)生一種酶，它使尿素分解，生成物中包括二氧化碳。如果在檢測前讓病人服下少量尿素，根據(jù)呼出的氣體中是否含有酶分解尿素產(chǎn)生的二氧化碳，即可作出診斷。然而，正常新陳代謝也會產(chǎn)生二氧化碳，為了將二者區(qū)分，可以請病人服下用14C合成的尿素，14C具有放射性，能夠自發(fā)地進行β衰變，因此檢測呼出的二氧化碳是否具有放射性即可準確判斷。但是射線對人體有害，所以這不是很好的辦法，現(xiàn)在醫(yī)院里普遍選用的尿素是用無放射性的13C合成的，用質(zhì)譜儀或光譜分析的方法檢測呼出的二氧化碳中是否含有13C，就可以判斷病人的胃部是否被幽門螺桿菌感染，這種方法準確、迅速，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應用。下列說法正確的是

(

)A．12C、13C、14C的化學性質(zhì)不同B．12C、13C、14C的原子光譜不同C．14C衰變后變?yōu)?4BD．14C衰變后生成的新核比14C的質(zhì)量數(shù)少[解析]

三種同位素的化學性質(zhì)無明顯差異，A錯誤；三種同位素的原子核不同，則原子光譜不同，B正確；由題意可知，14C自發(fā)進行β衰變，衰變后原子序數(shù)會增加1，故衰變后的新核為14N，質(zhì)量數(shù)不變，C、D錯誤。[答案]

B/方法技巧/放射性同位素的應用技巧(1)用射線來測量厚度，一般不選取α射線是因為其穿透能力太差，更多的是選取γ射線，也有部分選取β射線的。(2)給病人治療癌癥、培育優(yōu)良品種、延長食物保質(zhì)期，一般選取γ射線。(3)使用放射線時安全是第一位的。

[針對訓練]1．(多選)人工制造放射性同位素被廣泛應用，是因為

(

)A．其放射性同位素的半衰期比較短B．其放射性同位素的放射強度容易控制C．其放射性同位素的射線具有較強的殺傷力，能用來治療癌癥、滅菌消毒等D．其放射性同位素作為示蹤劑時，由于其放射性對人體有害，故一定不能對人體使用解析：人工制造放射性同位素的半衰期比天然放射性物質(zhì)的半衰期短，選項A正確；人工制造的放射性同位素的放射強度容易控制，選項B正確；人工制造的放射性同位素產(chǎn)生的γ射線能進行金屬探傷，且具有較強的殺傷力，能用來治療癌癥、滅菌消毒等，選項C正確；使用人工制造的放射性同位素作為示蹤劑時，雖然過量放射性對人體有害，但調(diào)整劑量仍然能對人體使用，選項D錯誤。答案：ABC

答案：C新知學習(四)|原子核的人工轉(zhuǎn)變和核反應方程[重點釋解]1．核反應的條件用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。4．人工轉(zhuǎn)變核反應與衰變的比較不同點原子核的人工轉(zhuǎn)變是一種核反應，是其他粒子與原子核相碰撞的結果，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，它不受物理和化學條件的影響相同點人工轉(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，反應前后粒子總動量守恒/易錯警示/寫核反應方程時應注意以下三點(1)核反應過程一般都是不可逆的，核反應方程不能用等號連接，只能用單箭頭表示反應方向。(2)核反應方程應以實驗事實為基礎，不能憑空杜撰。(3)核反應過程和衰變現(xiàn)象都遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒。質(zhì)量數(shù)守恒不是質(zhì)量守恒，核反應過程中一般會發(fā)生質(zhì)量的變化。答案：A

2．如圖所示是原子核人工轉(zhuǎn)變實驗裝置示意圖，A是α粒子源，F(xiàn)是鋁箔，S是熒光屏，在容器中充入氮氣后，屏S上出現(xiàn)閃光，該閃光產(chǎn)生的原因是

(

)A．α粒子射到屏S上產(chǎn)生的B．粒子源中放出的γ射線射到屏上產(chǎn)生的C．α粒子轟擊鋁箔F上打出的某種粒子射到屏上產(chǎn)生的D．α粒子轟擊氮核后產(chǎn)生的某種粒子射到屏上產(chǎn)生的解析：充入氮氣后，α粒子轟擊氮核產(chǎn)生質(zhì)子，質(zhì)子穿過鋁箔后射到熒光屏上，使熒光屏上出現(xiàn)閃光，故D正確。答案：D一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——大自然的時鐘——碳--141．(選自滬科版新教材“信息瀏覽”)一座古墓被發(fā)掘出來了，科學家們從其中的一塊木片就可以大致推斷這座古墓是在多少年前建造的。你想知道其中的原因嗎？原來，在地球的大氣中含有一定比例的碳-14，碳-14具有放射性。活的動植物從空氣中吸收的碳中，既有不帶放射性的碳-12，也有一定比例的碳-14。動植物死后，不能再吸收空氣中的碳-14，于是動植物體中的碳-14將通過衰變而逐漸減少。碳-14的半衰期是5730a(年)。如圖為碳-14測年法示意圖?，F(xiàn)在利用先進的加速器質(zhì)譜計，讓碳-14離子在加速器中獲得較高能量后，進入粒子探測器，通過直接測量被鑒定樣品中碳-14的原子數(shù)來斷定文物樣品的年代。這種方法可使考古年代推至數(shù)十萬年前，誤差僅為數(shù)十年，測量精度非常高。

科學思維——放射源的選用2．(選自粵教版新教材課后練習)用于治療腫瘤的放射源必須滿足以下兩個條件：①放射線具有較強的穿透力，以輻射到體內(nèi)的腫瘤處；②要在較長時間內(nèi)具有相對穩(wěn)定的輻射強度。根據(jù)以上條件，下表中給出的四種放射性元素，適合用于治療腫瘤的是

(

)同位素輻射線半衰期釙210α138天锝99γ6小時鈷60γ5年鍶90β28年A．釙210

B．锝99C．鈷60 D．鍶90解析：由放射源放出的放射線具有較強的穿透力可知，選項A、D均錯誤；由放射源要在較長時間內(nèi)具有相對穩(wěn)定的輻射強度可知，選項B錯誤，C正確。答案：C

科學態(tài)度與責任——煙霧探測器3．(選自魯科版新教材“科學書屋”)煙霧探測器是一種能探測空氣中的煙霧并自動報警的裝置。如圖是一種價格低廉、靈敏度高、利用α射線進行探測的煙霧探測器示意圖。探測器中裝有大約0.2mg的Am，它是一種半衰期長達432年的放射性金屬，會釋放出α射線和γ射線。α粒子在探測腔內(nèi)與空氣中的氧、氮等分子碰撞，會使這些分子電離。探測腔內(nèi)有兩個加有低電壓的極板，電離產(chǎn)生的正、負離子在電場力作用下移動，形成微小電流，探測器內(nèi)裝有能探測微小電流的芯片。煙霧一旦進入探測腔內(nèi)，煙霧中的微粒會吸附部分α粒子，使探測腔內(nèi)α粒子的數(shù)量減少，從而使被電離的分子數(shù)目相應減少，最終導致電極中電流減小，探測器探測到電流的變化，就會使報警電路發(fā)出警報。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．(2022·河南洛陽高二下期中)根據(jù)臨床經(jīng)驗，部分藥物在體內(nèi)的代謝也有與原子核衰變相似的規(guī)律。藥物的血漿半衰期是指藥物在血漿中的濃度下降一半所需的時間。某種藥物的血漿半衰期為2小時，一次合理劑量的用藥后藥物