高中物理第十九章原子核2放射性元素的衰变学案新人教版选修35.docx

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高中物理第十九章原子核2放射性元素的衰变学案新人教版选修35

2　放射性元素的衰变

学习目标

知识脉络

1.知道放射现象的实质是原子核的衰变．

2．知道两种衰变的基本性质，掌握原子核的衰变规律．

3．会用半衰期描述衰变的快慢，知道半衰期的统计意义．会利用半衰期解决相关问题.

　原子核的衰变

1．定义

原子核放出α粒子或β粒子，则核电荷数变了，变成另一种原子核，这种变化称为原子核的衰变．

2．衰变分类

（1）α衰变：

放出α粒子的衰变．

（2）β衰变：

放出β粒子的衰变．

3．衰变过程

U→Th＋He

Th→Pa＋e

4．衰变规律

（1）原子核衰变时电荷数和质量数都守恒．

（2）任何一种放射性元素只有一种放射性，不能同时既有α放射性又有β放射性，而γ射线伴随α衰变或β衰变产生．

1．原子核发生α衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4.（√）

2．原子核发生β衰变时，原子核的质量不变．（×）

3．原子核发生衰变时，质量数和电荷数都守恒．（√）

发生β衰变时，新核的电荷数变化多少？

新核在元素周期表中的位置怎样变化？

【提示】　根据β衰变方程Th→Pa＋e知道，新核核电荷数增加了1个，原子序数增加1个，故在元素周期表上向后移了1位．

探讨1：

衰变方程与化学反应方程有哪些主要区别？

【提示】　①衰变方程中的符号表示该种元素的原子核，化学反应方程中的符号表示该种元素的原子．

②衰变方程中间用单箭头，化学反应方程用等号．

③衰变方程中质量数守恒，化学反应方程质量守恒．

探讨2：

从一块放射性物质中只能放出一种射线吗？

【提示】　一种元素一般只能发生一种衰变，但在一块放射性物质中，该种元素发生一种衰变（假设为α衰变）后产生的新元素如果仍具有放射性，则可能继续发生衰变，而衰变类型可能与第一次衰变不同（β衰变），并且每种衰变都会伴有γ射线放出，从这块放射性物质中发出的射线可以同时包含α、β和γ三种射线．

1．衰变实质

α衰变：

原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子2n＋2H→He

β衰变：

原子核内的一个中子变成质子，同时放出一个电子n→H＋e

2．衰变方程通式

（1）α衰变：

X→Y＋He

（2）β衰变：

X→Y＋e

3．确定原子核衰变次数的方法与技巧

（1）方法：

设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则衰变方程为：

X→Y＋nHe＋me

根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：

A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.

以上两式联立解得：

n＝，m＝＋Z′－Z.

由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组．

（2）技巧：

为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定α衰变的次数（这是因为β衰变的次数多少对质量数没有影响），然后根据衰变规律确定β衰变的次数．

1．原子核92U经放射性衰变①变为原子核90Th，继而经放射性衰变②变为原子核91Pa，再经放射性衰变③变为原子核92U.下列选项正确的是

（　　）

A．①是α衰变　　　　　　B．②是β衰变

C．③是β衰变D．③是γ衰变

E．③是α衰变

【解析】　92U①,，质量数少4，电荷数少2，说明①为α衰变.90Th②,，质子数加1，质量数不变，说明②为β衰变，中子转化成质子.91Pa③,，质子数加1，质量数不变，说明③为β衰变，中子转化成质子．

【答案】　ABC

2．原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线．这些射线共有三种：

α射线、β射线和γ射线．下列说法中正确的是（　　）

A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少2

B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4

C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1

D．原子核每放出一个β粒子，原子序数增加1

E．原子核放出γ射线时，原子序数不变

【解析】　发生一次α衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，核电荷数、原子序数增加1，γ射线是光子．

【答案】　ADE

3.U核经一系列的衰变后变为Pb核，问：

（1）一共经过几次α衰变和几次β衰变？

（2）Pb与U相比，质子数和中子数各少了多少？

（3）综合写出这一衰变过程的方程．

【解析】　

（1）设U衰变为Pb经过x次α衰变和y次β衰变．由质量数守恒和电荷数守恒可得

238＝206＋4x①

92＝82＋2x－y②

联立①②解得x＝8，y＝6

即一共经过8次α衰变和6次β衰变．

（2）由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故Pb较U质子数少10，中子数少22.

（3）衰变方程为U→Pb＋8He＋6e

【答案】　

（1）8次α衰变和6次β衰变　

（2）10　22

（3）U→Pb＋8He＋6e

衰变次数的判断方法

（1）衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒．

（2）每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2.

（3）每发生一次β衰变中子数减少1，质子数增加1.

　半衰期

1．定义

放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．

2．决定因素

放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系．不同的放射性元素，半衰期不同．

3．应用

利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间．

1．半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢．（√）

2．半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律．（√）

3．对放射性元素加热时，其半衰期缩短．（×）

放射性元素衰变有一定的速率．镭226衰变为氡222的半衰期为1620年，有人说：

10g镭226经过1620年有一半发生衰变，镭226还有5g，再经过1620年另一半镭226也发生了衰变，镭226就没有了．这种说法对吗？

为什么？

【提示】　不对．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫作这种元素的半衰期．经过第二个1620年后镭226还剩2.5g.

探讨1：

当放射性元素的原子所处的化学状态或物理条件发生变化时，其半衰期会改变吗？

【提示】　不会．一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对它施加压力、升高温度，都不能改变它的半衰期．这是因为压力、温度或与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构．

探讨2：

某种放射性元素的半衰期对少数原子核发生衰变有意义吗？

【提示】　没有．只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义，某一个原子核何时发生衰变，是未知的．

1．对半衰期的理解：

半衰期表示放射性元素衰变的快慢．

2．半衰期公式：

N余＝N原，m余＝m0式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量，N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．

3．适用条件：

半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变，半衰期只适用于大量的原子核．

4．14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约5700年．已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减少．现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是（　　）

A．该古木的年代距今约5700年

B.12C、13C、14C具有相同的中子数

C．12C、13C、14C具有相同的质子数

D.14C衰变为14N的过程中放出β射线

E．增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变

【解析】　古木样品中14C的比例是现代植物所制样品的二分之一，根据半衰期的定义知该古木的年代距今约5700年，选项A正确．同位素具有相同的质子数，不同的中子数，选项B错误．C正确.14C的衰变方程为C→N＋e，所以此衰变过程放出β射线，选项D正确．放射性元素的半衰期与核内部自身因素有关，与原子所处的化学状态和外部条件无关，选项E错误．

【答案】　ACD

5．若元素A的半衰期为4天，元素B的半衰期为5天，则相同质量的A和B，经过20天后，剩下的质量之比mA∶mB为________．

【解析】　元素A的半衰期为4天，经过20天后剩余原来的5，元素B的半衰期为5天，经过20天后剩余原来的4，剩下的质量之比mA∶mB＝1∶2.

【答案】　1∶2

6．碘131核不稳定，会发生β衰变，其半衰变期为8天．

（1）碘131核的衰变方程：

I→________（衰变后的元素用X表示）．

（2）经过________天75%的碘131核发生了衰变．

【解析】　

（1）I→X＋e

（2）75%的碘发生了衰变，即25%的未衰变．

即＝25%＝＝2

共经历了两个半衰期即16天．

【答案】　

（1）I→X＋e　

（2）16

有关半衰期的两点提醒

（1）半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间而不是样本质量减少一半的时间．

（2）经过n个半衰期，剩余核N剩＝N总．

学业分层测评（十四）

（建议用时：

45分钟）

[学业达标]

1．一个原子核发生衰变时，下列说法中正确的是（　　）

A．总质量数保持不变

B．核子数保持不变

C．变化前后质子数保持不变

D．总动量保持不变

E．变化前后中子数不变

【解析】　衰变过程中质量数守恒，又质量数等于核子数，故衰变过程中核子数不变，A、B正确；发生β衰变时，质子数增加中子数减少，C、E错误；由动量守恒的条件知D正确．

【答案】　ABD

2．下列说法中正确的是（　　）

A．β衰变放出的电子来自组成原子核的电子

B．β衰变实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子

C．α衰变说明原子核中含有α粒子

D．γ射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波

E．原子核每发生一次α衰变，其核电荷数减少2

【解析】　原子核发生β衰变中放出的电子是原子核内的中子转化为质子而释放的电子，故A错误；B正确．

α射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起而从原子核中释放出来．

γ射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波，故D、E正确．

【答案】　BDE

3．有一种新型镍铜长效电池，它是采用半衰期长达100年的放射性同位素镍63（Ni）和铜两种金属作为长寿命电池的材料，利用镍63发生β衰变时释放电子给铜片，把镍63和铜片作电池两极，外接负载为负载提供电能．下面有关该电池的说法正确的是（　　）

A．镍63的衰变方程是Ni→Cu＋e

B．镍63的衰变方程是Ni→Cu＋e

C．外接负载时镍63的电势比铜片高

D．该电池内电流方向是从镍片到铜片

E．该电池内电流方向是从铜片到镍片

【解析】　镍63的衰变方程为Ni→e＋Cu，选项A对，B错．电流方向为正电荷定向移动方向，在电池内部电流从铜片到镍片，镍片电势高，选项C、E对，D错．

【答案】　ACE

4．在下列关于近代物理知识的说法中，正确的是（　　）

A．氢原子的核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，原子的能量增大

B．β射线是原子的核外电子电离后形成的电子流

C．铀元素的半衰期为T，当温度发生变化时，铀元素的半衰期也发生变化

D．查德威克发现了中子，其核反应方程为：

Be＋He→C＋n

E．发生β衰变时其转化方程为n→H＋e

【解析】　氢原子的核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，吸收了能量，所以原子的能量增大，A正确；β射线是从原子核辐射出来的，不是原子外层电子电离出来的，B错；半衰期不随外界因素的变化而变化，C错，D、E符合物理学事实，正确．

【答案】　ADE

5．关于天然放射现象，以下叙述正确的是（　　）

A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大

B．β衰变所释放的电子是原子核内的