第三章第2节放射性 衰变.docx
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第三章第2节放射性衰变
第2节
放射性__衰变
一、天然放射现象的发现
1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现，铀和含铀矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。
物质放出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。
2．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋（Po）、镭（Ra）。
二、三种射线的本质
1．α射线实际上就是氦原子核，速度可达到光速的，其电离能力强，穿透能力较差。
在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。
2．β射线是高速电子流，它的速度更大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
3．γ射线呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。
三、原子核的衰变
1．放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新原子核的变化叫衰变。
2．能放出α粒子的衰变叫α衰变，产生的新核，质量数减少4，电荷数减少2，新核在元素周期表中的位置向前移动两位，其衰变规律是X―→Y＋He。
3．能放出β粒子的衰变叫β衰变，产生的新核，质量数不变，电荷数加1，新核在元素周期表中的位置向后移动一位，其衰变规律X―→Y＋e。
4．γ射线是伴随α衰变、β衰变同时产生的。
β衰变是原子核中的中子转化成一个电子，同时还生成一个质子留在核内，使核电荷数增加1。
四、半衰期
1．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，叫做这种元素的半衰期。
2．放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的。
3．跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
4．半衰期是大量原子核衰变的统计规律。
衰变公式：
N＝N0（）
，τ为半衰期，反映放射性元素衰变的快慢。
1．判断：
（1）放射性元素发生α衰变时，新核的化学性质不变。
（ ）
（2）半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢。
（ ）
（3）半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律。
（ ）
（4）半衰期可以通过人工进行控制。
（ ）
（5）对放射性元素加热时，其半衰期缩短。
（ ）
答案：
（1）×
（2）√ （3）√ （4）× （5）×
2．思考：
发生β衰变时，新核的核电荷数变化多少？
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，原子序数增加1，故在元素周期表上向后移了1位。
原子核的衰变
1.衰变规律
原子核衰变时，电荷数和质量数都守恒。
2．衰变方程示例
α衰变：
X→Y＋He，
β衰变：
X→Y＋e。
3．对α衰变和β衰变的理解
（1）α衰变：
在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较牢固，有时会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，这就是放射性元素发生的α衰变现象。
（2）β衰变：
原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即β粒子，使核电荷数增加1.但β衰变不改变原子核的质量数。
（3）原子核放出一个α粒子就说明它发生了一次α衰变，同理放出一个β粒子就说明它发生了一次β衰变。
（1）原子核衰变时质量数守恒，但并非质量守恒，核反应过程前、后质量发生变化（质量亏损）而释放出能量，质量与能量相联系。
（2）在β衰变中，释放出具有很大的能量的电子，该电子来自于原子核，它是由中子和质子的转化产生的，这表明质子（或中子）也是变化的。
（3）天然放射现象说明原子核具有复杂的结构。
原子核放出α粒子或β粒子，并不表明原子核内有α粒子或β粒子；原子核发生衰变后“就变成新的原子核”。
1．最近几年，原子核科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展，在研究某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现生成的超重元素的核X经过6次α衰变后的产物是Fm。
由此可以判定生成的超重元素的原子序数和质量数分别是（ ）
A．24,259 B．124,265
C．112,265D．112,277
解析：
选D α粒子的质量数和电荷数分别是4和2，故生成的超重元素的电荷数即原子序数等于6×2＋100＝112。
质量数等于6×4＋253＝277。
三种射线的比较
1.α、β、γ三种射线性质、特征的比较
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
光子流（高频电磁波）
带电荷量
2e
－e
0
质量
4mp（mp=1.67
×10－27kg）
静止质量为零
速率
0.1c
0.9c
c
在电场或
磁场中
偏转
偏转
不偏转
贯穿本领
最弱用一张纸就能挡住
较强穿透几毫米的铝板
最强穿透几厘米的铅板
电离作用
很强
较弱
很弱
2．研究放射性的意义
如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响。
也就是说，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有关。
因此，原子核不是组成物质的最小微粒，原子核也存在一定的结构。
β射线中的电子是从原子核内放出的（本质是一个质子转化为一个中子，放出一个电子），并不是原子核外的电子。
2．[多选]天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是（ ）
A．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
解析：
选ACD 由三种射线的本质和特点可知，α射线贯穿本领最弱，一张黑纸都能挡住，而黑纸挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是伴随α、β衰变而产生的一种电磁波，不会使原子核变成新核，故B错误；三种射线中α射线电离作用最强，故C正确；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确。
对半衰期的理解
1.计算公式
根据半衰期的概念，可总结出公式如下：
N余＝N原（）t/τ，m余＝M（）t/τ
式中N原、M表示衰变前的放射性元素的原子核数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期。
2．影响因素
放射性元素的半衰期是由原子核内部自身的因素决定的，跟原子所处的物理状态（如温度、压强）或化学状态（如单质、化合物）无关。
3．适用条件
半衰期是一个统计概念，是大量原子核衰变时的统计规律。
对于某一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核。
4．衰变次数的计算
（1）对象：
一个放射性元素的原子核发生α衰变（或β衰变）变成新的原子核，而新原子核仍有放射性，可能又会发生某种衰变。
经过若干次变化，最终变为某一稳定的原子核。
在此过程中共发生了多少次α衰变和β衰变，是经常面临的问题。
（2）依据：
电荷数和质量数守恒。
（3）方法：
根据β衰变不改变质量数的特点，可依据反应原子核与最终原子核的质量数改变确定α衰变的次数，然后计算出电荷数的改变，由其差值可确定β衰变的次数。
其中每发生一次α衰变，质量数减少4，电荷数减少2，每发生一次β衰变，电荷数增加1，质量数不变。
3．碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有（ ）
A.B．
C.D.
解析：
选C 经过32天即4个半衰期，碘131的含量变为m′＝＝，C项正确。
对三种射线的理解
[例1] 如图，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是________。
（填选项前的字母）
A．①表示γ射线，③表示α射线
B．②表示β射线，③表示α射线
C．④表示α射线，⑤表示γ射线
D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
[解析] 由于在放射现象中放出组成α射线的α粒子带正电，β射线的β粒子带负电，γ射线不带电，根据电场力的方向与左手定则，可判断三种射线在电磁场中受力的方向，即③④表示α射线，①⑥表示β射线，②⑤表示γ射线，所以C正确，A、B、D错误。
[答案] C
（1）因为α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，所以α、β会在电场或磁场中偏转，γ射线不偏转。
（2）α、β粒子在电场中做类平抛，用平抛的规律研究，在磁场中做圆周运动，利用洛伦兹力提供向心力进行研究。
衰变次数的分析与计算
[例2] [多选]Th（钍）经过一系列α衰变和β衰变，变成Pb（铅）。
以下说法正确的是（ ）
A．铅核比钍核少8个质子
B．铅核比钍核少16个中子
C．共经过4次α衰变和6次β衰变
D．共经过6次α衰变和4次β衰变
[解析] 设α衰变次数为x，β衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得232＝208＋4x,90＝82＋2x－y，解得x＝6，y＝4，C错，D对。
铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A对。
铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B对。
[答案] ABD
确定α和β衰变次数的具体方法如下：
（1）首先确定开始的原子核和最终的原子核；
（2）确定质量数的变化，并由此得出α衰变的次数；
（3）由α衰变得出核电荷数的改变，根据实际电荷数再确定β衰变的次数。
半衰期的理解
[例3] 氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤。
它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。
其衰变方程是Rn―→Po＋______。
已知Rn的半衰期约为3.8天，则约经过______天，16g的Rn衰变后还剩1g。
[解析] 根据衰变过程中，质量数与电荷数守恒可知，该衰变过程中，所释放的粒子的质量数为A＝222－218＝4，电荷数为Z＝86－84＝2，所以该粒子为He。
根据半衰期公式有：
m＝（）
m0，代入数据解得：
t＝4τ＝15.2天。
[答案] He 15.2
（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）注意区分两个质量：
已发生衰变的质量：
m[1－（）
]，
未发生衰变的质量：
m（）
。
1．如图为查德威克实验示意图，由天然放射性元素钋（Po）放射的α射线轰击铍时会产生粒子流A，用粒子流A轰击石蜡时，会打出粒子流B，经研究知道（ ）
A．A为中子，B为质子B．A为质子，B为中子
C．A为γ射线，B为中子D．A为中子，B为γ射线
解析：
选A 不可见射线A，轰击石蜡时打出的应是质子，因为质子就是氢核，而石蜡中含有大量氢原子，轰击石蜡的不可见射线应该是中子。
2．关于天然放射现象，下列说法正确的是（ ）
A．α射线是由氦原子核衰变产生
B．β射线是由原子核外电子电离产生
C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D．通过化学反应不能改变物质的放射性
解析：
选D α射线是原子核同时放出两个质子和两个中子产生的，选项A错；β射线是原子核内中子转化为质子而放出的电子，选项B错；γ射线是衰变后的原子核从高能级向低能级跃迁产生的，选项C错；放射性是原子核的固有属性，选项D正确。
3．原子核U经放射性衰变①变为原子核Th，继而经放射性衰变②变为原子核Pa，再经放射性衰变③变为原子核U。
放射性衰变①、②和③依次为（ ）
A．α衰变、β衰变和β衰变
B．β衰变、α衰变和β衰变
C．β衰变、β衰变和α衰变
D．α衰变、β衰变和α衰变
解析：
选A 根据核反应过程中的质量数守恒和电荷数守恒特点，U核与Th核比较可知，核反应的另一产物为He，所以衰变①为α衰变，B、C项排除；Pa核与Th核比较可知，核反应的另一产物为e，所以衰变③为β衰变，A项正确。
4．朝鲜的“核危机”引起了全球的瞩目，其焦点问题就是朝鲜的核电站用轻水堆还是重水堆，重水堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚239（Pu），这种Pu可由铀239（U）经过n次β衰变而产生，则n为（ ）
A．2 B．239
C．145D．92
解析：
选A 其衰变方程为：
U→Pu＋ne，β衰变时质量数不变，由电荷数守恒可以判断出发生β衰变的次数为2次。
5．某种元素具有多种同位素，正确反映这些同位素的质量数A与中子数N关系的是图（ ）
解析：
选B 质量数等于质子数与中子数之和，因此当中子数N增多时，质量数A也会增大，因此A、D错误；因为氢原子中只有一个质子，无中子，也就是中子数N为零时，质量数A不为零，因此B正确，C错误。
6.
[多选]如图所示，目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放射出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是（ ）
A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经过7.6天后就一定剩下一个原子核了
B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的
C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱
D．发生α衰变时，生成核与原来的核相比，中子数减少了4个
解析：
选BC 半衰期是对于大量原子核的统计规律，对个别原子核不适用，所以4个氡原子核经过7.6天（2个半衰期）发生衰变的个数是随机的，具有不确定性，所以选项A错误。
β衰变所释放的电子实质上是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的，所以选项B正确。
在α衰变和β衰变过程中要伴随着γ射线的产生，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱，所以选项C正确。
发生α衰变时，生成核与原来的核相比，质子数和中子数都减少了2个，所以选项D错误。
7．表示放射性元素碘131（I）β衰变的方程是（ ）
A.I→Sb＋HeB．I→Xe＋e
C.I→I＋nD.I→Te＋H
解析：
选B 碘（I）的原子核内一个中子放出一个电子，变成一个质子，质量数没有发生变化，核电荷数增加1，所以生成54号元素Xe，放出一个电子。
8.
如图所示，R是一种放射性物质，虚线方框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的（ ）
选项
磁场方向
到达O点的射线
到达P点的射线
A
竖直向上
β
α
B
竖直向下
α
β
C
垂直纸面向里
γ
β
D
垂直纸面向外
γ
α
解析：
选C R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里。
9．一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔，铝箔后的空间有一匀强电场，进入电场后，射线变为a、b两束，射线a沿原来方向行进，射线b发生了偏转，如图所示，则图中的射线a为________射线，射线b为________射线。
解析：
三种射线α、β、γ中，穿透能力最弱的是α射线，所以α射线被铝箔挡住，穿过铝箔的是β和γ射线，γ射线在电场中不偏转，故a是γ射线，β射线在电场中受力偏转，故b为β射线。
答案：
γ β
10.在暗室的真空装置中做如下实验：
在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生α、β、γ三种射线的射线源。
从射线源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图所示。
在与射线源距离为H高处，水平放置两张叠放着的、涂药面朝下的印像纸（比一般纸厚且涂有感光药的纸），经射线照射一段时间后两张印像纸显影，则
（1）上面的印像纸有几个暗斑？
各是什么射线的痕迹？
（2）下面的印像纸显出三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比。
（3）若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使α射线不偏转，一次使β射线不偏转，则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少？
（已知：
mα＝4u，mβ＝u，να＝，vβ＝c）
解析：
（1）因α粒子贯穿本领弱，穿过下层纸的只有β射线、γ射线，β射线、γ射线在上面的印像纸上留下两个暗斑。
（2）下面印像纸从左向右依次是β射线、γ射线、α射线留下的暗斑。
设α射线、β射线暗斑到中央γ射线暗斑的距离分别为sα、sβ，则sα＝aα·2，
sβ＝aβ·2，
aα＝，aβ＝。
由以上四式得＝。
（3）若使α射线不偏转，qαE＝qαvαBα，所以Bα＝，
同理若使β射线不偏转，应加磁场Bβ＝，故＝＝10∶1。
答案：
（1）两个暗斑 β射线，γ射线
（2）5∶184
（3）10∶1
11．地球的年龄到底有多大，科学家们是利用天然放射性元素的衰变规律来推测的。
通过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定，测定出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时（岩石形成初期不含铅）的一半。
铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间的变化规律如图所示。
图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数，则由此可以断定：
（1）地球年龄大约为多少年？
（2）被测定的古老岩石样品在90亿年后的铀、铅原子数之比是多少？
解析：
（1）由于目前研究的岩石中铀的含量是岩石形成初期的一半，由图可知对应的时间是45亿年，即地球年龄大约为45亿年。
（2）由图知，90亿年对应的＝，设铅原子的数目为N′，则有：
＝，
所以：
＝，即90亿年时的铀、铅原子数之比是1∶3。
答案：
（1）45亿年
（2）1∶3
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