版高中物理第3章原子核与放射性第2节原子核衰变及半衰期教师用书.docx
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版高中物理第3章原子核与放射性第2节原子核衰变及半衰期教师用书
第2节 原子核衰变及半衰期
学习目标
知识脉络
1.知道什么是放射性及放射性元素．
2．知道三种射线的本质和特性．（重点、难点）
3．知道原子核的衰变和衰变规律．（重点）
4．知道什么是半衰期．（重点）
天然放射现象的发现及放射线的本质
1．天然放射现象的发现
（1）天然放射现象：
物质能自发地放出射线的现象．
（2）放射性：
物质放出射线的性质，叫做放射性．
（3）放射性元素：
具有放射性的元素，叫做放射性元素．
（4）天然放射现象的发现：
1896年，法国物理学家贝可勒尔发现了天然放射现象．
2．放射线的本质
（1）如图321所示，让放射线通过强磁场，在磁场的作用下，放射线能分成3束，这表明有3种射线，且它们电性不同．带正电的射线向左偏转，为α射线；带负电的射线向右偏转，为β射线；不发生偏转的射线不带电，为γ射线．
图321
（2）α射线是高速运动的氦原子核粒子流，有很强的电离作用，但是穿透能力很弱．一张铝箔或一张薄纸就能将它挡住．
（3）β射线是高速运动的电子，穿透能力较强，但电离作用较弱．能穿透几毫米厚的铝板．
（4）γ射线是波长很短的电磁波，穿透能力很强，但电离作用很弱．能穿透几厘米的铅板．
1．放射性元素发出的射线可以直接观察到．（×）
2．放射性元素发出的射线的强度可以人工控制．（×）
3．α射线的穿透本领最强，电离作用很弱．（×）
天然放射现象说明了什么？
【提示】 天然放射现象说明了原子核具有复杂的内部结构．
1．三种射线的比较如下表
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
速度
0.1c
0.9c
c
在电场或磁场中
偏转
与α射线
反向偏转
不偏转
贯穿本领
最弱用纸能挡住
较强穿透几毫米的铝板
最强穿透几厘米的铅板
对空气的电离作用
很强
较弱
很弱
在空气中的径迹
粗、短、直
细、较长、曲折
最长
通过胶片
感光
感光
感光
2.三种射线在电场和磁场中的偏转
（1）在匀强电场中，γ射线不发生偏转，做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，β粒子的偏移大，如图322所示．
图322
位移x可表示为x＝
at2＝
·
2∝
所以，在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为
＝
×
×
＝37.
（2）在匀强磁场中：
γ射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，如图323所示．
图323
根据qvB＝
得 R＝
∝
所以，在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为
＝
×
×
＝
.
1．（多选）关于天然放射现象，下列说法正确的是（ ）
A．α射线是由氦原子核组成的
B．β射线的穿透能力最强
C．γ射线是波长很短的电磁波
D．β射线本质是高速电子流
【解析】 α射线本质是氦核，A正确；β射线本质是高速电子流，D正确；γ射线是波长很短的电磁波，C正确；α射线的电离作用最强，γ射线的穿透能力最强，B错误．
【答案】 ACD
2．一置于铅盒中的放射源发射出的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324所示，则图中的射线a为________射线，射线b为________射线．
图324
【解析】 在三种射线中，α射线带正电，穿透能力最弱，γ射线不带电，穿透能力最强，β射线带负电，穿透能力一般，综上所述，结合题意可知，a射线应为γ射线，b射线应为β射线．
【答案】 γ β
3．（多选）将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情况正确的是（ ）
【解析】 已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向可知，A、B、C、D四幅图中α、β粒子的偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步判断．带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径r＝
，
将数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比
＝
·
·
＝
×
×
＝371，A对，B错；带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为v0，垂直电场线方向位移为x，沿电场线方向位移为y，则有x＝v0t，y＝
t2，消去t可得y＝
对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比
＝
·
·
＝
×
×
＝
，C错，D对．
【答案】 AD
判断三种射线性质的方法
（1）射线的电性：
α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，它是波长很短的电磁波．
（2）射线的偏转：
在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线偏转方向，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线．
（3）射线的穿透能力：
α粒子穿透能力较弱，β粒子穿透能力较强，γ射线穿透能力最强，而电离作用相反．
原子核的衰变
1．衰变：
原子核由于放出α射线或β射线而转变为新核的变化．
2．衰变形式：
常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变为α衰变，放出β粒子的衰变为β衰变，而γ射线是伴随α射线或β射线产生的．
3．衰变规律
（1）α衰变：
X→
He＋
Y.
（2）β衰变：
X→
e＋
Y.
在衰变过程中，电荷数和质量数都守恒．
4．衰变的快慢——半衰期
（1）放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫做半衰期．
（2）元素半衰期的长短由原子核自身因素决定，与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关．
1．原子核的衰变有α衰变、β衰变和γ衰变三种形式．（×）
2．在衰变过程中，电荷数、质量数守恒．（√）
3．原子所处的周围环境温度越高，衰变越快．（×）
有10个镭226原子核，经过一个半衰期有5个发生衰变，这样理解对吗？
【提示】 不对.10个原子核数目太少，它们何时衰变是不可预测的，因为衰变规律是大量原子核的统计规律．
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，并在一定条件下作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，产生α衰变.2
n＋2
H―→
He.
β衰变：
原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内，同时放出一个电子，即β粒子放射出来．
n―→
H＋
e.
2．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＋n
He＋m
e
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．
3．对半衰期的理解
（1）意义：
表示放射性元素衰变的快慢．
（2）半衰期公式：
n＝N
，m＝M
式中N、M表示衰变前的原子数和质量，n、m表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，T1/2表示衰变时间，τ表示半衰期．
4．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．
5．应用：
利用半衰期非常稳定的特点，可以测算其衰变过程，推算时间等．
4．（多选）某原子核的衰变过程A
B
C，下列说法正确的是（ ）【导学号：
64772042】
A．核C比核A的质子数少1
B．核C比核A的质量数少5
C．原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多2
D．核C比核B的中子数少2
【解析】 原子核A经过一次β衰变和一次α衰变变为原子核C的衰变方程为：
A
，由此可知核C比核A的质子数少1，质量数少4，A正确，B错误；原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数少1，C错误；核C比核B的中子数少2，核C比核A的中子数少3，D正确．
【答案】 AD
5．（多选）由于放射性元素
Np的半衰期很短，所以在自然界一直未被发现，只是在使用人工的方法制造后才被发现．已知
Np经过一系列α衰变和β衰变后变成
Bi，下列论断中正确的是（ ）
A.
Bi的原子核比
Np的原子核少28个中子
B.
Bi的原子核比
Np的原子核少18个中子
C．衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变
D．衰变过程中共有4个中子转变为质子
【解析】
Bi的中子数为209－83＝126，
Np的中子数为237－93＝144，
Bi的原子核比
Np的原子核少18个中子，A错、B对；衰变过程中共发生了α衰变的次数为
＝7次，β衰变的次数是2×7－（93－83）＝4次，C对，此过程中共发生了4次β衰变，因此共有4个中子转变为质子，D正确．
【答案】 BCD
6．放射性同位素14C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代，此项研究获得1960年诺贝尔化学奖．
（1）宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成不稳定的
C，它很容易发生衰变，放出β射线变成一个新核，其半衰期为5730年，试写出14C的衰变方程；
（2）若测得一古生物遗骸中的
C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？
【解析】
（1）
C的β衰变方程为：
C―→
e＋
N.
（2）
C的半衰期τ＝5730年．
生物死亡后，遗骸中的
C按其半衰期变化，设活体中
C的含量为N0，遗骸中的
C含量为N，则
N＝
N0，
即0.25N0＝
N0，故
＝2，t＝11460年．
【答案】
（1）
C―→
e＋
N
（2）11460年
1．衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒．
（1）每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2，质量数减少4.
（2）每发生一次β衰变中子数减少1，质子数增加1，质量数不变．
2．利用半衰期公式解决实际问题，首先要理解半衰期的统计意义，其次要知道公式建立的是剩余核的质量与总质量间的关系．
学业分层测评（九）
（建议用时：
45分钟）
[学业达标]
1．（多选）关于天然放射现象和对放射性的研究，下列说法正确的是（ ）
A．α射线和β射线在电场或磁场中偏转说明它们是带电粒子
B．原子核不是单一的粒子
C．γ射线一定伴随α射线或β射线而产生
D．任何放射性元素都能同时发出三种射线
【解析】 带电粒子以一定的初速度垂直进入电场或磁场能发生偏转，α射线和β射线能在电场或磁场中偏转说明它们是带电粒子，故A正确；放射现象说明原子核的可变性，即原子核不是单一粒子，具有复杂的结构，故选项B正确；γ射线是原子核在发射α射线或β射线时多余的能量以γ射线的形式产生的辐射，因此γ射线是伴随（不是一定伴随）α射线或β射线而放出的，C、D均错误．
【答案】 AB
2．（多选）关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是（ ）
A．是放射源质量减少一半所需的时间
B．是原子核半数发生衰变所需的时间
C．与外界压强和温度有关
D．可以用于测定地质年代、生物年代等
【解析】 原子核的衰变是由原子
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