人教版高中物理选择性必修三 第5章 2.放射性元素的衰变讲义

1、2放射性元素的衰变学习目标：1物理观念知道衰变、半衰期及原子核衰变的规律，了解核反应及放射性同位素应用的基本观念和相关实验证据。2.科学思维理解原子核的衰变规律及半衰期的计算方法，掌握核反应方程的写法与放射性同位素的应用，培养分析、推理能力。3.科学探究通过学习科学家对放射性元素衰变的探究，学会观察和思考，提升科学探究的能力。4.科学态度与责任学会坚持实事求是的科学态度，体验科学家探索科学规律的艰辛和科学研究的价值，激发学习兴趣。阅读本节教材，回答第108页“问题”并梳理必要的知识点。教材P108“问题”提示：真的存在，但不是化学方法，是原子核的衰变。一、原子核的衰变1定义原子核自发地放出粒子

2、或粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。2衰变分类(1)衰变：放出粒子的衰变。(2)衰变：放出粒子的衰变。3衰变过程eq oal(238, 92)Ueq oal(234, 90)Theq oal(4,2)He。eq oal(234, 90)Theq oal(234, 91)Paeq oal(0,1)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，不能同时既有放射性又有放射性，而射线伴随衰变或衰变产生。说明：原子核衰变时质量数守恒，但不是质量守恒，有质量减少(也叫质量亏损)。二、半衰期

3、与核反应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。2核反应(1)人工核转变：eq oal(14, 7)Neq oal(4,2)Heeq oal(17, 8)Oeq oal(1,1)H。(2)定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。(3)特点：在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。说明：半衰期是大量原子核衰变的统计规律，只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义。三、放射

4、性同位素的应用与安全1放射性同位素：很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。2放射性同位素的应用：(1)射线测厚仪。(2)放射治疗。(3)培优、保鲜。(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后，可以探测出原子到达的位置。3辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。说明：一般放射性同位素半衰期短，而且强度容易控制，使用更广泛。1思考判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)原子核发生衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4。()(2)对放射性元素加热时

5、，其半衰期缩短。()(3)衰变和原子核的人工转变均满足质量数守恒和电荷数守恒。()(4)在用到射线时，利用人工放射性同位素和天然放射性物质都可以。()2(多选)原子核eq oal(238, 92)U经放射性衰变变为原子核eq oal(234, 90)Th，继而经放射性衰变变为原子核eq oal(234, 91)Pa，再经放射性衰变变为原子核eq oal(234, 92)U。下列选项正确的是()A是衰变B是衰变C是衰变D是衰变ABCeq oal(238, 92)Ueq o(oal(234, 90) Th，质量数少4，电荷数少2，说明为衰变，A正确；eq oal(234, 90)Theq oal(

6、234, 91)Pa，质子数加1，质量数不变，说明为衰变，中子转化成质子，B正确；eq oal(234, 91)Paeq oal(234, 92)U，质子数加1，质量数不变，说明为衰变，中子转化成质子，C正确，D错误。3(多选)关于放射性的应用，下列说法正确的是()A利用射线使空气电离，把静电荷导走B利用射线照射植物的种子，使产量显著增加C利用射线来治疗肺癌、食道癌等疾病D利用放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，作为示踪原子ACD射线的电离作用很强，利用射线的电离作用，A正确；射线对生物具有物理、化学作用，照射种子可使基因变异，可用于放射性治疗，射线不具有生物作用，B错误，C正确；

7、同位素的核外电子数相同，化学性质相同，放射性同位素带有“放射性标记”，可用探测器探测，D正确。对原子核衰变的理解(教师用书独具)教材P109“思考与讨论”提示：新核的质量数与原来的核质量数减少4，在元素周期表中位置向前移两位。衰变的质量数减少4，核电荷数减少2。原子核衰变实质是放出一个氦原子核，衰变实质是放出一个电子。试探究：(1)放射性元素能不能一次衰变同时产生射线和射线？(2)射线又是怎样产生的？提示：(1)不能，一次衰变只能是衰变或衰变，而不能同时发生衰变和衰变。(2)放射性的原子核在发生衰变、衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出光子。1衰变实质衰变：原子核内两个质子

8、和两个中子结合成一个粒子，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，产生衰变。转化方程为2eq oal(1,0)n2eq oal(1,1)Heq oal(4,2)He。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，即粒子放射出来。转化方程为eq oal(1,0)neq oal(1,1)Heq oal(0,1)e。2衰变规律原子核发生衰变时，遵循三个守恒定律(1)衰变前后的电荷数守恒。(2)质量数守恒。(3)动量守恒。3衰变方程通式(1)衰变：eq oal(A,Z)Xeq oal(A4,Z2)Yeq oal(4,2)He。(2)衰变：eq oal(A,Z)Xeq

9、oal(A,Z1)Yeq oal(0,1)e。4确定原子核衰变次数的方法与技巧(1)方法：设放射性元素eq oal(A,Z)X经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素eq oal(A,Z)Y，则衰变方程为：eq oal(A,Z)Xeq oal(A,Z)Yneq oal(4,2)Hemeq oal(0,1)e根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：AA4n，ZZ2nm以上两式联立解得：neq f(AA,4)，meq f(AA,2)ZZ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衰变的次数(这是因为衰变的次数多少对质量数没有影响)，然后根

10、据衰变规律确定衰变的次数。【例1】eq oal(238, 92)U核经一系列的衰变后变为eq oal(206, 82)Pb核，问：(1)一共经过几次衰变和几次衰变？(2)eq oal(206, 82)Pb与eq oal(238, 92)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。思路点拨：(1)衰变和衰变方程遵守质量数守恒和电荷数守恒的规律。(2)在写方程时用“”而不能用“”号，因为质量并不相等，且也不可逆。解析(1)设eq oal(238, 92)U衰变为eq oal(206, 82)Pb经过x次衰变和y次衰变。由质量数守恒和电荷数守恒可得2382064x92822x

11、y联立解得x8，y6即一共经过8次衰变和6次衰变。(2)由于每发生一次衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次衰变中子数减少1，而质子数增加1，故eq oal(206, 82)Pb较eq oal(238, 92)U质子数少10，中子数少22。(3)衰变方程为eq oal(238, 92)Ueq oal(206, 82)Pb8eq oal(4,2)He6eq oal(0,1)e。答案(1)8次衰变和6次衰变(2)1022(3)eq oal(238, 92)Ueq oal(206, 82)Pb8eq oal(4,2)He6eq oal(0,1)e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

12、守恒。(2)每发生一次衰变，质子数、中子数均减少2。(3)每发生一次衰变，中子数减少1，质子数增加1。跟进训练1(多选)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：射线、射线和射线。下列说法中正确的是()A原子核每放出一个粒子，原子序数减少2B原子核每放出一个粒子，原子序数增加4C原子核每放出一个粒子，原子序数减少1D原子核每放出一个粒子，原子序数增加1AD发生一次衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次衰变，核电荷数、原子序数增加1，故A、D正确。半衰期的理解与应用放射性元素氡(eq oal(222, 86)Rn)经衰变成为钋(eq oal(2

13、18, 84)Po)，半衰期约为3.8天；但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素eq oal(222, 86)Rn的矿石。试探究：(1)甲同学说eq oal(222, 86)Rn主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期，这种说法对吗？(2)如果不对，那到底是什么原因呢？提示：(1)不对。放射性元素的半衰期由原子核本身的因素决定，与外界环境等因素无关。(2)地壳中原有的eq oal(222, 86)Rn早已衰变完了，目前地壳中的eq oal(222, 86)Rn主要来自其他放射性元素的衰变。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

14、式：N余N原eq blc(rc)(avs4alco1(f(1,2)eq sup12(eq f(t,)，m余m0eq blc(rc)(avs4alco1(f(1,2)eq sup12(eq f(t,)，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，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。【例2】碘131核不稳定，会发生衰变，其半衰期为8天。(1)碘131核的衰变方程：eq oal(131, 53)I_(衰变后的元素用X表示)。

15、(2)经过_天75%的碘131核发生了衰变。解析(1)eq oal(131, 53)Ieq oal(131, 54)Xeq oal( 0,1)e(2)75%的碘发生了衰变，即25%的未衰变。即eq f(m,m0)25%eq f(1,4)eq blc(rc)(avs4alco1(f(1,2)eq sup12(2)共经历了两个半衰期即16天。答案(1)eq oal(131, 53)Ieq oal(131, 54)Xeq oal( 0,1)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，剩余原子核N剩eq

16、 f(1,2n)N总。跟进训练2新发现的一种放射性元素X，它的氧化物X2O的半衰期为8天，X2O与F发生化学反应2X2O2F2=4XFO2之后，XF的半衰期为()A2天 B4天 C8天 D16天C放射性元素的衰变快慢由原子核内部的自身因素决定，与原子的化学状态无关，故半衰期仍为8天，A、B、D错误，C正确。核反应与放射性同位素的应用用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然放射性同位素只不过40几种，而今天人工制造的放射性同位素已达1 000多种。放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面都得到了广泛的应用。试探究：(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失，这是什

17、么原因？(2)在我国首次用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素结晶是同一种，为此采用放射性同位素14C的作用是什么？提示：(1)放射线的电离作用，空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和，所以使验电器所带电荷消失。(2)示踪原子。1核反应(1)原子核人工转变的三大发现 eq oac(,1)1919年卢瑟福发现质子的核反应：eq oal(14, 7)Neq oal(4,2)Heeq oal(17, 8)Oeq oal(1,1)H。 eq oac(,2)1932年查德威克发现中子的核反应：eq oal(9,4)Beeq oal(4,2)Heeq oal(12,

18、6)Ceq oal(1,0)n。 eq oac(,3)1934年约里奥居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应：eq oal(27,13)Aleq oal(4,2)Heeq oal(30,15)Peq oal(1,0)n；eq oal(30,15)Peq oal(30,14)Sieq oal(0,1)e。(2)人工转变核反应与衰变的比较 eq oac(,1)不同点：原子核的人工转变是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理和化学条件的影响。 eq oac(,2)相同点：人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒

19、，反应前后粒子总动量守恒。2放射性同位素的应用(1)放射性同位素的分类可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素两种，天然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达1 000多种，每种元素都有自己的放射性同位素。(2)人工放射性同位素的优点 eq oac(,1)放射强度容易控制。 eq oac(,2)可以制成各种所需的形状。 eq oac(,3)半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理。因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素。(3)放射性同位素的主要应用利用它的射线。a.工业部门使用射线测厚度利用射线的穿透特性；b.农业应用利用射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的

20、细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等；c.医疗上利用射线的高能量治疗癌症。作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置。【例3】(多选)关于放射性同位素的应用下列说法中正确的有()A放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到了消除有害静电的目的B利用射线的贯穿性可以为金属探伤C用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种D用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的伤害思路点拨：(1)射线电离能力强。(2)射线的穿透能力强。BD利用放射线消除有害静电是利用射线的电离性，使空气分子电离成导体，

21、将静电泄出，A错误；利用射线的穿透性可以为金属探伤，射线对人体细胞伤害太大，因此不能用来人体透视，在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量，B、D正确；DNA变异并不一定都是有益的，C错误。放射性同位素的两类应用(1)利用它的射线：射线的电离作用，射线的贯穿本领和生物作用，射线的贯穿本领。(2)作为示踪原子：多数情况下用射线，因为射线难以探测到。跟进训练3(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子()A射线探伤仪B利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况C利用钴60治疗肿瘤等疾病D把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的

22、规律BDA是利用了射线的穿透性，A错误；C利用了射线的生物作用，C错误；B、D是利用示踪原子。4完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子和正电子的。(1)eq oal(10, 5)Beq oal(4,2)Heeq oal(13, 7)N()(2)eq oal(9,4)Be()eq oal(12, 6)Ceq oal(1,0)n(3)eq oal(27,13)Al()eq oal(27,12)Mgeq oal(1,1)H(4)eq oal(14, 7)Neq oal(4,2)Heeq oal(17, 8)O()(5)eq oal(23,11)Na()eq oal(24,11)N

23、aeq oal(1,1)H(6)eq oal(27,13)Aleq oal(4,2)Heeq oal(1,0)n()；eq oal(30,15)Peq oal(30,14)Si()解析(1)eq oal(10, 5)Beq oal(4,2)Heeq oal(13, 7)Neq oal(1,0)n(2)eq oal(9,4)Beeq oal(4,2)Heeq oal(12, 6)Ceq oal(1,0)n由此核反应使查德威克首次发现了中子。(3)eq oal(27,13)Aleq oal(1,0)neq oal(27,12)Mgeq oal(1,1)H(4)eq oal(14, 7)Neq oa

24、l(4,2)Heeq oal(17, 8)Oeq oal(1,1)H此核反应使卢瑟福首次发现了质子。(5)eq oal(23,11)Naeq oal(2,1)Heq oal(24,11)Naeq oal(1,1)H(6)eq oal(27,13)Aleq oal(4,2)Heeq oal(1,0)neq oal(30,15)P；eq oal(30,15)Peq oal(30,14)Sieq oal(0,1)e(正电子)此核反应使约里奥居里夫妇首次发现了正电子。答案见解析1物理观念：原子核的衰变、半衰期、核反应及放射性同位素。2科学思维：衰变及核反应规律的理解，半衰期的理解与计算，放射性同位素的

25、应用。3科学方法：实验法、计算法、比较法。1(多选)下列说法中正确的是()A衰变放出的电子来自组成原子核的电子B衰变实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子C衰变说明原子核中含有粒子D射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波BD原子核发生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；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，C错误；射线总是伴随着其他衰变发生，它的本质是电磁波，故D正确。2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(eq oal(63,28)Ni)和铜两种金属作为长寿命电池的材料，利用镍63发生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eq oal(63,28)Nieq oal(63,29)Cueq oal(0,1)eB镍63的衰变方程是eq oal(63,28)Nieq oal(63,27)Cueq oal(0,1)eC外接负载时镍63的电势比铜片低D该电池内电流方向是从镍片到铜片A镍63的衰变方程为eq oal(63,28)Nieq oal(0,1)eeq oal(63,2