高中物理粤教版5第四章原子核 第4章第2节放射性元素的衰变

第二节放射性元素的衰变学习目标知识脉络1.知道三种射线的本质和特点．(重点)2.理解原子核的衰变及核反应规律．(难点)3.知道半衰期的概念，会应用半衰期解决有关问题．(重点)原子核的衰变eq\o([先填空])1．放射性物体放出的射线常见的有三种：α射线、β射线、γ射线，其实质分别是高速α粒子流、高速电子流、频率很高的电磁波．2．三种射线的特点(1)α射线：速度可达光速的eq\f(1,10)，电离作用强，贯穿本领很小．(2)β射线：速度可达光速的99%，电离作用较弱，贯穿本领较强．(3)γ射线：是频率很高的电磁波，波长很短，电离作用最小，贯穿本领最强．3．原子核的衰变(1)衰变定义：一种元素经放射过程，变成另一种元素的现象，称为原子核的衰变．(2)衰变分类①α衰变：放出α粒子的衰变．②β衰变：放出β粒子的衰变．(3)衰变方程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(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．4．γ射线的产生：放射性的原子核在发生α衰变或者β衰变后，产生的新核往往处于高能级，它要向低能级跃迁，并辐射γ光子，故γ射线是伴随α射线或β射线产生的．eq\o([再判断])1．三种射线都是从原子外层电子激发出来的．(×)2．放射性物质不可能同时放出α、β和γ三种射线．(×)3．原子核发生α衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4.(√)4．原子核发生β衰变时，原子核的质量不变．(×)5．原子核发生衰变时，质量数和电荷数都守恒．(√)eq\o([后思考])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eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)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．1．α、β、γ三种射线的性质、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－e0质量4mpmp＝×10－27kgeq\f(mp,1840)静止质量为零速度c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.在电场、磁场中偏转情况的比较(1)不论在电场还是磁场中，γ射线总是做匀速直线运动，不发生偏转．(2)在匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，β粒子的偏移最大．如图4­2­1所示．图4­2­1(3)在匀强磁场中，在同样的条件下，α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径最小，偏转最大．如图4­2­2所示．图4­2­23．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，2eq\o\al(1,0)n＋2eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)Heβ衰变：原子核内的一个中子变成质子，同时放出一个电子，eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e4．衰变方程通式(1)α衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He(2)β衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e5．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\o\al(A,Z)X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素eq\o\al(A′,Z′)Y，则衰变方程为：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A′,Z′)Y＋neq\o\al(4,2)He＋meq\o\al(0,－1)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＝eq\f(A－A′,4)，m＝eq\f(A－A′,2)＋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．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E．γ射线是波长很长的光子【解析】由三种射线的本质和特点可知，α射线穿透本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是一种波长很短的光子，不会使原核变成新核．三种射线中α射线电离作用最强，故C正确，E错误；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确．【答案】ACD2．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2B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1D．原子核每放出一个β粒子，原子序数增加1E．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】ADE3．如图4­2­3所示，放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，其中________是α射线，________是β射线，________是γ射线．图4­2­3【解析】由放射现象中α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线，③④是α射线．【答案】③④①⑥②⑤\o\al(238,92)U核经一系列的衰变后变为eq\o\al(206,82)Pb核，问：(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？(2)eq\o\al(206,82)Pb与eq\o\al(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．【解析】(1)设eq\o\al(238,92)U衰变为eq\o\al(206,82)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＋4x ①92＝82＋2x－y ②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eq\o\al(206,82)Pb较eq\o\al(238,92)U质子数少10，中子数少22.(3)衰变方程为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(206,82)Pb＋8eq\o\al(4,2)He＋6eq\o\al(0,－1)e【答案】(1)8次α衰变和6次β衰变(2)1022(3)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(206,82)Pb＋8eq\o\al(4,2)He＋6eq\o\al(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eq\o([先填空])1．定义：原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间，叫做半衰期．记为T1/2.2．衰变规律m＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(\f(t,T1/2))(其中m0为衰变前的质量，m为t时间后剩余的放射性元素的质量)．3．放射性元素的平均存活时间称为平均寿命．eq\o([再判断])1．半衰期的大小反映了放射性元素衰变的快慢．(√)2．放射性元素衰变的速率，与原子所处的物理状态和化学状态有关．(×)3．半衰期是大量原子核发生衰变的统计规律，少数原子核不符合这一规律．(√)eq\o([后思考])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．意义：半衰期表示放射性元素衰变的快慢．2．决定因素：半衰期的长短由原子核自身因素决定，与原子核所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关．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．5．14C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eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)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】ACD6．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eq\b\lc\(\r