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学案鲁科版选修35

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教学设计鲁科版选修35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教学设计鲁科版选修35/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教学设计鲁科版选修35第2节原子核衰变及半衰期1.认识天然放射现象及其规律．(重点)2.知道三种射线的实质，以及怎样利用磁场划分它们．(重点)3．知道放射现象的实质是原子核的衰变．4.知道两种衰变的基本性质，并掌握原子核的衰变规律．(重点)5．理解半衰期的见解．(重点＋难点)一、天然放射现象定义：物质能自觉地放出射线的现象．物质放出射线的性质，叫做放射性．拥有放射性的元素，叫做放射性元素．天然放射现象最先是由贝克勒尔于1896年发现的．人类对原子核变化规律的认识，是从天然放射现象的发现开始的．天然放射性现象的发现有何意义？提示：天然放射现象令人们认识到原子核拥有复杂的内部结构．二、放射线的实质1.α射线是高速运动的氦原子核粒子流．速度约为光速的0.1倍，电离作用很强，穿透能力很弱．2.β射线是高速运动的电子流，速度约为光速的0.9倍，电离作用较弱，穿透本领较强．γ射线是波长很短的电磁波，它的电离作用很弱，穿透能力很强．1．(1)α射线实质上就是氦原子核，α射线拥有较强的穿透能力．()(2)β射线是高速电子流，很简单穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．( )(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强．( )提示：(1)×(2)√(3)×三、原子核的衰变1种类方程规律238234492U→90Th＋2α衰变：放出α粒子的衰变He原子核23423490Th→91Pa＋质量数、核电荷数守恒的衰变β衰变：放出β粒子的衰变－10eγ衰变2．(1)原子核发生衰变，变成了一种新的原子核．( )(2)原子核衰变时质量是守恒的．()(3)β衰变时放出的电子就是核外电子．()提示：(1)√(2)×(3)×四、半衰期定义：放射性元素的原子核有多半发生衰变需要的时间．t/τ2.公式：m＝M2．m为该元素节余的质量，M为该元素原来的质量，t为经过的时间，τ为半衰期．3.影响因素：元素半衰期的长短由原子核自己因素决定，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)没关．4.合用条件：半衰期描述的是大量原子核的统计行为，说明在大量原子核集体中，经过一准时间将有必然比率的原子核发生衰变．3．(1)半衰期能够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．()提示：(1)√(2)√(3)×对三种射线的认识三种射线的比较2α射线β射线γ射线光子流组成高速氦核流高速电子流(高频电磁波)带电荷量2e－e04－27静止质mpmp＝1.67×10m质量pkg1840量为零速度0.1c0.9cc在电场或磁场中偏转与α射线反向偏转不偏转较强穿透几毫米的铝最强穿透几厘米的铅贯穿本领最弱用纸能挡住板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、波折最长经过胶片感光感光感光2.三种射线产生的机理核内两其中子和两个质子联合得比较亲密，有时会作为一个整体从较大α射线的原子核中抛射出来．原子核发生一次α衰变，质子数和中子数分别减少2核中的中子能够转变成一个质子和一个电子，产生的电子从核中发射出β射线来，这就是β射线，由于该电子本源于原子核，它的速度远大于阴极射线中的电子和核外绕核旋转的电子原子核的能量也是不连续的，同样存在着能级，能级越低越牢固．放射性原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核经常处于高能级，当它向γ射线低能级跃迁时，辐射γ光子．由于原子核中的能级跃迁辐射出的光子能量特别大，故γ光子的频率很大将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，如图表示射线偏转情况中正确的选项是( )3A．①③B．①④C．②③D．②④[思路点拨]求解本题应掌握以下两点：α粒子、β粒子在磁场中偏转，求半径再比较．α粒子、β粒子在电场中做平抛运动，求偏向位移再比较．[剖析]已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，依照正、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①、②、③、④四幅图中，α、β粒子的偏转方向都是正确的，偏转的程度以下：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径r＝mv，将其数据代入，则α粒子与β粒Bq子的半径之比为：rαmαvαqβ40.1c1371r＝··q＝××≈.βββα1840因此可知①正确，②错误．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，沿电场方向位移为y，则有：qE2qEx2x＝vt，y＝t，消去t可得：y＝.02m22mv0对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比为yqmv2αβαβyβ＝qβ·mα·vα2121840（0.99c）21＝1×4×（0.1c）2≈38.因此可知③错误，④正确．[答案]B求解此类题目要熟知以下两点三种射线的带电性质．正、负电荷在电场或磁场中的运动规律及解题方法．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，以下说法正确的选项是( )4A．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射线剖析：选C.γ射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故②和⑤表示γ射线，A、B、D项错；α射线中的α粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故③表示α射线，由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏，故④表示α射线，C项对．正确理解原子核的衰变天然放射现象说明原子核拥有复杂的结构．原子核放出α粒子或β粒子(其实不表示原子核内有α粒子或β粒子，原子核内不能能有α粒子或电子)后变成新的原子核，这种变化称为原子核的衰变．衰变规律：原子核衰变前后的核电荷数和质量数都守恒．衰变方程(1)原子核放出一个α粒子就说明它发生了一次α衰变，新核的质量数比原来的核减少了4，而核电荷数减少2，用通式表示为：AA－44α衰变：ZX―→Z－2Y＋2He.(2)原子核放出一个β粒子就说明它发生了一次β衰变，新核的质量数不变，而核电AA0荷数增加了1，用通式表示为：β衰变：ZX―→Z＋1Y＋－1e.γ射线经常是陪伴α衰变和β衰变而产生，经常是衰变后的新核向低能级跃迁时辐射出来的一份能量，原子核放出一个γ光子不会改变它的质量数和核电荷数．两个重要的衰变2382344234234092U―→90Th＋2He，90Th―→91Pa＋－1e.对核反应过程的说明核反应过程一般都是不能逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能够用等号连接．核反应的生成物必然要以实验为基础，不能够凭空只依照两个守恒求出生成物来写核反应方程．5核反应中依照质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化．(4)当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时陪伴着γ辐射，这时可连续放出三种射线．23821021092U放射性衰变有多种可能路子，其中一路子是先变成83Bi，而83Bi能够经一次衰变变成210b210b206aX(X代表某一种元素)，也能够经一次衰变变成81Ti，aX和81Ti最后都变成82Pb，衰变路径以以下列图，则图中( )A．a＝82，b＝211B．①是β衰变，②是α衰变C．①是α衰变，②是β衰变b经过一次α衰变变成206D.81Ti82Pb[思路点拨]求解本题应注意以下两点：(1)发生一次α衰变，质量数减少4，核电荷数减少2，依照质量数变化求α衰变的次数．(2)发生一次β衰变，质量数不变，核电荷数增加1，再依照电荷数变化确定β衰变的次数．[剖析]210210aβ衰变，核83Bi经一次衰变变成X，由于质量数不变，所以只发生了一次电荷数增加1即a＝83＋1＝84，①是β衰变.210b83Bi经一次衰变变成81Ti，由于核电荷数减少2，所以只发生了一次α衰变，质量数减少4，即b＝210－4＝206，②是α衰变，故A、C项均错误，B项正确；2062061，所以只能经过一次81Ti变成82Pb，质量数不变，核电荷数增加β衰变，故D项错误．[答案]B有关系续衰变确定衰变次数的问题应注意的两点(1)由于β衰变不改变质量数，可先依照质量数守恒，确定α衰变次数．再依照总核电荷数守恒，确定β衰变次数．238U经放射性衰变①变成原子核234Th，既而经放射性衰变②变2.原子核92906234234为原子核91Pa，再经放射性衰变③变成原子核92U，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238①234Th，质量数少4，电荷数少2，说明剖析：选A.92U――→90①为α衰变.234②2341，质量数不变，说明②为β衰变，中子转变90Th――→91Pa，质子数加234③234β衰变，中子转变成质子．故成质子.91Pa――→92U，质子数加1，质量数不变，说明③为选A.对半衰期的理解1t1t常用公式：N余＝N原2τ，m＝M2τ.式中N原、M表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m表示衰变后还没有发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．2.规律的特点：放射性元素的半衰期是牢固的，是由元素的原子核内部因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度)或化学状态(如单质、化合物)没关．规律的用途：利用天然放射性元素的半衰期能够估测岩石、化石和文物的年月．半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核有意义，对少许原子核是没有意义的．某一个原子核何时发生衰变，是不能知的，当原子核数目特别少时，公式不再成立，如10个原子核经过半衰期剩几个？这样的问题无法办理．放射性同位素14C被考古学家称为“碳钟”，它能够用来判断古生物体的年月，此项研究获取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，会形成不牢固的146C，它很简单发生衰变，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．14(2)若测得一古生物遗骸中的6C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？[思路点拨](1)依照质量数守恒和电荷数守恒写出衰变方程．由古生物14C的含量与活体14C的含量比较可确定其半衰期数，即可计算出古生物的年月．7[剖析](1)14C的β衰变方程为：6140146C―→－1e＋7N.(2)146C的半衰期τ＝5730年．生物死亡后，遗骸中的14C按其半衰期变化，设活体中14C的含量为14660，遗骸中的6C含量N为N，则tN＝2τN0≠N0，t1t即0.25N0＝25730N0，故5730＝2，t＝11460年．[答案](1)14014(2)11460年6C―→－1e＋7N放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时，经常会同时陪伴________辐射．已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2，经过t＝T1·T2时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比mA∶mB＝________．剖析：由半衰期公式1t0m＝m2T联合题意可得1T1T21T1T2m2m·T＝m·T，所以2＝.2m2B1答案：γ2T2∶2T1α衰变、β衰变在磁场中的轨迹剖析设有一个质量为M0的原子核，原来处于静止状态．当发生一次α(或β)衰变后，释放的粒子的质量为m，速度为v，产生的反冲核的质量为M，速度为v′.1．动量守恒关系：0＝mv＋Mv′或mv＝－Mv′.2．在磁场中径迹的特点：当粒子和反冲核垂直进入磁感觉强度为B的匀强磁场时，将在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，且轨迹以以下列图．轨道半径的大小：由于粒子与反冲核的动量大小相等，所以轨道半径与电荷量成反mv1RαZ－2RβZ＋1比，即R＝Bq∝q.当发生α衰变时：RM＝2.当发生β衰变时：RM＝1.若是测出轨道8的半径比，能够求出Z，进而判断是什么原子核发生了衰变．(2)运行周期的长短：在同样的条件下，运行周期与粒子和反冲核的比荷成反比，即T2πmm＝Bq∝q.(3)径迹的特点：粒子的轨道半径大，反冲核的轨道半径小．α粒子与反冲核带同种电荷，两轨道外切；β粒子与反冲核带异种电荷，两轨道内切；γ射线的径迹为与反冲核的径迹相切的直线．静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核轨道半径之比为44∶1，以以下列图，则以下说法错误的选项是( )A．α粒子与反冲核的动量大小相等，方向相反B．原来放射性元素的原子核电荷数为90C．反冲核的电荷数为88D．α粒子和反冲粒子的速度之比为1∶88[剖析]微粒之间相互作用的过程中依照动量守恒，由于初始总动量为0，则末动量也为0，即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反．由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运v2mv动，由Bqv＝mR得：R＝qB.若原来放射性元素的核电荷数为Q，则对α粒子：p1R1＝B·2ep2对反冲核：R2＝B（Q－2）e.由于p1＝p2，R1∶R2＝44∶1，得Q＝90它们的速度大小与质量成反比，应选项D错误．[答案]D[随堂检测]1.天然放射现象的发现揭示了( )9A．原子不能再分B．原子的核式结构C．原子核还可以够再分D．原子核由质子和中子组成剖析：选C.汤姆孙发现了电子说明原子也可再分；卢瑟福经过α粒子散射实验提出了原子的核式结构；贝可勒尔发现了天然放射现象，说了然原子核也是有着复杂的结构的．天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分．卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现了质子，查德威克用α粒子轰击铍核打出了中子，令人们认识到原子核是由质子和中子组成的．所以选项C正确．(多项选择)以下关于放射性元素发出的三种射线的说法中正确的选项是( )A．α粒子就是氢原子核，它的穿透本领和电离本领都很强B．β射线是电子流，其速度凑近光速C．γ射线是一种频率很高的电磁波，它能够穿过几厘米厚的铅板D．以上三种说法均正确剖析：选BC.α粒子是氦原子核，它的穿透本领很弱而电离本领很强，A项错误；β射线是电子流，其速度凑近光速，B项正确；γ射线的穿透能力很强，能够穿透几厘米厚的铅板，C项正确．(多项选择)关于原子核的衰变和半衰期，以下说法正确的选项是( )A．半衰期是指原子核的质量减少一半所需要的时间B．半衰期是指原子核有多半发生衰变所需要的时间C．发生α衰变时产生的新原子核在周期表中的地点向后搬动2位D．发生β衰变时产生的新原子核在周期表中的地点向后搬动1位剖析：选BD.由半衰期的定义可知，A错，B对．由α衰变和β衰变的实质可知，C错，D对．4.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的含量大体还有()mmA.B．48mmC.16D．3210剖析：选C.经过32天即4个半衰期，碘131的含量变成′＝m4＝m，C项正确．162[课时作业]一、单项选择题在天然放射性物质周边放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本源因是( )A．γ射线的贯穿作用B．α射线的电离作用C．β射线的贯穿作用D．β射线的中和作用剖析：选B.由于α粒子电离作用较强，能使空气分子电离，电离产生的电荷与带电体的电荷中和，使带电体所带的电荷很快消失．2.关于放射性元素的α衰变和β衰变，以下说法中正确的选项是( )A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4B．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1剖析：选D.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，核电荷数增加1，原子序数增加1.实验察看到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹表示图如图，则( )A．轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外B．轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外C．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里D．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里剖析：选D.依照动量守恒定律，原子核发生β衰变后产生的新核与电子的动量大小相2mvp等，设为p.依照＝mvr＝是电，得轨道半径＝，故电子的轨迹半径较大，即轨迹1qvBrqBqB子的，轨迹2是新核的．依照左手定则，可知磁场方向垂直纸面向里．选项D正确．114.近来几年，原子核科学家在超重元素的探测方面获取重要进展，1996年科学家们在研究某两个重离子联合成超重元素的反应时，发现生成的超重元素的核A次α衰变X经过6Z后的产物是253100Fm.由此，能够判断生成的超重元素的原子序数和质量数分别是()A．124、259B．124、265C．112、265D．112、277剖析：选D.由电荷数守恒得Z＝100＋12＝112，由质量数守恒得A＝253＋24＝277，故选D.如图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感觉强度方向垂直于纸面向里．以下判断可能正确的选项是( )A．a、b为β粒子的径迹B．a、b为γ粒子的径迹C．c、d为α粒子的径迹D．c、d为β粒子的径迹剖析：选D.由于α粒子带正电，β粒子带负电，γ粒子不带电，据左手定则可判断a、b可能为α粒子的径迹，c、d可能为β粒子的径迹，选项D正确．239239239的衰变，以下说法正确的选项是6.铀239(92U)经过衰变可产生钚239(94Pu)．关于铀( )23994Pu与92U的核内拥有同样的中子数和不同样的核子数239B．放射性物质92U发生β衰变时所释放的电子本源于核外电子239239C.92U经过2次β衰变产生94Pu239D．温度高升，92U的半衰期减小剖析：选C.23992U的质量数A′＝239，核电荷数Z′＝92，则中子数n′＝239－92＝147，239＝239，核电荷数＝94，则中子数n＝－＝239－94＝145，故核子数同样，94Pu的质量数AZAZ但中子数不同样，故A错误．β衰变是原子核的衰变，与核外电子没关，β衰变时释放的电子是由核内一其中子转变成一个质子同时释放出来的，故B错误.2390e＋239Pu，显然9294－1反应物的质量数为239，而生成物的质量数为239，故质量数守恒；而反应物的核电荷数为1292，故核电荷数守恒，反应能够发生，故C正确．半衰期与物体的温度、状态均没关，而是由核内部自己因素决定的，故D错误．二、多项选择题7.以以下列图，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则以下说法中正确的选项是( )A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线B．α射线和β射线的轨迹是抛物线C．α射线和β射线的轨迹是圆弧D．若是在铅盒和荧光屏间再加一个竖直向下的场强适合的匀强电场，可能使屏上的亮斑只剩下b剖析：选AC.由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向1上，β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧．由于α粒子速度约是光速的10，而β粒子速度凑近光速，所以在同样的混杂场中不能能都做直线运动．本题应选A、C.8.关于天然放射性，以下说法正确的选项是( )A．所有元素都有可能发生衰变B．放射性元素的半衰期与外界的温度没关C．放射性元素与其他元素形成化合物时仍拥有放射性D．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线剖析：选BC.自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项A错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素没关，选项B、C正确；原子核发生衰变时，不能够同时发生α和β衰变，γ射线陪伴这两种衰变产生，应选项D错误．9.14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约5700年．已知植物存活时期，其体内14C与121414C的比率不变；生命活动结束后，C的比率连续减小．现经过测量得知，某古木样品中C的比率正好是现代植物所制样品的二分之一．以下说法正确的选项是( )A．该古木的年月距今约5700年B．12C、13C、14C拥有同样的中子数C．14C衰变成14N的过程中放出β射线D．增加样品测量环境的压强将加快14C的衰变13剖析：选AC.古木样品中14C的比率是现代植物所制样品的二分之一，依照半衰期的定义知该古木的年月距今约5700年，选项A正确；同位素拥有同样的质子数，不同样的中子数，选项B错误；14C的衰变方程为146C→147N＋0－1e，所以此衰变过程放出β射线，选项C正确；放射性元素的半衰期与核内部自己因素有关，与原子所处的化学状态和外面条件没关，选项D错误．在匀强磁场中，一个原来静止的原子核发生了衰变，获取两条以以下列图的径迹，图中箭头表示衰变后粒子的运动方向．不计放出光子的能量，则以下说法正确的选项是( )A．发生的是β衰变，b为β粒子的径迹B．发生的是α衰变，b为α粒子的径迹C．磁场方向垂直于纸面向外D．磁场方向垂直于纸面向里剖析：选AD