放射性元素的衰变 学案 高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第3册

5.2放射性元素的衰变学习目标：1.知道放射现象的实质是原子核的衰变．2．知道α衰变、β衰变的规律、实质，会写衰变方程．3．理解半衰期的概念，会利用半衰期解决相关问题．4．知道人工放射性同位素及其应用．5．知道核反应及其遵循的规律，会正确书写核反应方程.学科素养：1.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．(物理观念)2．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．(科学思维)3．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．(科学探究)4．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．(科学态度与责任)自主梳理知识点一原子核的衰变1．定义原子核自发地放出________或________，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________．我们把这种变化称为原子核的衰变．2．衰变分类(1)α衰变：放出________的衰变．衰变方程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋________.(2)β衰变：放出________的衰变．衰变方程eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋________.3．衰变规律：原子核衰变时________和________都守恒．说明：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．答案：1.α粒子β粒子原子核2．(1)α粒子eq\o\al(4,2)He(2)β粒子eq\o\al(0,－1)e3．电荷数质量数知识点二半衰期1．定义：放射性元素的原子核有________发生衰变所需的时间．2．特点(1)不同的放射性元素，半衰期________，甚至差别非常大．(2)放射性元素衰变的快慢是由____________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．3．适用条件：半衰期描述的是________，不适用于单个原子核的衰变．4．半衰期的应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以通过测量其衰变程度来推断________．答案：1.半数2．(1)不同(2)核内部自身3．统计规律时间知识点三核反应1．定义：原子核在其他粒子的轰击下产生________或者发生状态变化的过程．2．原子核的人工核转变：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.3．遵循规律：________守恒、电荷数守恒．答案：1.新原子核3．质量数知识点四放射性同位素及其应用1．放射性同位素：具有________的同位素．2．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________的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后，可以用仪器探测出原子到达的位置．答案：1.放射性2．(4)相同知识点五辐射与安全1．人类一直生活在放射性的环境中．2．过量的射线对人体组织有________作用．在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意人身安全，同时，要防止____________对水源、空气、用具等的污染．答案：2.破坏放射性物质重难点研习研习1原子核的衰变规律与衰变方程导学探究原子核α衰变实质是放出一个氦原子核，β衰变实质是放出一个电子．如图所示为α衰变、β衰变示意图．试探究：(1)放射性元素能不能一次衰变同时产生α射线和β射线？(2)γ射线又是怎样产生的？提示：(1)不能，一次衰变只能是α衰变或β衰变，而不能同时发生α衰变和β衰变．(2)放射性的原子核在发生α衰变、β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γ光子．要点归纳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释放出来，产生α衰变．衰变方程：2eq\o\al(1,0)n＋2eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)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．衰变方程为eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e.2．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)e.3．确定原子核衰变次数的方法设放射性元素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：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，确定衰变次数的方法可归结为解一个二元一次方程组．研习指导[典例1](多选)放射性元素eq\o\al(238,92)U衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成eq\o\al(210,83)Bi，而eq\o\al(210,83)Bi可以经一次衰变变成eq\o\al(210,a)X(X代表某种元素)，也可以经一次衰变变成eq\o\al(b,81)Tl，eq\o\al(210,a)X和eq\o\al(b,81)Tl最后都变成eq\o\al(206,82)Pb，衰变路径如图所示．则()A．a＝82，b＝211B.eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(210,a)X是α衰变，eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(b,81)Tl是β衰变C.eq\o\al(210,a)X→eq\o\al(206,82)Pb是α衰变，eq\o\al(b,81)Tl→eq\o\al(206,82)Pb是β衰变D.eq\o\al(b,81)Tl经过一次β衰变变成eq\o\al(206,82)Pb解析：eq\o\al(210,83)Bi经过一次衰变变成eq\o\al(210,a)X，质量数没有发生变化，为β衰变，即eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(210,a)X＋eq\o\al(0,－1)e，解得a＝84；eq\o\al(210,83)Bi经过一次衰变变成eq\o\al(b,81)Tl，核电荷数少2，为α衰变，即eq\o\al(210,83)Bi→eq\o\al(b,81)Tl＋eq\o\al(4,2)He，解得b＝206，故A、B错误．结合A、B可知eq\o\al(210,84)X→eq\o\al(206,82)Pb＋eq\o\al(4,2)He，是α衰变；eq\o\al(210,81)Tl→eq\o\al(206,82)Pb＋eq\o\al(0,－1)e，是β衰变，故C、D正确．答案：CD[典例2]eq\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＋4x①92＝82＋2x－y②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6次(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教师指导衰变次数的分析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．针对训练1．原子核X经过一次α衰变成为原子核Y，原子核Y再经一次β衰变成为原子核Z，则下列说法中正确的是()A．核X的中子数比核Z的中子数多2B．核X的质子数比核Z的质子数多5C．核Z的质子数比核X的质子数少1D．原子核X的中性原子的电子数比原子核Y的中性原子的电子数少1答案：C解析：根据衰变规律，发生一次α衰变减少两个质子和两个中子，发生一次β衰变减少一个中子而增加一个质子．中性原子的电子数等于质子数．故A、B、D错误，C正确．研习2放射性元素的半衰期及其应用导学探究如图所示为始祖鸟的化石，美国科学家维拉·黎比运用了半衰期的原理发明“碳­14计年法”，并因此荣获了1960年的诺贝尔化学奖．利用“碳­14计年法”可以估算出始祖鸟的年龄．为什么能够运用半衰期来计算始祖鸟的年龄？提示：半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．能够运用它来计算始祖鸟的年龄是因为半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关．要点归纳对半衰期规律的理解衰变规律N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up15(eq\f(t,r))，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up15(eq\f(t,r))，式中N原、m原分别表示衰变前的原子核数和质量，N余、M余分别表示衰变后的尚未发生衰变的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期影响因素由原子核内部因素决定，跟原子所处的外部条件、化学状态无关半衰期规律是对大量原子核衰变行为作出的统计结果，可以对大量原子核衰变行为进行预测，而单个特定原子核的衰变行为不可预测研习指导[典例3]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eq\o\al(14,6)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eq\o\al(14,6)C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？[巧指导](1)根据衰变规律书写衰变方程；(2)eq\o\al(14,6)C含量只有活体中的25%说明经过2个半衰期，再应用半衰期公式计算时间．[解析](1)eq\o\al(14,6)C的β衰变方程为：eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,7)N.(2)eq\o\al(14,6)C的半衰期T＝5730年，生物死亡后，遗骸中的eq\o\al(14,6)C按其半衰期变化，设活体中eq\o\al(14,6)C的含量为N0，遗骸中的eq\o\al(14,6)C含量为N，则N＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up15(eq\f(t,T))N0，即0.25N0＝eq\f(1,2)eq\s\up15(eq\f(t,5730))N0，即eq\f(t,5730)＝2，t＝11460年．[答案](1)eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,7)N(2)11460年教师指导理解半衰期的常见误区(1)错误地认为半衰期就是一个放射性元素的原子核衰变到稳定核所经历的时间．其实半衰期是大量的原子核发生衰变时所表现的统计规律．(2)错误地认为放射性元素的半衰期就是物质质量减少为原来一半所需要的时间，该观点混淆了尚未发生衰变的放射性元素的质量与衰变后元素的质量的差别．其实衰变后的质量包括衰变后新元素的质量和尚未发生衰变的质量两部分．针对训练2．下列有关半衰期的说法正确的是()A．放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快B．放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长C．把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度D．降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度答案：A解析：放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映了放射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期长短由其自身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关．故A正确，B、C、D错误．3．一块氡222放在天平的左盘时，需要天平的右盘加444g砝码，天平才能处于平衡，氡222发生α衰变，经过一个半衰期以后，欲使天平再次平衡，应从右盘中取出的砝码为()A．222gB．8gC．2gD．4g答案：D解析：原有氡222共444g，经过一个半衰期后有222g氡发生衰变，其衰变方程为eq\o\al(222,86)Rn→eq\o\al(218,84)Po＋eq\o\al(4,2)He，但是衰变后生成的钋218还在左盘，也就是说，经过一个半衰期只有4g的α粒子从左盘放射出去，因此欲使天平再次平衡，右盘中只需取出4g砝码．故A、B、C错误，D正确．研习3原子核的人工转变及核反应方程的书写导学探究如图所示是某著名物理实验装置图，科学家利用该装置第一次实现了原子核的人工转变．(1)请写出该核反应方程；(2)请写出这位科学家的名字及他发现了什么？提示：(1)核反应方程是：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.(2)卢瑟福第一次完成了原子核的人工转变并发现了质子．要点归纳1．核反应的条件：用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变．2．核反应的实质：用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变．3．原子核人工转变的三个典型核反应(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.(2)1932年查德威克发现中子的核反应：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n.(3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素的核反应：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n.4．人工转变核反应与衰变的比较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，与它所处的化学状态和外部条件无关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，反应前后粒子总动量守恒研习指导[典例4]中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素eq\o\al(202,78)Pt.制取过程如下：(1)用质子轰击铍靶eq\o\al(9,4)Be产生快中子；(2)用快中子轰击汞eq\o\al(204,80)Hg，反应过程可能有两种：①生成eq\o\al(202,78)Pt，放出氦原子核；②生成eq\o\al(202,78)Pt，放出质子、中子；(3)生成的eq\o\al(202,78)Pt发生两次β衰变，变成稳定的原子核汞eq\o\al(202,80)Hg.写出上述核反应方程式．解析：根据质量数守恒和电荷数守恒，算出新核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程．(1)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(9,5)B＋eq\o\al(1,0)n.(2)①eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋eq\o\al(3,2)He；②eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n.(3)eq\o\al(202,78)Pt→eq\o\al(202,79)Au＋eq\o\al(0,－1)e；eq\o\al(202,79)Au→eq\o\al(202,80)Hg＋eq\o\al(0,－1)e.答案：见解析教师指导核反应方程的书写原则(1)质量数守恒和电荷数守恒．(2)中间用箭头，不能写成等号，因两端仅仅是质量数守恒，没有体现质量相等；也不能仅画一条横线，因箭头的方向还表示反应进行的方向．(3)核反应必须是实际能够发生的，不能凭空乱写．针对训练4．(1)完成下列核反应方程：①eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(11,5)B→eq\o\al(14,7)N＋________；②eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(23,11)Na→________＋eq\o\al(1,1)H；③eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋________；④eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al＝eq\o\al(30,15)P＋________.(2)在(1)的四个方程中，发现中子的核反应方程是________，发现放射性同位素的方程是________．答案：(1)eq\o\al(1,0)neq\o\al(26,12)Mgeq\o\al(1,0)neq\o\al(1,0)n(2)③④解析：(1)由核反应的规律：质量数、电荷数守恒可以判断①③④中的三个核反应生成物中都有中子，而③中的核反应的生成物应为eq\o\al(26,12)Mg.(2)查德威克发现中子的核反应方程为③，居里夫妇发现放射性同位素的核反应方程为④.研习4放射性同位素的应用导学探究在轧制钢板时需要动态地监测钢板厚度，其监测装置由放射源、探测器等构成，如图所示．请思考：(1)该装置中探测器接收到的是哪种射线？(2)如果钢板变厚了，会有什么变化？提示：(1)三种射线中，α射线用一张纸就能将其挡住，β射线能穿透几毫米厚的铅板，γ射线能穿透几厘米厚的铅板，这里是钢板，只能用γ射线．(2)钢板变厚，穿过的γ粒子数会减少．要点归纳1．放射性同位素的应用(1)利用放射性同位素放出的射线①探伤：射线穿透金属部件时，如果遇到砂眼、裂痕等伤痕，接收到的射线将与正常处不同，因此可利用放射性同位素放出射线探伤．②测厚：射线穿透某些物质的本领与物质的厚度、密度有关，因此可用射线来检查某些产品的厚度，技术上可用作自动控制．③利用射线电离能力，可以使空气电离，除去纺织车间的静电，或制成报警器．④利用射线照射，可以杀死癌细胞，用于治病；用射线照射植物，引起植物变异，用以育种等．(2)做示踪原子由于放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质，如果在某种元素里掺进一些放射性同位素，那么元素无论走到哪里，它的放射性同位素也经过同样的过程．而放射性元素不断地放出射线，再用仪器探测这些射线，即可知道元素的行踪，这种用途的放射性同位素叫示踪原子．2．人工放射性同位素的优点(1)资源丰富，天然放射性元素不过40多种，但人工放射性同位素已达3000多种，目前每种元素都有了自己的放射性同位素．(2)和天然放射性物质相比，人工放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的不同形状，特别是，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此放射性废料容易处理．由于这些优点，所以在生产和科研中凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素，而不用天然放射性物质．研习指导[典例5](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γ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γ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解析：利用放射线消除有害静电是利用α射线的电离性，使空气分子电离成导体，将静电导出，A错误；利用γ射线的穿透性可以为金属探伤，γ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．答案：BD教师指导放射性同位素的两类应用(1)利用它的射线：α射线的电离作用，γ射线的贯穿本领和生物作用，β射线的贯穿本领．(2)作为示踪原子：多数情况下用β射线，因为γ射线难以探测到．针对训练5．关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是()A．利用γ射线使空气电离，把静电荷导出B．利用α射线照射植物的种子，使产量显著增加C．利用β射线来治肺癌、食道癌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，作为示踪原子答案：D解析：β或α射线的电离本领较大，可以消除工业上有害的静电积累，A错误；γ射线的穿透性强，可以辐射育种、辐射保鲜、消毒杀菌和医治肿瘤等，B、C错误；放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，可以作示踪原子，D正确．巩固练习1．(多选)在下列关于近代物理知识的说法中，正确的是()A．氢原子的核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，原子的能量增大B．β射线是原子的核外电子电离后形成的电子流C．铀元素的半衰期为T，当温度发生变化时，铀元素的半衰期也发生变化D．查德威克发现了中子，其核反应方程为：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n答案：AD解析：氢原子的核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，吸收了能量，所以原子的能量增大，A正确；β射线是从原子核辐射出来的，不是原子外层电子电离出来的，B错误；半衰期不随外界因素的变化而变化，C错误；D符合物理学事实，D正确．2．2019年是世界上首次实现元素人工转变100周年.1919年，卢瑟福用氦核轰击氮原子核，发现产生了另一种元素，该核反应方程可写为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N＝eq\o\al(m,8)X＋eq\o\al(1,n)Y.以下判断正确的是()A．m＝16，n＝1B．m＝17，n＝1C．m＝16，n＝0D．m＝17，n＝0答案：B解析：核反应过程遵循质量数守恒和核电荷数守恒，由质量数和核电荷数守恒得：4＋14＝m＋1,2＋7＝8＋n，解得：m＝17，n＝1，故B正确，A、C、D错误．3．居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而一起获得1903年的诺贝尔物理学奖，下列关于放射性的叙述，正确的是()A．自然界中只有原子序数大于83的元素才具有放射性B．三种天然放射线中，电离能力和穿透能力最强的是α射线C．α衰变eq\o\al(238,92)U→X＋eq\o\al(4,2)He的产物X由90个质子和144个中子组成D．放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件有关答案：C解析：原子序数大于83的元素都具有放射性，小于83的个别元素也具有放射性，故A错误；α射线的穿透能力最弱，电离能力最强，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱，故B错误；根据电荷数和质量数守恒得，产物X为eq\o\al(234,90)X，则质子为90个，中子数为234－90＝144个，故C正确；放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关，故D错误．4．据最新报道，放射性同位素钬eq\o\al(166,67)Ho在医疗领域有重要应用，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是()A．32B．67C．99D．166答案：A解析：根据原子核内各量的关系可知核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与核外电子数之差为99－67＝32，故A正确，B、C、D错误．5．(多选)我国研制的旋式γ刀治疗脑肿瘤效果极好