新教材高中物理选择性学案第5章第2节原子核衰变及半衰期

第2节原子核衰变及半衰期学习目标：1.[物理观念]知道原子核的衰变和衰变规律．2.[物理观念]知道什么是半衰期．3.[科学态度与责任]了解放射性在生产和科学领域的应用．4.[科学态度与责任]知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防护放射性的措施，建立防范意识．一、原子核的衰变、半衰期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：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(A－4,Z－2)Y．(2)β衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(A,Z＋1)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作半衰期．(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、化学状态以及周围压强、温度无关．二、放射性的应用1．放射性同位素的应用主要分为两类：一是利用射线的电离作用、穿透能力等性质；二是作为示踪原子．2．射线特性的利用(1)辐射育种、食品辐射保存、放射性治疗等．(2)放射性同位素电池：把放射性同位素衰变时释放的能量转换成电能的装置．(3)γ射线探伤：利用了γ射线穿透能力强的特点．3．作为示踪原子：用仪器探测放射性同位素放出的射线，可以查明放射性元素的行踪，好像带有“标记”一样．人们把具有这种用途的放射性同位素叫作示踪原子．三、放射性污染和防护1．放射性污染的主要来源(1)核爆炸．(2)核泄漏．(3)医疗照射．2．为了防止放射线的破坏，人们主要采取以下措施(1)密封防护．(2)距离防护．(3)时间防护．(4)屏蔽防护．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)利用放射性同位素放出的γ射线可以给金属探伤． (√)(2)利用放射性同位素放出的射线消除有害的静电积累． (√)(3)利用放射性同位素放出的射线保存食物． (√)(4)医疗照射是利用放射性，对人和环境没有影响． (×)(5)原子所处的周围环境温度越高，衰变越快． (×)2．(多选)下列关于放射性同位素的一些应用的说法正确的是()A．利用放射性消除静电是利用射线的穿透作用B．利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用C．利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异D．放射性同位素的半衰期是相同的BC[消除静电是利用射线的电离作用使空气导电，A错误；探测机器部件内部的砂眼或裂纹和改良品种分别是利用它的穿透作用和射线可使DNA发生变异，B、C正确；不同的放射性同位素的半衰期是不同的，D错误．]3．(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BD[原子核的衰变是由原子核的内部因素决定的，与外界环境无关．原子核的衰变有一定的速率，每隔一定的时间即半衰期，原子核就衰变掉总数的一半．不同种类的原子核，其半衰期也不同，若开始时原子核数目为N0，经时间t剩下的原子核数目为N，半衰期为T，则N＝N0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up20(eq\f(t,T))．若能测出N与N0的比值，就可求出t，依此公式可测定地质年代、生物年代等．故正确答案为B、D．]对原子核衰变的理解你知道考古学家靠什么推断古化石的年代吗？提示：只要测出古化石中14C的含量，就可以根据14C的半衰期推断古化石的年龄．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．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．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．【例1】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，质子和中子数各少多少？(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,92＝82＋2x－y，联立解得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，中子数少1，而质子数增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)核反应方程为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，6次β衰变(2)1022(3)见解析分析衰变次数的解题步骤(1)先根据已知条件，表示出初、末原子核的符号．如eq\o\al(A,Z)X、eq\o\al(A′,Z′)Y等．(2)根据衰变规律，写出核反应方程，衰变次数用未知数表示．如：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A′,Z′)Y＋meq\o\al(4,2)He＋neq\o\al(0,－1)e．(3)根据核反应方程遵循的规律列方程求解未知数．根据反应式得：eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(A＝A′＋4m,Z＝Z′＋2m－n))[跟进训练]1．某放射性元素的原子核eq\o\al(M,Z)X连续经过三次α衰变和两次β衰变，若最后变成另外一种元素的原子核Y，则该新核的正确写法是()A．eq\o\al(M－14,Z－2)Y B．eq\o\al(M－14,Z－6)YC．eq\o\al(M－12,Z－6)Y D．eq\o\al(M－12,Z－4)YD[新核的质量数为M′＝M－12，故A、B错误；电荷数Z′＝Z－6＋2＝Z－4，故C错误，D正确．]半衰期的理解与应用晋朝初年，南昌人许逊被朝廷任命为旌阳县令，他看到很多老百姓的租税交不了，非常同情他们，用点石成金的法术，免去百姓的租税．许逊真的能把石头点成金子吗？提示：不能，衰变需要时间．1．常用公式：n＝Neq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,T))，m＝Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,T))．式中N、M表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，n、m表示尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期．2．意义：表示放射性元素衰变的快慢．3．规律的特征：放射性元素的半衰期是稳定的，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)无关．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．5．规律的用途：利用天然放射性元素的半衰期可以估测岩石、化石和文物的年代．【例2】恒星向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应，当温度达到108K时，可以发生“氦燃烧”．(1)完成“氦燃烧”的核反应方程：eq\o\al(4,2)He＋________→eq\o\al(8,4)Be＋γ．(2)eq\o\al(8,4)Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16s．一定质量的eq\o\al(8,4)Be，经7.8×10－16s后所剩eq\o\al(8,4)Be占开始时的________．[解析](1)根据核反应方程和电荷守恒定律可知，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(8,4)Be＋γ．(2)eq\o\al(8,4)Be的半衰期为2.6×10－16s，经过7.8×10－16s后，也就是经过3个半衰期后剩余的质量为m′＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(n)m＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(3)m，所剩eq\o\al(8,4)Be占开始时的eq\f(1,8)．[答案](1)eq\o\al(4,2)He(2)eq\f(1,8)或12.5%应用半衰期公式m＝Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,T))，n＝Neq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,T))的三点注意(1)半衰期公式只对大量原子核才适用，对少数原子核是不适用的．(2)明确半衰期公式中m、M的含义及二者的关系；n、N的含义及二者的关系．(3)明确发生衰变的原子核与新产生的原子核质量之间的比例关系，每衰变一个原子核，就会产生一个新核，它们之间的质量之比等于各自原子核的质量之比．[跟进训练]2．已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为()A．1∶4B．1∶2C．2∶1D．4∶1B[由半衰期含义可知，A经过两个半衰期剩余的质量为原来的eq\f(1,4)，B经过一个半衰期，剩余的质量为原来的eq\f(1,2)，所以剩余的A、B质量之比为1∶2，B项正确．]放射性的应用放射性同位素的放射强度易于控制，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此在生产和科学领域得以广泛的应用．(1)能用α射线来测量金属板的厚度吗？(2)γ射线照射食品延长保存期的原理是什么？提示：(1)不能．(2)用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期．1．人工放射性同位素的优点(1)放射强度容易控制．(2)可以制成各种所需的形状．(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．2．放射性同位素的主要应用(1)利用它的射线①工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性．②农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等．③医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症．(2)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)下列说法正确的是()A．给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好B．输油管道漏油时，可以在输的油中放一些放射性同位素探测其射线，确定漏油位置C．天然放射元素也可以作为示踪原子加以利用，只是含量较少，经济上不划算D．放射性元素被植物吸收，其放射性不会发生改变BD[放射性元素与它的同位素的化学性质相同，但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节吸收含有哪种元素的肥料．无论植物吸收含放射性元素的肥料，还是无放射性肥料，植物生长是相同的，A错误；人工放射性同位素，含量易控制，衰变周期短，不会对环境造成永久污染，而天然放射性元素，剂量不易控制、衰变周期长、会污染环境，所以不用天然放射元素，C错误；放射性是原子核的本身性质，与元素的状态、组成等无关，D正确；放射性同位素可作为示踪原子，是因为它不改变元素的化学性质，B正确．]放射性同位素的应用技巧(1)用射线来测量厚度，一般不选取α射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的．(2)给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取γ射线．(3)使用放射线时安全是第一位的．[跟进训练]3．关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是()A．利用射线可以改变布料的性质，使其不再因摩擦而生电，从而达到消除有害静电的目的B．利用γ射线的贯穿能力可以为金属探伤，也可以进行人体的透视C．利用射线照射作物种子可使其DNA发生变异，其结果一定是更优秀的品种D．利用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D[利用射线消除有害静电是利用射线的电离性，使空气分子电离，将静电中和，选项A错误；γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视，选项B错误；作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优良品种，选项C错误；利用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用，因此要科学地控制剂量，选项D正确．]放射性的污染和防护射线在人们心里是一个恶魔，许多人谈“核”色变，怎样对射线进行有效的防护呢？放射性物质危险警告标志提示：其实射线并不可怕，可怕的是无知，只要熟知各种射线的特点，就可以避开射线对我们的危害，如图所示，从图中你可能有所体会．污染与防护举例与措施说明污染核爆炸核爆炸的最初几秒钟辐射出来的主要是强烈的γ射线和中子流，长期存在放射性污染核泄漏核工业生产和核科学研究中使用的放射性原材料，一旦泄漏就会造成严重污染医疗照射医疗中如果放射线的剂量过大，也会导致病人受到损害，甚至造成病人死亡防护密封防护把放射源密封在特殊的包壳里，或者用特殊方法覆盖，以防止射线泄漏距离防护距放射源越远，人体吸收放射线的剂量就越少，受到的危害就越轻时间防护尽量减少受辐射的时间屏蔽防护在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用，铅的屏蔽作用最好【例4】(多选)贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器．贫铀是提取铀235以后的废料，其主要成分为铀238．贫铀炸弹有很强的穿甲能力，而且铀238具有放射性，残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染．人长期生活在该环境中会受到核辐射而易患上皮肤癌和白血病．下列结论正确的是()A．铀238的衰变方程式为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(234,90)ThB．eq\o\al(238,92)U和eq\o\al(235,92)U互为同位素C．人患皮肤癌和白血病可能是因为核辐射导致了基因突变D．贫铀炸弹的穿甲能力很强，也是因为它的放射性ABC[铀238具有放射性，放出一个α粒子，变成钍234，选项A正确；铀238和铀235质子数相同，故互为同位素，选项B正确；核辐射能导致基因突变，是皮肤癌和白血病的诱因之一，选项C正确；贫铀炸弹的穿甲能力很强，是因为它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀合金组成，袭击目标时产生高温化学反应，所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹，选项D错．][跟进训练]4．(1)一病人突然昏厥，医生用碘123进行诊断，通过体外跟踪，迅速查出病因这是利用碘123所放出的()A．热量 B．α射线C．β射线 D．γ射线(2)医生用碘123对病人进行诊断，使其很快恢复健康，碘123的特性是()A．半衰期长，并能迅速从体内清除B．半衰期长，并能缓慢从体内清除C．半衰期短，并能迅速从体内清除D．半衰期短，并能缓慢从体内清除[解析](1)原子核衰变可同时放出α、β、γ射线，α射线是氦核流，β射线是电子流，γ射线是电磁波，α射线与β射线的穿透本领都较弱，这是利用碘123所放出的γ射线．故A、B、C错误，D正确．(2)半衰期由原子核自身因素决定，与所处的状态无关，而医生用碘123进行诊断，原因是其半衰期较短，在较短的时间内可以测量到一定量的放射性，并可迅速从体内消除，避免过度放射对人体造成危害．故C符合题意．[答案](1)D(2)C1．(多选)以下说法正确的是()A．通过原子核的人工转变可以发现和制造新元素B．在人工核反应过程中，质量守恒C．利用示踪原子可以研究生物大分子的结构D．人类一直生活在放射性的环境中ACD[通过原子核的人工转变可以发现和制造新元素，A项正确；在人工核反应过程中，质量数守恒，B项错误；利用示踪原子可以研究生物大分子的结构，C项正确；人类一直生活在放射性的环境中，地球上的每个角落都有射线，D项正确．]2．由原子核的衰变规律可知()A．放射性元素一次衰变可同时产生α射线和β射线B．放射性元素发生β衰变时，新核的化学性质不变C．放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制D．放射性元素发生正电子衰变时，新核质量数不变，核电荷数增加1C[一次衰变不可能同时产生α射线和β射线，只可能同时产生α射线和γ射线或β射线和γ射线；原子核发生衰变后，核电荷数发生了变化，故新核(新的物质)的化学性质也发生改变；发生正电子衰变，新核质量数不变，核电荷数减小1．]3．某放射性原子核A，经一次α衰变成为B，再经一次β衰变成为C，则()A．原子核C的中子数比A少2B．原子核C的质子数比A少1C．原子核C的中子数比B少2D．原子核C的质子数比B少1B[写出核反应方程如下：eq\o\al(X,Y)A→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(X－4,Y－2)B，eq\o\al(X－4,Y－2)B→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(X－4,Y－1)C．A的中子数为X－Y，B的中子数为(X－4)－(