高中物理选择性必修第三册配人教版-第五章-2-放射性元素的衰变

高中同步学案优化设计GAOZHONGTONGBUXUEANYOUHUASHEJI2.放射性元素的衰变第五章2021内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.了解衰变的概念,知道衰变时质量数和电荷数都守恒。(物理观念)2.理解α衰变和β衰变的规律及实质,并能熟练书写衰变方程。(科学思维)3.理解半衰期的概念,学会利用半衰期解决相关问题。(科学思维)4.知道核反应及其遵从的规律,会正确书写核反应方程。(科学思维)5.知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素。(物理观念)6.知道放射性同位素的常见应用。了解放射性同位素带来的辐射与安全问题。(科学态度与责任)思维导图课前篇自主预习必备知识一、原子核的衰变1.定义原子核自发地放出α粒子或β粒子,则核电荷数变了,变成另一种原子核,这种变化称为原子核的衰变。2.衰变分类(1)α衰变:放出α粒子的衰变。(2)β衰变:放出β粒子的衰变。3.衰变方程

4.衰变规律(1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。(2)当放射性物质连续衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰变,同时伴随着γ射线辐射。二、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。三、核反应和放射性同位素的应用与防护1.核反应(1)定义:原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程,称为核反应。(2)原子核的第一次人工转变1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,产生了氧的一种同位素,同时产生一(3)遵循规律:质量数守恒、电荷数守恒。

2.放射性同位素(1)定义:有些同位素具有放射性,叫作放射性同位素。(2)种类:天然放射性同位素和人工放射性同位素。(3)应用与防护①应用射线应用射线可以测厚度、医疗方面的放射治疗、照射种子培育优良品种、照射食品与蔬菜以延长保存期、保鲜等。②示踪原子:有关生物大分子的结构及其功能的研究,要借助于示踪原子。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。3.人工放射性同位素的优势(1)种类多。天然放射性同位素不过40多种,而人工放射性同位素已达3000多种。(2)放射强度容易控制。(3)可制成各种所需的形状。(4)半衰期短,废料易处理。自我检测1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)原子核在衰变时,它在元素周期表中的位置不变。(

)答案

×解析

原子核发生α衰变时,核中的两个质子和两个中子结合为α粒子释放出来,原子核的电荷数减少2;发生β衰变时,核中的一个中子转化为一个质子和一个电子,电子释放出来,原子核的电荷数增加1,所以原子核发生衰变变为新核,在元素周期表中的位置变化。(2)发生β衰变是原子核中的电子发射到核外。(

)答案

×解析

原子核发生β衰变时,核中的一个中子转化为一个质子和一个电子,电子从核中释放出来。(3)半衰期是原子核有半数发生衰变需要的时间,经过两个半衰期原子核就全部发生衰变。(

)答案

×解析

经过一个半衰期,未发生衰变的元素,将有一半衰变,所以经过两个半衰期,有

的元素发生衰变。(4)通过化学反应也不能改变物质的放射性。(

)答案

√(5)原子核衰变、核反应过程中,电荷数、质量数、能量和动量都守恒。(

)答案

√(6)利用γ射线照射种子,可以培育出优良品种。(

)答案

√2.放射性在技术上有很多应用,不同的放射源可用于不同目的。下表列出了一些放射性元素的半衰期和可供利用的射线。元素射线半衰期钋210α138天氡222β3.8天锶90β28年铀238α、β、γ4.5×109年某塑料公司生产聚乙烯薄膜,方法是让厚的聚乙烯膜通过轧辊把聚乙烯膜轧薄,利用适当的放射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀。可利用的元素是(

)A.钋210 B.氡222C.锶90 D.铀238答案

C解析

要测定聚乙烯薄膜的厚度,则要求射线可以穿透薄膜,因此α射线不合适;另外,射线穿透作用还要受薄膜厚度影响,γ射线穿透作用最强,薄膜厚度不会影响γ射线穿透,所以只能选用β射线,而氡222半衰期太短,所以只有锶90较合适。3.(2020四川成都模拟)1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子。发现质子的核反应方程为

则X的原子序数和质量数分别为(

)A.8和17 B.7和17C.6和14 D.10和15答案

A解析

根据核反应电荷数守恒2+7=1+x,核反应质量数守恒:4+14=1+y,得x=8,y=17,故核反应方程为

,故A正确,B、C、D错误。4.碳14是一种半衰期为5730年的放射性同位素。若考古工作者探测到某古木中碳14的含量为原来的,则该古树死亡时间距今大约(

)A.22920年 B.11460年C.5730年 D.2865年答案

B课堂篇探究学习探究一原子核的衰变情境探究1.元素自发地放出射线后,原子核发生了变化,称为原子核的衰变。放出α粒子称为α衰变,放出β粒子称为β衰变,研究表明,碳14只放出β射线,钴60只放出β、γ射线,镭226只放出α、γ射线。不同元素放出的射线相同吗?要点提示

不同的放射性元素放出的射线是不同的。2.下图为α衰变、β衰变示意图。

(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数如何变化?为什么?(2)当发生β衰变时,新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少?新核在元素周期表中的位置怎样变化?要点提示

(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数各减少2个。因为α粒子是原子核内2个质子和2个中子结合在一起发射出来的。(2)当原子核发生β衰变时,新核的核电荷数相对于原来增加了1个。新核在元素周期表中的位置向后移动了1个位次。知识归纳1.衰变规律原子核衰变时,电荷数和质量数都守恒。2.衰变方程与衰变实质(3)γ射线辐射:①α衰变或β衰变后产生的新核往往处于高能级,不稳定,要向低能级跃迁,放出γ光子。②γ射线是伴随着α射线和β射线产生的,γ射线辐射并不能独立发生,所以,只要有γ射线必有α衰变或β衰变发生。③γ射线不是带电粒子,因此γ射线并不影响原子核的核电荷数,故γ射线不会改变元素在周期表中的位置。实例引导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

规律方法

确定衰变次数的方法

(3)根据电荷数和质量数守恒列方程A=A'+4nZ=Z'+2n-m温馨提示

(1)核反应中遵循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(质量亏损)而释放出核能。(2)衰变方程用“→”表示,而不用“=”表示。(3)衰变方程表示的是原子核的变化,而不是原子的变化。(4)为了确定衰变次数,一般是由质量数的改变先确定α衰变的次数,这是因为β衰变的次数的多少对质量数没有影响,然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。(5)每发生一次α衰变原子核的质子数和中子数均少2,每发生一次β衰变原子核的中子数少1,质子数多1。变式训练1(多选)下列说法正确的是(

)答案

BD解析

α衰变时核电荷数减2,质量数减4,β衰变时核电荷数加1,质量数不变;设发生了x次α衰变和y次β衰变,则根据质量数和电荷数守恒有:2x-y+86=88,4x+222=226,解得x=1,y=0,A错误;同理可判断选项C错误,B、D正确。探究二半衰期情境探究1.知道考古学家据什么推断古化石的年代吗?要点提示

只要测出古化石中碳14的含量就可以根据碳14的半衰期推断古化石的年龄。2.下图为氡衰变剩余质量与原有质量比值示意图。

纵坐标表示的是任意时刻氡的质量m与t=0时的质量m0的比值。(1)每经过一个半衰期,氡的质量如何变化?(2)从图中可以看出,经过两个半衰期未衰变的原子核还有多少?知识归纳1.对半衰期的理解半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素具有的衰变速率一定,不同元素半衰期不同,有的差别很大。2.公式式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子核数或质量,N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子核数或质量,t表示衰变时间,T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。4.应用利用半衰期非常稳定这一特点,可以测量其衰变过程、推断时间等。特别提醒

(1)半衰期由核内部自身的因素决定,与原子所处的化学状态和外部条件都无关。(2)半衰期是一个统计规律,适用于对大量原子核衰变的计算,对于个别少数原子核不适用。实例引导答案

B变式训练2(2020山东模拟)已知铋210的半衰期是5天,20g铋210经过20天,剩余未衰变的铋210的质量为(

)A.1.25g B.2.5gC.5g D.10g答案

A探究三核反应情境探究如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图。

(1)充入氮气前荧光屏上看不到闪光,充入氮气后荧光屏上看到了闪光,说明了什么问题?(2)原子核的人工转变与原子核的衰变有什么相同规律?要点提示

(1)产生了新粒子。(2)质量数与电荷数都守恒。知识归纳1.原子核的人工转变(1)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)实质:用粒子轰击原子核并不是粒子与原子核碰撞,将原子核打开,而是粒子打入原子核内部使原子核发生了转变。(3)规律:反应前、后电荷数守恒、质量数守恒。2.三个重要原子核的人工转变方程(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程:闪光语录原子核的人工转变必须要有一定的装置和条件,不会自发产生。

实例引导A.84、211、2、4 B.84、210、2、4C.84、207、1、1 D.83、207、1、1答案

B解析

由于该核反应方程式为α衰变的方程式,所以a为α粒子,则c=2,d=4。根据质量数守恒和电荷数守恒可得:b=d+206=4+206=210a=c+82=2+82=84,故B正确,A、C、D错误。变式训练3(2020上海徐汇区二模)用α粒子轰击铝核的核反应方程是:Α

Al→n+X,n为中子。则X的核子数为(

)A.15 B.16 C.29 D.30答案

D解析

根据核反应过程中,质量数与电荷数守恒,α粒子的质量数为4,中子的质量数为1,可知X的质量数4+27-1=30,又因为质量数=核子数,故X的核子数为30,故D正确,A、B、C错误。探究四放射性同位素及其应用情境探究人工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到广泛的应用。(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?要点提示

(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。知识归纳1.放射性同位素具有放射性的同位素,叫作放射性同位素。有天然存在的和人工放射性同位素两类。2.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能力与物质的厚度、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利用射线电离作用,可以使空气电离,除去纺织车间的静电,或制成报警器。辐照:利用射线照射,可以杀死癌细胞,用以治病;用射线照射植物,引起植物变异,用以育种等。(2)作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。而放射性同位素不断地放出射线,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作示踪原子。3.人工放射性同位素的优点(1)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。实例引导C.提高温度,增大压强可以改变镍63的半衰期D.经过200年该电池中的镍将全部变成其他金属答案

B变式训练4正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理是:将放射性同位素氧15注入人体,参与人体的代谢过程。氧15在人体内衰变放出正电子,与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子,被探测器探测到,经计算机处理后产生清晰的图像。根据PET原理,回答下列问题:(1)写出氧15的衰变和正负电子湮灭的方程式;(2)将放射性同位素氧15注入人体,氧15的主要用途是(

)A.利用它的射线B.作为示踪原子C.参与人体的代谢过程D.有氧呼吸(2)将放射性同位素氧15注入人体后,由于它能放出正电子,并能与人体内的负电子产生一对光子,从而被探测器探测到,所以它的用途是作为示踪原子,B正确。随堂检测1.(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的(

)A.利用钴60治疗肿瘤等疾病B.γ射线探伤C.利用含有放射性碘131的油,