高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 放射性元素的衰变学案设计

第五章原子核

第2节放射性元素的衰变

【素养目标】

1.知道放射现象的实质是原子核的衰变．

2．知道两种衰变的基本性质，掌握原子核的衰变规律

3．会用半衰期描述衰变的快慢，知道半衰期的统计意义．会利用半衰期解决相关问题．

【必备知识】

知识点一、原子核的衰变

1．定义

原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置变了，变成另一种原子核，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α粒子的衰变．

(2)β衰变：放出β粒子的衰变．

3．衰变过程

U→Th＋He

Th→Pa＋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．

知识点二、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，叫这种元素的半衰期。

2．特点

①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．

②半衰期描述的是统计规律，半衰期只对大量放射性元素的原子核有意义，对少量或个别原子核没有意义。

3．公式

半衰期公式：N余＝N原，m余＝m0式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量，N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．

知识点三、核反应

(1)定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。

(2)规律：在核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒．

(3)原子核的人工转变

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，同时产生一个质子．

卢瑟福发现质子的核反应方程：N＋He―→O＋H.

知识点四、放射性同位素及其应用

(1)定义：很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素．

(2)天然放射性同位素不过40多种，而通过核反应生成的人工放射性同位素已达1000多种，每种元素都有了自己的放射性同位素。

(3)应用

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．

④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．

知识点五、辐射与安全

（1）人类一直生活在放射性的环境中，不过辐射的强度都在安全剂量之内

（2）过量的射线对人体组织有破坏作用，这些破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉。因此，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，要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染

【课堂检测】

1．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Pt。制取过程如下：

(1)用质子轰击铍靶Be产生快中子；

(2)用快中子轰击汞Hg，反应过程可能有两种： 

①生成Pt，放出氦原子核；  

②生成Pt，放出质子、中子；

(3)生成的Pt发生两次β衰变，变成稳定的原子核汞Hg。

写出上述核反应方程式。

【答案】见解析

【详解】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)核反应为

Be＋H→B＋n

(2)①核反应为

Hg＋2n→Pt＋He

②核反应为

Hg＋n→Pt＋2H＋n

(3) 核反应为

Pt→Au＋e

Au→Hg＋e

2．写出（钍核）与（铜核）两种放射性元素的衰变方程。（铀核）衰变为（氡核）要经过几次衰变，几次衰变？

【答案】；；4；2

【详解】

钍核的α衰变方程

铜核的衰变方程为

（铀核）衰变为（氡核），质量数减少16，电荷数减少6，根据质量数守恒可得α衰变次数为

根据电荷数守恒可得β衰变次数

【素养作业】

1．关于原子核的衰变，下列说法正确的是（　　）

A．碘131的半衰期是8天，20g碘131经过24天后还有5g未衰变

B．用化学反应改变放射性元素的存在状态，可以实现对衰变快慢的控制

C．衰变为，经过3次衰变，2次衰变

D．、和三种射线中，射线的电离能力最强，射线的穿透能力最弱

【答案】C

【详解】A．碘131的半衰期是8天，20g碘131经过24天即3个半衰期后还有未衰变，选项A错误；

B．半衰期与外界因素无关，用化学反应改变放射性元素的存在状态，其半衰期不会发生变化，选项B错误；

C．设发生n次衰变，m次衰变，根据电荷数和质量数守恒，则有

，

解得，

选项C正确；

D．、和三种射线中，射线的电离能力最强，射线的穿透能力最强，选项D错误；

故选C。

2．用α粒子轰击核的核反应方程是，则（　　）

A．X的电荷数与的电荷数相同

B．X的质量数与的质量数相同

C．的核子数比的核子数多1

D．的中子数比的中子数多2

【答案】B

【详解】AB．X为中子，X的质量数与的质量数相同，电荷数为0，A错误；B正确；

C．的核子数比的核子数多2，C错误；

D．的中子数比的中子数多1，D错误。

故选B。

3．一静止的铝原子核俘获一速度大小为的氢原子核后，变为稳定的硅原子核，下列说法正确的是（　　）

A．该核反应方程为

B．若无其他粒子产生，则反应后的速度大小约为

C．核反应后的电荷数比核反应前的电荷数小

D．核反应后的质量数比核反应前的质量数大

【答案】B

【详解】ACD．根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为

选项ACD均错误；

B．若无其他粒子产生，由动量守恒定律有

可得的速度大小约为，选项B正确。

故选B。

4．在下列4个核反应方程中，X表示α粒子的是（　　）

A． B．

C． D．

【答案】D

【详解】根据电荷数及质量数守恒，可得A中是正电子，B中是电子，C中是中子，D中是氦原子核。

故选D。

5．由于放射性元素Np的半衰期很短，所以在自然界一直未被发现，只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi，下列判断中正确的是（　　）

A．Bi的原子核比Np的原子核少28个中子

B．Bi的原子核比Np的原子核少8个中子

C．衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变

D．衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变

【答案】C

【详解】AB. Bi的原子核有209-83=126个中子；Np的原子核有237-93=144个中子，则Bi的原子核比Np的原子核少18个中子，选项AB错误；

CD. 由于237-209=4x，93-2x+y=83可得x=7，y=4，即衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变，选项C正确，D错误。

故选C。

6．现代考古采用生物体残骸中放射性同位素碳14的量来测量生物的年代。形成碳14及碳14衰变的反应方程分别为.上述反应中（　　）

A．a为质子 B．a为电子 C．b为质子 D．b为中子

【答案】A

【详解】AB．根据电荷数守恒、质量数守恒，原子核a的质量数为14+1-14=1，电荷数为7+0-6=1，所以原子核a为质子，故A正确，B错误；

CD．原子核b的质量数为14-14=0，电荷数为6-7=-1，所以原子核b为电子，故CD错误。

故选A。

7．核电池利用钚-238衰变来产生能量，其核反应方程中的A粒子是（　　）

A．质子 B．中子 C．α粒子 D．β粒子

【答案】C

【详解】根据质量数和电荷数守恒可知，该方程中的粒子A的质量数为：m=238-234=4，电荷数：z=94-92=2，可知A为α粒子。

故选C。

8．沉睡三千年，一醒惊天下。3月20日，被誉为“20世纪人类最重大考古发现之一”的三星堆遗址又有考古新发现。根据碳十四的半衰期和剩余辐射量可以确定经历的年代，碳十四测年法是目前测定文物年代最准的方法之一关于放射性元素的衰变，正确的是（　　）

A．原子核有半数发生衰变所需的时间

B．原子核的核子数减少一半所需的时间

C．温度越高，放射性元素衰变就越快

D．衰变的实质说明原子核内部有电子

【答案】A

【详解】AB．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，B错误A正确；

C．放射性元素的半衰期与原子的化学状态和物理状态无关，C错误；

D．β衰变的实质是原子核中的一个中子转变为一个质子和一个电子，电子释放出来，D错误。

故选A。