高中物理 第4章 從原子核到夸克 4.2 原子核的衰變學案 滬科版選修35

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1、 4.2　原子核的衰變 學習目標 重點難點 1．知道天然放射性現(xiàn)象及其規(guī)律。 2．記住三種射線的本質(zhì)，會利用磁場把它們分開。 3．知道兩種衰變的基本性質(zhì)，記住衰變的規(guī)律。 4．會利用半衰期公式進行簡單計算。 重點：天然放射性及規(guī)律、原子核衰變規(guī)律。 難點：半衰期的理解和計算。 一、天然放射性的發(fā)現(xiàn) 物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象叫做天然放射性現(xiàn)象；物質(zhì)放射出射線的性質(zhì)叫放射性，具有放射性的元素叫放射性元素。 預習交流1 天然放射性現(xiàn)象說明了什么？ 答案：天然放射性現(xiàn)象說明了原子核是可分的。 二、天然放射線中的“三劍客” 在射線經(jīng)過的空間施加磁場，射線分成

2、三束，其中兩束在磁場中向不同的方向偏轉(zhuǎn)，說明這兩束是帶電的，另一束在磁場中不偏轉(zhuǎn)的不帶電，這三束分別叫α射線、β射線和γ射線。 射線種類 組成 速度 貫穿本領(lǐng) 電離作用 α射線 氦原子 核He 約c 很小，一張薄 紙就能擋住 很強 β射線 高速電 子流e 0.9c 較大，能穿過幾 毫米厚的鋁板 較弱 γ射線 波長很短 的電磁波 等于c 最大，能穿過幾 厘米厚的鉛板 很小 預習交流2 放射性元素放出射線后，它們的原子核還屬于原來的元素嗎？ 答案：放射性元素放出α射線或β射線時，原子核的核電荷數(shù)會發(fā)生變化，它就變成另外的元素。 三、放射性

3、元素的衰變 1．原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變成新核的現(xiàn)象叫衰變。放出α粒子的衰變叫α衰變，放出β粒子的衰變叫β衰變。 2．衰變規(guī)律 （1）α衰變：X→He＋Y?。?）β衰變：X→e＋Y 在衰變過程中，電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。 預習交流3 在α衰變中，新核在元素周期表中是前移還是后移？移動了幾位？ 答案：在α衰變中，新核的核電荷數(shù)減小了2，故新核在元素周期表中是前移了2位。 四、放射性元素的半衰期 1．放射性元素的原子核有一半發(fā)生衰變所需的時間，叫做這種元素的半衰期。 2．半衰期的公式是m＝M（），其中m為該元素剩余的質(zhì)量，M為該元素原來的質(zhì)量，t為經(jīng)過的時間，τ為半衰期。

4、預習交流4 放射性元素的半衰期由什么因素決定？半衰期與元素所處的物理、化學狀態(tài)有關(guān)系嗎？ 答案：放射性元素的半衰期只由元素原子核本身的因素決定，與元素所處的物理、化學狀態(tài)無關(guān)。 一、三種射線的理解 α射線、β射線、γ射線在磁場中運動的軌跡為什么不同？ 答案：α粒子與β粒子的電性、電荷量不同，故它們所受同一磁場力的大小、方向都不同，所以α粒子與β粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)方向相反，圓周半徑大小也不同。γ射線是高頻電磁波，它不帶電，故它不受磁場力的作用而做直線運動。 放射性元素放出的射線，在電場中分成a、b、c三束，如圖所示，其中（　?。?。 A．c為氦核組成的粒子 B．

5、b為比X射線波長更長的光子流 C．b為比X射線波長更短的光子流 D．a(chǎn)為高速電子組成的電子流 答案：C 解析：根據(jù)射線在電場中的偏轉(zhuǎn)情況，可以判斷，a射線向電場線方向偏轉(zhuǎn)，應為由帶正電的粒子組成的α射線，b射線在電場中不偏轉(zhuǎn)，所以為γ射線；c射線受到與電場方向相反的電場力，應為由帶負電的粒子組成的β射線。 三種射線都是高速運動的粒子，能量很高，都來自原子核內(nèi)部，這使我們認識到兩點，一是原子核內(nèi)部有復雜結(jié)構(gòu)，二是原子核內(nèi)部蘊藏有巨大的核能。 二、放射性元素的衰變 放射性元素是怎樣放出射線的？射線產(chǎn)生的機理你知道嗎？ 答案：三種射線的產(chǎn)生機理： α射線 核內(nèi)兩個中子和兩個質(zhì)

6、子結(jié)合得比較緊密，有時會作為一個整體從較大的原子核中拋射出來。核發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)分別減少2。 β射線 核中的中子可以轉(zhuǎn)化為一個質(zhì)子和一個電子，產(chǎn)生的電子從核中發(fā)射出來，這就是β射線，由于該電子來源于原子核，它的速度遠大于陰極射線中的電子和核外繞核旋轉(zhuǎn)的電子。 γ射線 原子核的能量也是不連續(xù)的，同樣存在著能級，能級越低越穩(wěn)定。放射性原子核在發(fā)生α衰變、β衰變后產(chǎn)生的新核往往處于高能級，當它向低能級躍遷時，輻射γ光子。由于原子核中的能級躍遷輻射出的光子能量非常大，故γ光子的頻率很大。所以波長很短。 （2010全國Ⅰ理綜，14）原子核U經(jīng)放射性衰變①變?yōu)樵雍薚h，繼而經(jīng)放

7、射性衰變②變?yōu)樵雍薖a，再經(jīng)放射性衰變③變?yōu)樵雍薝。放射性衰變①、②和③依次為（　?。?。 A．α衰變、β衰變和β衰變 B．β衰變、β衰變和α衰變 C．β衰變、α衰變和β衰變 D．α衰變、β衰變和α衰變 答案：A 解析：原子核U衰變?yōu)門h需要經(jīng)歷α衰變，繼而經(jīng)歷β衰變可得到Pa，然后再經(jīng)歷一次β衰變可得到U，所以放射性衰變①②③依次為α衰變、β衰變、β衰變，本題只有選項A正確。 對于原子核的衰變，要注意以下幾點： 1．由于原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時有多余能量而放出γ射線，不可能單獨發(fā)生γ衰變。 2．確定衰變次數(shù)，一般先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，因為β衰變對質(zhì)量數(shù)沒有

8、影響，然后再根據(jù)電荷數(shù)守恒確定β衰變的次數(shù)。 3．確定衰變次數(shù)要記住兩個等式： （1）核電核數(shù)＝質(zhì)子數(shù)（Z）＝元素的原子序數(shù)＝中性原子的核外電子數(shù)。 （2）質(zhì)量數(shù)（A）＝核子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)。 三、半衰期的應用 一座古墓被挖掘出來了，科學家們從其中的一塊木片就可以大致推斷出這座古墓建造的年代。你知道科學家所用的方法嗎？ 答案：科學家用的是碳14測年法。活的動、植物體內(nèi)都有一定比例的放射性元素碳14，動植物死后就不再吸收空氣中的碳14，于是動、植物體內(nèi)的碳14就通過衰變而逐漸減少。碳14的半衰期是5 730年，經(jīng)實驗測定，活的動植物體內(nèi)1克碳的衰變率大約是16次∕分，如果一

9、個被簽定的樣品中每克碳的衰變率是8次∕分，就知道它已經(jīng)經(jīng)過了5 730年，衰變率若是4次∕分，就是經(jīng)過了11 460年，依次類推。 測得某礦石中鈾、鉛質(zhì)量比為1.17∶1，假設(shè)開始時礦石只含有鈾238，發(fā)生衰變的鈾238都變成了鉛206。已知鈾238的半衰期是4.5109年，求礦石的年齡。 答案：4.5109年 解析：只要利用半衰期的計算公式m＝m0（）找出m、m0的關(guān)系，τ＝4.5109年，即可求出礦石的年齡。 設(shè)開始礦石中有m0（千克）的鈾238，經(jīng)n個半衰期后，剩余鈾m（千克），則m＝m0（）n，衰變掉的鈾m0－m＝m0[1－（）n]，一個鈾核衰變成一個鉛核，設(shè)生成鉛x（千克

10、），則＝，得 x＝m0[1－（）n] 據(jù)題意有＝，即＝ 解得n＝1，即t＝τ＝4.5109年。 1．半衰期計算要利用半衰期公式N余＝N原（）t/τ或m余＝m原（）t/τ，前者計算剩余核的個數(shù)，后者計算剩余核的質(zhì)量。 2．原子核的半衰期只由原子核本身決定，與原子核所處的物理、化學狀態(tài)無關(guān)，與是否是單質(zhì)或是化合物等無關(guān)。 3．半衰期是一種統(tǒng)計規(guī)律，只適用于大量原子核的衰變規(guī)律。半衰期對某一個核或某幾個少數(shù)核沒有意義。 1．關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是（　?。?。 A．是瑪麗居里夫婦首先發(fā)現(xiàn)的 B．說明了原子核不是單一的粒子 C．γ射線必須伴隨α射線或β射線而產(chǎn)生 D．

11、任何放射性元素都能同時發(fā)出三種射線 答案：BC 2．在天然放射現(xiàn)象中，關(guān)于α、β、γ射線的產(chǎn)生，下列敘述正確的是（　?。? A．α粒子帶正電，α射線是從原子核中射出的 B．β粒子帶負電，所以β射線有可能是核外電子 C．γ粒子是光子，所以γ射線有可能是由原子發(fā)光產(chǎn)生的 D．α射線、β射線、γ射線都是從原子核內(nèi)部釋放出來的 答案：AD 解析：α衰變的實質(zhì)是原子核中的兩個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成一個氦核，β衰變的實質(zhì)是一個中子變成一個質(zhì)子和一個電子，然后釋放出電子，γ射線伴隨α衰變和β衰變的產(chǎn)生而產(chǎn)生。所以這三種射線都是從原子核內(nèi)部釋放出來的，故B、C錯誤，A、D正確。 3．下列說法正

12、確的是（　?。?。 A．把放射性元素放在低溫處，可以減緩放射性元素的衰變 B．把放射性元素同其他穩(wěn)定元素結(jié)合成化合物，放射性元素的半衰期不變 C．半衰期是放射性元素的原子核全部衰變所需時間的一半 D．某一鉛的礦石中發(fā)現(xiàn)有20個氡原子核，經(jīng)過3.8天（氡的半衰期），此礦石中只剩下10個氡原子核 答案：B 解析：放射性元素的半衰期與其化學物理狀態(tài)無關(guān)，僅由原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，故A錯，B正確。半衰期遵循統(tǒng)計規(guī)律對大量的原子核才適用，故D錯，半衰期是指大量原子核有半數(shù)發(fā)生衰變的時間，故C錯。 4．放射性元素的半衰期在下列哪些情況下不發(fā)生變化（　?。?。 A．放射性元素放射出α粒子后，變成

13、新的放射性元素 B．放射性元素與其他物質(zhì)進行化學反應后生成化合物 C．把放射性元素置于高溫、高壓的環(huán)境中 D．用高能粒子轟擊，得到新的放射性元素 答案：BC 解析：放射性元素的半衰期只取決于放射性元素本身，而與其他因素無關(guān)，但在放射性元素轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌派湫栽睾?，其半衰期一定會發(fā)生變化，所以A、D錯，因此選B、C。 5．（2011洛陽高二檢測）一放射性同位素Th經(jīng)α、β衰變會生成氡，其衰變方程為Th→Rn＋xα＋yβ，其中（　?。? A．x＝1，y＝3　　　　　　B．x＝2，y＝3 C．x＝3，y＝1 D．x＝3，y＝2 答案：D 解析：本題考查放射性元素衰變的有關(guān)知識，為較容易的題目。由衰變方程：Th→Rn＋xHe＋ye，由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得：232＝220＋4x,90＝86＋2x－y可解得：x＝3，y＝2。 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375