2019-2020年高中物理 第3章 原子核與放射性 3.2 原子核衰變及半衰期教案 魯科版選修3-5.doc

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2019-2020年高中物理 第3章 原子核與放射性 3.2 原子核衰變及半衰期教案 魯科版選修3-5 ●課標(biāo)要求 知識(shí)與 技能 1. 了解天然放射現(xiàn)象及其規(guī)律． 2．知道三種射線的本質(zhì)，以及如何利用磁場(chǎng)區(qū)分它們． 3．知道兩種衰變的基本性質(zhì)，并掌握原子核的衰變規(guī)律． 4．理解半衰期的概念． 過程與 方法 1.通過觀察，思考，討論，初步學(xué)會(huì)探究的方法． 2．通過對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)自學(xué)和歸納能力． 情感態(tài)度 與價(jià)值觀 1.樹立正確的，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度． 2．樹立辨證唯物主義的科學(xué)觀和世界觀. ●課標(biāo)解讀 1．知道天然放射現(xiàn)象，了解放射性及放射性元素的概念． 2．知道三種射線的本質(zhì)和特點(diǎn)，并能夠借助電、磁場(chǎng)分析判斷三種射線． 3．知道原子核衰變的規(guī)律，知道α衰變、β衰變的本質(zhì)，能根據(jù)電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒正確書寫衰變方程． 4．理解半衰期的概念，會(huì)應(yīng)用半衰期公式解決相關(guān)問題．●教學(xué)地位 原子核衰變及半衰日期是教學(xué)的重點(diǎn)也是高考的熱點(diǎn)，教學(xué)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1．這一節(jié)可先讓學(xué)生了解天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)史，知道有些元素具有天然的放射射線的性質(zhì)，天然放射現(xiàn)象說明了原子核還有進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)，并且開始了對(duì)原子核變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)． 2．這些天然的放射線有三種，即α、β和γ射線，介紹它們分別是什么物質(zhì)，接著可向?qū)W生說明如何區(qū)分，著重介紹三種射線的特性． 3．應(yīng)讓學(xué)生了解α衰變和β衰變，以及衰變過程中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律．可讓學(xué)生通過相應(yīng)的練習(xí)來逐步掌握α衰變和β衰變以及兩個(gè)守恒規(guī)律．有關(guān)核反應(yīng)的練習(xí)要注意從可靠的資料上選擇實(shí)際發(fā)生的核反應(yīng)，不能隨意編造核反應(yīng)方程來讓學(xué)生練習(xí)． 4．半衰期是了解原子核衰變規(guī)律的一個(gè)重要概念，也是學(xué)生比較難理解和掌握的問題．學(xué)生常犯的錯(cuò)誤是，放射性元素經(jīng)半衰期后衰變一半，再經(jīng)半衰期后衰變完畢．教學(xué)中除應(yīng)注意結(jié)合具體問題讓學(xué)生清楚半衰期的物理含義外，還應(yīng)讓學(xué)生清楚：半衰期只對(duì)大量原子核衰變才有意義，因?yàn)榉派湫栽氐乃プ円?guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，當(dāng)放射性原子核數(shù)少到統(tǒng)計(jì)規(guī)律不再起作用時(shí)，就無法判斷原子核的衰變情況了. ●新課導(dǎo)入建議 故事引入 公元1936年，一個(gè)名叫卡門的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并分離出一種分子，它是碳的一種同位素，分子量是14，因此被稱為14C.三年后，科學(xué)家柯夫經(jīng)過研究，指出宇宙射線和大氣作用后最終產(chǎn)物是14C，并計(jì)算出了其在大自然中的產(chǎn)生率． 經(jīng)過重重考驗(yàn)，14C常規(guī)測(cè)年法被考古學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家所接受，成為確定舊石器晚期以來人類歷史年代的有力工具．許多長(zhǎng)久以來沒有解決的難題迎刃而解．我們知道，考古學(xué)與歷史學(xué)的重要結(jié)合點(diǎn)就在于確定遺址的年代．而14C測(cè)年技術(shù)則為這個(gè)結(jié)合點(diǎn)找到了一個(gè)突破口．這是考古學(xué)的一個(gè)重要革命性的技術(shù)． 同學(xué)們通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)我們就能知道14C測(cè)年技術(shù)的原理是什么． ●教學(xué)流程設(shè)計(jì) ??? ? ??? ? (步驟8：先由學(xué)生自己總結(jié)本節(jié)的主要知識(shí)，教師點(diǎn)評(píng)，安排學(xué)生課下完成【課后知能檢測(cè)】 課　標(biāo)　解　讀 重　點(diǎn)　難　點(diǎn) 1.知道什么是放射性及放射性元素． 2．知道三種射線的本質(zhì)和特性． 3．知道原子核的衰變和衰變規(guī)律． 4．知道什么是半衰期. 1.知道三種射線的本質(zhì)和特性．(重點(diǎn)) 2．知道原子核的衰變、半衰期和衰變規(guī)律．(重點(diǎn)) 3．三種射線的本質(zhì)以及如何利用磁場(chǎng)區(qū)分它們，半衰期的描述．(難點(diǎn)) 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及放射線的本質(zhì) 1.基本知識(shí) (1)定義：物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象． (2)物質(zhì)放出射線的性質(zhì)，叫做放射性． (3)具有放射性的元素，叫做放射性元素． (4)放射線的本質(zhì) ①α射線是高速運(yùn)動(dòng)的氮原子核，速度約為光速的0.1倍，電離作用強(qiáng)，穿透能力很弱． ②β射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，速度約為光速的0.9倍，電離作用較弱，穿透本領(lǐng)較強(qiáng)． ③γ射線是波長(zhǎng)很短的電磁波，它的電離作用很弱，但穿透能力很強(qiáng)． 2．探究交流 天然放射現(xiàn)象說明了什么？ 【提示】　天然放射現(xiàn)象說明了原子核具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)． 原子核的衰變 1.基本知識(shí) (1)衰變：原子核由于放出α射線或β射線而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓? (2)衰變形式：常見的衰變有兩種，放出α粒子的衰變?yōu)棣了プ?，放出β粒子的衰變?yōu)棣滤プ儯蒙渚€是伴隨α射線或β射線產(chǎn)生的． (3)衰變規(guī)律 ①α衰變：X→He＋Y. ②β衰變：X→e＋Y. 在衰變過程中，電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒． (4)衰變的快慢——半衰期 ①放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間叫做半衰期． ②元素半衰期的長(zhǎng)短由原子核自身因素決定，與原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)以及周圍環(huán)境、溫度無關(guān)． 2.思考判斷 (1)原子核的衰變有α衰變、β衰變和γ衰變?nèi)N形式．() (2)在衰變過程中，電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒．(√) (3)原子所處的周圍環(huán)境溫度越高，衰變?cè)娇欤?) 3．探究交流 有10個(gè)鐳226原子核，經(jīng)過一個(gè)半衰期有5個(gè)發(fā)生衰變，這樣理解對(duì)嗎？ 【提示】　不對(duì).10個(gè)原子核數(shù)目太少，它們何時(shí)衰變是不可預(yù)測(cè)的，因?yàn)樗プ円?guī)律是大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律. 三種射線的本質(zhì)特征 【問題導(dǎo)思】　 1．三種射線都是從原子核內(nèi)部發(fā)出，都是原子核的組成部分嗎？ 2．三種射線的性質(zhì)能借助電場(chǎng)或磁場(chǎng)區(qū)分嗎？ 3．β射線是原子核外面的電子躍遷出來形成的嗎？ 三種射線的比較如下表： 種類 α射線 β射線 γ射線 組成 高速氦核流 高速電子流 光子流 (高頻電磁波) 帶電荷量 2e －e 0 質(zhì)量 4mp mp＝1.67 10－27 kg 靜止質(zhì) 量為零 速度 0.1c 0.9c c 在電場(chǎng)或 磁場(chǎng)中 偏轉(zhuǎn) 與α射線 反向偏轉(zhuǎn) 不偏轉(zhuǎn) 貫穿本領(lǐng) 最弱 用紙能 擋住 較強(qiáng) 穿透幾毫 米的鋁板 最強(qiáng) 穿透幾厘 米的鉛板 對(duì)空氣的 電離作用 很強(qiáng) 較弱 很弱 在空氣中 的徑跡 粗、短、直 細(xì)、較長(zhǎng)、曲折 最長(zhǎng) 通過膠片 感光 感光 感光 　 1．元素具有放射性是由原子核本身的因素決定的，跟原子所處的物理或化學(xué)狀態(tài)無關(guān)．不管該元素是以單質(zhì)的形式存在，還是和其他元素形成化合物，或者對(duì)它施加壓力，或者升高它的溫度，它都具有放射性． 2．三種射線都是高速運(yùn)動(dòng)的粒子，能量很高，都來自于原子核內(nèi)部，這也使我們認(rèn)識(shí)到原子核蘊(yùn)藏有巨大的核能，原子核內(nèi)也有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)． 　(xx浙江高考)關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A．α射線是由氦原子核衰變產(chǎn)生 B．β射線是由原子核外電子電離產(chǎn)生 C．γ射線是由原子核外的內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生 D．通過化學(xué)反應(yīng)不能改變物質(zhì)的放射性 【審題指導(dǎo)】　解答本題時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： (1)天然放射現(xiàn)象中三種射線的產(chǎn)生機(jī)理； (2)影響天然放射現(xiàn)象的因素． 【解析】　α射線是在α衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是氦核，A錯(cuò)誤；β射線是在β衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是高速電子流，B錯(cuò)誤；γ射線是發(fā)生α衰變和β衰變時(shí)原子核發(fā)生能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的電磁波，C錯(cuò)誤；物質(zhì)的放射性由原子核內(nèi)部自身的因素決定，與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)，D正確． 【答案】　D 1．(xx上海高考)在軋制鋼板時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)地監(jiān)測(cè)鋼板厚度，其檢測(cè)裝置由放射源、探測(cè)器等構(gòu)成，如圖3－2－1所示．該裝置中探測(cè)器接收到的是(　　) 圖3－2－1 A．X射線　　　　　　 B．α射線 C．β射線 D．γ射線 【解析】　γ射線的穿透能力最強(qiáng)，可穿透鋼板，所以該裝置中探測(cè)器接收到的是γ射線，D正確． 【答案】　D 放射性元素的衰變 【問題導(dǎo)思】　 1．所有的原子核都能發(fā)生衰變嗎？ 2．原子核衰變的快慢和什么因素有關(guān)？ 3．一個(gè)原子核衰變時(shí)，能同時(shí)放出α、β、γ三種射線嗎？ 1．衰變方程通式 α衰變：X→Y＋He β衰變：X→Y＋ 0－1e 2．α衰變和β衰變的實(shí)質(zhì) (1)α衰變：在放射性元素的原子核中，2個(gè)中子和2個(gè)質(zhì)子結(jié)合得比較牢固，有時(shí)會(huì)作為一個(gè)整體從較大的原子核中拋射出來，這就是放射性元素發(fā)生的α衰變現(xiàn)象． (2)β衰變：原子核中的中子轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)子且放出一個(gè)電子即β粒子，使核電荷數(shù)增加1，但β衰變不改變?cè)雍说馁|(zhì)量數(shù)． 3．衰變次數(shù)的計(jì)算方法 設(shè)放射性元素X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則衰變方程為 X→Y＋nHe＋me 根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程： A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m， n＝，m＝＋Z′－Z. 4．半衰期公式 用Tτ表示某放射性元素的半衰期，衰變時(shí)間用t表示，如果原來的質(zhì)量為M，剩余的質(zhì)量為m，經(jīng)過個(gè)半衰期，該元素的剩余質(zhì)量變?yōu)閙＝M() 若用N和n分別表示衰變前后的原子數(shù)，衰變公式又可寫成n＝N() 　 1．由于原子核是在發(fā)生α衰變或β衰變時(shí)有多余能量而放出γ射線，故不可能單獨(dú)發(fā)生γ衰變． 2．在一個(gè)原子核的衰變中，可能同時(shí)放出α和γ射線，或β和γ射線，但不可能同時(shí)放出α、β和γ三種射線，放射性元素放出的α、β和γ三種射線，是多個(gè)原子核同時(shí)衰變的結(jié)果． 3．半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念 描述的是大量原子核的集體行為，個(gè)別原子核經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間衰變無法預(yù)測(cè)．對(duì)個(gè)別或極少數(shù)原子核，無半衰期而言． 　釙210經(jīng)α衰變成為穩(wěn)定的鉛，其半衰期為138天．質(zhì)量為64 g的釙210經(jīng)過276天后，還剩多少克釙？生成了多少克鉛？寫出核反應(yīng)方程． 【審題指導(dǎo)】　解此題關(guān)鍵有兩點(diǎn)： (1)α衰變的通式； (2)半衰期公式m＝M()的應(yīng)用． 【解析】　核反應(yīng)方程為：Po―→Pb＋He 276天為釙的2個(gè)半衰期，還剩的釙沒有衰變，故剩余釙的質(zhì)量為： mPo＝64 g＝16 g 另外的釙衰變成了鉛，即發(fā)生衰變的釙的質(zhì)量為64 g＝48 g 則生成鉛的質(zhì)量為：mPb＝48 g＝47.09 g 故鉛的質(zhì)量為47.09 g. 【答案】　16 g　47.09 g　Po―→Pb＋He 1．衰變過程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒． (1)每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)均減少2，質(zhì)量數(shù)減少4. (2)每發(fā)生一次β衰變中子數(shù)減少1，質(zhì)子數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變． 2．利用半衰期公式解決實(shí)際問題，首先要理解半衰期的統(tǒng)計(jì)意義，其次要知道公式建立的是剩余核的質(zhì)量與總質(zhì)量間的關(guān)系． 2．一個(gè)Rn衰變成Po并放出一個(gè)粒子，其半衰期為3.8天.1 gRn經(jīng)過7.6天衰變掉Rn的質(zhì)量，以及Rn衰變成Po的過程放出的粒子是(　　) A．0.25 g，α粒子　　　　　 B．0.75 g，α粒子 C．0.25 g，β粒子 D．0.75 g，β粒子 【解析】　經(jīng)過了兩個(gè)半衰期，1 gRn剩下了0.25 g，衰變了0.75 g，根據(jù)核反應(yīng)的規(guī)律，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)不變，放出的應(yīng)該是α粒子． 【答案】　B 綜合解題方略——巧解三種射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的軌跡 　　 　將α、β、γ三種射線分別射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)，圖中表示的射線偏轉(zhuǎn)情況正確的是(　　) 【審題指導(dǎo)】　把握三種射線的本質(zhì)，根據(jù)在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的受力情況判斷其偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)程度． 【規(guī)范解答】　已知α粒子帶正電，β粒子帶負(fù)電，γ射線不帶電，根據(jù)正、負(fù)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受洛倫茲力方向和正、負(fù)電荷在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力方向，可知【答案】　AD 1．三種射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中時(shí)，明確電場(chǎng)、磁場(chǎng)的方向、通過的射線是否帶電及帶電的性質(zhì)，判斷其受力方向．受力方向確定后，則射線的軌跡就能確定． 2．掌握三種射線的穿透本領(lǐng)，通過其穿透本領(lǐng)的強(qiáng)弱來判定是哪種射線(α射線＜β射線＜γ射線)． 3．要使α射線、β射線在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡為直線，必須滿足粒子受到的安培力和洛倫茲力大小相等，方向相反． 【備課資源】(教師用書獨(dú)具) 1．放射性同位素14C可用來推算文物的“年齡”.14C的含量每減少一半要經(jīng)過約5 730年．某考古小組挖掘到一塊動(dòng)物骨骼，經(jīng)測(cè)定14C還剩余1/8，推測(cè)該動(dòng)物生存年代距今約為(　　) A．5 7303年　　　　　 B．5 7304年 C．5 7306年 D．5 7308年 【解析】　這道題目考查半衰期的知識(shí)，可由剩下物質(zhì)質(zhì)量計(jì)算公式得出答案．由題目所給條件得＝()nM，n＝3，所以該動(dòng)物生存年代距今應(yīng)該為3個(gè)14C的半衰期，即：t＝3τ＝5 7303年，故正確答案為A. 【答案】　A 2.U衰變?yōu)镽n要經(jīng)過m次α衰變和n次β衰變，則m、n分別為(　　) A．2,4　　 B．4,2　　C．4,6　　 D．16,6 【解析】　由于β衰變不改變質(zhì)量數(shù)，則m＝＝4，α衰變使電荷數(shù)減少8，但由U衰變?yōu)镽n，電荷數(shù)減少6，說明經(jīng)過了2次β衰變，故B正確． 【答案】　B 1．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了(　　) A．原子不可再分　　　 B．原子的核式結(jié)構(gòu) C．原子核還可再分 D．原子核由質(zhì)子和中子組成 【解析】　貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，說明了原子核也是有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了原子核還可再分． 【答案】　C 2．(xx泉州檢測(cè))關(guān)于放射性元素的半衰期，下列說法正確的是(　　) A．是放射源質(zhì)量減少一半所需的時(shí)間 B．是原子核半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間 C．與外界壓強(qiáng)和溫度有關(guān)，與原子的化學(xué)狀態(tài)無關(guān) D．可以用于測(cè)定地質(zhì)年代、生物年代等 【解析】　原子核的衰變是由原子核的內(nèi)部因素決定的，與外界環(huán)境無關(guān)．原子核的衰變有一定的速率，每隔一定的時(shí)間即半衰期，原子核就衰變掉總數(shù)的一半．不同種類的原子核，其半衰期也不同，若開始時(shí)原子核數(shù)目為N0，經(jīng)時(shí)間t剩下的原子核數(shù)目為N，半衰期為T1/2，則N＝N0().若能測(cè)出N與N0的比值，就可求出t，依此公式可測(cè)定地質(zhì)年代、生物年代等．故正確答案為B、D. 【答案】　BD 3．(xx上海高考)天然放射性元素放出的三種射線的穿透能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3－2－2所示，由此可推知(　　) 圖3－2－2 A．②來自于原子核外的電子 B．①的電離作用最強(qiáng)，是一種電磁波 C．③的電離作用較強(qiáng)，是一種電磁波 D．③的電離作用最弱，屬于原子核內(nèi)釋放的光子 【解析】　由三種射線的特性可知，①應(yīng)為α射線，它的電離作用最強(qiáng)，穿透能力很弱，且為氦原子核；②為β射線，它來自于原子核內(nèi)部，是中子變?yōu)橘|(zhì)子時(shí)放出的電子；③是γ射線，它是由于元素發(fā)生α衰變或β衰變時(shí)原子核處于激發(fā)狀態(tài)而放出的能量，是頻率很高的電磁波，它的電離作用最弱，穿透能力很強(qiáng)，由此可知D正確． 【答案】　D 4．有甲、乙兩種放射性元素，它們的半衰期分別是τ甲＝15天，τ乙＝30天，它們的質(zhì)量分別為M甲、M乙，經(jīng)過60天這兩種元素的質(zhì)量相等，則它們?cè)瓉淼馁|(zhì)量之比M甲∶M乙是(　　) A．1∶4　　 B．4∶1　　 C．2∶1　　 D．1∶2 【解析】　對(duì)60天時(shí)間，甲元素經(jīng)4個(gè)半衰期，乙元素經(jīng)2個(gè)半衰期，由題知M甲4＝M乙2，則M甲∶M乙＝4∶1，故B正確． 【答案】　B 5.U經(jīng)一系列的衰變后變?yōu)镻b. (1)求一共經(jīng)過幾次α衰變和幾次β衰變？ (2)Pb與U相比，求質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)各少多少？ (3)寫出這一衰變過程的方程． 【解析】　(1)設(shè)U衰變?yōu)镻b經(jīng)過x次α衰變和y次β衰變．由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得 238＝206＋4x① 92＝82＋2x－y② 聯(lián)立①②解得x＝8，y＝6，即一共經(jīng)過8次α衰變和6次β衰變． (2)由于每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均減少2，每發(fā)生一次β衰變中子數(shù)減少1，而質(zhì)子數(shù)增加1，故Pb較U質(zhì)子數(shù)少10，中子數(shù)少22. (3)核反應(yīng)方程為U→Pb＋8He＋6e. 【答案】　(1)8　6 (2)10　22 (3)U→Pb＋8He＋6e.