浙江專版2019年高中物理第十九章原子核第2節(jié)放射性元素的衰變講義含解析新人教版選修3 .doc
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放射性元素的衰變 原子核的衰變 [探新知基礎(chǔ)練] 1.衰變定義 原子核放出α粒子或β粒子,由于核電荷數(shù)變了,它在周期表中的位置就變了,變成另一種原子核。 2.衰變的類型 一種是α衰變,另一種是β衰變,而γ射線是伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生的。 3.衰變方程 α衰變:U→Th+He; β衰變:Th→Pa+e。 4.衰變規(guī)律 電荷數(shù)守恒,質(zhì)量數(shù)守恒。 [辨是非](對的劃“√”,錯的劃“”) 1.原子核發(fā)生β衰變時放出一個電子,說明原子核內(nèi)有電子。() 2.原子核發(fā)生α衰變時,新核的質(zhì)量數(shù)減少4。(√) [釋疑難對點練] 1.α衰變和β衰變的實質(zhì)及規(guī)律 (1)α衰變的實質(zhì):在放射性元素的原子核中,2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合得比較緊密,在一定條件下會作為一個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,其反應(yīng)式為2H+2n→He。 (2)β衰變的實質(zhì):原子核里雖然沒有電子,但是核內(nèi)的中子可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)子和電子,產(chǎn)生的電子從核內(nèi)發(fā)射出來,這就是β衰變,其反應(yīng)式為 n→H+e。 (3)γ射線是伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生的,γ射線不改變原子核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)。其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時,產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出γ光子。 (4)原子核衰變時質(zhì)量數(shù)守恒,但并非質(zhì)量守恒,核反應(yīng)過程前、后質(zhì)量發(fā)生變化(質(zhì)量虧損)而釋放出核能,質(zhì)量與能量相聯(lián)系。 (5)在發(fā)生β衰變時,釋放的電子具有很大的能量,一定來自于原子核,它是由中子和質(zhì)子的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的,這表明質(zhì)子(或中子)也是變化的。 2.衰變次數(shù)的計算方法 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。 以上兩式聯(lián)立解得:n=,m=+Z′-Z。 [試身手] 1.原子序數(shù)大于或等于83的所有元素,都能自發(fā)地放出射線。這些射線共有三種:α射線、β射線和γ射線。下列說法中正確的是( ) A.原子核每放出一個α粒子,原子序數(shù)減少4 B.原子核每放出一個α粒子,原子序數(shù)增加4 C.原子核每放出一個β粒子,原子序數(shù)減少1 D.原子核每放出一個β粒子,原子序數(shù)增加1 解析:選D 發(fā)生一次α衰變,核電荷數(shù)減少2,質(zhì)量數(shù)減少4,原子序數(shù)減少2;發(fā)生一次β衰變,核電荷數(shù)、原子序數(shù)增加1。故D正確。 半衰期 [探新知基礎(chǔ)練] 1.半衰期定義 大量放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。 2.決定因素 放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的,跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。不同的放射性元素,半衰期不同。 3.應(yīng)用 利用半衰期非常穩(wěn)定這一特點,可以測量其衰變程度、推斷時間。 [辨是非](對的劃“√”,錯的劃“”) 1.溫度升高,放射性元素的半衰期會減小。() 2.氡的半衰期為3.8天,若取4 g氡原子核,經(jīng)7.6天后只剩下1 g氡原子核。(√) [釋疑難對點練] 1.對半衰期的理解 半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量,同一放射性元素具有的衰變速率一定,不同元素半衰期不同,有的差別很大。 2.半衰期公式 N余=N原()t/T,m余=m0()t/T。式中N原、m0表示衰變前的原子數(shù)和質(zhì)量,N余、m余表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子數(shù)和質(zhì)量,t表示衰變時間,T表示半衰期。 3.適用條件 半衰期是一個統(tǒng)計概念,是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié),對于一個特定的原子核,無法確定何時發(fā)生衰變,但可以確定各個時刻發(fā)生衰變的概率,即某時衰變的可能性,因此,半衰期只適用于大量的原子核。 [試身手] 2.關(guān)于半衰期,下面各種說法中正確的是( ) A.所有放射性元素都有一定的半衰期,半衰期的長短與元素的質(zhì)量有關(guān) B.半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間 C.一塊純凈的放射性元素的礦石,經(jīng)過一個半衰期以后,它的總質(zhì)量僅剩下一半 D.放射性元素在高溫和高壓的情況下,半衰期要變短,但它與其他物質(zhì)化合后,半衰期要變長 解析:選B 半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間,是表明放射性元素原子衰變快慢的物理量,與元素的質(zhì)量、物理、化學狀態(tài),均無關(guān),因為衰變產(chǎn)物大部分仍留在礦石中,所以礦石總質(zhì)量沒有太大的改變,故正確答案為B。 對α衰變和β衰變的實質(zhì)的正確理解 [典例1] U核經(jīng)一系列的衰變后變?yōu)镻b核,問: (1)一共經(jīng)過幾次α衰變或幾次β衰變? (2)寫出這一衰變過程的方程。 [思路點撥] 由題可知開始原子核為U,最終的原子核為Pb,根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可求得衰變次數(shù)從而寫出衰變方程。 [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)守恒和電荷數(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)核反應(yīng)方程為:U→Pb+8He+6e。 [答案] (1)8 6 (2)U→Pb+8He+6e (1)寫衰變方程的基本原則是質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,依據(jù)這兩個原則列方程就可確定α衰變和β衰變的次數(shù)。 (2)計算衰變前后核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的差值,除了可根據(jù)衰變的實質(zhì)分析外,也可根據(jù)質(zhì)量數(shù)、質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)的關(guān)系進行計算。 [典例2] “朝核危機”引起全球矚目,其焦點就是朝鮮核電站采用輕水堆還是重水堆。重水堆核電站在發(fā)電的同時,可以生產(chǎn)出可供研制核武器的钚239(Pu),這種钚239可由鈾239(U)經(jīng)過n次β衰變而產(chǎn)生,則n為( ) A.2 B.239 C.145 D.92 [解析]選A β衰變的規(guī)律是質(zhì)量數(shù)不變,質(zhì)子數(shù)增加1。Pu比U質(zhì)子數(shù)增加2,所以發(fā)生2次β衰變,A對。 對半衰期的理解和計算 [典例3] 碘131核不穩(wěn)定,會發(fā)生β衰變,其半衰期為8天。 (1)碘131核的衰變方程:I―→________(衰變后的元素用X表示)。 (2)經(jīng)過________天75%的碘131核發(fā)生了衰變。 [思路點撥] (1)寫衰變方程的依據(jù)是質(zhì)量數(shù)守恒,電荷數(shù)守恒。 (2)m=m0,m指衰變后剩余的質(zhì)量,而不是已衰變的質(zhì)量。 [解析] (1)I―→X+e (2)75%的碘發(fā)生了衰變,即25%的未衰變。 即=25%==2,共經(jīng)歷了兩個半衰期即16天。 [答案] (1)I―→X+e (2)16 [典例4] 14C是碳的一種半衰期為5 730年的放射性同位素,科學家已發(fā)現(xiàn)了曹操墓,若考古工作者探測到其棺木中14C的含量約為原來的,則該古木死亡的時間距今大約為( ) A.22 900年 B.11 400年 C.5 700年 D.1 900年 [解析]選D 假設(shè)古木死亡時14C的質(zhì)量為m0,現(xiàn)在的質(zhì)量為m,從古木死亡到現(xiàn)在所含14C經(jīng)過了n個半衰期,由題意可知:=()n=,所以n≈,即古木死亡的時間距今約為5 730年≈1 900年,D正確。 [課堂對點鞏固] 1.一個原子核發(fā)生衰變時,下列說法中錯誤的是( ) A.總質(zhì)量數(shù)保持不變 B.核子數(shù)保持不變 C.變化前后質(zhì)子數(shù)保持不變 D.總能量保持不變 解析:選C 衰變過程中質(zhì)量數(shù)守恒,又質(zhì)量數(shù)等于核子數(shù),故衰變過程中核子數(shù)不變,A、B正確;發(fā)生β衰變時,質(zhì)子數(shù)增加,C錯誤;根據(jù)能量守恒定律知D正確。 2.某放射性元素經(jīng)過11.4天有的原子核發(fā)生了衰變,該元素的半衰期為( ) A.11.4天 B.7.6天 C.5.7天 D.3.8天 解析:選D 半衰期是指有半數(shù)原子核發(fā)生衰變的時間,根據(jù)=,=3,因為t=11.4天,所以T=天=3.8天。D正確。 3.(多選)三個原子核X、Y、Z,X核放出一個正電子后變?yōu)閅核,Y核與質(zhì)子發(fā)生核反應(yīng)后生成Z核并放出一個氦核(He),則下面說法正確的是( ) A.X核比Z核多一個質(zhì)子 B.X核比Z核少一個中子 C.X核的質(zhì)量數(shù)比Z核質(zhì)量數(shù)多3個 D.X核與Z核的總電荷數(shù)是Y核電荷數(shù)的2倍 解析:選CD 設(shè)原子核X的質(zhì)量數(shù)為x,電荷數(shù)為y,依題意寫出核反應(yīng)方程X→Y+e,Y+H→Z+He。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,可得原子核Y的質(zhì)量數(shù)為x,電荷數(shù)為y-1,原子核Z的質(zhì)量數(shù)為x-3,電荷數(shù)為y-2。X核的質(zhì)子數(shù)(y)比Z核的質(zhì)子數(shù)(y-2)多2個,選項A錯;X核的中子數(shù)(x-y)比Z核的中子數(shù)(x-y-1)多1個,選項B錯;X核的質(zhì)量數(shù)(x)比Z核的質(zhì)量數(shù)(x-3)多3個,選項C對;X核與Z核的總電荷數(shù)(2y-2)是Y核的電荷數(shù)(y-1)的2倍,選項D對。 4.放射性元素氡(Rn)經(jīng)α衰變成為釙(Po),半衰期約為3.8天;但勘測表明,經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代后,目前地殼中仍存在天然的含有放射性元素Rn的礦石,其原因是( ) A.目前地殼中的Rn主要來自于其他放射性元素的衰變 B.在地球形成的初期,地殼中元素Rn的含量足夠高 C.當衰變產(chǎn)物Po積累到一定量以后,Po的增加會減慢Rn的衰變進程 D.Rn主要存在于地球深處的礦石中,溫度和壓力改變了它的半衰期 解析:選A 地殼中Rn主要來自其他放射性元素的衰變,才會在經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代后繼續(xù)存在,則A正確,B錯誤;放射性元素的半衰期與外界環(huán)境等因素無關(guān),則C、D錯誤。 [課堂小結(jié)] [課時跟蹤檢測十四] 一、單項選擇題 1.β衰變中放出的電子來自( ) A.組成原子核的電子 B.核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子 C.核內(nèi)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子 D.原子核外軌道中的電子 解析:選C 組成原子核的核子只有中子及質(zhì)子,沒有電子,故A錯;B項違背了電荷數(shù)守恒,故B錯;β衰變是原子核的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時釋放電子,而與核外電子無關(guān),D錯,C對。 2.在存放放射性元素時,若把放射性元素①置于大量水中;②密封于鉛盒中;③與輕核元素結(jié)合成化合物。則( ) A.措施①可減緩放射性元素衰變 B.措施②可減緩放射性元素衰變 C.措施③可減緩放射性元素衰變 D.上述措施均無法減緩放射性元素衰變 解析:選D 放射性元素的衰變快慢由其原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定,與外界因素無關(guān),所以A、B、C錯誤,D正確。 3.原子核U經(jīng)放射性衰變①變?yōu)樵雍薚h,繼而經(jīng)放射性衰變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、β衰變 B.β衰變、α衰變、β衰變 C.β衰變、β衰變、α衰變 D.α衰變、β衰變、α衰變 解析:選A UTh,質(zhì)量數(shù)少4,電荷數(shù)少2,說明①為α衰變;ThPa,PaU,質(zhì)子數(shù)分別加1,質(zhì)量數(shù)不變,說明②③為β衰變。A正確。 4.科研人員正在研制一種新型鎳銅長效電池,它是采用半衰期長達100年的放射性同位素鎳63(Ni)和銅兩種金屬作為長壽命電池的材料,利用鎳63發(fā)生β衰變時釋放電子給銅片,把鎳63和銅片作電池兩極,外接負載為負載提供電能。下面有關(guān)該電池的說法正確的是( ) A.鎳63的衰變方程是Ni→e+Cu B.鎳63的衰變方程是Ni→e+Cu C.外接負載時鎳63的電勢比銅片高 D.該電池內(nèi)電流方向是從鎳63到銅片 解析:選C Ni的衰變方程為Ni→e+Cu,選項A、B錯;電流方向為正電荷定向移動方向,在電池內(nèi)部電流從銅片到鎳63,鎳63電勢高,選項C對,D錯。 5.14C測年法是利用14C衰變規(guī)律對古生物進行年代測定的方法。若以橫坐標t表示時間,縱坐標m表示任意時刻14C的質(zhì)量,m0為t=0時14C的質(zhì)量。下面選項圖中能正確反映14C衰變規(guī)律的是( ) 解析:選C 由公式m=m0及數(shù)學知識,可知能正確反映14C的衰變規(guī)律的應(yīng)為C。 6.將半衰期為5天的質(zhì)量為64 g的鉍分成四份分別投入:(1)開口容器中;(2)100 atm的密封容器中;(3)100 ℃的沸水中;(4)與別的元素形成化合物。經(jīng)10天后,四種情況下剩下的鉍的質(zhì)量分別為m1、m2、m3、m4。則( ) A.m1=m2=m3=m4=4 g B.m1=m2=m3=4 g,m4<4 g C.m1>m2>m3>m4,m1=4 g D.m1=4 g,其余無法知道 解析:選A 放射性元素的半衰期是一定的,與放射性元素所處的物理環(huán)境和化學環(huán)境無關(guān),故四種情況下鉍剩余的質(zhì)量相等,又剩余的鉍的質(zhì)量為16g=4 g,所以A正確。 二、多項選擇題 7.(海南高考)原子核Th具有天然放射性,它經(jīng)過若干次α衰變和β衰變后會變成新的原子核。下列原子核中,有三種是Th衰變過程中可以產(chǎn)生的,它們是( ) A.Pb B.Pb C.Po D.Ra E.Ra 解析:選ACD 發(fā)生α衰變時放出He,發(fā)生β衰變時放出電子e,根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒有,每發(fā)生一次α衰變質(zhì)量數(shù)減少4,電荷數(shù)減少2,每發(fā)生一次β衰變質(zhì)量數(shù)不變化,電荷數(shù)增加1,由質(zhì)量數(shù)的變化可確定α衰變的次數(shù)(必須是整數(shù)),進而可知β衰變的次數(shù)。逐一判斷可知A、C、D符合要求。 8.對天然放射現(xiàn)象,下列說法中正確的是( ) A.α粒子帶正電,所以α射線一定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射線是光子流,所以γ射線有可能是原子發(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 解析:選AD 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)合在一起形成一個氦核發(fā)射出來的,β衰變的實質(zhì)是原子核內(nèi)的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。A、D正確。 9.92U衰變成82Pb的過程中( ) A.經(jīng)歷了8次α衰變和6次β衰變 B.鉛核比鈾核中子數(shù)少22個 C.鉛核比鈾核質(zhì)子數(shù)少32個 D.衰變中有6個中子變成質(zhì)子 解析:選ABD 衰變過程中,每次α衰變放出一個α粒子,核電荷數(shù)少2,質(zhì)量數(shù)少4,而每次β衰變一個中子變成一個質(zhì)子并釋放出一個電子,核電荷數(shù)增1,質(zhì)量數(shù)不變。從鈾核與鉛核的質(zhì)量數(shù)變化,可知經(jīng)歷了8次α衰變,8次α衰變后新核的核電荷數(shù)應(yīng)為76,比鉛核的核電荷數(shù)少6,要經(jīng)過6次β衰變才能成為鉛核,A、D選項正確;原子核由質(zhì)子、中子組成,鈾核中中子數(shù)為 238-92=146,鉛核中中子數(shù)為206-82=124,相差22,B選項正確;鈾核質(zhì)子數(shù)為92,鉛核質(zhì)子數(shù)為82,相差10,C選項錯誤。 三、非選擇題 10.在勻強磁場中,一個原來靜止的原子核,由于放出一個α粒子,結(jié)果得到一張兩個相切圓的徑跡照片(如圖所示),今測得兩個相切圓半徑之比r1∶r2=44∶1。求: (1)這個原子核原來所含的質(zhì)子數(shù)是多少? (2)圖中哪一個圓是α粒子的徑跡?(說明理由) 解析:(1)設(shè)衰變后α粒子的電荷量為q1=2e,新生核的電荷量為q2,它們的質(zhì)量分別為m1和m2,衰變后的速度分別為v1和v2,則原來原子核的電荷量q=q1+q2,根據(jù)軌道半徑公式有: ==, 又由于衰變過程中遵循動量守恒定律,則m1v1=m2v2以上三式聯(lián)立解得q=90e。 即這個原子核原來所含的質(zhì)子數(shù)為90。 (2)由于動量大小相等,因此軌道半徑與粒子的電荷量成反比。所以圓軌道1是α粒子的徑跡,圓軌道2是新生核的徑跡,兩者電性相同,運動方向相反。 答案:(1)90 (2)圓軌道1 理由見解析 11.放射性同位素14C被考古學家稱為“碳鐘”,它可以用來判定古生物體的年代,此項研究獲得1960年諾貝爾化學獎。 (1)宇宙射線中高能量的中子碰到空氣中的氮原子后,會形成很不穩(wěn)定的C,它很容易發(fā)生衰變,放出β射線變成一個新核,其半衰期為5 730年。試寫出6C衰變的核反應(yīng)方程。 (2)若測得一古生物遺骸中的C含量只有活體中的12.5%,則此遺骸距今約有多少年? 解析:(1)C衰變的核反應(yīng)方程: C→N+e。 (2)活體中的C含量不變,生物死亡后,遺骸中的C按其半衰期變化,設(shè)活體中C的含量為N0,遺骸中的C含量為N,由半衰期的定義得: N=N0,即0.125=c。 所以=3,T=5 730年, t=17 190年。 答案:(1)C→N+e (2)17 190年- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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