2018-2019版高中物理第4章從原子核到夸克4.2原子核的衰變學案滬科版選修3 .docx

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4.2原子核的衰變學習目標1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射現象.2.知道三種射線的特性.3.知道衰變及兩種衰變的規(guī)律，能熟練寫出衰變方程.4.會用半衰期描述衰變的速度，知道半衰期的統(tǒng)計意義一、天然放射現象和三種射線導學探究1.1896年，法國物理學家貝可勒爾發(fā)現了放射性元素自發(fā)地放出射線的現象，即天然放射現象是否所有的元素都具有放射性？放射性物質放出的射線有哪些種類？答案原子序數大于或等于83的元素，都能自發(fā)地放出射線，原子序數小于83的元素，有的也能放出射線放射性物質發(fā)出的射線有三種：射線、射線、射線2怎樣用電場或磁場判斷三種射線粒子的帶電性質？答案讓三種射線通過勻強電場，射線不偏轉，說明射線不帶電射線偏轉方向和電場方向相同，帶正電，射線偏轉方向和電場方向相反，帶負電或者讓三種射線通過勻強磁場，射線不偏轉，說明射線不帶電，射線和射線可根據偏轉方向和左手定則確定帶電性質知識梳理1天然放射現象1896年，法國物理學家貝可勒爾發(fā)現鈾及其化合物能放出一種不同于X射線的新射線(1)定義：物理學中把物質能自發(fā)地放出射線的現象叫做天然放射現象(2)放射性：物質放出射線的性質(3)放射性元素：具有放射性的元素2對三種射線的認識種類射線射線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2ee0速率0.1c0.99cc貫穿本領最弱，用一張薄錫箔或一張紙就能擋住較強，能穿透幾毫米厚的鋁板最強，能穿透幾厘米厚的鉛板和幾十厘米厚的混凝土電離作用很強較強很弱即學即用判斷下列說法的正誤(1)1896年，法國的瑪麗居里首先發(fā)現了天然放射現象()(2)原子序數大于83的元素都是放射性元素()(3)原子序數小于83的元素都不能放出射線()(4)射線實際上就是氦原子核，射線具有較強的穿透能力()(5)射線是高速電子流，很容易穿透黑紙，也能穿透幾毫米厚的鋁板()(6)射線是能量很高的電磁波，電離作用很強()二、原子核的衰變導學探究如圖1為衰變、衰變示意圖圖11當原子核發(fā)生衰變時，原子核的質子數和中子數如何變化？答案發(fā)生衰變時，質子數減少2，中子數減少2.2當發(fā)生衰變時，新核的核電荷數相對原來的原子核變化了多少？新核在元素周期表中的位置怎樣變化？答案發(fā)生衰變時，核電荷數增加1.新核在元素周期表中的位置向后移動一位知識梳理原子核的衰變1定義：原子核由于放出某種粒子而轉變成新核的變化，叫做原子核的衰變2衰變類型(1)衰變：放射性元素放出粒子的衰變過程放出一個粒子后，核的質量數減少4，電荷數減少2，成為新核XYHe(2)衰變：放射性元素放出粒子的衰變過程放出一個粒子后，核的質量數不變，電荷數增加1.XYe3衰變規(guī)律：原子核衰變時電荷數和質量數都守恒4衰變的實質(1)衰變的實質：2個中子和2個質子結合在一起形成粒子(2)衰變的實質：核內的中子轉化為了一個電子和一個質子(3)射線經常是伴隨著衰變和衰變產生的即學即用判斷下列說法的正誤(1)原子核在衰變時，它在元素周期表中的位置不變()(2)發(fā)生衰變是原子核中的電子發(fā)射到核外()(3)射線經常是伴隨著射線和射線產生的()三、放射性元素的半衰期導學探究1.什么是半衰期？對于某個或選定的幾個原子核能根據該種元素的半衰期預測它的衰變時間嗎？答案半衰期是一個時間，是某種放射性元素的大量原子核有半數發(fā)生衰變所用的時間的統(tǒng)計規(guī)律，故無法預測單個原子核或幾個特定原子核的衰變時間2某放射性元素的半衰期為4天，若有10個這樣的原子核，經過4天后還剩5個，這種說法對嗎？答案半衰期是大量放射性元素的原子核衰變時所遵循的統(tǒng)計規(guī)律，不能用于少量的原子核發(fā)生衰變的情況，因此，經過4天后，10個原子核有多少發(fā)生衰變是不能確定的，所以這種說法不對知識梳理半衰期1定義：放射性元素每經過一段時間，就有一半的核發(fā)生衰變，這段時間叫做放射性元素的半衰期2特點(1)不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差別非常大(2)放射性元素衰變的快慢是由其原子核本身決定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件無關3適用條件：半衰期描述的是統(tǒng)計規(guī)律，不適用于單個原子核的衰變4半衰期公式：N余N原，m余m原，其中T為半衰期5半衰期的應用：利用半衰期非常穩(wěn)定這一特點，可以通過測量其衰變程度來推斷時間即學即用判斷下列說法的正誤(1)同種放射性元素，在化合物中的半衰期比在單質中長()(2)把放射性元素放在低溫處，可以減緩放射性元素的衰變()(3)放射性元素的半衰期與元素所處的物理和化學狀態(tài)無關，它是一個統(tǒng)計規(guī)律，只對大量的原子核才適用()(4)氡的半衰期是3.8天，若有4個氡原子核，則經過7.6天后只剩下一個氡原子核()一、天然放射現象和三種射線1三種射線的實質射線：高速氦核流，帶電荷量為2e的正電荷；射線：高速電子流，帶電荷量為e的負電荷；射線：光子流(高頻電磁波)，不帶電2三種射線在電場中和磁場中的偏轉(1)在勻強電場中，射線不發(fā)生偏轉，做勻速直線運動，粒子和粒子沿相反方向做類平拋運動，在同樣的條件下，粒子的偏移大，如圖2所示圖2(2)在勻強磁場中，射線不發(fā)生偏轉，仍做勻速直線運動，粒子和粒子沿相反方向做勻速圓周運動，且在同樣條件下，粒子的軌道半徑小，如圖3所示圖33元素的放射性(1)一種元素的放射性與是單質還是化合物無關，這就說明射線跟原子核外電子無關(2)射線來自于原子核說明原子核內部是有結構的例1如圖4所示，R是一種放射性物質，虛線框內是勻強磁場，LL是厚紙板，MM是熒光屏，實驗時，發(fā)現在熒光屏的O、P兩點處有亮斑，由此可知磁場的方向、到達O點的射線種類、到達P點的射線種類應屬于下表中的()圖4選項磁場方向到達O點的射線到達P點的射線A豎直向上B豎直向下C垂直紙面向里D垂直紙面向外答案C解析R放射出來的射線共有、三種，其中、射線垂直于磁場方向進入磁場區(qū)域時將受到洛倫茲力作用而偏轉，射線不偏轉，故打在O點的應為射線；由于射線貫穿本領弱，不能射穿厚紙板，故到達P點的應是射線；依據射線的偏轉方向及左手定則可知磁場方向垂直紙面向里例2(多選)將、三種射線分別射入勻強磁場和勻強電場，圖中表示射線偏轉情況正確的是()答案AD解析已知粒子帶正電，粒子帶負電，射線不帶電，根據正、負電荷在磁場中運動受洛倫茲力方向和正、負電荷在電場中受電場力方向可知，A、B、C、D四幅圖中、粒子的偏轉方向都是正確的，但偏轉的程度需進一步判斷帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，其半徑r，將數據代入，則粒子與粒子的半徑之比371，A對，B錯；帶電粒子垂直進入勻強電場，設初速度為v0，垂直電場線方向位移為x，沿電場線方向位移為y，則有xv0t，yt2，消去t可得y.對某一確定的x值，、粒子沿電場線偏轉距離之比，C錯，D對三種射線的鑒別：(1)射線帶正電、射線帶負電、射線不帶電射線、射線是實物粒子，而射線是光子流，屬于電磁波的一種(2)射線、射線都可以在電場或磁場中偏轉，但偏轉方向不同，射線則不發(fā)生偏轉(3)射線穿透能力弱，射線穿透能力較強，射線穿透能力最強，而電離本領相反二、原子核的衰變規(guī)律和衰變方程確定原子核衰變次數的方法與技巧(1)方法：設放射性元素X經過n次衰變和m次衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則衰變方程為：XYnHeme根據電荷數守恒和質量數守恒可列方程：AA4n，ZZ2nm.以上兩式聯立解得：n，mZZ.由此可見，確定衰變次數可歸結為解一個二元一次方程組(2)技巧：為了確定衰變次數，一般先由質量數的改變確定衰變的次數(這是因為衰變的次數多少對質量數沒有影響)，然后根據衰變規(guī)律確定衰變的次數例3U核經一系列的衰變后變?yōu)镻b核，問：(1)一共經過幾次衰變和幾次衰變？(2)Pb與U相比，質子數和中子數各少了多少？(3)綜合寫出這一衰變過程的方程答案(1)86(2)1022(3)UPb8He6e解析(1)設U衰變?yōu)镻b經過x次衰變和y次衰變，由質量數守恒和電荷數守恒可得2382064x92822xy聯立解得x8，y6.即一共經過8次衰變和6次衰變(2)由于每發(fā)生一次衰變質子數和中子數均減少2，每發(fā)生一次衰變中子數減少1，而質子數增加1，故Pb與U相比，質子數少10，中子數少22.(3)衰變方程為UPb8He6e.針對訓練1在橫線上填上粒子符號和衰變類型(1)UTh_，屬于_衰變(2)ThPa_，屬于_衰變(3)PoAt_，屬于_衰變(4)CuCo_，屬于_衰變答案(1)He(2)e(3)e(4)He解析根據質量數和電荷數守恒可以判斷：(1)中生成的粒子為He，屬于衰變(2)中生成的粒子為e，屬于衰變(3)中生成的粒子為e，屬于衰變(4)中生成的粒子為He，屬于衰變1衰變方程的書寫：衰變方程用“”，而不用“”表示，因為衰變方程表示的是原子核的變化，而不是原子的變化2衰變次數的判斷技巧(1)衰變過程遵循質量數守恒和電荷數守恒(2)每發(fā)生一次衰變質子數、中子數均減少2.(3)每發(fā)生一次衰變中子數減少1，質子數增加1.三、對半衰期的理解及有關計算1公式：根據半衰期的概念，可總結出公式N余N原，m余m原式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數和質量，N余、m原表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數和質量，t表示衰變時間，T表示半衰期2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，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3影響因素：半衰期由放射性元素的原子核內部的因素決定，跟原子所處的物理狀態(tài)(如壓強、溫度)或化學狀態(tài)(如單質、化合物)無關，因為這些因素都不能改變原子核的結構例4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，會形成不穩(wěn)定的C，它很容易發(fā)生衰變，放出射線變成一個新核，其半衰期為5730年，試寫出C的衰變方程(2)若測得一古生物遺骸中的C含量只有活體中的25%，則此遺骸距今約有多少年？答案(1)CeN(2)11460年解析(1)C的衰變方程為：CeN.(2)C的半衰期T5730年生物死亡后，遺骸中的C按其半衰期變化，設活體中C的含量為N0，遺骸中的C含量為N，則NN0，即0.25N0N0，故2，t11460年針對訓練2氡222是一種天然放射性氣體，被吸入后，會對人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，它是世界衛(wèi)生組織公布的主要環(huán)境致癌物質之一其衰變方程是RnPo_.已知Rn的半衰期約為3.8天，則約經過_天，16g的Rn衰變后還剩1g.答案He15.2解析根據核反應過程中電荷數守恒和質量數守恒可推得該反應的另一種生成物為He.根據m余m原得4，代入T3.8天，解得t3.84天15.2天.1(天然放射現象的認識)(多選)以下關于天然放射現象，敘述正確的是()A若使某放射性物質的溫度升高，其半衰期將變短B衰變所釋放的電子是原子核外的電子電離形成的C射線是原子核衰變產生的，它有很強的電離作用D射線是原子核產生的，它是能量很大的光子流答案CD2(衰變規(guī)律的理解)由于放射性元素Np的半衰期很短，所以在自然界一直未被發(fā)現，只是在使用人工的方法制造后才被發(fā)現已知Np經過一系列衰變和衰變后變成Bi，下列論斷中正確的是()A.Bi的原子核比Np的原子核少28個中子B衰變過程中共發(fā)生了7次衰變和4次衰變C衰變過程中共發(fā)生了4次衰變和7次衰變D衰變前比衰變后所有物質的質量數減少答案B解析依題意有：23720928，由2847就可知道發(fā)生了7次衰變，發(fā)生衰變次數為：72x9383，x4，即發(fā)生了4次衰變，B正確，C錯誤；它們中子數分別為：23793144,20983126，中子數之差為：14412618，故A錯誤；根據衰變規(guī)律可知，反應前后質量數守恒，D錯誤3(半衰期的理解)關于半衰期，下列說法正確的是()A放射性元素的半衰期越短，表明有半數原子核發(fā)生衰變所需的時間越短，衰變速度越快B放射性元素的樣品不斷衰變，隨著剩下未衰變的原子核的減少，元素半衰期也變長C把放射性元素放在密封的容器中，可以減慢放射性元素的衰變速度D降低溫度或增大壓強，讓該元素與其他物質形成化合物，均可減小衰變速度答案A解析放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半數發(fā)生衰變所需的時間，它反映了放射性元素衰變速度的快慢，半衰期越短，則衰變越快；某種元素的半衰期長短由其自身因素決定，與它所處的物理、化學狀態(tài)無關，故A正確，B、C、D錯誤4(半衰期的理解及計算)(多選)14C發(fā)生放射性衰變成為14N，半衰期約5700年已知植物存活期間，其體內14C與12C的比例不變；生命活動結束后，14C的比例持續(xù)減小現通過測量得知，某古木樣品中14C的比例正好是現代植物所制樣品的二分之一下列說法正確的是()A該古木的年代距今約5700年B12C、13C、14C具有相同的中子數C14C衰變?yōu)?4N的過程中放出射線D增加樣品測量環(huán)境的壓強將加速14C的衰變答案AC解析因古木樣品中14C的比例正好是現代植物所制樣品的二分之一，則可知經過的時間為一個半衰期，即該古木的年代距今約為5700年，選項A正確；12C、13C、14C具有相同的質子數，由于質量數不同，故中子數不同，選項B錯誤；根據核反應方程可知，14C衰變?yōu)?4N的過程中放出電子，即放出射線，選項C正確；外界環(huán)境不影響放射性元素的半衰期，選項D錯誤一、選擇題考點一天然放射現象及三種射線1(多選)下列哪些現象能說明射線來自原子核()A三種射線的能量都很高B射線的強度不受溫度、外界壓強等物理條件的影響C元素的放射性與所處的化學狀態(tài)(單質、化合態(tài))無關D射線、射線都是帶電的粒子流答案BC解析能說明射線來自原子核的證據是元素的放射性與其所處的化學狀態(tài)和物理狀態(tài)無關，B、C正確2在天然放射性物質附近放置一帶電體，帶電體所帶的電荷很快消失的根本原因是()A射線的貫穿作用B射線的電離作用C射線的貫穿作用D射線的中和作用答案B解析由于粒子電離作用較強，能使空氣分子電離，電離產生的電荷與帶電體的電荷中和，使帶電體所帶的電荷很快消失3(多選)天然放射性物質的射線包含三種成分，下列說法中正確的是()A射線的本質是高速氦核流B射線是不帶電的光子流C三種射線中電離作用最強的是射線D一張厚的黑紙可以擋住射線，但擋不住射線和射線答案AD解析射線的本質是高速氦核流，射線是高速電子流，A正確，B錯誤三種射線中電離作用最強的是射線，C錯誤；一張厚的黑紙可以擋住射線，但擋不住射線和射線，D正確4如圖1所示，放射性元素鐳衰變過程中釋放出、三種射線，分別進入勻強電場和勻強磁場中，下列說法正確的是()圖1A表示射線，表示射線B表示射線，表示射線C表示射線，表示射線D表示射線，表示射線答案C解析射線為電磁波，在電場、磁場中均不偏轉，故和表示射線，A、B、D項錯；射線中的粒子為氦原子核，帶正電，在勻強電場中，沿電場方向偏轉，故表示射線，由左手定則可知在勻強磁場中射線向左偏，故表示射線，C項對考點二原子核的衰變5(多選)由原子核的衰變規(guī)律可知()A放射性元素一次衰變就同時產生射線和射線B放射性元素發(fā)生衰變，產生的新核的化學性質與原來的核的化學性質相同C放射性元素衰變的快慢跟它所處的物理、化學狀態(tài)無關D放射性元素發(fā)生正電子衰變時，產生的新核質量數不變，電荷數減少1答案CD解析由放射性元素的衰變實質可知，不可能同時發(fā)生衰變和衰變，故A錯；衰變后變?yōu)樾略?，化學性質不同，故B錯；衰變快慢與所處的物理、化學狀態(tài)無關，C對；正電子電荷數為1，質量數為0，故D對6某原子核A先進行一次衰變變成原子核B，再進行一次衰變變成原子核C，則()A核C的質子數比核A的質子數少2B核A的質量數減核C的質量數等于3C核A的中子數減核C的中子數等于3D核A的中子數減核C的中子數等于5答案C解析原子核A進行一次衰變后，一個中子轉變?yōu)橐粋€質子并釋放一個電子，再進行一次衰變，又釋放兩個中子和兩個質子，所以核A比核C多3個中子、1個質子，選項C正確，A、B、D錯誤7一個原來靜止的U原子核，輻射出粒子，它的兩個產物在垂直于它們速度方向的勻強磁場中運動，它們的軌跡和運動方向(圖中用箭頭表示)可能是下圖中哪一個()答案D解析由于發(fā)生的是衰變，產物是兩個帶正電的粒子，根據動量守恒Mv1mv0知這兩個新核的運動方向相反，受到的洛倫茲力方向相反，即軌跡應該是外切圓，再利用左手定則，判斷洛倫茲力方向，由r知rr新，D正確8(多選)U是一種放射性元素，能夠自發(fā)地進行一系列放射性衰變，如圖2所示，可以判斷下列說法正確的是()圖2A圖中a是84，b是206BY是衰變，放出電子，電子是由中子轉變成質子時產生的CY和Z是同一種衰變D從X衰變中放出的射線電離性最強答案AC解析Bi衰變成Po，質量數不變，可知發(fā)生的是衰變，則電荷數多1，可知a84，Bi衰變成Tl，知電荷數少2，發(fā)生的是衰變，質量數少4，則b206，故A正確，B錯誤Z衰變，質量數少4，發(fā)生的是衰變，Y和Z是同一種衰變，故C正確從X衰變中放出的射線是射線，電離能力不是最強，故D錯誤考點三半衰期9(多選)關于放射性元素的半衰期，下列說法正確的是()A原子核全部衰變所需要的時間的一半B原子核有半數發(fā)生衰變所需要的時間C相對原子質量減少一半所需要的時間D元素質量減半所需要的時間答案BD解析放射性元素的原子核有半數發(fā)生衰變所需要的時間叫做這種元素的半衰期，它與原子核全部衰變所需要的時間的一半不同放射性元素發(fā)生衰變后成為一種新的原子核，原來的放射性元素原子核的個數不斷減少，當原子核的個數減半時，該放射性元素的原子核的總質量也減半，故選項B、D正確10(多選)下列關于放射性元素的半衰期的說法中正確的是()A同種放射性元素，在化合物中的半衰期比在單質中長B放射性元素的半衰期與元素所處的物理和化學狀態(tài)無關，它是一個統(tǒng)計規(guī)律，只對大量的原子核才適用C氡的半衰期是3.8天，若有4g氡原子核，則經過7.6天就只剩下1g氡D氡的半衰期是3.8天，若有4個氡原子核，則經過7.6天就只剩下一個答案BC解析放射性元素的半衰期由核內部因素決定，跟原子所處的物理狀態(tài)和化學狀態(tài)無關，它是一個統(tǒng)計規(guī)律，只對大量的原子核才適用，A、D錯誤，B正確；氡的半衰期是3.8天，則4 g氡原子核經7.6天剩余質量MM04 g1 g，C正確二、非選擇題11(原子核的衰變與動量守恒定律的綜合應用)天然放射性鈾(U)發(fā)生衰變后產生釷(Th)和另一種新核(1)請寫出衰變方程；(2)若衰變前鈾(U)核的速度為v，衰變產生的釷(Th)核的速度為，且與鈾核速度方向相同，試估算產生的另一種新核的速度答案(1)UThHe(2)v，方向與鈾核速度方向相同解析(1)原子核衰變時電荷數和質量數都守恒，有UThHe.(2)由(1)知新核為氦核，設一個核子的質量為m，則氦核的質量為4m、鈾核的質量為238m、釷核的質量為234m，氦核的速度為v，以v的方向為正方向由動量守恒定律，得238mv234m4mv，解得vv，方向與鈾核速度方向相同12(三種射線性質及與電場的綜合應用)在暗室的真空裝置中做如下實驗：在豎直放置的平行金屬板間的勻強電場中，有一個能產生、三種射線的放射源從放射源射出的一束射線垂直于電場方向射入電場，如圖3所示，在與放射源距離為H高處，水平放置兩張疊放著的、涂藥品面朝下的印像紙(比一般紙厚且涂有感光藥品的紙)，經射線照射一段時間后兩張印像紙顯影(已知m4u，mu，v，vc)圖3(1)上面的印像紙有幾個暗斑？各是什么射線的痕跡？(2)下面的印像紙顯出一串三個暗斑，試估算中間暗斑與兩邊暗斑的距離之比？(3)若在此空間再加上與電場方向垂直的勻強磁場，一次使射線不偏轉，一次使射線不偏轉，則兩次所加勻強磁場的磁感應強度之比是多少？答案(1)兩個暗斑射線和射線(2)1845(3)101解析(1)因粒子穿透本領弱，穿過下面印象紙的只有射線和射線，射線、射線在上面的印像紙上留下兩個暗斑(2)下面印像紙上從左向右依次是射線、射線、射線留下的暗斑設射線、射線留下的暗斑到中央射線留下暗斑的距離分別為x、x.則對粒子，有xat2a2，a對粒子，有xat2a2，a聯立解得.(3)若使射線不偏轉，則qEqvB，所以B，同理，若使射線不偏轉，則B.故.