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2019-2020學年高中物理 第19章 2 放射性元素的衰變學案 新人教版選修3-5

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1、2 放射性元素的衰變 [學習目標] 1.知道放射現(xiàn)象的實質是原子核的衰變.2.知道兩種衰變的基本性質,掌握原子核的衰變規(guī)律.(重點)3.會用半衰期描述衰變的快慢,知道半衰期的統(tǒng)計意義.會利用半衰期解決相關問題.(重點、難點) 一、原子核的衰變 1.定義 原子核放出α粒子或β粒子,則核電荷數(shù)變了,變成另一種原子核,這種變化稱為原子核的衰變. 2.衰變分類 (1)α衰變:放出α粒子的衰變. (2)β衰變:放出β粒子的衰變. 3.衰變過程 U→Th+He Th→Pa+e 4.衰變規(guī)律 (1)原子核衰變時電荷數(shù)和質量數(shù)都守恒. (2)任何一種放射性元素只有一種放射性,

2、不能同時既有α放射性又有β放射性,而γ射線伴隨α衰變或β衰變產生. 二、半衰期 1.定義 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)和外部條件沒有關系.不同的放射性元素,半衰期不同. 3.應用 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. 1.思考判斷(正確的打“√”,錯誤的打“×”) (1)原子核發(fā)生α衰變時,核的質子數(shù)減少2,而質量數(shù)減少4.(√) (2)原子核發(fā)生β衰變時,原子核的質量不變. (×) (3)原子核發(fā)生衰變時,質量數(shù)和電荷數(shù)都守恒. (√) (4)

3、半衰期是放射性元素的大量原子核衰變的統(tǒng)計規(guī)律. (√) (5)對放射性元素加熱時,其半衰期縮短. (×) 2.(多選)原子核U經放射性衰變①變?yōu)樵雍薚h,繼而經放射性衰變②變?yōu)樵雍薖a,再經放射性衰變③變?yōu)樵雍薝.下列選項正確的是(  ) A.①是α衰變    B.②是β衰變 C.③是β衰變 D.③是γ衰變 [解析] UTh,質量數(shù)少4,電荷數(shù)少2,說明①為α衰變. ThPa,質子數(shù)加1,質量數(shù)不變,說明②為β衰變,中子轉化成質子.PaU,質子數(shù)加1,質量數(shù)不變,說明③為β衰變,中子轉化成質子. [答案] ABC 3.(多選)14C發(fā)生放射性衰變成為14N,半衰期約5 70

4、0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)減少.現(xiàn)通過測量得知,某古木樣品中14C的比例正好是現(xiàn)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5 700年 B. 12C、13C、14C具有相同的中子數(shù) C.14C衰變?yōu)?4N的過程中放出β射線 D.增加樣品測量環(huán)境的壓強將加速14C的衰變 [解析] 古木樣品中14C的比例是現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一,根據(jù)半衰期的定義知該古木的年代距今約5 700年,選項A正確;同位素具有相同的質子數(shù),不同的中子數(shù),選項B錯誤;14C的衰變方程為C→N+e,所以此衰變過程放出β射

5、線,選項C正確;放射性元素的半衰期與核內部自身因素有關,與原子所處的化學狀態(tài)和外部條件無關,選項D錯誤. [答案] AC 原子核衰變的理解 1.衰變實質 α衰變:原子核內兩個質子和兩個中子結合成一個α粒子,并在一定條件下作為一個整體從較大的原子核中拋射出來,產生α衰變.2n+2H→He β衰變:原子核內的一個中子變成一個質子留在原子核內,同時放出一個電子,即β粒子放射出來. n→H+e 2.衰變規(guī)律 原子核發(fā)生衰變時,遵循三個守恒定律 (1)衰變前后的電荷數(shù)守恒. (2)質量數(shù)守恒. (3)動量守恒. 3.衰變方程通式 (1)α衰變:X→Y+He (2)

6、β衰變:X→Y+e 4.確定原子核衰變次數(shù)的方法與技巧 (1)方法:設放射性元素X經過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. 由此可見,確定衰變次數(shù)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(shù),一般先由質量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)(這是因為β衰變的次數(shù)多少對質量數(shù)沒有影響),然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù). 【例1】 U核經一系列的衰變后變?yōu)镻b核,問: (1)一共經過幾次α衰變和幾次β衰變?

7、(2)Pb與U相比,質子數(shù)和中子數(shù)各少了多少? (3)綜合寫出這一衰變過程的方程. [解析] (1)設U衰變?yōu)镻b經過x次α衰變和y次β衰變.由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得 238=206+4x ① 92=82+2x-y ② 聯(lián)立①②解得x=8,y=6 即一共經過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,而質子數(shù)增加1,故Pb較U質子數(shù)少10,中子數(shù)少22. (3)衰變方程為U→Pb+8He+6e. [答案] (1)8次α衰變和6次β衰變 (2)10 22 (3)U→Pb+8He+6e 衰變次數(shù)的判斷方法

8、 (1)衰變過程遵循質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒. (2)每發(fā)生一次α衰變,質子數(shù)、中子數(shù)均減少2. (3)每發(fā)生一次β衰變,中子數(shù)減少1,質子數(shù)增加1. 1.(多選)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2 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] 發(fā)生一次α衰變,核電荷數(shù)減少2,質量數(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.

9、 [答案] AD 半衰期的理解與應用 1.對半衰期的理解:半衰期表示放射性元素衰變的快慢. 2.半衰期公式:N余=N原,m余=m0式中N原、m0表示衰變前的原子數(shù)和質量,N余、m余表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子數(shù)和質量,t表示衰變時間,τ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,對于一個特定的原子核,無法確定其何時發(fā)生衰變,半衰期只適用于大量的原子核. 【例2】 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)經過________天75%的碘131核發(fā)

10、生了衰變. [解析] (1)I→X+e (2)75%的碘發(fā)生了衰變,即25%的未衰變. 即=25%== 共經歷了兩個半衰期即16天. [答案] (1)I→X+e (2)16 有關半衰期的兩點提醒 (1)半衰期是指放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間,而不是樣本質量減少一半的時間. (2)經過n個半衰期,剩余原子核N剩=N總. 2.新發(fā)現(xiàn)的一種放射性元素X,它的氧化物X2O的半衰期為8天,X2O與F發(fā)生化學反應2X2O+2F2===4XF+O2之后,XF的半衰期為(  ) A.2天 B.4天 C.8天 D.16天 [解析] 放射性元素的衰變快慢由原子核

11、內部的自身因素決定,與原子的化學狀態(tài)無關,故半衰期仍為8天,A、B、D錯,C對. [答案] C 課 堂 小 結 知 識 脈 絡 1.原子核衰變時電荷數(shù)和質量數(shù)都守恒. 2.α衰變:U→Th+He. 3.β衰變:Th→Pb+e. 4.放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間叫做這種元素的半衰期. 1.一個放射性原子核,發(fā)生一次β衰變,則它的(  ) A.質子數(shù)減少一個,中子數(shù)不變 B.質子數(shù)增加一個,中子數(shù)不變 C.質子數(shù)增加一個,中子數(shù)減少一個 D.質子數(shù)減少一個,中子數(shù)增加一個 [解析] β衰變的實質是一個中子變成一個質子和一個電子,故中子減少一個而質

12、子增加一個.故A、B、D錯,C對. [答案] C 2.(多選)下列說法中正確的是(  ) A.β衰變放出的電子來自組成原子核的電子 B.β衰變實質是核內的中子轉化成了一個質子和一個電子 C.α衰變說明原子核中含有α粒子 D.γ射線總是伴隨其他衰變發(fā)生,它的本質是電磁波 [解析] 原子核發(fā)生β衰變中放出的電子是原子核內的中子轉化為質子而釋放的電子,故A錯誤;B正確;α射線是具有放射性的元素的原子核在發(fā)生衰變時兩個中子和兩個質子結合在一起而從原子核中釋放出來;γ射線總是伴隨其他衰變發(fā)生,它的本質是電磁波,故D正確. [答案] BD 3.有一種新型鎳銅長效電池,它是采用半衰期長達1

13、00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.下面有關該電池的說法正確的是(  ) A.鎳63的衰變方程是Ni→Cu+e B.鎳63的衰變方程是Ni→Cu+e C.外接負載時鎳63的電勢比銅片低 D.該電池內電流方向是從鎳片到銅片 [解析] 鎳63的衰變方程為Ni→e+Cu,選項A對,B錯;電流方向為正電荷定向移動方向,在電池內部電流從銅片到鎳片,鎳片電勢高,選項C、D均錯誤. [答案] A 4.一塊氡222放在天平的左盤時,需要天平的右盤加444 g砝碼,天平才能處于平衡,氡222發(fā)生α衰變,經過一個半衰期以后,欲使天平再次平衡,應從右盤中取出的砝碼為(  ) A.222 g      B.8 g C.2 g D.4 g [解析] 原有氡222共444 g,經過一個半衰期后有222 g氡發(fā)生衰變,其衰變方程為Rn→Po+He,但是衰變后生成的釙218還在左盤,也就是說,經過一個半衰期只有4 g的α粒子從左盤放射出去,因此欲使天平再次平衡,右盤中只需取出4 g砝碼.故A、B、C錯誤,D正確. [答案] D - 7 -

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