《2017-2018學年高中物理 第3章 原子核與放射性 2 原子核衰變及半衰期學案 魯科版選修3-5》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學年高中物理 第3章 原子核與放射性 2 原子核衰變及半衰期學案 魯科版選修3-5（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第2節(jié)　原子核衰變及半衰期 [目標定位]　1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射現(xiàn)象，能記住三種射線的特性.2.知道什么是原子核的衰變及衰變實質(zhì).3.理解半衰期的統(tǒng)計意義，學會利用半衰期解決相關(guān)問題． 一、天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1．1896年，法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)具有放射性． 2．物質(zhì)放出射線的性質(zhì)稱為放射性，具有放射性的元素稱為放射性元素，物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象叫做天然放射現(xiàn)象． 3．皮埃爾·居里夫婦發(fā)現(xiàn)了兩種放射性更強的新元素，命名為釙(Po)和鐳(Ra)． 二、放射線的本質(zhì) 1．三種射線：如圖1中1是β射線，2是γ射線，3是α射線． 圖1

2、(1)α射線是高速氦原子核粒子流． (2)β射線是高速運動的電子流． (3)γ射線是波長很短的電磁波． 2．三種射線的特點 (1)α射線：α粒子容易使空氣電離，但穿透能力很弱． (2)β射線：β粒子穿透能力較強，但電離作用較弱． (3)γ射線：γ射線電離作用很弱，但穿透能力很強． 三、原子核的衰變 1．原子核的衰變：原子核放出α射線或β射線，而轉(zhuǎn)變?yōu)樾略雍说淖兓雍怂プ儠r電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒． 2．α衰變：原子核進行α衰變時，質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2.例：U的α衰變方程為U→Th＋He. 3．β衰變：原子核進行β衰變時，質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)增加1，例：Th的β衰變方程

3、為Th→Pa＋e. 四、衰變的快慢——半衰期 1．放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間，叫半衰期． 2．元素半衰期的長短是由原子核自身的因素決定的，跟原子所處的物理、化學狀態(tài)和周圍環(huán)境、溫度沒有關(guān)系． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、三種射線的本質(zhì)及特點 1．α、β、γ三種射線的性質(zhì)、特征比較 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 率 0.1c 0.9c c 貫穿本領(lǐng)

4、 最弱 用一張紙 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 電離作用 很強 較弱 很弱 2．在電場、磁場中偏轉(zhuǎn)情況的比較 (1)在勻強電場中，α射線偏轉(zhuǎn)較小，β射線偏轉(zhuǎn)較大，γ射線不偏轉(zhuǎn)，如圖2甲所示． 圖2 (2)在勻強磁場中，α射線偏轉(zhuǎn)半徑較大，β射線偏轉(zhuǎn)半徑較小，γ射線不偏轉(zhuǎn)，如圖乙所示． 【例1】　一置于鉛盒中的放射源發(fā)射出的α、β和γ射線，由鉛盒的小孔射出，在小孔外放一鋁箔，鋁箔后的空間有一勻強電場．進入電場后，射線變?yōu)閍、b兩束，射線a沿原來方向行進，射線b發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，如圖3所示，則圖中的射線a為________射

5、線，射線b為________射線． 圖3 答案　γ　β 解析　在三種射線中，α射線帶正電，穿透能力最弱，γ射線不帶電，穿透能力最強；β射線帶負電，穿透能力一般，綜上所述，結(jié)合題意可知，a射線應(yīng)為γ射線，b射線應(yīng)為β射線． 借題發(fā)揮　三種射線的比較方法 (1)α射線是α、β、γ三種射線中貫穿本領(lǐng)最弱的一種，它穿不過白紙． (2)要知道三種射線的成分，貫穿本領(lǐng)和電離本領(lǐng)的強弱． (3)要知道α、β、γ三種射線的本質(zhì)，α、β射線是實物粒子，γ射線是光子． 針對訓練1　如圖4，放射性元素鐳衰變過程中釋放出α、β、γ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(　　)

6、 圖4 A．①表示γ射線，③表示α射線 B．②表示β射線，③表示α射線 C．④表示α射線，⑤表示γ射線 D．⑤表示β射線，⑥表示α射線 答案　C 解析　由三種射線的帶電性質(zhì)可以判斷出①⑥表示β射線，②⑤表示γ射線，③④表示α射線，故C對． 二、原子核的衰變 1．α衰變： 原子核進行α衰變時，質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2. α衰變的實質(zhì)：在放射性元素的原子核中，2個中子和2個質(zhì)子結(jié)合得比較牢固，有時會作為一個整體從較大的原子核中釋放出來，這就是放射性元素發(fā)生的α衰變現(xiàn)象． 2．β衰變： 原子核進行β衰變時，質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)增加1. β衰變的實質(zhì)：原子核中的一個中子轉(zhuǎn)化

7、成一個質(zhì)子且放出一個電子即β粒子，使核電荷數(shù)增加1，但β衰變不改變原子核的質(zhì)量數(shù)，其轉(zhuǎn)化方程為：n―→H＋e. 3．衰變規(guī)律 衰變過程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒． 【例2】　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衰變和β衰變 B．β衰變、α衰變和β衰變 C．β衰變、β衰變和α衰變 D．α衰變、β衰變和α衰變 答案　A 解析　根據(jù)衰變反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒特點，U核與90Th核比較可知，衰變①的另一產(chǎn)物為He，所以衰變①為α衰變，選項B、C錯誤；Pa核

8、與U核比較可知，衰變③的另一產(chǎn)物為e，所以衰變③為β衰變，選項A正確，D錯誤． 【例3】　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衰變和幾次β衰變？ (2)Pb與U相比，質(zhì)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． 答案　(1)8次α衰變，6次β衰變　(2)10　22 (3)見解析 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)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

9、衰變中子數(shù)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. 借題發(fā)揮　衰變次數(shù)的判斷方法 (1)衰變過程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒． (2)每發(fā)生一次α衰變質(zhì)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(zhì)子數(shù)增加1. 三、對半衰期的理解 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，不同元素的半衰期不同，有的差別很大． 2．半衰期公式 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，T1/2表示半

10、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，無法確定其何時發(fā)生衰變，但可以確定各個時刻發(fā)生衰變的概率，即某時刻衰變的可能性，因此，半衰期只適用于大量的原子核． 【例4】　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(zhì)之一．其衰變方程是Rn―→Po＋________.已知Rn的半衰期約為3.8天， 則約經(jīng)過________天，16 g的Rn衰變后還剩1 g. 答案　He　15.2 解析　根據(jù)質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒得衰變方程為Rn→Po＋He.根據(jù)衰變規(guī)律m＝代入數(shù)值解得t＝15

11、.2天． 針對訓練2　放射性元素(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 答案　A 解析　元素半衰期的長短由原子核自身因素決定，一般與原子所處的物理、化學狀態(tài)以及周圍環(huán)境、溫度無關(guān)，C、D錯；即使元素氡的含量足夠高，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代，地殼中

12、也幾乎沒有氡了，一定是來自于其他放射性元素的衰變，故A對，B錯. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 三種射線的特性 1. (多選)圖5中P為放在勻強電場中的天然放射源，其放出的射線在電場的作用下分成a、b、c三束，以下判斷正確的是(　　) 圖5 A．a(chǎn)為α射線，b為β射線 B．a(chǎn)為β射線，b為γ射線 C．b為γ射線，c為α射線 D．b為α射線，c為γ射線 答案　BC 解析　由題圖可知電場線方向向右，α射線帶正電所受電場力方向與電場線方向一致，故α射線向右偏轉(zhuǎn)，即c為α射線；β射線帶負電所受電場力方向與電場線方向相反，故β射線向左偏轉(zhuǎn)，即a為β射線；γ射線不帶電

13、不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即b為γ射線．故選項B、C正確． 原子核的衰變 2．原子核發(fā)生β衰變時，此β粒子是(　　) A．原子核外的最外層電子 B．原子核外的電子躍遷時放出的光子 C．原子核內(nèi)存在著電子 D．原子核內(nèi)的一個中子變成一個質(zhì)子時，放射出一個電子 答案　D 解析　因原子核是由帶正電荷的質(zhì)子和不帶電的中子組成的，原子核內(nèi)并不含電子，但在一定條件下，一個中子可以轉(zhuǎn)化成一個質(zhì)子和一個電子，一個質(zhì)子可以轉(zhuǎn)化成一個中子和一個正電子，其轉(zhuǎn)化可用下式表示：n―→H＋e，H―→n＋　0＋1e.由以上兩式可看出β粒子(電子)是由原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化而來，正電子是由原子核內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)化而來． 3．貝克勒

14、爾在120年前首先發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，如今原子核的放射性在眾多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用．下列屬于放射性衰變的是(　　) A.C→N＋e B.U＋n→I＋Y＋2n C.H＋H→He＋n D.He＋Al→P＋n 答案　A 解析　A屬于β衰變，B屬于裂變，C是聚變，D是原子核的人工轉(zhuǎn)變，故選A項． 對半衰期的理解及計算 4．下列有關(guān)半衰期的說法正確的是(　　) A．放射性元素的半衰期越短，表明有半數(shù)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

15、 D．降低溫度或增大壓強，讓該元素與其他物質(zhì)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(shù)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本身因素決定，與它所處的物理、化學狀態(tài)無關(guān)．故A正確，B、C、D錯誤． 5．碘131的半衰期約為8天，若某藥物含有質(zhì)量為m的碘131，經(jīng)過32天后，該藥物中碘131的含量大約還有(　　) A. B. C. D. 答案　C 解析　由半衰期公式m′＝m()可知，m′＝m()＝m，故選項C正確. (時間：60分鐘)　　　　　　　　　　　　　

16、　　　　　　 題組一　天然放射現(xiàn)象及三種射線的性質(zhì) 1．(多選)關(guān)于α、β、γ三種射線，下列說法正確的是(　　) A．α射線是原子核發(fā)射出的氦核，它的穿透能力最強 B．β射線是電子流，它具有中等的穿透能力 C．γ射線一般伴隨著α射線或β射線產(chǎn)生，它的穿透能力最強 D．γ射線是電磁波，它的穿透能力最弱 答案　BC 解析　根據(jù)三種射線的性質(zhì)可知：α射線是高速氦核流，β射是高速電子流，γ射線是光子流，在三種射線中，α射線的電離作用最強，穿透能力最弱，γ射線的電離作用最弱，穿透能力最強，β射線的電離作用和穿透能力居中，故B、C對，A、D錯． 2．關(guān)于放射性元素發(fā)生衰變放射的三種射線，

17、下列說法中正確的是(　　) A．三種射線一定同時產(chǎn)生 B．三種射線的速度都等于光速 C．γ射線是處于激發(fā)態(tài)的原子核發(fā)射的 D．原子核衰變不能同時放射α射線和γ射線 答案　C 解析　γ射線是在α衰變或β衰變后原子核不穩(wěn)定而輻射出光子形成的，故C對． 3.研究放射性元素射線性質(zhì)的實驗裝置如圖1所示．兩塊平行放置的金屬板A、B分別與電源的兩極a、b連接，放射源發(fā)出的射線從其上方小孔向外射出．則(　　) 圖1 A．a(chǎn)為電源正極，到達A板的為α射線 B．a(chǎn)為電源正極，到達A板的為β射線 C．a(chǎn)為電源負極，到達A板的為α射線 D．a(chǎn)為電源負極，到達A板的為β射線 答案　B

18、解析　從圖可以看出，到達兩極板的粒子做類平拋運動，到達A極板的粒子的豎直位移小于到達B板粒子的，粒子在豎直方向做勻速直線運動，則據(jù)公式x＝v0t＝v0可知，兩個粒子初速度v0相同，兩極板電壓u相同，放射源與兩極板的距離也相同，而電子的小，所以電子的豎直位移小，故達到A極板的是β射線，A極板帶正電，a為電源的正極，故選項B正確． 4．如圖2中R是一種放射性物質(zhì)，它能放出α、β、γ三種射線，虛線框內(nèi)是勻強磁場，LL′是厚紙板，MM′是熒光屏，實驗時發(fā)現(xiàn)在熒光屏上只有O、P兩點處有亮斑．下列說法正確的是(　　) 圖2 A．磁場方向平行紙面豎直向上，到達O點的射線是β射線，到達P點的射線是α

19、射線 B．磁場方向平行紙面豎直向下，到達O點的射線是α射線，到達P點的射線是β射線 C．磁場方向垂直紙面向外，到達O點的射線是γ射線，到達P點的射線是α射線 D．磁場方向垂直紙面向里，到達O點的射線是γ射線，到達P點的射線是β射線 答案　D 解析　因為α粒子的貫穿本領(lǐng)較小，一張紙即可把它擋住，所以亮斑中不可能有α射線，A、B、C錯誤；因為γ射線不帶電，所以不受磁場約束，直接打在O點，由左手定則知磁場方向垂直紙面向里，所以D正確． 題組二　對原子核衰變的理解 5．“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)電的同時還可以生產(chǎn)出可供研制核武器的

20、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 答案　A 解析　β衰變規(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． 6．原子核X經(jīng)過一次α衰變成原子核Y，原子核Y再經(jīng)一次β衰變成原子核Z，則下列說法中正確的是(　　) A．核X的中子數(shù)比核Z的中子數(shù)多2 B．核X的質(zhì)子數(shù)比核Z的質(zhì)子數(shù)多5 C．核Z的質(zhì)子數(shù)比核X的質(zhì)子數(shù)少1 D．原子核X的中性原子的核外電子數(shù)比原子核Y的中性原子的核外電子數(shù)少1 答案　C 解析　根據(jù)衰變規(guī)律，發(fā)生一次α衰變減少兩個質(zhì)子

21、和兩個中子，發(fā)生一次β衰變減少一個中子而增加一個質(zhì)子．中性原子的核外電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，故可判知C對． 7．放射性元素A經(jīng)過2次α衰變和1次β衰變后生成一新元素B，則元素B在元素周期表中的位置較元素A的位置向前移動了(　　) A．1位 B．2位 C．3位 D．4位 答案　C 解析　原子核經(jīng)過一次α衰變，電荷數(shù)減小2，經(jīng)過一次β衰變，電荷數(shù)增加1，所以元素A經(jīng)過2次α衰變和1次β衰變后電荷數(shù)減小3，生成的新元素在元素周期表中的位置向前移3位，C正確． 8．在橫線上填上粒子符號和衰變類型． (1)U―→Th＋________，屬于________衰變 (2)Th―→Pa＋__

22、______，屬于________衰變 (3)Po―→At＋________，屬于________衰變 (4)Cu―→Co＋________，屬于________衰變 答案　(1)He　α　(2)e　β (3)e　β　(4)He　α 解析　根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可以判斷，(1)中生成的粒子為He，屬于α衰變；(2)中生成的粒子為e，屬于β衰變；(3)中生成的粒子為e，屬于β衰變；(4)中生成的粒子為He，屬于α衰變． 題組三　對半衰期的理解和計算 9．(多選)關(guān)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(shù)發(fā)生衰變所需要

23、的時間 C．相對原子質(zhì)量減少一半所需要的時間 D．元素質(zhì)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(shù)發(fā)生衰變時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)生衰變后成了一種新的原子核，原來的放射性元素原子核的個數(shù)不斷減少；當原子核的個數(shù)減半時，該放射性元素的原子核的總質(zhì)量也減半，故選項B、D正確． 10．(多選)關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列敘述正確的是(　　) A．若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將減少 B．當放射性元素的原子的核外電子具有較高能量時，將發(fā)生β衰變 C．在α、β、γ這三種射線中，γ射線的穿透能力最強，α射線

24、的電離能力最強 D．鈾核(U)衰變?yōu)殂U核(Pb)的過程中，要經(jīng)過8次α衰變和6次β衰變 答案　CD 11.在垂直于紙面的勻強磁場中，有一原來靜止的原子核，該核衰變后，放出的帶電粒子和反沖核的運動軌跡分別如圖3中a、b所示，由圖可以判定(　　) 圖3 A．該核發(fā)生的是α衰變 B．該核發(fā)生的是β衰變 C．磁場方向一定垂直紙面向里 D．磁場方向向里還是向外不能確定 答案　BD 解析　本題考查對α粒子及β粒子的性質(zhì)的了解，對動量守恒定律以及左手定則的應(yīng)用能力．原來靜止的核，放出粒子后，總動量守恒，所以粒子和反沖核的速度方向一定相反，根據(jù)圖示，它們在同一磁場中是向同一側(cè)偏轉(zhuǎn)的，由

25、左手定則可知它們必帶異種電荷，故應(yīng)為β衰變；由于不知它們的旋轉(zhuǎn)方向，因而無法判定磁場是向里還是向外，即都有可能． 題組四　綜合應(yīng)用 12．天然放射性鈾(U)發(fā)生衰變后產(chǎn)生釷(Th)和另一個原子核． (1)請寫出衰變方程； (2)若衰變前鈾(U)核的速度為v，衰變產(chǎn)生的釷(Th)核速度為，且與鈾核速度方向相同，求產(chǎn)生的另一種新核的速度． 答案　(1)見解析　(2)v 解析　(1)U―→Th＋He (2)設(shè)另一新核的速度為v′，鈾核質(zhì)量為238m，由動量守恒定律得：238mv＝234m＋4mv′得：v′＝v. 13.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

26、張兩個相切圓的徑跡照片(如圖4所示)，今測得兩個相切圓半徑之比r1∶r2＝1∶44.求： 圖4 (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) 答案　(1)90　(2)見解析 解析　(1)設(shè)衰變后新生核的電荷量為q1，α粒子的電荷量為q2＝2e，它們的質(zhì)量分別為m1和m2，衰變后的速度分別為v1和v2，所以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)因為動量相等，所以軌道半徑與粒子的電荷量成反比．所以圓軌道2是α粒子的徑跡，圓軌道1是新生核的徑跡． 11