高中物理 第4章 從原子核到夸克 4.2 原子核的衰變學(xué)案 滬科版選修35
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高中物理 第4章 從原子核到夸克 4.2 原子核的衰變學(xué)案 滬科版選修35
4.2 原子核的衰變
學(xué)習(xí)目標(biāo)
重點(diǎn)難點(diǎn)
1.知道天然放射性現(xiàn)象及其規(guī)律。
2.記住三種射線的本質(zhì),會(huì)利用磁場(chǎng)把它們分開(kāi)。
3.知道兩種衰變的基本性質(zhì),記住衰變的規(guī)律。
4.會(huì)利用半衰期公式進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算。
重點(diǎn):天然放射性及規(guī)律、原子核衰變規(guī)律。
難點(diǎn):半衰期的理解和計(jì)算。
一、天然放射性的發(fā)現(xiàn)
物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象叫做天然放射性現(xiàn)象;物質(zhì)放射出射線的性質(zhì)叫放射性,具有放射性的元素叫放射性元素。
預(yù)習(xí)交流1
天然放射性現(xiàn)象說(shuō)明了什么?
答案:天然放射性現(xiàn)象說(shuō)明了原子核是可分的。
二、天然放射線中的“三劍客”
在射線經(jīng)過(guò)的空間施加磁場(chǎng),射線分成三束,其中兩束在磁場(chǎng)中向不同的方向偏轉(zhuǎn),說(shuō)明這兩束是帶電的,另一束在磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)的不帶電,這三束分別叫α射線、β射線和γ射線。
射線種類
組成
速度
貫穿本領(lǐng)
電離作用
α射線
氦原子
核He
約c
很小,一張薄
紙就能擋住
很強(qiáng)
β射線
高速電
子流e
0.9c
較大,能穿過(guò)幾
毫米厚的鋁板
較弱
γ射線
波長(zhǎng)很短
的電磁波
等于c
最大,能穿過(guò)幾
厘米厚的鉛板
很小
預(yù)習(xí)交流2
放射性元素放出射線后,它們的原子核還屬于原來(lái)的元素嗎?
答案:放射性元素放出α射線或β射線時(shí),原子核的核電荷數(shù)會(huì)發(fā)生變化,它就變成另外的元素。
三、放射性元素的衰變
1.原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變成新核的現(xiàn)象叫衰變。放出α粒子的衰變叫α衰變,放出β粒子的衰變叫β衰變。
2.衰變規(guī)律
(1)α衰變:X→He+Y?。?)β衰變:X→e+Y
在衰變過(guò)程中,電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。
預(yù)習(xí)交流3
在α衰變中,新核在元素周期表中是前移還是后移?移動(dòng)了幾位?
答案:在α衰變中,新核的核電荷數(shù)減小了2,故新核在元素周期表中是前移了2位。
四、放射性元素的半衰期
1.放射性元素的原子核有一半發(fā)生衰變所需的時(shí)間,叫做這種元素的半衰期。
2.半衰期的公式是m=M(),其中m為該元素剩余的質(zhì)量,M為該元素原來(lái)的質(zhì)量,t為經(jīng)過(guò)的時(shí)間,τ為半衰期。
預(yù)習(xí)交流4
放射性元素的半衰期由什么因素決定?半衰期與元素所處的物理、化學(xué)狀態(tài)有關(guān)系嗎?
答案:放射性元素的半衰期只由元素原子核本身的因素決定,與元素所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)。
一、三種射線的理解
α射線、β射線、γ射線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡為什么不同?
答案:α粒子與β粒子的電性、電荷量不同,故它們所受同一磁場(chǎng)力的大小、方向都不同,所以α粒子與β粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)方向相反,圓周半徑大小也不同。γ射線是高頻電磁波,它不帶電,故它不受磁場(chǎng)力的作用而做直線運(yùn)動(dòng)。
放射性元素放出的射線,在電場(chǎng)中分成a、b、c三束,如圖所示,其中( ?。?
A.c為氦核組成的粒子
B.b為比X射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光子流
C.b為比X射線波長(zhǎng)更短的光子流
D.a(chǎn)為高速電子組成的電子流
答案:C
解析:根據(jù)射線在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況,可以判斷,a射線向電場(chǎng)線方向偏轉(zhuǎn),應(yīng)為由帶正電的粒子組成的α射線,b射線在電場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn),所以為γ射線;c射線受到與電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)力,應(yīng)為由帶負(fù)電的粒子組成的β射線。
三種射線都是高速運(yùn)動(dòng)的粒子,能量很高,都來(lái)自原子核內(nèi)部,這使我們認(rèn)識(shí)到兩點(diǎn),一是原子核內(nèi)部有復(fù)雜結(jié)構(gòu),二是原子核內(nèi)部蘊(yùn)藏有巨大的核能。
二、放射性元素的衰變
放射性元素是怎樣放出射線的?射線產(chǎn)生的機(jī)理你知道嗎?
答案:三種射線的產(chǎn)生機(jī)理:
α射線
核內(nèi)兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合得比較緊密,有時(shí)會(huì)作為一個(gè)整體從較大的原子核中拋射出來(lái)。核發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)分別減少2。
β射線
核中的中子可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子,產(chǎn)生的電子從核中發(fā)射出來(lái),這就是β射線,由于該電子來(lái)源于原子核,它的速度遠(yuǎn)大于陰極射線中的電子和核外繞核旋轉(zhuǎn)的電子。
γ射線
原子核的能量也是不連續(xù)的,同樣存在著能級(jí),能級(jí)越低越穩(wěn)定。放射性原子核在發(fā)生α衰變、β衰變后產(chǎn)生的新核往往處于高能級(jí),當(dāng)它向低能級(jí)躍遷時(shí),輻射γ光子。由于原子核中的能級(jí)躍遷輻射出的光子能量非常大,故γ光子的頻率很大。所以波長(zhǎng)很短。
(2010全國(guó)Ⅰ理綜,14)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、β衰變和α衰變
C.β衰變、α衰變和β衰變
D.α衰變、β衰變和α衰變
答案:A
解析:原子核U衰變?yōu)門h需要經(jīng)歷α衰變,繼而經(jīng)歷β衰變可得到Pa,然后再經(jīng)歷一次β衰變可得到U,所以放射性衰變①②③依次為α衰變、β衰變、β衰變,本題只有選項(xiàng)A正確。
對(duì)于原子核的衰變,要注意以下幾點(diǎn):
1.由于原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時(shí)有多余能量而放出γ射線,不可能單獨(dú)發(fā)生γ衰變。
2.確定衰變次數(shù),一般先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù),因?yàn)棣滤プ儗?duì)質(zhì)量數(shù)沒(méi)有影響,然后再根據(jù)電荷數(shù)守恒確定β衰變的次數(shù)。
3.確定衰變次數(shù)要記住兩個(gè)等式:
(1)核電核數(shù)=質(zhì)子數(shù)(Z)=元素的原子序數(shù)=中性原子的核外電子數(shù)。
(2)質(zhì)量數(shù)(A)=核子數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)。
三、半衰期的應(yīng)用
一座古墓被挖掘出來(lái)了,科學(xué)家們從其中的一塊木片就可以大致推斷出這座古墓建造的年代。你知道科學(xué)家所用的方法嗎?
答案:科學(xué)家用的是碳14測(cè)年法?;畹膭?dòng)、植物體內(nèi)都有一定比例的放射性元素碳14,動(dòng)植物死后就不再吸收空氣中的碳14,于是動(dòng)、植物體內(nèi)的碳14就通過(guò)衰變而逐漸減少。碳14的半衰期是5 730年,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,活的動(dòng)植物體內(nèi)1克碳的衰變率大約是16次∕分,如果一個(gè)被簽定的樣品中每克碳的衰變率是8次∕分,就知道它已經(jīng)經(jīng)過(guò)了5 730年,衰變率若是4次∕分,就是經(jīng)過(guò)了11 460年,依次類推。
測(cè)得某礦石中鈾、鉛質(zhì)量比為1.17∶1,假設(shè)開(kāi)始時(shí)礦石只含有鈾238,發(fā)生衰變的鈾238都變成了鉛206。已知鈾238的半衰期是4.5109年,求礦石的年齡。
答案:4.5109年
解析:只要利用半衰期的計(jì)算公式m=m0()找出m、m0的關(guān)系,τ=4.5109年,即可求出礦石的年齡。
設(shè)開(kāi)始礦石中有m0(千克)的鈾238,經(jīng)n個(gè)半衰期后,剩余鈾m(千克),則m=m0()n,衰變掉的鈾m0-m=m0[1-()n],一個(gè)鈾核衰變成一個(gè)鉛核,設(shè)生成鉛x(千克),則=,得
x=m0[1-()n]
據(jù)題意有=,即=
解得n=1,即t=τ=4.5109年。
1.半衰期計(jì)算要利用半衰期公式N余=N原()t/τ或m余=m原()t/τ,前者計(jì)算剩余核的個(gè)數(shù),后者計(jì)算剩余核的質(zhì)量。
2.原子核的半衰期只由原子核本身決定,與原子核所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān),與是否是單質(zhì)或是化合物等無(wú)關(guān)。
3.半衰期是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律,只適用于大量原子核的衰變規(guī)律。半衰期對(duì)某一個(gè)核或某幾個(gè)少數(shù)核沒(méi)有意義。
1.關(guān)于天然放射現(xiàn)象,下列說(shuō)法正確的是( )。
A.是瑪麗居里夫婦首先發(fā)現(xiàn)的
B.說(shuō)明了原子核不是單一的粒子
C.γ射線必須伴隨α射線或β射線而產(chǎn)生
D.任何放射性元素都能同時(shí)發(fā)出三種射線
答案:BC
2.在天然放射現(xiàn)象中,關(guān)于α、β、γ射線的產(chǎn)生,下列敘述正確的是( ?。?。
A.α粒子帶正電,α射線是從原子核中射出的
B.β粒子帶負(fù)電,所以β射線有可能是核外電子
C.γ粒子是光子,所以γ射線有可能是由原子發(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(lái)的
答案:AD
解析:α衰變的實(shí)質(zhì)是原子核中的兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氦核,β衰變的實(shí)質(zhì)是一個(gè)中子變成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)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(lái)的,故B、C錯(cuò)誤,A、D正確。
3.下列說(shuō)法正確的是( )。
A.把放射性元素放在低溫處,可以減緩放射性元素的衰變
B.把放射性元素同其他穩(wěn)定元素結(jié)合成化合物,放射性元素的半衰期不變
C.半衰期是放射性元素的原子核全部衰變所需時(shí)間的一半
D.某一鉛的礦石中發(fā)現(xiàn)有20個(gè)氡原子核,經(jīng)過(guò)3.8天(氡的半衰期),此礦石中只剩下10個(gè)氡原子核
答案:B
解析:放射性元素的半衰期與其化學(xué)物理狀態(tài)無(wú)關(guān),僅由原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定,故A錯(cuò),B正確。半衰期遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)大量的原子核才適用,故D錯(cuò),半衰期是指大量原子核有半數(shù)發(fā)生衰變的時(shí)間,故C錯(cuò)。
4.放射性元素的半衰期在下列哪些情況下不發(fā)生變化( ?。?。
A.放射性元素放射出α粒子后,變成新的放射性元素
B.放射性元素與其他物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后生成化合物
C.把放射性元素置于高溫、高壓的環(huán)境中
D.用高能粒子轟擊,得到新的放射性元素
答案:BC
解析:放射性元素的半衰期只取決于放射性元素本身,而與其他因素?zé)o關(guān),但在放射性元素轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌派湫栽睾螅浒胨テ谝欢〞?huì)發(fā)生變化,所以A、D錯(cuò),因此選B、C。
5.(2011洛陽(yáng)高二檢測(cè))一放射性同位素Th經(jīng)α、β衰變會(huì)生成氡,其衰變方程為Th→Rn+xα+yβ,其中( )。
A.x=1,y=3 B.x=2,y=3
C.x=3,y=1 D.x=3,y=2
答案:D
解析:本題考查放射性元素衰變的有關(guān)知識(shí),為較容易的題目。由衰變方程:Th→Rn+xHe+ye,由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得:232=220+4x,90=86+2x-y可解得:x=3,y=2。
6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375