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4.2　原子核的衰變 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.知道天然放射現(xiàn)象，了解放射性及放射性元素的概念.(重點(diǎn)) 2.掌握天然放射線中的“三劍客”的本質(zhì)和特點(diǎn).(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 3.掌握原子核衰變的規(guī)律，知道α衰變、β衰變的本質(zhì).(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 4.理解半衰期的概念，會應(yīng)用半衰期公式解決相關(guān)問題.(重點(diǎn)) 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及放射線的本質(zhì) [先填空] 1.天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) (1)天然放射現(xiàn)象：物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象. (2)放射性：物質(zhì)放出射線的性質(zhì)，叫做放射性. (3)放射性元素：具有放射性的元素，叫做放射性元素. (4)天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1896年，法國物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象. 2.天然放射線中的“三劍客” (1)本質(zhì)：①α射線：在磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度較小，是帶正電的高速運(yùn)動(dòng)的α粒子流，電荷數(shù)為2，質(zhì)量數(shù)為4，本質(zhì)是氦原子核. ②β射線：在磁場作用下與α射線“分道揚(yáng)鑣”，朝另一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度較大，是帶負(fù)電的高速運(yùn)動(dòng)的電子流. ③γ射線：在磁場中不偏轉(zhuǎn)，是不帶電的波長很短的電磁波. 如圖421為三劍客在磁場中的運(yùn)動(dòng)情況. “三劍客” 圖421 (2)本領(lǐng) ①α射線：α粒子射出時(shí)的速度大約是光速的十分之一，有很強(qiáng)的電離作用，很容易使空氣電離，使照相底片感光，但穿透本領(lǐng)很小.一張紙就能擋住. ②β射線：β射線的速度接近光速，對物質(zhì)的穿透本領(lǐng)較強(qiáng)，能穿透幾毫米厚的鋁板，但電離作用較弱. ③γ射線：電離作用很小，穿透本領(lǐng)很強(qiáng)，能穿透幾厘米厚的鉛板. [再判斷] 1.放射性元素發(fā)出的射線可以直接觀察到.() 2.放射性元素發(fā)出的射線的強(qiáng)度可以人工控制.() 3.α射線的穿透本領(lǐng)最強(qiáng)，電離作用很弱.() 4.原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都具有放射性.(√) [后思考] 天然放射現(xiàn)象說明了什么？ 【提示】　天然放射現(xiàn)象說明了原子核具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu). [核心點(diǎn)擊] 1.三種射線的比較如下表 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 速度 0.1c 0.99c c 在電場或 磁場中 偏轉(zhuǎn) 與α射線 反向偏轉(zhuǎn) 不偏轉(zhuǎn) 貫穿本領(lǐng) 最弱 用紙能 擋住 較強(qiáng) 穿透幾毫 米的鋁板 最強(qiáng) 穿透幾厘 米的鉛板 對空氣的 電離作用 很強(qiáng) 較弱 很弱 在空氣中 的徑跡 粗、短、直 細(xì)、較長、曲折 最長 通過膠片 感光 感光 感光 2.三種射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn) (1)在勻強(qiáng)電場中，γ射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，α粒子和β粒子沿相反方向做類平拋運(yùn)動(dòng)，在同樣的條件下，β粒子的偏移大，如圖422所示. 圖422 位移x可表示為x＝at2＝2∝ 所以，在同樣條件下β粒子與α粒子偏移之比為＝＝37. (2)在勻強(qiáng)磁場中：γ射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仍做勻速直線運(yùn)動(dòng)，α粒子和β粒子沿相反方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且在同樣條件下，β粒子的軌道半徑小，如圖423所示. 圖423 根據(jù)qvB＝得　R＝∝ 所以，在同樣條件下β粒子與α粒子的軌道半徑之比為＝＝. 1.關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A.α射線是由氦原子核組成的 B.β射線是由原子核外電子電離產(chǎn)生 C.γ射線是由原子核外的內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生 D.通過化學(xué)反應(yīng)不能改變物質(zhì)的放射性 E.β射線本質(zhì)是高速電子流 【解析】　α射線是在α衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是氦核，A正確；β射線是在β衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是高速電子流，B錯(cuò)誤，E正確；γ射線是發(fā)生α衰變和β衰變時(shí)原子核發(fā)生能級躍遷而產(chǎn)生的電磁波，C錯(cuò)誤；物質(zhì)的放射性由原子核內(nèi)部自身的因素決定，與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)，D正確. 【答案】　ADE 2.一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(qiáng)電場.進(jìn)入電場后，射線變?yōu)閍、b兩束，射線a沿原來方向行進(jìn)，射線b發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，如圖424所示，則圖中的射線a為________射線，射線b為________射線. 圖424 【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(qiáng)，β射線帶負(fù)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. 【答案】　γ　β 3.將α、β、γ三種射線分別射入勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場，圖中表示射線偏轉(zhuǎn)情況正確的是(　　) 【解析】　已知α粒子帶正電，β粒子帶負(fù)電，γ射線不帶電，根據(jù)正、負(fù)電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)受洛倫茲力方向和正、負(fù)電荷在電場中受電場力方向可知，A、B、C、D四幅圖中α、β粒子的偏轉(zhuǎn)方向都是正確的，但偏轉(zhuǎn)的程度需進(jìn)一步判斷.帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其半徑r＝， 將數(shù)據(jù)代入，則α粒子與β粒子的半徑之比 ＝＝＝371，A對，B錯(cuò)；帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場，設(shè)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x＝v0t，y＝t2，消去t可得y＝ 對某一確定的x值，α、β粒子沿電場線偏轉(zhuǎn)距離之比 ＝＝＝，C錯(cuò)，D對.選項(xiàng)E中，若α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則有Bvαq＝Eq，此時(shí)因β粒子的速度大些，有Bvβq>Eq，電子將向右偏轉(zhuǎn)，故E正確. 【答案】　ADE 判斷三種射線性質(zhì)的方法 (1)射線的電性：α射線帶正電、β射線帶負(fù)電、γ射線不帶電.α、β是實(shí)物粒子，而γ射線是光子流，它是波長很短的電磁波. (2)射線的偏轉(zhuǎn)：在電場或磁場中，通過其受力及運(yùn)動(dòng)軌跡半徑的大小來判斷α和β射線偏轉(zhuǎn)方向，由于γ射線不帶電，故運(yùn)動(dòng)軌跡仍為直線. (3)射線的穿透能力：α粒子穿透能力較弱，β粒子穿透能力較強(qiáng)，γ射線穿透能力最強(qiáng)，而電離作用相反. 放射性元素的衰變和半衰期 [先填空] 1.衰變 原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓? 2.衰變形式：常見的衰變有兩種，放出α粒子的衰變?yōu)棣了プ儯懦靓铝Ｗ拥乃プ優(yōu)棣滤プ?，而γ射線是伴隨α射線或β射線產(chǎn)生的. 3.衰變規(guī)律 (1)α衰變：X→He＋Y. (2)β衰變：X→e＋Y. 在衰變過程中，電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒. 4.放射性元素的半衰期 (1)概念 放射性元素每經(jīng)過一段時(shí)間，就有一半的核發(fā)生衰變，這段時(shí)間叫做放射性元素的半衰期. (2)放射性元素的半衰期是由其原子核本身決定的，一種放射性元素，不論它是以單質(zhì)的形式存在，還是與其他元素形成化合物，也不論所處的環(huán)境如何，它的半衰期都不會改變. [再判斷] 1.原子核的衰變有α衰變、β衰變和γ衰變?nèi)N形式.() 2.在衰變過程中，電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒.(√) 3.原子所處的周圍環(huán)境溫度越高，衰變越快.() [后思考] 有10個(gè)鐳226原子核，經(jīng)過一個(gè)半衰期有5個(gè)發(fā)生衰變，這樣理解對嗎？ 【提示】　不對.10個(gè)原子核數(shù)目太少，它們何時(shí)衰變是不可預(yù)測的，因?yàn)樗プ円?guī)律是大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律. [核心點(diǎn)擊] 1.衰變實(shí)質(zhì) α衰變：原子核內(nèi)兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)α粒子，并在一定條件下作為一個(gè)整體從較大的原子核中拋射出來，產(chǎn)生α衰變.2n＋2H―→He. β衰變：原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成一個(gè)質(zhì)子留在原子核內(nèi)，同時(shí)放出一個(gè)電子，即β粒子放射出來. n―→H＋e. 2.確定原子核衰變次數(shù)的方法與技巧 (1)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. 由此可見，確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個(gè)二元一次方程組. (2)技巧：為了確定衰變次數(shù)，一般先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)(這是因?yàn)棣滤プ兊拇螖?shù)多少對質(zhì)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). 3.對半衰期的理解 (1)意義：表示放射性元素衰變的快慢. (2)半衰期公式：n＝N，m＝M 式中N、M表示衰變前的原子數(shù)和質(zhì)量，n、m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(shí)間，T表示半衰期. 4.適用條件：半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對于一個(gè)特定的原子核，無法確定其何時(shí)發(fā)生衰變，半衰期只適用于大量的原子核. 5.應(yīng)用：利用半衰期非常穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以測算其衰變過程，推算時(shí)間等. 4.某原子核的衰變過程ABC，下列說法正確的是(　　) A.核C比核A的質(zhì)子數(shù)少1 B.核C比核A的質(zhì)量數(shù)少5 C.原子核為A的中性原子的電子數(shù)比原子核為B的中性原子的電子數(shù)多2 D.核C比核B的中子數(shù)少2 E.核C比核A的中子數(shù)少3 【解析】　原子核A經(jīng)過一次β衰變和一次α衰變變?yōu)樵雍薈的衰變方程為：ABC，由此可知核C比核A的質(zhì)子數(shù)少1，質(zhì)量數(shù)少4，A正確，B錯(cuò)誤；原子核為A的中性原子的電子數(shù)比原子核為B的中性原子的電子數(shù)少1，C錯(cuò)誤；核C比核B的中子數(shù)少2，核C比核A的中子數(shù)少3，D、E均正確. 【答案】　ADE 5.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(xiàn)，只是在使用人工的方法制造后才被發(fā)現(xiàn).已知Np經(jīng)過一系列α衰變和β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(gè)中子 B.Bi的原子核比Np的原子核少18個(gè)中子 C.衰變過程中共發(fā)生了7次α衰變和4次β衰變 D.衰變過程中共發(fā)生了4次α衰變和7次β衰變 E.衰變過程中共有4個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子 【解析】　Bi的中子數(shù)為209－83＝126，Np的中子數(shù)為237－93＝144，Bi的原子核比Np的原子核少18個(gè)中子，A錯(cuò)、B對；衰變過程中共發(fā)生了α衰變的次數(shù)為＝7次，β衰變的次數(shù)是27－(93－83)＝4次，C對、D錯(cuò)；此過程中共發(fā)生了4次β衰變，因此共有4個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，E正確. 【答案】　BCE 6.放射性同位素14C被考古學(xué)家稱為“碳鐘”，它可以用來判定古生物體的年代，此項(xiàng)研究獲得1960年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng). 【導(dǎo)學(xué)號：67080036】 (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β射線變成一個(gè)新核，其半衰期為5 730年，試寫出14C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？ 【解析】　(1)C的β衰變方程為： C―→e＋N. (2)C的半衰期T＝5 730年. 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，則 N＝N0≠N0， 即0.25N0＝N0，故＝2，t＝11 460年. 【答案】　(1)C―→e＋N (2)11 460年 (1)衰變過程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒. ①每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)均減少2，質(zhì)量數(shù)減少4. ②每發(fā)生一次β衰變中子數(shù)減少1，質(zhì)子數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變. (2)利用半衰期公式解決實(shí)際問題，首先要理解半衰期的統(tǒng)計(jì)意義，其次要知道公式建立的是剩余核的質(zhì)量與總質(zhì)量間的關(guān)系.