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2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 二、天然放射現(xiàn)象、衰變(第一課時) ●本節(jié)教材分析 本節(jié)教材是在認(rèn)識和了解原子核式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過天然放射現(xiàn)象的研究，使學(xué)生認(rèn)識原子核內(nèi)也存在著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，原子核是可以變化的，并知道原子核衰變的規(guī)律.講清天然放射現(xiàn)象，是認(rèn)識原子核結(jié)構(gòu)的第一步.天然放射現(xiàn)象的教學(xué)，既要注意講清放射線的本質(zhì)及核衰變的規(guī)律，又要注意講清思路，特別要使學(xué)生理解放射性是原子核的性質(zhì)而不是原子的性質(zhì)，放射現(xiàn)象的本質(zhì)是原子核發(fā)生了衰變. 首先讓學(xué)生了解，某些元素具有天然的放射射線的性質(zhì)，這些天然放射線有三種：α、β和γ射線，然后分別介紹它們的性質(zhì).接著通過分析放射現(xiàn)象的特點向?qū)W生說明，天然放射性現(xiàn)象是原子核的性質(zhì)而不是原子的性質(zhì)，進(jìn)而說明原子核是可以變化的，也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，放射現(xiàn)象打開了人們認(rèn)識原子核內(nèi)部世界的大門，揭開了原子核物理的新篇章.這樣先介紹放射線的性質(zhì)，使學(xué)生對射線有了較具體的了解后，再說明放射性的本質(zhì)和意義，可能效果會好一些. 放射性元素的衰變除了使學(xué)生了解一般的原子核的衰變概念外，應(yīng)著重使學(xué)生了解α衰變和β衰變及其規(guī)律，以及衰變中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律.可讓學(xué)生通過作相應(yīng)的練習(xí)來逐步掌握α衰變和β衰變的規(guī)律以及兩個守恒定律.有關(guān)核反應(yīng)的練習(xí)要注意從可靠的資料上選擇實際發(fā)生的核反應(yīng)，不能隨意編造核反應(yīng)方程來讓學(xué)生練習(xí). 半衰期是了解原子核衰變規(guī)律的一個重要概念，也是學(xué)生比較難理解和掌握的問題.學(xué)生常犯的錯誤是，放射性元素經(jīng)半衰期后衰變一半，再經(jīng)半衰期后衰變完畢.教學(xué)中除應(yīng)注意結(jié)合具體問題讓學(xué)生清楚半衰期的物理含義外，還應(yīng)讓學(xué)生清楚：半衰期只對大量原子核衰變才有意義，因為放射性元素的衰變規(guī)律是統(tǒng)計規(guī)律，當(dāng)放射性原子核數(shù)少到統(tǒng)計規(guī)律不再起作用時，就無法判斷原子核的衰變情況了.相應(yīng)地，一些學(xué)生認(rèn)為可以由半衰期推算出放射性樣品完全衰變的壽命的想法也是錯誤的. ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識目標(biāo) 1.了解“天然放射現(xiàn)象”，知道放射現(xiàn)象的實質(zhì)是原子核的衰變； 2.知道三種天然放射線的基本性質(zhì)； 3.掌握原子核衰變規(guī)律，理解半衰期概念. 二、能力目標(biāo) 1.能夠熟練運用核衰變的規(guī)律寫出核衰變的核反應(yīng)方程； 2.能夠利用電場或磁場分離和鑒別三種天然放射線. 三、德育目標(biāo) 通過介紹天然放射性的發(fā)現(xiàn)過程，以及有關(guān)科學(xué)家的業(yè)績，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)精神與唯物史觀的教育. ●教學(xué)重點 三種射線的性質(zhì)及原子核的衰變規(guī)律. ●教學(xué)難點 半衰期的概念. ●教學(xué)方法 本節(jié)采用學(xué)生自學(xué)與教師點撥相結(jié)合的教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生的閱讀理解、歸納總結(jié)能力，進(jìn)而提高學(xué)生的自學(xué)能力. ●教學(xué)用具 投影儀及投影片. ●課時安排 1課時 ●教學(xué)過程 一、引入新課 既然原子是可分的，是由原子核和核外電子組成.那么原子核呢？它能否再分呢？人們是如何認(rèn)識它的？ 這就是本節(jié)課要研究的問題——天然放射現(xiàn)象原子核的衰變 二、新課教學(xué) （一）天然放射現(xiàn)象 ［教師點撥］請同學(xué)們帶著以下問題，自學(xué)本節(jié)教材的第一部分. （1）什么是天然放射現(xiàn)象？天然放射線有哪幾種？其性質(zhì)如何？ （2）利用什么方法可以將天然放射線分離開來，并加以鑒別？你還能想出與課本上不同的方法嗎？ （3）試列表比較各種放射線的質(zhì)量、電荷、貫穿本領(lǐng)和電離本領(lǐng). （4）元素的放射性是原子的性質(zhì)還是原子核的性質(zhì)？放射性的發(fā)現(xiàn)有何重要意義? ［學(xué)生活動］閱讀教材（5分鐘）并回答以上問題. ［教師歸納］ 1.天然放射現(xiàn)象：某些物質(zhì)自發(fā)地放射出看不見的射線的現(xiàn)象. 說明： （1）物質(zhì)自發(fā)放射射線的性質(zhì)，叫放射性. （2）放射性是某些物質(zhì)的天然存在的客觀屬性，與任何外界因素?zé)o關(guān). （3）具有放射性的元素叫放射性元素. （4）放射線是直接用肉眼看不見的，必須借助于專門的儀器來觀察（第三節(jié)專門學(xué)習(xí)） . 2.天然放射線的分離及其鑒別 方法一： 利用磁場（圖22—5） 方法二：利用電場（圖22—6） 圖22—6 3.天然放射線的性質(zhì)及其比較.（投影） 名稱 構(gòu)成 電量(e) 質(zhì)量(u) 射出速度 電離能力 貫穿本領(lǐng) α 氦核 +2 4 0.1c 最強(qiáng) 最弱 β 電子 -1 0() 0.9c 較強(qiáng) 較強(qiáng) γ 光子 0 0 c 最弱 最強(qiáng) 說明電離本領(lǐng)和貫穿本領(lǐng)之間的關(guān)系： α粒子是氦原子核，所以有很強(qiáng)的奪取其他原子的核外電子的能力，但以損失動能為代價換得原子電離，所以電離能力最強(qiáng)的α粒子，貫穿本領(lǐng)最弱；而γ光子不帶電，只有激發(fā)核外電子躍遷時才會將原子電離，所以電離能力最弱而貫穿本領(lǐng)最強(qiáng). 介紹或讓學(xué)生上網(wǎng)查閱法國物理學(xué)家貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象的經(jīng)歷，以及貝克勒耳為了試驗放射線的性質(zhì)，用試管裝入含鈾礦物插在上衣口袋中被射線灼傷，早期核物理學(xué)家多死于白血病(放射病)的故事.從而學(xué)習(xí)科學(xué)家為科學(xué)而獻(xiàn)身的精神. 4.放射性的特點、本質(zhì)及其意義 特點：與元素所處的化學(xué)狀態(tài)無關(guān) 本質(zhì)：是原子核的性質(zhì)，而不是原子的性質(zhì) 意義：表明原子核是可以變化的，原子核也有其內(nèi)部結(jié)構(gòu) （二）原子核的衰變 ［教師點撥］請同學(xué)們帶著以下問題，自學(xué)本節(jié)教材的第二部分. (1)放射性元素的原子核在放出α或β射線后，其自身發(fā)生什么樣的變化？舉例說明. (2)什么叫原子核的衰變？原子核的衰變有哪幾種情況？原子核衰變過程遵循什么規(guī)律？ (3)原子核在放出γ射線的過程中是否會發(fā)生衰變？為什么？ ［學(xué)生活動］閱讀教材（5分鐘），然后回答以上問題 ［教師歸納］ 1.原子核的衰變：某種元素原子核自發(fā)地放出射線粒子后，轉(zhuǎn)變成新的元素原子核的現(xiàn)象. 例：α衰變：23892U→23490Th+42He β衰變：23490Th→23491Pa+0-1e 2.衰變規(guī)律：電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量和動量都守恒 α衰變規(guī)律： MZX→M-4Z-2Y+42He（衰變產(chǎn)生的新核質(zhì)量數(shù)減4，電荷數(shù)減2） 說明：在放射性元素的原子核中，由于兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合的比較緊密，往往會作為一個整體從較大的原子核中被放射出來而形成α衰變. β衰變規(guī)律： MZX→MZ+1Y+0-1e （衰變產(chǎn)生的新核質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)加1） 說明：原子核內(nèi)雖然沒有電子，但核內(nèi)的的質(zhì)子和中子是可以相互轉(zhuǎn)化的.當(dāng)核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時同時要產(chǎn)生一個電子（10n→11H＋0-1e），這個電子從核內(nèi)釋放出來，就形成了β衰變. 3.γ輻射不引起原子核衰變 說明：γ射線是由于原子核在發(fā)生α衰變和β衰變時原子核受激發(fā)而產(chǎn)生的光（能量）輻射，通常是伴隨α射線和β射線而產(chǎn)生. （三）半衰期 ［教師點撥］放射性元素的衰變的快慢有什么規(guī)律？用什么物理量描述？ ［學(xué)生活動］閱讀教材第三部分 ［教師點撥］由大量原子構(gòu)成的放射性物質(zhì)，其原子核的衰變應(yīng)遵從一定的統(tǒng)計規(guī)律.實驗表明放射性元素衰變的速率（即單位時間發(fā)生衰變的核數(shù)目）與其核的總數(shù)目成正比.隨著放射性元素的衰變，其衰變速率越來越慢，但對某一種放射性元素來說，從某一時刻開始其原子核衰變掉一半所用的時間是一定的，物理學(xué)上把這個時間叫放射性元素的“半衰期”，用它來表示放射性元素衰變的快慢. 1.定義：放射性元素的原子核衰變掉一半所用時間，叫放射性元素的半衰期. 2.衰變規(guī)律： 圖22—7 m0－放射性元素的原有質(zhì)量；m－經(jīng)過n個半衰期的時間后剩余的放射性元素的質(zhì)量 則有m＝(1/2)nm0或m/m0＝(1/2)n 如：氡222（α衰變）→釙218的半衰期為3.8天，即大約每過3.8天就有一半的氡發(fā)生了衰變，經(jīng)過第一個半衰期（3.8天）剩有一半的氡，經(jīng)過第二個半衰期（3.8天），剩有1/4的氡，再經(jīng)過第三個半衰期（3.8天）剩有1/8的氡……如圖22—7所示 3.決定半衰期的因素：由原子核內(nèi)部的因素決定，只與元素的種類有關(guān)，跟元素所處的物理或化學(xué)狀態(tài)無關(guān). 如： 鐳226→氡222的半衰期為1620年 鈾238→釷234的半衰期為4.5億年 (四)課堂鞏固訓(xùn)練 ［例1］平衡下列衰變方程： 23492U→23090Th+( ) 23490U→23491Pa+( ) 答案：42He,0-1e ［例2］釷232（23490Th）經(jīng)過________次α衰變和________次β衰變，最后成為鉛208（20882Pb）. 分析：因為α衰變改變原子核的質(zhì)量數(shù)而β衰變不能，所以應(yīng)先從判斷α衰變次數(shù)入手： α衰變次數(shù)==6. 每經(jīng)過1次α衰變，原子核失去2個基本電荷，那么，釷核經(jīng)過6次α衰變后剩余的電荷數(shù)與鉛核實際的電荷數(shù)之差，決定了β衰變次數(shù)： β衰變次數(shù)==4. 答案：6，4 三、小結(jié) 本節(jié)研究了天然放射現(xiàn)象及其本質(zhì)，放射性是物質(zhì)的一種天然屬性，其實質(zhì)是原子核發(fā)生衰變.天然放射線有三種：α射線、β射線和γ射線.其性質(zhì)分別是高速運動的氦核流、電子流和光子流.原子核衰變的快慢用半衰期表示，它是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所用的時間，完全由原子核自身的性質(zhì)決定. 四、布置作業(yè) 練習(xí)二3，5 五、板書設(shè)計 （一）天然放射現(xiàn)象 1.天然放射現(xiàn)象：某些物質(zhì)自發(fā)地放射出看不見的射線的現(xiàn)象. 2.天然放射線的分離及其鑒別. 方法一：利用磁場 方法二：利用電場 3.三種放射線的性質(zhì)及其比較. α射線：氦核（42He），電離本領(lǐng)最強(qiáng)，貫穿本領(lǐng)最弱； β射線：電子（0-1e），電離本領(lǐng)較強(qiáng)，貫穿本領(lǐng)較強(qiáng) γ射線：光子，電離本領(lǐng)最弱，貫穿本領(lǐng)最強(qiáng) 4.放射性的特點、本質(zhì)及其意義 特點：與元素所處的化學(xué)狀態(tài)無關(guān) 本質(zhì)：是原子核的性質(zhì)，而不是原子的性質(zhì) 意義：表明原子核是可以變化的，原子核也有其內(nèi)部結(jié)構(gòu). （二）原子核的衰變 1.定義：某種元素原子核自發(fā)地放出射線粒子后，轉(zhuǎn)變成新的元素原子核的現(xiàn)象. 2.衰變規(guī)律：（電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量和動量都守恒） α衰變規(guī)律：MZX→M-4Z-2Y+42He β衰變規(guī)律：MZX→MZ+1Y+0-1e 3.γ輻射伴隨α衰變和β衰變，不引起原子核衰變. （三）半衰期 1.定義：放射性元素的原子核衰變掉一半所用時間，叫放射性元素的半衰期. 2.衰變規(guī)律：m＝(1/2)nm0或m/m0＝(1/2)n 3.決定半衰期的因素：由原子核內(nèi)部的因素決定，只與元素的種類有關(guān)，跟元素所處的物理或化學(xué)狀態(tài)無關(guān). 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計 1.能夠表明原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的事實是 A.天然放射現(xiàn)象 B. α粒子散射實驗 C.陰極射線 D.光電效應(yīng) 2.放射性元素鐳放出三種射線α、β、γ,正確的說法是 A.β射線的穿透能力最強(qiáng) B.γ射線是高速光子組成,不帶電 C.β粒子帶負(fù)電荷 D.α射線的電離本領(lǐng)最強(qiáng) 3.下面對某原子核衰變的描述，哪個是不對的 A.放出一個β粒子后，原子核的中子數(shù)減1，原子序數(shù)少1 B.放出一個α粒子后，原子核的質(zhì)量數(shù)少4，核電荷數(shù)少2 C.放出一個β粒子后，原子核的質(zhì)量數(shù)不變，核電荷數(shù)加1 D.22686Ra經(jīng)過5次α衰變和4次β衰變后變成20686Pb 4.一個原子核abX進(jìn)行一次α衰變后成為原子核cdY,然后又進(jìn)行一次β衰變,成為原子核fgZ:abXcdYfgZ它們的質(zhì)量數(shù)a、c、f及電荷數(shù)b、d、g之間應(yīng)有的關(guān)系是 A.a=f+4 B.c=f C.d=g-1 D.b=g+1 5.已知鉍210的半衰期是5天,則 A.有2 g鉍,經(jīng)過5天后還剩1 g B.有2 mol鉍,經(jīng)過5天后還剩1 mol C. 有21020個鉍核,經(jīng)過5天后還剩11020個 D.有2個鉍核,經(jīng)過5天后還剩一個 6.某放射性元素經(jīng)過m次α衰變和n次β衰變,變成一種新原子核,新原子核比原來的原子核的質(zhì)子減少了 A. 2m+n B. 2m－n C. m+n D. m－n 7.23290Th經(jīng)過6次α衰變和4次β衰變后變成一種穩(wěn)定的新元素,這新元素原子核的質(zhì)量數(shù)是________,新元素的原子核中有________個質(zhì)子, ________個中子 8.兩個放射性元素的樣品A和B，當(dāng)A有15 /16的原子核發(fā)生了衰變時，B恰好有63/64 的原子核發(fā)生了衰變，可知A和B的半衰期之比τA∶τB=________. 參考答案：1.A 2.BCD 3.A 4.ABCD 5.ABC 6.B 7.208 82 126 8.3∶2