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2019-2020年高中物理 第3章 原子核與放射性 3.2 原子核衰變及半衰期教案 魯科版選修3-5 ●課標要求 知識與 技能 1. 了解天然放射現(xiàn)象及其規(guī)律． 2．知道三種射線的本質(zhì)，以及如何利用磁場區(qū)分它們． 3．知道兩種衰變的基本性質(zhì)，并掌握原子核的衰變規(guī)律． 4．理解半衰期的概念． 過程與 方法 1.通過觀察，思考，討論，初步學會探究的方法． 2．通過對知識的理解，培養(yǎng)自學和歸納能力． 情感態(tài)度 與價值觀 1.樹立正確的，嚴謹?shù)目茖W研究態(tài)度． 2．樹立辨證唯物主義的科學觀和世界觀. ●課標解讀 1．知道天然放射現(xiàn)象，了解放射性及放射性元素的概念． 2．知道三種射線的本質(zhì)和特點，并能夠借助電、磁場分析判斷三種射線． 3．知道原子核衰變的規(guī)律，知道α衰變、β衰變的本質(zhì)，能根據(jù)電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒正確書寫衰變方程． 4．理解半衰期的概念，會應用半衰期公式解決相關(guān)問題．●教學地位 原子核衰變及半衰日期是教學的重點也是高考的熱點，教學中應注意以下幾點： 1．這一節(jié)可先讓學生了解天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)史，知道有些元素具有天然的放射射線的性質(zhì)，天然放射現(xiàn)象說明了原子核還有進一步的結(jié)構(gòu)，并且開始了對原子核變化規(guī)律的認識． 2．這些天然的放射線有三種，即α、β和γ射線，介紹它們分別是什么物質(zhì)，接著可向?qū)W生說明如何區(qū)分，著重介紹三種射線的特性． 3．應讓學生了解α衰變和β衰變，以及衰變過程中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律．可讓學生通過相應的練習來逐步掌握α衰變和β衰變以及兩個守恒規(guī)律．有關(guān)核反應的練習要注意從可靠的資料上選擇實際發(fā)生的核反應，不能隨意編造核反應方程來讓學生練習． 4．半衰期是了解原子核衰變規(guī)律的一個重要概念，也是學生比較難理解和掌握的問題．學生常犯的錯誤是，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．教學中除應注意結(jié)合具體問題讓學生清楚半衰期的物理含義外，還應讓學生清楚：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. ●新課導入建議 故事引入 公元1936年，一個名叫卡門的科學家發(fā)現(xiàn)并分離出一種分子，它是碳的一種同位素，分子量是14，因此被稱為14C.三年后，科學家柯夫經(jīng)過研究，指出宇宙射線和大氣作用后最終產(chǎn)物是14C，并計算出了其在大自然中的產(chǎn)生率． 經(jīng)過重重考驗，14C常規(guī)測年法被考古學家和地質(zhì)學家所接受，成為確定舊石器晚期以來人類歷史年代的有力工具．許多長久以來沒有解決的難題迎刃而解．我們知道，考古學與歷史學的重要結(jié)合點就在于確定遺址的年代．而14C測年技術(shù)則為這個結(jié)合點找到了一個突破口．這是考古學的一個重要革命性的技術(shù)． 同學們通過本節(jié)課的學習我們就能知道14C測年技術(shù)的原理是什么． ●教學流程設(shè)計 ??? ? ??? ? (步驟8：先由學生自己總結(jié)本節(jié)的主要知識，教師點評，安排學生課下完成【課后知能檢測】 課　標　解　讀 重　點　難　點 1.知道什么是放射性及放射性元素． 2．知道三種射線的本質(zhì)和特性． 3．知道原子核的衰變和衰變規(guī)律． 4．知道什么是半衰期. 1.知道三種射線的本質(zhì)和特性．(重點) 2．知道原子核的衰變、半衰期和衰變規(guī)律．(重點) 3．三種射線的本質(zhì)以及如何利用磁場區(qū)分它們，半衰期的描述．(難點) 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及放射線的本質(zhì) 1.基本知識 (1)定義：物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象． (2)物質(zhì)放出射線的性質(zhì)，叫做放射性． (3)具有放射性的元素，叫做放射性元素． (4)放射線的本質(zhì) ①α射線是高速運動的氮原子核，速度約為光速的0.1倍，電離作用強，穿透能力很弱． ②β射線是高速運動的電子流，速度約為光速的0.9倍，電離作用較弱，穿透本領(lǐng)較強． ③γ射線是波長很短的電磁波，它的電離作用很弱，但穿透能力很強． 2．探究交流 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雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)． 原子核的衰變 1.基本知識 (1)衰變：原子核由于放出α射線或β射線而轉(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?，放出β粒子的衰變?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 ①α衰變：X→He＋Y. ②β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)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做半衰期． ②元素半衰期的長短由原子核自身因素決定，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)． 2.思考判斷 (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．() 3．探究交流 有10個鐳226原子核，經(jīng)過一個半衰期有5個發(fā)生衰變，這樣理解對嗎？ 【提示】　不對.10個原子核數(shù)目太少，它們何時衰變是不可預測的，因為衰變規(guī)律是大量原子核的統(tǒng)計規(guī)律. 三種射線的本質(zhì)特征 【問題導思】　 1．三種射線都是從原子核內(nèi)部發(fā)出，都是原子核的組成部分嗎？ 2．三種射線的性質(zhì)能借助電場或磁場區(qū)分嗎？ 3．β射線是原子核外面的電子躍遷出來形成的嗎？ 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 0.9c 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 穿透幾毫 米的鋁板 最強 穿透幾厘 米的鉛板 對空氣的 電離作用 很強 較弱 很弱 在空氣中 的徑跡 粗、短、直 細、較長、曲折 最長 通過膠片 感光 感光 感光 　 1．元素具有放射性是由原子核本身的因素決定的，跟原子所處的物理或化學狀態(tài)無關(guān)．不管該元素是以單質(zhì)的形式存在，還是和其他元素形成化合物，或者對它施加壓力，或者升高它的溫度，它都具有放射性． 2．三種射線都是高速運動的粒子，能量很高，都來自于原子核內(nèi)部，這也使我們認識到原子核蘊藏有巨大的核能，原子核內(nèi)也有極其復雜的結(jié)構(gòu)． 　(xx浙江高考)關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A．α射線是由氦原子核衰變產(chǎn)生 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．通過化學反應不能改變物質(zhì)的放射性 【審題指導】　解答本題時應注意以下兩點： (1)天然放射現(xiàn)象中三種射線的產(chǎn)生機理； (2)影響天然放射現(xiàn)象的因素． 【解析】　α射線是在α衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是氦核，A錯誤；β射線是在β衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是高速電子流，B錯誤；γ射線是發(fā)生α衰變和β衰變時原子核發(fā)生能級躍遷而產(chǎn)生的電磁波，C錯誤；物質(zhì)的放射性由原子核內(nèi)部自身的因素決定，與原子所處的化學狀態(tài)和外部條件無關(guān)，D正確． 【答案】　D 1．(xx上海高考)在軋制鋼板時需要動態(tài)地監(jiān)測鋼板厚度，其檢測裝置由放射源、探測器等構(gòu)成，如圖3－2－1所示．該裝置中探測器接收到的是(　　) 圖3－2－1 A．X射線　　　　　　 B．α射線 C．β射線 D．γ射線 【解析】　γ射線的穿透能力最強，可穿透鋼板，所以該裝置中探測器接收到的是γ射線，D正確． 【答案】　D 放射性元素的衰變 【問題導思】　 1．所有的原子核都能發(fā)生衰變嗎？ 2．原子核衰變的快慢和什么因素有關(guān)？ 3．一個原子核衰變時，能同時放出α、β、γ三種射線嗎？ 1．衰變方程通式 α衰變：X→Y＋He β衰變：X→Y＋ 0－1e 2．α衰變和β衰變的實質(zhì) (1)α衰變：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拋射出來，這就是放射性元素發(fā)生的α衰變現(xiàn)象． (2)β衰變：原子核中的中子轉(zhuǎn)化成一個質(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)． 3．衰變次數(shù)的計算方法 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， n＝，m＝＋Z′－Z. 4．半衰期公式 用Tτ表示某放射性元素的半衰期，衰變時間用t表示，如果原來的質(zhì)量為M，剩余的質(zhì)量為m，經(jīng)過個半衰期，該元素的剩余質(zhì)量變?yōu)閙＝M() 若用N和n分別表示衰變前后的原子數(shù)，衰變公式又可寫成n＝N() 　 1．由于原子核是在發(fā)生α衰變或β衰變時有多余能量而放出γ射線，故不可能單獨發(fā)生γ衰變． 2．在一個原子核的衰變中，可能同時放出α和γ射線，或β和γ射線，但不可能同時放出α、β和γ三種射線，放射性元素放出的α、β和γ三種射線，是多個原子核同時衰變的結(jié)果． 3．半衰期是一個統(tǒng)計概念 描述的是大量原子核的集體行為，個別原子核經(jīng)過多長時間衰變無法預測．對個別或極少數(shù)原子核，無半衰期而言． 　釙210經(jīng)α衰變成為穩(wěn)定的鉛，其半衰期為138天．質(zhì)量為64 g的釙210經(jīng)過276天后，還剩多少克釙？生成了多少克鉛？寫出核反應方程． 【審題指導】　解此題關(guān)鍵有兩點： (1)α衰變的通式； (2)半衰期公式m＝M()的應用． 【解析】　核反應方程為：Po―→Pb＋He 276天為釙的2個半衰期，還剩的釙沒有衰變，故剩余釙的質(zhì)量為： mPo＝64 g＝16 g 另外的釙衰變成了鉛，即發(fā)生衰變的釙的質(zhì)量為64 g＝48 g 則生成鉛的質(zhì)量為：mPb＝48 g＝47.09 g 故鉛的質(zhì)量為47.09 g. 【答案】　16 g　47.09 g　Po―→Pb＋He 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際問題，首先要理解半衰期的統(tǒng)計意義，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． 2．一個Rn衰變成Po并放出一個粒子，其半衰期為3.8天.1 gRn經(jīng)過7.6天衰變掉Rn的質(zhì)量，以及Rn衰變成Po的過程放出的粒子是(　　) A．0.25 g，α粒子　　　　　 B．0.75 g，α粒子 C．0.25 g，β粒子 D．0.75 g，β粒子 【解析】　經(jīng)過了兩個半衰期，1 gRn剩下了0.25 g，衰變了0.75 g，根據(jù)核反應的規(guī)律，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)不變，放出的應該是α粒子． 【答案】　B 綜合解題方略——巧解三種射線在電場、磁場中的軌跡 　　 　將α、β、γ三種射線分別射入勻強磁場和勻強電場，圖中表示的射線偏轉(zhuǎn)情況正確的是(　　) 【審題指導】　把握三種射線的本質(zhì)，根據(jù)在電場、磁場中的受力情況判斷其偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)程度． 【規(guī)范解答】　已知α粒子帶正電，β粒子帶負電，γ射線不帶電，根據(jù)正、負電荷在磁場中運動受洛倫茲力方向和正、負電荷在電場中受電場力方向，可知【答案】　AD 1．三種射線在電場、磁場中時，明確電場、磁場的方向、通過的射線是否帶電及帶電的性質(zhì)，判斷其受力方向．受力方向確定后，則射線的軌跡就能確定． 2．掌握三種射線的穿透本領(lǐng)，通過其穿透本領(lǐng)的強弱來判定是哪種射線(α射線＜β射線＜γ射線)． 3．要使α射線、β射線在電磁場中運動的軌跡為直線，必須滿足粒子受到的安培力和洛倫茲力大小相等，方向相反． 【備課資源】(教師用書獨具) 1．放射性同位素14C可用來推算文物的“年齡”.14C的含量每減少一半要經(jīng)過約5 730年．某考古小組挖掘到一塊動物骨骼，經(jīng)測定14C還剩余1/8，推測該動物生存年代距今約為(　　) A．5 7303年　　　　　 B．5 7304年 C．5 7306年 D．5 7308年 【解析】　這道題目考查半衰期的知識，可由剩下物質(zhì)質(zhì)量計算公式得出答案．由題目所給條件得＝()nM，n＝3，所以該動物生存年代距今應該為3個14C的半衰期，即：t＝3τ＝5 7303年，故正確答案為A. 【答案】　A 2.U衰變?yōu)镽n要經(jīng)過m次α衰變和n次β衰變，則m、n分別為(　　) A．2,4　　 B．4,2　　C．4,6　　 D．16,6 【解析】　由于β衰變不改變質(zhì)量數(shù)，則m＝＝4，α衰變使電荷數(shù)減少8，但由U衰變?yōu)镽n，電荷數(shù)減少6，說明經(jīng)過了2次β衰變，故B正確． 【答案】　B 1．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了(　　) A．原子不可再分　　　 B．原子的核式結(jié)構(gòu) C．原子核還可再分 D．原子核由質(zhì)子和中子組成 【解析】　貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，說明了原子核也是有著復雜的結(jié)構(gòu)的．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了原子核還可再分． 【答案】　C 2．(xx泉州檢測)關(guān)于放射性元素的半衰期，下列說法正確的是(　　) A．是放射源質(zhì)量減少一半所需的時間 B．是原子核半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間 C．與外界壓強和溫度有關(guān)，與原子的化學狀態(tài)無關(guān) D．可以用于測定地質(zhì)年代、生物年代等 【解析】　原子核的衰變是由原子核的內(nèi)部因素決定的，與外界環(huán)境無關(guān)．原子核的衰變有一定的速率，每隔一定的時間即半衰期，原子核就衰變掉總數(shù)的一半．不同種類的原子核，其半衰期也不同，若開始時原子核數(shù)目為N0，經(jīng)時間t剩下的原子核數(shù)目為N，半衰期為T1/2，則N＝N0().若能測出N與N0的比值，就可求出t，依此公式可測定地質(zhì)年代、生物年代等．故正確答案為B、D. 【答案】　BD 3．(xx上海高考)天然放射性元素放出的三種射線的穿透能力實驗結(jié)果如圖3－2－2所示，由此可推知(　　) 圖3－2－2 A．②來自于原子核外的電子 B．①的電離作用最強，是一種電磁波 C．③的電離作用較強，是一種電磁波 D．③的電離作用最弱，屬于原子核內(nèi)釋放的光子 【解析】　由三種射線的特性可知，①應為α射線，它的電離作用最強，穿透能力很弱，且為氦原子核；②為β射線，它來自于原子核內(nèi)部，是中子變?yōu)橘|(zhì)子時放出的電子；③是γ射線，它是由于元素發(fā)生α衰變或β衰變時原子核處于激發(fā)狀態(tài)而放出的能量，是頻率很高的電磁波，它的電離作用最弱，穿透能力很強，由此可知D正確． 【答案】　D 4．有甲、乙兩種放射性元素，它們的半衰期分別是τ甲＝15天，τ乙＝30天，它們的質(zhì)量分別為M甲、M乙，經(jīng)過60天這兩種元素的質(zhì)量相等，則它們原來的質(zhì)量之比M甲∶M乙是(　　) A．1∶4　　 B．4∶1　　 C．2∶1　　 D．1∶2 【解析】　對60天時間，甲元素經(jīng)4個半衰期，乙元素經(jīng)2個半衰期，由題知M甲4＝M乙2，則M甲∶M乙＝4∶1，故B正確． 【答案】　B 5.U經(jīng)一系列的衰變后變?yōu)镻b. (1)求一共經(jīng)過幾次α衰變和幾次β衰變？ (2)Pb與U相比，求質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)各少多少？ (3)寫出這一衰變過程的方程． 【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)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衰變中子數(shù)減少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)核反應方程為U→Pb＋8He＋6e. 【答案】　(1)8　6 (2)10　22 (3)U→Pb＋8He＋6e.