5.2 放射性元素的衰变（学案）——2022-2023学年高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

5.2 放射性元素的衰变
学习目标
1、知道放射现象的实质是原子核的衰变；知道两种衰变的基本性质，并掌握原子核的衰变规律。
2、理解半衰期的概念。
3、知道什么是核反应，会写出人工转变方程。知道什么是放射性同位素，人造和天然放射性物质的主要不同点。
4、了解放射性在生产和科学领域的应用。知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防范放射线的措施，建立防范意识。
重点难点
1、原子核的衰变规律及半衰期。（重点）
2、人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律。（重点）
3、半衰期描述的对象。（难点）
自主探究
一、原子核的衰变
1、衰变
原子核放出α粒子或β粒子，变成了一种新的原子核，这种变化叫做原子核的衰变。
2、衰变的类型
原子核的自发衰变有两种，一种是α衰变，一种是β衰变．而γ射线是伴随着α衰变或β衰变产生的。
3、衰变方程
α衰变：U→Th＋He
β衰变：Th→Pa＋e
4、衰变的规律
（1）遵守三个守恒：原子核衰变时遵守电荷数守恒，质量数守恒，动量守恒。
（2）任何一种放射性元素只有一种放射性，不能同时既有α放射性又有β放射性(伴随的γ射线除外)。
二、半衰期
1、定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫做这种元素的半衰期。
2、特点
（1）放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。不同元素有不同的半衰期。
（2）半衰期是大量原子核衰变的统计规律。
三、放射性的应用与防止
1、核反应
（1）定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。
（2）核反应的规律：在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒，还遵循动量守恒。
（3）原子核的人工转变：原子核在某些粒子的轰击下生成新的原子核，这种核反应称为人工转变。
2、人工放射性同位素
天然放射性同位素种类很少，通过人工转变，现在每种元素都有了自己的放射性同位素。与天然的相比，它们有以下优点：放射强度容易控制，还可以制造出各种所需要的形状，半衰期比天然的短得多，因此放射性废料容易处理。
3、放射性同位素的应用
应用共有两个方面，一方面是应用它的射线，另一方面是作示踪原子。
4、辐射与安全
为了防止有害的放射性对人类和自然的破坏，人们采用了有效的防范措施。在生活中对那些有可能有放射性的物质要有防范意识，尽可能远离放射源。
探究思考
一、原子核的衰变
1、衰变规律：原子核衰变前后的电荷数和质量数都守恒。
2、衰变方程示例
α衰变：X→Y＋He；
β衰变：X→Y＋e。
3、α衰变和β衰变的实质
(1)α衰变：在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较牢固，有时会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，这就是放射性元素发生的α衰变现象。
(2)β衰变：原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即β粒子，使核电荷数增加1。但β衰变不改变原子核的质量数。
4、两类核衰变在磁场中的径迹：静止核在磁场中自发衰变，其轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒定律m1v1＝m2v2和r＝知，半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子，其特点对比如下表：
5、衰变次数的确定：设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后变成稳定的新元素 Y，则表示该过程的方程为
X→Y＋nHe＋me。
根根电荷数守恒和质量数守恒可列方程：
A＝A′＋4n，
Z＝Z′＋2n－m。
【典例一】1、静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核放出一个粒子,粒子的速度方向与磁场方向垂直测得粒子与反冲核做圆周运动的轨迹半径之比为30:1,如图所示。则下列说法正确的是( )
A.反冲核的原子序数为62
B.原放射性元素的原子序数是62
C.反冲核与粒子的速率之比为1:30
D.粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反
解题思路：衰变过程遵守动量守恒定律，所以反冲核与粒子的动量大小相等，方向相反，根据可知反冲核的核电荷数为60，则原放射性元素的原子序数为62，故A错误，B、D正确；反冲核与粒子的动量大小相等，方向相反，所以它们的速率和质量成反比，由于质量之比未知，所以速率之比也不确定，故C错误。
答案：BD
二、放射性元素衰变的三条规律
1、遵循质量数守恒和电荷数守恒。
2、一次α衰变使原子核质子数、中子数均减少2个，核子数减少4个。
3、一次β衰变使原子核中子数减少1，质子数增加1，核子数(质量数)不变。
【典例二】2、的衰变有多种途径，其中一种途径是先衰变成，然后可以经一次衰变变成（X代表某种元素），也可以经一次衰变变成，最后都衰变变成，衰变路径如图所示，下列说法正确的是( )
A.过程①是β衰变，过程⑧是α衰变；过程②是β衰变，过程④是α衰变
B.过程①是β衰变，过程③是α衰变；过程②是α衰变，过程④是β衰变
C.过程①是α衰变，过程③是β衰变；过程②是β衰变，过程④是α衰变
D.过程①是α衰变，过程③是β衰变；过程②是α衰变，过程④是β衰变
解题思路：β衰变产生电子，质量数不变，核电荷数增加1，α衰变产生氦核，质量数减少4，核电荷数减少2；过程①中的质量数不变，故为β衰变；过程③的质量数减少4，故为α衰变；过程②的核电荷数减少2，故为α衰变，过程④的核电荷数增加1，故为β衰变，选项B正确。
答案： B
三、半衰期
1、半衰期的理解：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射元素具有的衰变速率一定，不同元素半衰期不同，有的差别很大。
2、半衰期公式：。式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量，N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期。
3、适用条件：半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核。
四、放射性同位素及其应用
1、放射性同位素的分类
（1）天然放射性同位素
（2）人工放射性同位素
2、人工放射性同位素的优势
（1）放射强度容易控制．
（2）可制成各种所需的形状．
（3）半衰期短，废料易处理．
3、放射性同位素的主要应用
（1）利用它的射线
①利用γ射线的贯穿本领，可用γ射线探伤等。
②利用α射线的电离作用很强，可消除有害静电。
③利用γ射线对生物组织的物理和化学作用，可用来使种子发生变异，培育良种、灭菌消毒。
④利用放射线的能量，在医疗上，常用以抑制甚至杀死病变组织，还可以轰击原子核，诱发核反应。
（2）作示踪原子
①在农业生产中，探测农作物在不同的季节对元素的需求。
②在工业上，检查输油管道上的漏油位置。
③在生物医疗上，可以检查人体对某元素的吸收情况，也可以帮助确定肿瘤的部位和范围。
随堂训练
1、在一个原子核衰变为一个原子核的过程中,发生衰变的次数为( )
A.6次 B.10次 C.22次 D.32次
答案：A
2、放射性元素氡经α衰变成为钋，半衰期约为3.8天；但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素的矿石，其原因是( )
A.目前地壳中的主要来自其他放射性元素的衰变
B.在地球形成的初期，地壳中的含量足够高
C.当衰变产物积累到一定量以后，的增加会减慢的衰变进程
D.主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期
答案：A
3、的衰变有多种途径，其中一种途径是先衰变成，然后可以经一次衰变变成（X代表某种元素），也可以经一次衰变变成，最后都衰变变成，衰变路径如图所示，下列说法正确的是( )
A.过程①是β衰变，过程⑧是α衰变；过程②是β衰变，过程④是α衰变
B.过程①是β衰变，过程③是α衰变；过程②是α衰变，过程④是β衰变
C.过程①是α衰变，过程③是β衰变；过程②是β衰变，过程④是α衰变
D.过程①是α衰变，过程③是β衰变；过程②是α衰变，过程④是β衰变
答案：B
4、由于放射性元素的半衰期很短,所以在自然界一直未被发现,只是在使用人工的方法制造后才被发现,已知经过一系列α衰变和β衰变后变成,下列论断中正确的是( )
A.的原子核比的原子核少28个中子
B.的原子核比的原子核少18个中子
C.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变
D.衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变
答案：BC
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