第2节 原子核衰变及半衰期
A级 必备知识基础练
1.核废料具有很强的放射性,需要妥善处理。下列说法正确的是( )
A.放射性元素经过两个完整的半衰期后,将完全衰变殆尽
B.原子核衰变时电荷数守恒,质量数不守恒
C.改变压力、温度或浓度,将改变放射性元素的半衰期
D.过量放射性辐射对人体组织有破坏作用,但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
2.目前,在居室装修中经常用到的花岗岩、大理石等装修材料,都不同程度地含有放射性元素,装修污染已经被列为“危害群众最大的五种环境污染”之一。有关放射性元素的下列说法正确的是( )
A.氡的半衰期为3.8天,若取4个氡核,经过7.6天就只剩下一个氡原子核了
B.发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了4个
C.β衰变所释放的电子是原子核中的中子转化为质子所产生的
D.γ射线一般伴随着α或β射线产生,在这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,电离作用也最强
3.下列表示放射性元素碘131I)β衰变的方程是( )
AISbHe
BIXee
CIIn
DITeH
4.碘131的半衰期约为8天。若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有( )
A. B.
C. D.
5.某放射性元素经过11.4天有的原子核发生了衰变,该元素的半衰期为( )
A.11.4天
B.7.6天
C.5.7天
D.3.8天
6.(2023重庆渝中高二期末)“玉兔二号”月球车携带具有放射性的同位素钚Pu,Pu不断衰变,释放能量为设备供热,衰变方程为PuXU,半衰期为88年。则下列说法正确的是( )
A.X为He
B.若环境温度升高,则Pu衰变得更快
C.该衰变为β衰变
D.若有100个Pu,则经过88年,一定还剩下50个Pu
7.(2023河北邯郸高二期中)放射性同位素的应用非常广泛,几乎遍及各行各业。钴60Co)的半衰期为5.27年,它发生β衰变,变成镍60Ni),而Th则会经一系列α、β衰变后生成Rn。下列说法正确的是( )
A.10 g钴60经过10.54年全部发生衰变
B.钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收
CTh原子核比Rn原子核的中子数多8
DTh衰变成Rn一共经过2次α衰变和3次β衰变
B级 关键能力提升练
8.最近几年,原子核科学家在超重元素的探测方面取得重大进展,1996年科学家们在研究某两个重离子结合成超重元素的反应时,发现生成的超重元素的核X经过6次α衰变后的产物是Fm。由此,可以判定生成的超重元素的原子序数和质量数分别是( )
A.124、259 B.124、265
C.112、265 D.112、277
9.(2022全国甲卷)两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0,在t=0时刻这两种元素的原子核总数为n,在t=2t0时刻,尚未衰变的原子核总数为,则在t=4t0时刻,尚未衰变的原子核总数为( )
A. B.
C. D.
10.(2023陕西西安模拟Th发生衰变的方程是ThPae,质量为m0的Th经过时间t后剩余Th的质量为m,其-t图线如图所示。下列关于Th衰变的说法正确的是( )
A.衰变过程中电荷数守恒,质量也守恒
B.从图中可以得到Th的半衰期为24.00 d
C.β衰变的实质是核内的质子捕获一个电子变成了中子
D.当压强增大、温度升高时Th的半衰期会变大
11.恒星向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应,当温度达到1×108 K时,可以发生“氦燃烧”。
(1)完成“氦燃烧”的核反应方程He+ Be+γ。
(2Be是一种不稳定的粒子,其半衰期为2.6×10-16 s。一定质量的Be,经7.8×10-16 s后所剩Be占开始时的 。
12.(2023河南周口高二期末)自然界中一些放射性重元素往往会发生一系列连续的衰变,形成放射系。如图是从U开始的锕系图。纵坐标N表示 ,横坐标Z表示核电荷数,从U衰变到Po,有 次α衰变, 次β衰变。
第2节 原子核衰变及半衰期
1.D 半衰期是统计概念,指大量放射性元素的原子核衰变一半所用的时间,其表达式可写成N=N0,由此可知选项A错误;原子核衰变时核电荷数守恒,质量数守恒,选项B错误;放射性元素的半衰期与压力、温度、浓度等外部条件无关,选项C错误。
2.C 半衰期是对大量原子核衰变的统计规律,对于单个是不成立的,故A错误;根据质量数和电荷数守恒可知,发生α衰变放出He,导致质子数减小2,质量数减小4,故中子数减小2,故B错误;发生β衰变的过程是一个中子变为质子同时放出一个电子,故C正确;根据α、β、γ三种射线特点可知,γ射线穿透能力最强,电离作用最弱,α射线电离作用最强,穿透能力最弱,故D错误。
3.B A选项是α衰变过程,故A错误;β衰变的特点是放出电子,而B选项既满足质量数守恒又满足电荷数守恒,故B正确;C、D中放出的是中子和质子,不符合β衰变的特点,故C、D错误。
4.C 经过32天即4个半衰期,由M=m·可知,碘131的含量变为m'=,故C正确。
5.D 由于经过了11.4天,还有没有衰变,由半衰期计算公式m=m0可说明该放射性元素经过了3个半衰期,即可算出半衰期是3.8天,故D正确。
6.A 根据电荷数和质量数守恒,可得该衰变方程为PuHeU,X为He,该衰变为α衰变,A正确,C错误;放射性元素的半衰期是元素本身的属性,与环境温度无关,B错误;半衰期为统计规律,对少量核子来说不成立,D错误。
7.C 10.54年为两个半衰期,则剩下的钴60为原来的,没有全部衰变,故A错误;钴60半衰期太长,且衰变放出的高能粒子对人体伤害太大,不能作为药品的示踪原子,故B错误Th原子核的质量数为232,质子数为90,则中子数为142Rn原子核的质量数为220,质子数为86,则中子数为134,可知Th原子核比Rn原子核的中子数多8,故C正确Th衰变成Rn,质量数减少12,电荷数减少4,则经过3次α衰变,2次β衰变,故D错误。
8.D 由电荷数守恒得Z=100+12=112,由质量数守恒得A=253+24=277,故D正确。
9.C 设半衰期为t0的原子核总数为n1,半衰期为2t0的原子核总数为n2,n=n1+n2,经过2t0,尚未衰变的原子核总数为n=n1+n2,经过时间4t0,尚未衰变的原子核总数为n'=n1+n2,解得n'=,选项C正确,A、B、D错误。
10.B 衰变过程中电荷数守恒、质量数守恒但质量不守恒,故A错误;由图可知从恰好衰变了一半,根据半衰期的定义可知半衰期T=38.04d-14.04d=24.00d,故B正确;β衰变的实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子,故C错误;半衰期与物理状态、化学状态无关,压强增大、温度升高都不会改变半衰期,故D错误。
11.答案 (1He (2)(或12.5%)
解析 (1)根据核反应方程的电荷数守恒、质量数守恒可知核反应方程应为HeHeBe+γ。
(2)==3=。
12.答案 中子数 5 2
解析 由题图可看出U横坐标的数值与纵坐标的数值之和等于其原子的质量数,横坐标Z表示原子的核电荷数,则纵坐标N表示的是中子数;由题图知从U衰变到Po,质子数减少8,中子数减少12,设经过n次α衰变,m次β衰变,有4n=20,2n-m=8,解得n=5,m=2。(共47张PPT)
第5章
第2节 原子核衰变及半衰期
课标要求
1.知道放射现象的实质是原子核的衰变。(物理观念)
2.了解半衰期的概念,知道半衰期的统计意义,能利用半衰期进行简单的计算。(物理观念)
3.知道两种衰变的性质,能运用衰变规律写出衰变方程。(物理观念)
4.了解放射性在生产和科学领域的应用和防护。(科学态度与责任)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目录索引
学以致用·随堂检测全达标
基础落实·必备知识全过关
一、原子核的衰变
1.原子核的衰变:原子核因释放出α、β这样的射线(粒子流)而转变成
的变化。
2.衰变类型:放出α粒子的衰变称为 ,放出β粒子的衰变称为 ,而γ射线是伴随α射线或β射线产生的。
3.衰变方程
(1)铀核发生α衰变转变成钍核: 。
(2)钍核发生β衰变转变成镤核: 。
新核
α衰变
β衰变
二、半衰期
1.定义:放射性元素的原子核有 发生衰变需要的时间。
3.适用条件:不适用于少数原子核的衰变。半衰期描述的是大量原子核发生衰变的 ,大量的原子核群体中,经过一定的时间将有一定比例的原子核发生衰变。但对于一个特定的原子核,我们不知道它将何时发生衰变,只知道它发生衰变的概率。
半数
半衰期
统计规律
4.特点
(1)不同元素的放射性半衰期一般 。
(2)元素半衰期的长短只由原子核 决定,一般与原子核所处的物理、化学状态无关。无论放射性元素所处的温度和压强如何变化、是以单质还是化合物的形式存在,原子的结构都不会受到影响,它的半衰期不会改变。
不同
自身因素
三、放射性的应用
1.利用半衰期非常稳定这一特点,可以通过测量其衰变程度来推断时间。
2.在某种元素里掺进一些该元素的放射性 ,用仪器探测它放出的射线,可以查明这种元素的行踪,具有这种用途的放射性 称为示踪原子。
3.利用γ射线的穿透本领可以测厚度等,还可以用于照射种子培育优良品种等。
同位素
同位素
四、放射性污染和防护
放射性污染主要来自核爆炸、核泄漏和医疗照射。过量的放射线对人体和其他生物体有很强的杀伤作用。为避免放射线的危害,要尽量减少受辐射时间,采取必要的防范措施。
想一想放射性元素衰变有一定的速率,镭226变为氧222的半衰期为1 620年。有人说:10克经过1 620年有一半镭226发生衰变,镭226还有5克,再经过1 620年另一半镭也发生了衰变,镭226就没有了。这种说法对吗 为什么
提示 不对,放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间叫作这种元素的半衰期,经过第二个1 620年镭226还有2.5克。
易错辨析 判一判
(1)原子核发生衰变,变成了一种新的原子核。( )
(2)原子核衰变时质量是守恒的。( )
(3)β衰变时放出的电子就是核外电子。( )
(4)半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律。( )
(5)对放射性元素加热时,其半衰期缩短。( )
√
×
提示 原子核衰变时质量亏损。
×
提示 β衰变时放出的电子不是核外电子,是中子放出一个电子变成质子。
√
×
提示 温度不影响元素的半衰期。
即学即用 练一练
1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子。发现质子的核反应方
A.8和17 B.7和17
C.6和14 D.10和15
A
解析 根据核反应电荷数守恒2+7=1+x,核反应质量数守恒4+14=1+y,得x=8,y=17,故核反应方程为 ,故A正确,B、C、D错误。
重难探究·能力素养全提升
探究一 原子核的衰变
情境探究
(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数如何变化 为什么
(2)当发生β衰变时,新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少 新核在元素周期表中的位置怎样变化
要点提示 (1)α衰变时,原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子抛射出来,则核内的中子数和质子数都减少2个。
(2)β衰变时,核内的一个中子变成一个质子留在核内,同时放出一个电子,则核电荷数增加1,新核在元素周期表中的位置后移一位。
知识归纳
1.对原子核衰变的理解
2.衰变方程的书写
(1)核反应过程一般是不可逆的,所以核反应只能用箭头,不能用等号。
(2)核反应的生成物一定要以实验为基础,不能凭空只依据两个守恒而杜撰出不符合实际的生成物来书写核反应方程。
(3)核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒,核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能。
(4)当放射性物质发生连续衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰变,同时伴随着γ辐射。
质量数守恒,质量有亏损
应用体验
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变
(3)写出这一衰变过程的方程。
恒和电荷数守恒可得
238=206+4x①
92=82+2x-y②
联立①②解得x=8,y=6
即一共经过8次α衰变和6次β衰变。
规律方法 确定衰变次数的方法
(3)根据电荷数和质量数守恒列方程
A=A'+4n
Z=Z'+2n-m
针对训练1
关于放射性现象的下列说法正确的是( )
A.原子核发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了4
B.原子核发生α衰变时,生成核与α粒子的总质量等于原来的原子核的质量
C.原子核发生β衰变时,生成核的质量数比原来的原子核的质量数多1
D.单质的铀238与化合物中的铀238的半衰期是相同的
D
解析 α衰变时,电荷数少2,质量数少4,核子数少4,故中子数少2,故A错误;原子核发生α衰变时,要释放能量,故质量要发生亏损,故B错误;原子核发生β衰变后电荷数增加1,质量数不变,故C错误;半衰期是对大量放射性元素的统计规律,由元素本身决定,与原子核所处环境、状态无关,故D正确。
探究二 半衰期
情境探究
你知道考古学家根据什么推断古化石的年代吗
要点提示 只要测出古化石中碳14的含量就可以根据碳14的半衰期推断古化石的年龄。
知识归纳
1.对半衰期的理解
半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量。不同的放射性元素,半衰期不同,有的差别很大。
2.半衰期公式 ,其中,T为半衰期,M、N是衰变前的质量和原子数,m、n是衰变后尚未发生衰变的原子质量和原子数。
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,因此,半衰期只适用于大量的原子核的衰变。
4.影响因素
半衰期是放射性元素的一种性质,只与原子核本身的性质有关,其衰变的快慢是由原子核内部因素决定的,与其所处的化学状态和外部条件无关,即一种放射性元素,不管它以单质存在还是以化合物的形式存在,或者对它加压,或者提高它的温度,都不能改变其半衰期。
5.应用
利用半衰期非常稳定的特点,可以测算其衰变过程,推算时间等。
画龙点睛 (1)半衰期由核内部自身的因素决定,与原子所处的化学状态和外部条件都无关。
(2)半衰期是一个统计规律,适用于对大量原子核衰变的计算,对于个别少数原子核不适用。
应用体验
典例2 医学影像诊断设备PET/CT是诊断COVID-19的一种有效手段,其原理是借助于示踪剂可以聚集到病变部位的特点来发现疾病。该方法常利
B
针对训练2
(2021广东卷)科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26。铝26的半衰期为72万年,其衰变方程为 。下列说法正确的是( )
A.Y是氦核
B.Y是质子
C.再经过72万年,现有的铝26衰变一半
D.再经过144万年,现有的铝26全部衰变
C
解析 根据电荷数守恒和质量数守恒,衰变方程为 ,Y是正电子,选项A、B错误;根据半衰期的定义,再经过72万年,现有的铝26衰变一半,再经过144万年,现有的铝26衰变后,剩有原来的四分之一,选项C正确,选项D错误。
探究三 放射性同位素及其应用
情境探究
人工放射性同位素的放射强度易于控制,它的半衰期比天然放射性物质短得多,因此在生产和科学领域得以广泛的应用。
(1)能用α射线来测量金属板的厚度吗
(2)γ射线照射食品延长保存期的原理是什么
要点提示 (1)不能。
(2)用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌,抑制食品腐败,延长保存期。
知识归纳
1.放射性同位素
具有放射性的同位素,叫作放射性同位素。
2.放射性同位素的应用
(1)利用放射性同位素放出的射线
①探伤:射线穿透金属部件时,如果遇到砂眼、裂痕等伤痕,接收到的射线将与正常处不同,因此可利用放射性同位素放出射线探伤。
②测厚:射线穿透某些物质的本领与物质的厚度、密度有关,因此可用射线来检查某些产品的厚度,技术上可用作自动控制。
③利用射线电离能力,可以使空气电离,除去纺织车间的静电,或制成报警器。
④辐照:利用射线照射,可以杀死癌细胞,用以治病;用射线照射植物,引起植物变异,用以育种等。
(2)作示踪原子
由于放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质,如果在某种元素里掺进一些放射性同位素,那么元素无论走到哪里,它的放射性同位素也经过同样的过程。而放射性同位素不断地放出射线,再用仪器探测这些射线,即可知道元素的行踪,这种用途的放射性同位素叫作示踪原子。
3.人工放射性同位素的优点
(1)资源丰富,天然放射性元素不过40多种,但人工放射性同位素已达3 000多种,目前每种元素都有了自己的放射性同位素。
(2)和天然放射性物质相比,人工放射性同位素的放射强度容易控制,还可以制成各种所需的不同形状,特别是,它的半衰期比天然放射性物质短得多,因此放射性废料容易处理。由于这些优点,所以在生产和科研中凡是用到射线时,用的都是人工放射性同位素,而不用天然放射性物质。
应用体验
典例3 科研人员正在研制一种新型镍铜电池,它采用半衰期长达100年的放射性同位素镍 和铜作为电池的正负极,利用镍63发生β衰变释放电子给铜片,为负载提供电能。下面说法正确的是( )
C.提高温度,增大压强可以改变镍63的半衰期
D.经过200年,该电池中的镍将全部变成其他金属
B
针对训练3
正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理是:将放射性同位素氧15注入人体,参与人体的代谢过程。氧15在人体内衰变放出正电子,与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子,被探测器探测到,经计算机处理后产生清晰的图像。根据PET原理,回答下列问题:
(1)将放射性同位素氧15注入人体,氧15的主要用途是( )
A.利用它的射线 B.作为示踪原子
C.参与人体的代谢过程 D.有氧呼吸
(2)写出氧15的衰变和正负电子湮灭的方程式。
B
解析 (1)将放射性同位素氧15注入人体后,由于它能放出正电子,并能与人体内的负电子产生一对光子,从而被探测器探测到,所以它的用途是作为示踪原子,B正确。
学以致用·随堂检测全达标
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解析 本题以人工放射性同位素为背景,意在考查核反应方程。根据核反应中质量数和电荷数守恒的规律可知,X的质量数为4+27-1=30,电荷数为2+13-0=15,Y的质量数为30,电荷数为15-1=14,则X的质量数和Y的质量数相等,X的电荷数比Y的电荷数多1,选项A正确,选项B错误;X的电荷数比
的电荷数多15-13=2,选项C正确;X的质量数比 的质量数多30-27=3,选项D错误。
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3.(多选)(2020全国Ⅰ卷)下列核反应方程中,X1、X2、X3、X4代表α粒子的有( )
BD
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4.(2023辽宁沈阳高二期末)在匀强磁场中,一个原来静止的原子核,由于衰变放射出某种粒子,结果得到一张两个相切圆1和2的径迹照片如图所示,已知两个相切圆半径分别为r1、r2。下列说法正确的是( )
A.原子核发生的可能是α衰变,也可能是β衰变
B.径迹2可能是衰变后新核的径迹
C.若是α衰变,则1和2的径迹均是逆时针方向
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解析 原子核衰变过程系统动量守恒,由动量守恒定律有0=m1v1+m2v2,可知衰变生成的两粒子动量等大反向,两粒子速度方向相反,若圆1的速度v1方向向上顺时针做圆周运动,则圆2的速度v2方向向下顺时针做圆周运动,由左手定则知,两粒子都带正电,发生的是α衰变;若圆1的速度v1方向向下逆时针做圆周运动,则圆2的速度v2方向向上逆时针做圆周运动,由左手定则知,两粒子都带负电,不符合实际,即不可能发生β衰变,故A错误。由粒子在匀
两者动量大小相等,则电荷量大的半径小,由于新核的电荷量大于放出粒子的电荷量,则圆1应为衰变后新核的径迹,故B错误。若是α衰变,两粒子都带
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正电,由左手定则知都沿顺时针方向做圆周运动,故C错误。设半径为r1的圆为放出新核的运动轨迹,半径为r2的圆为粒子的运动轨迹,则
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解析 根据衰变过程中质量数和电荷数守恒可知,(共22张PPT)
第5章
第2节 原子核衰变及半衰期
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A 级 必备知识基础练
1.核废料具有很强的放射性,需要妥善处理。下列说法正确的是( )
A.放射性元素经过两个完整的半衰期后,将完全衰变殆尽
B.原子核衰变时电荷数守恒,质量数不守恒
C.改变压力、温度或浓度,将改变放射性元素的半衰期
D.过量放射性辐射对人体组织有破坏作用,但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
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解析 半衰期是统计概念,指大量放射性元素的原子核衰变一半所用的时间,其表达式可写成 ,由此可知选项A错误;原子核衰变时核电荷数守恒,质量数守恒,选项B错误;放射性元素的半衰期与压力、温度、浓度等外部条件无关,选项C错误。
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2.目前,在居室装修中经常用到的花岗岩、大理石等装修材料,都不同程度地含有放射性元素,装修污染已经被列为“危害群众最大的五种环境污染”之一。有关放射性元素的下列说法正确的是( )
A.氡的半衰期为3.8天,若取4个氡核,经过7.6天就只剩下一个氡原子核了
B.发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了4个
C.β衰变所释放的电子是原子核中的中子转化为质子所产生的
D.γ射线一般伴随着α或β射线产生,在这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,电离作用也最强
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解析 A选项是α衰变过程,故A错误;β衰变的特点是放出电子,而B选项既满足质量数守恒又满足电荷数守恒,故B正确;C、D中放出的是中子和质子,不符合β衰变的特点,故C、D错误。
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4.碘131的半衰期约为8天。若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有( )
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5.某放射性元素经过11.4天有 的原子核发生了衰变,该元素的半衰期为
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明该放射性元素经过了3个半衰期,即可算出半衰期是3.8天,故D正确。
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B 级 关键能力提升练
8.最近几年,原子核科学家在超重元素的探测方面取得重大进展,1996年科学家们在研究某两个重离子结合成超重元素的反应时,发现生成的超重元
元素的原子序数和质量数分别是( )
A.124、259 B.124、265
C.112、265 D.112、277
D
解析 由电荷数守恒得Z=100+12=112,由质量数守恒得A=253+24=277,故D正确。
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A.衰变过程中电荷数守恒,质量也守恒
B.从图中可以得到 的半衰期为24.00 d
C.β衰变的实质是核内的质子捕获一个电子变成了中子
D.当压强增大、温度升高时 的半衰期会变大
B
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解析 衰变过程中电荷数守恒、质量数守恒但质量不守恒,故A错误;由图可知从 恰好衰变了一半,根据半衰期的定义可知半衰期T=38.04 d-14.04 d=24.00 d,故B正确;β衰变的实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子,故C错误;半衰期与物理状态、化学状态无关,压强增大、温度升高都不会改变半衰期,故D错误。
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11.恒星向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应,当温度达到1×108 K时,可以发生“氦燃烧”。
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解析 (1)根据核反应方程的电荷数守恒、质量数守恒可知核反应方程应为
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12.(2023河南周口高二期末)自然界中一些放射性重元素往往会发生一系列连续的衰变,形成放射系。如图是从 开始的
锕系图。纵坐标N表示 ,横坐标Z表示核电
荷数,从U衰变到Po,有 次α衰变, 次
β衰变。
中子数
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解析 由题图可看出 横坐标的数值与纵坐标的数值之和等于其原子的质量数,横坐标Z表示原子的核电荷数,则纵坐标N表示的是中子数;由题图知从U衰变到Po,质子数减少8,中子数减少12,设经过n次α衰变,m次β衰变,有4n=20,2n-m=8,解得n=5,m=2。
