第2节 原子核衰变及半衰期
[教材链接] 1.新核
2.(1He (2e
3.激发态
[物理观念] (1)4 2 X→Y+He (2)不变 1
X→Y+e (3)质量数 核电荷数 (4)质量数 核电荷数
例1 A [解析] 发生一次α衰变,原子核释放出两个质子和两个中子,形成新的元素,衰变方程为X→Y+He,发生一次β衰变,原子核内的一个中子变成一个质子和一个电子,形成新的元素,衰变方程为X→Y+e,可以看出,发生一次α衰变,新元素质量数减少4,核电荷数减少2,发生一次β衰变,新元素质量数不变,核电荷数增加1,假设U发生x次α衰变,发生y次β衰变,最终得到Pb,所以可得出235-4x=207、92-2x+y=82,联立解得x=7,y=4,故选A.
例2 AC [解析] 原来静止的核在放出粒子的过程中总动量守恒,所以粒子和新原子核的速度方向一定相反,且新原子核和粒子的动量大小相等,由左手定则判断可知α衰变的轨迹为外切圆,β衰变的轨迹为内切圆,所以A正确,B错误;由r=可得,动量一定时,电荷量小的半径大,所以b为α粒子轨迹,c为β粒子轨迹,则C正确,D错误.
[教材链接] 1.半数
2.M
3.原子核自身因素
4.大量 一个特定
[科学推理] N原 m0
例3 C [解析] 半衰期不受环境、压强、所处状态、存在形式等因素影响,由元素本身决定,A、B错误,C正确;半衰期是大量原子核的统计规律,对少量原子核的衰变不适用,D错误.
例4 D [解析] 根据衰变过程中的质量数、电荷数守恒规律可知,发生β衰变后质量数不变,电荷数增加1,即产生N,选项A错误;原子核衰变的电子由原子核内部的中子产生,选项B错误;半衰期不受外界因素干扰,所以不会因为温室效应改变,选项C错误;若测得一古木样品的C含量为活体植物的,说明经过了2个半衰期,因此大约距今时间为5730×2年=11 460年,选项D正确.
[教材链接] 1.(1)停止吸收 14C (2)射线 行踪
(3)②能量 ③穿透
2.(1)②核泄漏 ③医疗照射 (2)①铅制 ③屏蔽物
例5 D [解析] α射线穿透能力弱,故不能用来测量钢板厚度,A错误;射线照射患处杀死癌细胞是治疗癌症的一种方法,癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞快,故B错误;天然放射性同位素比人工放射性同位素半衰期长,故C错误;利用γ射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,可以培育出新的优良品种,故D正确.
例6 AD [解析] 钴60放出的γ射线穿透能力强,半衰期长,选项A正确,B错误;α射线电离能力最强,γ射线的电离能力最弱,氡222放出的是α射线,选项C错误,D正确.
随堂巩固
1.D [解析] 消除有害静电是利用α射线的电离作用,使空气中气体分子电离成导体,将静电放出,故A错误;利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤,但γ射线对人体细胞伤害太大,因此不能用来透视人体,故B错误;DNA变异并不一定都是有益的,故C错误;γ射线对人体细胞伤害太大,在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量,故D正确.
2.BC [解析] 核反应前后核子数相等,核反应遵循的是质量数守恒而不是质量守恒,故A错误;根据核反应的特点可知,核反应U→Th+He属于α衰变,故B正确;核反应N+He→O+H属于人工核反应,故C正确;β衰变是原子核的衰变,与核外电子无关,β衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子的同时释放出来的,故D错误.
3.D [解析] 钍232核转化成铀233核的过程是核反应过程,不是化学反应过程,选项A错误;钍233核与钍232核电荷数相同,则质子数相同,选项B错误;铀238核与铀233核电荷数相同,则质子数相同,选项C错误;钍233经过两次β衰变后生成铀233,每次β衰变中一个中子转化为一个质子,放出一个电子,铀233核比钍233核多两个质子,选项D正确.
4.D [解析] 120 d=5×24 d,可知120天为五个半衰期,则钍未发生衰变的质量为m=m0·5=,则已经发生衰变的钍的质量为原来质量的=,故选D.
5.2 3
[解析] 根据电荷数守恒和质量数守恒可得Z=2,A=3,经过50年,排入海水中的氚的剩余质量为m'=m=m.第2节 原子核衰变及半衰期
1.D [解析] 发生α衰变时,生成的原子核比原来的原子核少两个质子,4个核子,所以少2个中子,故A错误;β衰变所释放的电子是原子核内部的一个中子转化成一个质子的同时释放出来的,故B错误;γ射线电离能力最弱,但穿透能力最强,故C错误;三种射线都是从原子核内部释放出来的,故D正确.
2.A [解析] 根据核电荷数守恒和质量数守恒有Z=105+8×2-6=115,A=273+8×4=305,故A正确.
3.D [解析] 根据核电荷数守恒、质量数守恒,可知U衰变成Th,释放的粒子核电荷数为2,质量数为4,为α粒子;Th衰变成Pa,释放的粒子电荷数为-1,质量数为0,为电子,即β粒子;Pa向低能级跃迁时辐射出的粒子为γ光子,故D正确.
4.B [解析] 经过两个半衰期放射性元素的质量仅剩下原来的四分之一,笔记本的质量不变,A错误;B正确;放射性元素的半衰期是由核内自身的因素决定的,与质量和外界物理、化学因素无关,C、D错误.
5.C [解析] 根据半衰期公式m=m0,将题目中的数据代入,可得选项C正确,A、B、D错误.
6.A [解析] 由题意可知,14C发生β衰变的反应方程式为C→N+e,产生的新核是N,故A正确;β射线是中子转变为质子和电子而产生的,故B错误;14C的半衰期T=5730年,22 920年是4个半衰期,所以经过22 920年只剩下 g的14C,即有 g的14C发生了衰变,故C错误;半衰期是元素自身的性质,与外界条件无关,所以全球变暖,生物体中的14C衰变速度不会变化,故D错误.
7.He
[解析] 根据电荷数守恒、质量数守恒可得,衰变方程为ThRa+He,由题意可知,72天等于3个半衰期,则m=m0n=1 g×3= g.
8.B [解析] 可利用放射性同位素作为示踪原子,但由于射线对人体有伤害,一旦研究结束,就希望同位素放出的射线量大大减少,因此,应选用半衰期较短、衰变稍快的元素作为示踪原子,故选B.
9.B [解析] 射线可以有效杀灭蔬菜中的微生物,经过射线照射的蔬菜可以保存更长时间,故A正确,不符合题意;γ射线会造成电离辐射,对人体有巨大伤害,不可以用它为人体探伤,故B错误,符合题意;α射线有很强的电离作用,可以用来消除有害的静电,故C正确,不符合题意;可以用γ射线处理种子,诱发其变异,培育出新品种,故D正确,不符合题意.
10.D [解析] 半衰期对大量原子核有统计意义,对少量原子核不适用,故A错误;半衰期是原子核自身的性质,与外界物理因素无关,故B错误;113Sn原子与O2反应后生成的氧化物中113Sn核仍有放射性,故C错误;根据m余=代入图中数据可得==,解得T=115.1 d,故D正确.
11.BD [解析] 放射性同位素发生衰变时,能量守恒,A错误;上述衰变方程,根据核电荷数守恒和质量数守恒可得Ir→X+e,B正确;148天恰好为两个半衰期,有的铱192发生了衰变,因此只剩0.5 g没有衰变,C错误;若探测器得到的射线变弱,说明钢板厚度大于30 mm,应当减小热轧机两轮的间隙,D正确.
12.C [解析] 设半衰期为t0的元素原子核数为x,另一种元素原子核数为y,依题意有x+y=N,经历2t0后有x+y=,联立可得x=N,y=N,在t=4t0时,原子核数为x的元素经历了4个半衰期,原子核数为y的元素经历了2个半衰期,则此时未衰变的原子核总数为n=x+y=,故选C.
13.B [解析] 设该恐龙活着时,单位体积内含有14C为n0个,含有12C为m个,则恐龙活着时14C和12C的存量比为,现在测得该遗骸单位体积含14C为n个,根据已知条件可得∶=,即=.再根据半衰期公式可得n=n0,整理t=T=×5730年≈ 年=1.528×108年,所以该恐龙生存的年代约距今1.99亿年~1.45亿年,故选B.
14.C [解析] 由题图可知Th衰变后两个圆轨迹内切,根据动量守恒定律可知衰变后两个带电产物的运动方向相反,根据左手定则可知衰变后产生的新核与释放的粒子电性相反,所以发生的是β衰变,故A错误;设β粒子的质量为m1、速度大小为v1、所带电荷量为-q1、运动半径为R1,新核的质量为m2,速度大小为v2,所带电荷量为q2、运动半径为R2,则根据动量守恒定律有m1v1=m2v2,根据牛顿第二定律有q1v1B=m1,q2v2B=m2,解得R1=,R2=,根据衰变过程的电荷数守恒可知=,解得==91,所以轨迹1是衰变后β粒子的轨迹,轨迹2是衰变后新核的轨迹,根据左手定则可知新核的运动方向向右,故B、D错误,C正确.
15.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质量数,横坐标Z表示原子核的电荷数,则纵坐标N表示的是中子数;由题图知从U→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.第2节 原子核衰变及半衰期
学习任务一 原子核的衰变
[教材链接] 阅读教材“原子核的衰变”相关内容,完成下列填空:
1.定义:原子核因释放出像α、β这样的射线(粒子流)而转变成 的变化称为原子核的衰变.
2.衰变类型
(1)α衰变:放出α粒子的衰变称为α衰变.例如: UTh+ .
(2)β衰变:放出β粒子的衰变称为β衰变.例如: ThPa+ +.
3.在原子核衰变过程中产生的新核,有些处于 ,这些不稳定的激发态会辐射出光子(γ射线)而变成稳定的状态.
[物理观念] (1)α衰变:原子核放出一个α粒子就说它发生了一次α衰变,新核的质量数减少了 ,而电荷数减少了 ,用通式表示为 .
(2)β衰变:原子核放出一个β粒子就说它发生了一次β衰变,新核的质量数 ,而电荷数增加了 ,用通式表示为 .
(3)衰变规律:原子核衰变时, 和 都守恒.
(4)γ射线经常是伴随α射线和β射线而产生,往往是衰变后的新核从高能级向低能级跃迁时辐射出来的一份能量,原子核放出一个γ光子不会改变它的 和 .
例1 1964年10月16日,中国第一枚原子弹试爆成功,如图.该原子弹核反应物的主要成分是U.天然U是不稳定的,它通过若干次α衰变和β衰变最终成为稳定的元素Pb,则此过程α衰变和β衰变的次数分别为 ( )
A.7、4
B.5、8
C.12、14
D.14、46
[反思感悟]
例2 (多选)[2024·三明一中月考] A、B两种放射性元素,原来都静止在同一匀强磁场中,磁场方向如图所示,其中一个放出α粒子,另一个放出β粒子,α与β粒子的运动方向跟磁场方向垂直,图中a、b、c、d表示α粒子、β粒子以及两个新原子核的运动轨迹,则 ( )
A.甲图为α衰变的轨迹图,乙图为β衰变的轨迹图
B.甲图为β衰变的轨迹图,乙图为α衰变的轨迹图
C.b为α粒子轨迹,c为β粒子轨迹
D.a为α粒子轨迹,d为β粒子轨迹
【要点总结】
1.对α衰变和β衰变的理解
衰变 类型 α衰变 β衰变
衰变方程 X→Y+He X→Y+e
衰变实质 2个质子和2个中子结合成氦核 H+n→He 1个中子转化为1个质子和1个电子 n→H+e
典型方程 U→Th+He Th→Pa+e
匀强磁场 中的轨迹 形状
衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
2.确定原子核衰变次数的方法与技巧
(1)方法:设放射性原子核X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新原子核Y,则衰变方程为X→Y+He+e,根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A=A'+4n,Z=Z'+2n-m,联立解得n=,m=+Z'-Z.由此可见,确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组.
(2)技巧:为了确定衰变次数,一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因为β衰变对质量数没有影响),然后根据衰变规律确定β衰变的次数.
学习任务二 半衰期
[教材链接] 阅读教材“半衰期”相关内容,完成下列填空:
1.放射性元素的原子核有 发生衰变需要的时间称为半衰期.
2.设某放射性元素的半衰期为T,原来的质量为M,经过时间t,该元素的剩余质量m为m= .
3.元素半衰期的长短只由 决定,一般与原子核所处的物理、化学状态无关.
4.半衰期描述的是 原子核发生衰变的统计规律,但对于 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.
[科学推理] 用N原、m0表示衰变前的原子数和质量,t表示衰变时间,τ表示半衰期,则衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量分别为N余= ,m余= .
例3 [2024·厦门一中月考] 幽门螺杆菌在胃中产生的尿素酶,可将服用的碳14标记的尿素分解为氨和碳 14 标记的CO2.通过分析呼气中标记的CO2 的含量即可判断胃中幽门螺杆菌的存在.已知C半衰期为5730 年,则 ( )
A.改变胃部压强可以改变C衰变快慢
B.含 C的化合物比单质C衰变可能慢些
C.改变胃部温度不能改变C衰变快慢
D.20 个C经过 5730 年有10个发生衰变
[反思感悟]
例4 [2023·浙江1月选考] 宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子,中子与大气中的氮14会产生以下核反应:N+n→C+H,产生的C能自发进行β衰变,其半衰期为5730年,利用碳14的衰变规律可推断古木的年代.下列说法正确的是 ( )
A.C发生β衰变的产物是N
B.β衰变辐射出的电子来自碳原子的核外电子
C.近年来由于地球的温室效应,引起C的半衰期发生微小变化
D.若测得一古木样品的C含量为活体植物的,则该古木距今约为11 460年
[反思感悟]
【要点总结】
对半衰期规律的理解
半衰期
定义 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间
衰变 规律 N余=N原,m余=m原式中N原、m原分别表示衰变前的原子核数和质量,N余、m余分别表示衰变后的尚未发生衰变的原子核数和质量,t表示衰变时间,τ表示半衰期
影响 因素 由原子核内部自身的因素决定,跟原子所处的外部条件、化学状态无关
半衰期规律是对大量原子核衰变行为作出的统计结果,可以对大量原子核衰变行为进行预测,而单个特定原子核的衰变行为不可预测
学习任务三 放射性的应用 放射性污染和防护
[教材链接] 阅读教材“放射性的应用 放射性污染和防护”相关内容,完成下列填空:
1.放射性的应用
(1)放射性元素半衰期的利用
只要植物或动物生存着,就会持续不断地吸收14C,使其在有机体内保持一定的水平,而当有机体死亡之后,即会 14C,其组织内的14C便以5730年的半衰期开始衰变并逐渐消失.对于任何含碳物质,只要测定剩余的放射性 的含量,就可推断其年代.
(2)作为示踪原子
如果在某种元素里掺进一些该元素的放射性同位素,用仪器探测它放出的 ,就可查明这种元素的 .人们把具有这种用途的放射性同位素称为示踪原子.
(3)射线特性的利用
①培育新品种:利用γ射线照射种子,可使种子内的遗传物质发生变异,培育出新的优良品种.
②放射性同位素电池:把放射性同位素衰变时释放的 转化成电能.
③γ射线探伤:利用γ射线 能力强的特点,可探查金属内部有没有缺陷或裂纹.
2.放射性污染和防护
(1)放射性污染的主要来源
①核爆炸;② ;③ .
(2)防止放射线伤害的措施
①使用的放射源必须装在 容器中.
②核工业废料要放在厚厚的重金属箱内,深埋于地下或深海.
③在放射源与人体之间加 .
例5 基因测序是一种新型基因检测技术,能够从血液或唾液中分析测定基因全序列,预测罹患多种疾病的可能性,提前预防和治疗.基因测序采用放射性同位素为标记,让基因序列自动显影.下列关于放射性同位素及射线的应用说法正确的是 ( )
A.α射线可以用来测量钢板的厚度
B.射线能够治疗癌症是因为癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞慢
C.天然放射性同位素比人工放射性同位素半衰期短
D.利用γ射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,可培育出优良品种
[反思感悟]
例6 (多选)[2024·福州一中月考] 某医院利用放射线治疗肿瘤,被利用的放射源必须具备以下两个条件:(1)放出的射线有较强的穿透能力,能辐射到体内肿瘤所在处;(2)能在较长的时间内提供比较稳定的辐射强度.现有四种放射性同位素的放射线及半衰期如表所示.关于在表中所列的四种同位素,下列说法正确的是 ( )
同位素 钴60 锶90 锝99 氡222
放射线 γ β γ α
半衰期 5年 28年 6小时 3.8天
A.最适宜作为放疗使用的放射源应是钴60
B.最适宜作为放疗使用的放射源应是锶90
C.放射线的电离能力最强的放射源是锝99
D.放射线的电离能力最强的放射源是氡222
[反思感悟]
1.(放射性的应用与防护)关于放射性的应用,下列说法中正确的是 ( )
A.α射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电,因此达到了消除有害静电的目的
B.利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤,也能进行人体的透视
C.用射线照射作物种子能使其DNA发生变异,其结果一定是成为更优秀的品种
D.用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量,以免对人体正常组织造成太大的伤害
2.(核反应方程)(多选)关于核反应,下列说法正确的是 ( )
A.在核反应中,质量守恒、核电荷数守恒
B.核反应U→Th+He属于α衰变
C.核反应N+He→O+H属于原子核的人工转变
D.核反应C→N+e属于β衰变,而β射线来自原子外层的电子
3.(原子核的衰变)增殖反应堆将不能用作裂变核燃料的铀238(U)和钍232(Th)转换成裂变核燃料钚239(Pu)和铀233(U),其中,钍232通过与慢中子反应生成钍233,钍233经过两次β衰变后生成铀233,从而得到裂变核燃料铀233,达到增殖的目的.下列说法正确的是 ( )
A.钍232核转化成铀233核的过程是化学反应过程
B.钍233核比钍232核多一个质子
C.铀238核比铀233核多5个质子
D.铀233核比钍233核多两个质子
4.(半衰期)[2024·厦门三中月考] 钍234的半衰期是24天,质量为10 g的钍经过120天后发生衰变的钍的质量为原来质量的 ( )
A. B.
C. D.
5.(半衰期)[2021·福建卷] 核污水中常含有氚(H)等放射性核素,处置不当将严重威胁人类安全.氚β衰变的半衰期长达12.5年,衰变方程为Hee+,其中是质量可忽略不计的中性粒子,Z= ,A= .若将含有质量为m的氚的核污水排入大海,即使经过50年,排入海中的氚还剩 m(用分数表示). 第2节 原子核衰变及半衰期
建议用时:40分钟
◆ 知识点一 原子核的衰变
1.[2024·河南郑州期末] 含有钍(Th)元素的花岗岩会释放出放射性气体氡Rn),从而放出α、β、γ射线,下列说法正确的是 ( )
A.发生α衰变时,生成的原子核比原来的原子核少4个中子
B.β衰变所释放的电子来自原子核的最外层
C.γ射线的穿透能力和电离能力均最强
D.α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的
2.新元素的合成是探究微观世界的方式之一,也是材料科学发展的必经之路.某科学家在研究某两个重核结合成“超重”元素的反应时,发现生成的“超重”元素的核X经过8次α衰变、6次β衰变后的产物为Y.则超重元素的核电荷数和质量数分别是 ( )
A.115,305
B.190,305
C.115,190
D.190,115
3.U衰变成Th之后,Th衰变成Pa,而Pa核处于高能级,它向低能级跃迁辐射出一个粒子.在这个过程中,前两次衰变放出的粒子和最后辐射出的粒子依次是( )
A.γ光子、β粒子、α粒子
B.α粒子、γ光子、β粒子
C.β粒子、γ光子、中子
D.α粒子、β粒子、γ光子
◆ 知识点二 半衰期
4.[2024·泉州期中] 诺贝尔官方称居里夫人的“笔记”仍具放射性,还将持续1 500年.关于放射性元素、衰变和半衰期,下列说法正确的是( )
A.居里夫人的笔记本,经过两个半衰期,质量仅剩下原来的四分之一
B.放射性元素的原子核,经过两个半衰期还剩下原来的四分之一
C.放射性元素的半衰期不仅与核内部本身因素有关,还与质量有关
D.经过消毒,放射性元素的半衰期会缩短
5.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.
6.[2024·厦门期末] 2021年3月23日,考古工作者对三星堆遗址新发现的6个“祭祀坑”的73份碳屑样本使用14C年代检测方法进行分析,初步判定其中4号坑最有可能属于商代晚期.14C发生的是β衰变,半衰期T=5730年.则下列说法正确的是 ( )
A.14C发生β衰变产生的新核是N
B. 14C释放的核外电子形成β射线
C.1 g14C经过22 920年有 g发生了衰变
D.随着全球变暖,生物体中的14C衰变会加快
7.已知钍234的半衰期是24天,其衰变方程为Th→Ra+ .1 g钍234经过72天后还剩 g.
◆ 知识点三 放射性的应用与防护
8.射线对人体有害,因此,在用作示踪原子时,应选择 ( )
A.半衰期较长的元素
B.半衰期较短的元素
C.质量数较小的元素
D.质量数较大的元素
9.[2024·山东八中月考] 以下关于放射性元素产生的射线应用的说法,错误的是 ( )
A.经过射线照射的蔬菜可以保存更长时间
B.利用γ射线的穿透性强的特点,可以用它为人体探伤
C.α射线可以用来消除有害的静电
D.射线可以培育新的优良作物品种
10.[2024·福州期末] 医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线,而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的.对于质量为m0的113Sn,经过时间t后剩余的113Sn质量为m,其-t图像如图所示.下列说法正确的是 ( )
A.100个113Sn原子核在经过一个半衰期后,一定还剩50个
B.温度升高,113Sn原子运动更剧烈,其半衰期将变小
C. 113Sn原子与O2反应后生成的氧化物将不再具有放射性
D.从图中可以得到113Sn的半衰期为115.1 d
11.(多选)[2024·福州期末] 如图所示,轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪,仪器探测到的射线强度与钢板的厚度有关.已知某车间采用放射性同位素铱192作为放射源,其化学符号是Ir,原子序数是77,通过β衰变放出γ射线,产生新核X,半衰期为74天,适合透照钢板厚度为10~100 mm,已知钢板厚度标准为30 mm,下列说法正确的是 ( )
A.放射性同位素发生衰变时,能量不守恒
B.上述衰变方程为Ir→X+e
C.若有2 g铱192,经过148天有1 g没有衰变
D.若探测器得到的射线变弱,说明钢板厚度大于30 mm,应当减小热轧机两轮的间隙
12.[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.
13.[2024·云南大理一中月考] 利用半衰期T=5 730年的14C可以测定古生物的存活年代.活着的生物体中12C跟14C这两种同位素之比与空气中相同,生物死亡后,不再与外界交换14C,14C经过不断衰变其含量不断减少,通过测量生物遗骸中的14C与12C存量比,再与空气中比较,即可估算出生物死亡年代.若测得某恐龙遗骸中14C与12C的存量比为空气中的(k=108000),则该恐龙生存的年代为(1亿年=1×108年,lg 10=1,lg 2≈0.3) ( )
A.约距今2.5亿年~2亿年
B.约距今1.99亿年~1.45亿年
C.约距今1.45亿年~6500万年
D.2.5亿年以前
14.[2024·南平期中] Th原子核静止在匀强磁场中的a点,某一时刻发生衰变,产生如图所示的1和2两个圆轨迹,由此可以判断 ( )
A.发生的是α衰变
B.衰变后新核的运动方向向左
C.轨迹2是衰变后新核的轨迹
D.两圆轨迹半径之比为R1∶R2=90∶1
15.[2024·浙江杭州期末] 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,图中从U→Po,有 次α衰变, 次β衰变. (共51张PPT)
第2节 原子核衰变及半衰期
学习任务一 原子核的衰变
学习任务二 半衰期
学习任务三 放射性的应用 放射性污染和防护
备用习题
随堂巩固
学习任务一 原子核的衰变
［教材链接］ 阅读教材“原子核的衰变”相关内容，完成下列填空：
1.定义：原子核因释放出像 、 这样的射线(粒子流)而转变成_______的变化称为原子核的衰变.
新核
2.衰变类型
(1) 衰变：放出 粒子的衰变称为 衰变.例如：_____.
(2) 衰变：放出 粒子的衰变称为 衰变.例如：____.
3.在原子核衰变过程中产生的新核，有些处于________，这些不稳定的激发态会辐射出光子( 射线)而变成稳定的状态.
激发态
［物理观念］ (1) 衰变:原子核放出一个 粒子就说它发生了一次 衰变,新核的质量数减少了___,而电荷数减少了___,用通式表示为
_________________.
4
2
(2) 衰变:原子核放出一个 粒子就说它发生了一次 衰变,新核的质量数______,而电荷数增加了___,用通式表示为________________.
不变
1
(3) 衰变规律:原子核衰变时,________和__________都守恒.
质量数
核电荷数
(4) 射线经常是伴随 射线和 射线而产生,往往是衰变后的新核从高能级向低能级跃迁时辐射出来的一份能量,原子核放出一个 光子不会改变它的________和__________.
质量数
核电荷数
例1 1964年10月16日,中国第一枚原子弹试爆成功,如图.该原子弹核反应物的主要成分是.天然是不稳定的,它通过若干次 衰变和 衰变最终成为稳定的元素,则此过程 衰变和 衰变的次数分别为( )
A.7、4 B.5、8 C.12、14 D.14、46
√
[解析] 发生一次 衰变,原子核释放出两个质子和两个中子,形成新的元素,衰变方程为,发生一次 衰变,原子核内的一个中子变成一个质子和一
个电子,形成新的元素,衰变方程为,可以看出,发生一次 衰变,新元素质量数减少4,核电荷数减少2,发生一次 衰变,新元素质量数不变,核电荷数增加1,假设发生次 衰变,发生次 衰变,最终得到,所以可得出、,联立解得,,故选A.
例2 (多选)[2024·三明一中月考] 、两种放射性元素,原来都静止在同一匀强磁场中,磁场方向如图所示,其中一个放出 粒子,另一个放出 粒子, 与 粒子的运动方向跟磁场方向垂直,图中、、、表示 粒子、 粒子以及两个新原子核的运动轨迹,则( )
A.甲图为 衰变的轨迹图,乙图为 衰变的轨迹图
B.甲图为 衰变的轨迹图,乙图为 衰变的轨迹图
C.为 粒子轨迹,为 粒子轨迹
D.为 粒子轨迹,为 粒子轨迹
√
√
[解析] 原来静止的核在放出粒子的过程中总动量守恒,所以粒子和新原子核的速度方向一定相反,且新原子核和粒子的动量大小相等,
由左手定则判断可知 衰变的轨迹为外切圆, 衰变的轨迹为内切圆,所以A正确,B错误;由可得,动量一定时,电荷量小的半径大,所以为 粒子轨迹,为 粒子轨迹,则C正确,D错误.
【要点总结】
1.对 衰变和 衰变的理解
衰变类型
衰变方程
衰变实质
典型方程
衰变类型
匀强磁场中的轨迹形状 _____________________________________________________ _______________________________________
衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 续表
2.确定原子核衰变次数的方法与技巧
(1)方法:设放射性原子核经过次 衰变和次 衰变后,变成稳定的新原子核,则衰变方程为,根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程,,联立解得,.由此可见,确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组.
(2)技巧:为了确定衰变次数,一般先由质量数的改变确定 衰变的次数(这是因为 衰变对质量数没有影响),然后根据衰变规律确定 衰变的次数.
学习任务二 半衰期
［教材链接］ 阅读教材“半衰期”相关内容，完成下列填空：
1.放射性元素的原子核有______发生衰变需要的时间称为半衰期.
2.设某放射性元素的半衰期为，原来的质量为，经过时间，该元素的剩余质量为_ ______.
3.元素半衰期的长短只由________________决定，一般与原子核所处的物理、化学状态无关.
半数
原子核自身因素
4.半衰期描述的是______原子核发生衰变的统计规律，但对于___________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.
大量
一个特定
［科学推理］ 用、表示衰变前的原子数和质量,表示衰变时间, 表示半衰期,则衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量分别为
________,_ ______.
例3 [2024·厦门一中月考] 幽门螺杆菌在胃中产生的尿素酶,可将服用的碳14标记的尿素分解为氨和碳 14 标记的.通过分析呼气中标记的的含量即可判断胃中幽门螺杆菌的存在.已知半衰期为5730 年,则( )
A.改变胃部压强可以改变衰变快慢
B.含的化合物比单质衰变可能慢些
C.改变胃部温度不能改变衰变快慢
D.20 个经过 5730 年有10个发生衰变
√
[解析] 半衰期不受环境、压强、所处状态、存在形式等因素影响,由元素本身决定,A、B错误,C正确;半衰期是大量原子核的统计规律,对少量原子核的衰变不适用,D错误.
例4 [2023·浙江1月选考] 宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子,中子与大气中的氮14会产生以下核反应:,产生的能自发进行 衰变,其半衰期为5730年,利用碳14的衰变规律可推断古木的年代.下列说法正确的是( )
A.发生 衰变的产物是
B. 衰变辐射出的电子来自碳原子的核外电子
C.近年来由于地球的温室效应,引起的半衰期发生微小变化
D.若测得一古木样品的含量为活体植物的,则该古木距今约为11 460年
√
[解析] 根据衰变过程中的质量数、电荷数守恒规律可知,发生 衰变后质量数不变,电荷数增加1,即产生,选项A错误;原子核衰变的电子由原子核内部的中子产生,选项B错误;半衰期不受外界因素干扰,所以不会因为温室效应改变,选项C错误;若测得一古木样品的含量为活体植物的,说明经过了2个半衰期,因此大约距今时间为年年,选项D正确.
【要点总结】
对半衰期规律的理解
半衰期 定义 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间
衰变规律
影响因素 由原子核内部自身的因素决定,跟原子所处的外部条件、化学状态无关
半衰期
半衰期规律是对大量原子核衰变行为作出的统计结果,可以对大量原子核衰变行为进行预测,而单个特定原子核的衰变行为不可预测
续表
学习任务三 放射性的应用 放射性污染和防护
［教材链接］ 阅读教材“放射性的应用 放射性污染和防护”相关内容，完成下列填空：
1.放射性的应用
(1) 放射性元素半衰期的利用
只要植物或动物生存着，就会持续不断地吸收，使其在有机体内保持一定的水平，而当有机体死亡之后，即会__________，其组织内的便以5730年的半衰期开始衰变并逐渐消失.对于任何含碳物质，只要测定剩余的放射性____的含量，就可推断其年代.
停止吸收
(2) 作为示踪原子
如果在某种元素里掺进一些该元素的放射性同位素，用仪器探测它放出的______，就可查明这种元素的______.人们把具有这种用途的放射性同位素称为示踪原子.
射线
行踪
(3) 射线特性的利用
①培育新品种：利用 射线照射种子，可使种子内的遗传物质发生变异，培育出新的优良品种.
②放射性同位素电池：把放射性同位素衰变时释放的______转化成电能.
射线探伤：利用 射线______能力强的特点，可探查金属内部有没有缺陷或裂纹.
能量
穿透
2.放射性污染和防护
(1) 放射性污染的主要来源
①核爆炸；②________；③__________.
(2) 防止放射线伤害的措施
①使用的放射源必须装在______容器中.
②核工业废料要放在厚厚的重金属箱内，深埋于地下或深海.
③在放射源与人体之间加________.
核泄漏
医疗照射
铅制
屏蔽物
例5 基因测序是一种新型基因检测技术,能够从血液或唾液中分析测定基因全序列,预测罹患多种疾病的可能性,提前预防和治疗.基因测序采用放射性同位素为标记,让基因序列自动显影.下列关于放射性同位素及射线的应用说法正确的是( )
A. 射线可以用来测量钢板的厚度
B.射线能够治疗癌症是因为癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞慢
C.天然放射性同位素比人工放射性同位素半衰期短
D.利用 射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,可培育出优良品种
√
[解析] 射线穿透能力弱,故不能用来测量钢板厚度,A错误;射线照射患处杀死癌细胞是治疗癌症的一种方法,癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞快,故B错误;天然放射性同位素比人工放射性同位素半衰期长,故C错误;利用 射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,可以培育出新的优良品种,故D正确.
例6 (多选)[2024·福州一中月考] 某医院利用放射线治疗肿瘤，被利用的放射源必须具备以下两个条件：(1)放出的射线有较强的穿透能力，能辐射到体内肿瘤所在处；(2)能在较长的时间内提供比较稳定的辐射强度.现有四种放射性同位素的放射线及半衰期如表所示.关于在表中所列的四种同位素，下列说法正确的是( )
同位素 钴60 锶90 锝99 氡222
放射线
半衰期 5年 28年 6小时 3.8天
A.最适宜作为放疗使用的放射源应是钴60
B.最适宜作为放疗使用的放射源应是锶90
C.放射线的电离能力最强的放射源是锝99
D.放射线的电离能力最强的放射源是氡222
[解析] 钴60放出的 射线穿透能力强，半衰期长，选项A正确，B错误； 射线电离能力最强， 射线的电离能力最弱，氡222放出的是 射线，选项C错误，D正确.
√
√
同位素 钴60 锶90 锝99 氡222
放射线
半衰期 5年 28年 6小时 3.8天
1.(多选)下列说法中正确的是( )
A.α粒子带正电,所以α射线一定是从原子核中释放出来的
B.β粒子带负电,所以β射线有可能是核外电子
C.γ粒子是光子,所以γ射线有可能是由原子发光产生的
D.α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的
√
√
[解析] α衰变的实质是原子核中的两个质子和两个中子结合成一个氦核放出;β衰变的实质是一个中子变成一个质子和一个电子,然后释放出电子;γ射线是伴随α衰变或β衰变而产生的.所以这三种射线都是从原子核内部释放出来的.
2.某原子核X经过若干次α、β衰变成为原子核Y,核X比核Y多10个质子、14个中子,则( )
A.α粒子带正电,所以α射线一定是从原子核中释放出来的
B.β粒子带负电,所以β射线有可能是核外电子
C.γ粒子是光子,所以γ射线有可能是由原子发光产生的
D.α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的
√
[解析] 设该过程中发生了x次α衰变、y次β衰变,则根据题意有4x=10+14,2x-y=10,计算得出x=6,y=2,所以原子核X发生了6次α衰变、2次β衰变,故A正确.
3.放射性元素的半衰期长短差别很大,短的远小于一秒,长的可达数百亿年.铀238的半衰期是45亿年,约等于地球的年龄,也就是说,地球形成时的铀238现在还剩下一半没有衰变.假设有一块铀238矿石含有1 kg的铀238,发生衰变的铀238均变成了铅206,则经过90亿年后,此矿石中含有的铅206的质量约为( )
A.0.25 kg B.0.649 kg
C.0.433 kg D.0.216 kg
√
[解析] 经过两个半衰期,1 kg铀238有发生了衰变,又由于发生衰变的铀238均变成了铅206,所以矿石中含有铅的质量为m=1×× kg≈0.649 kg,故选B.
4. (多选)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.原子核可能发生的是α衰变,也可能发生的是β衰变
B.径迹2是衰变后新核的径迹
C.若衰变方程是U→He,则r1∶r2=1∶45
D.此衰变是α衰变,1和2径迹均是顺时针方向
√
√
[解析] 原子核衰变过程中系统动量守恒,由动量守恒定律可知,衰变生成的两核动量方向相反,两核速度方向相反,由左手定则可知,若生成的两核电性相反,则在磁场中的轨迹为内切圆,若电性相同,则在磁场中的轨迹为外切圆,所以发生的是α衰变,而不可能是β衰变,故A错误;
[解析] 核反应过程中系统动量守恒,原子核原来静止,初动量为零,由动量守恒定律可知,原子核衰变后生成的两核动量p大小相等、方向相反,粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定律得qvB=m,解得r==,由于p、B大小都相等,所以核的电荷量q越大,则其轨道半径r越小,由于新核的电荷量大于α粒子的电荷量,则新核的轨道半径小于α粒子的轨道半径,所以半径为r1的圆为新核的运动轨迹,半径为r2的圆为α粒子的运动轨迹,若衰变方程为U→Th+He,则r1∶r2=2∶90=1∶45,故B错误,C正确;此衰变是α衰变,生成的两核电性相同,由左手定则可知,两核都沿顺时针方向做圆周运动,故D正确.
5.放射性同位素是核医学诊断和治疗的基础.钼99(Mo)和锝99(Tc)都是放射性元素,在医院里利用放射性同位素发生器可以由钼99制备锝99,病人服用含锝99的药物后可用于内脏器官造影.下列说法正确的是( )
A.对钼99密封并低温保存可以减缓其衰变速度
B.病人体温升高会加快锝99的衰变速度
C.利用钼99制备锝99的核反应方程为Mo→Tc+e
D.利用钼99制备锝99的核反应方程为Mo→Tc+He
√
[解析] 放射性元素的半衰期由原子核决定,与外界因素无关,故A、B错误;根据题意,由质量数守恒和核电荷数守恒可得,利用钼99制备锝99的核反应方程为Mo→Tc+e,故D错误,C正确.
6.利用小型辐照装置研究某病毒灭活的主要原理是利用辐照源钴60Co)衰变后产生镍(Ni)和电子,并放出γ射线,利用γ射线、电子束产生的电离作用,使病毒失去感染性.该衰变方程为Co→Ni e;已知钴60的半衰期为5.27年,则1 g的钴60经10.54年后还剩下 g的钴60没有发生衰变.
0.25
[解析] 根据核电荷数守恒和质量数守恒可知衰变方程中的衰变产物为Ni.1 g的钴60经10.54年后还剩下的质量为m=1 g×（=0.25 g.
7. 1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒,并由吴健雄用Co的衰变来验证,其核反应方程是Co→Ni+e+νe.其中νe是反中微子,它的电荷量为零,静止质量可认为是零.
(1)在上述衰变方程中,衰变产物Ni的质量数A是 ,核电荷数Z是 .
60
28
7. (2)在衰变前Co核静止,根据云室照片可以看出,衰变产物Ni和e的运动径迹不在一条直线上,如果认为衰变产物只有Ni和e,那么衰变过程将违背 守恒定律.
(3)Co是典型的γ放射源,可用于作物诱变育种.我国应用该方法培育出了许多农作物新品种,如棉花高产品种“鲁棉1号”,年种植面积曾达到3000多万亩,在我国自己培育的棉花品种中栽培面积最大.γ射线处理作物后主要引起 ,从而产生可遗传的变异.
动量
基因突变
[解析] (1)核反应方程为Co→Ni+e+νe,根据质量数守恒和核电荷数守恒,可得出两空分别为60和28.
(2)衰变过程遵循动量守恒定律.原来静止的核的动量为零,分裂成两个粒子后,这两个粒子的动量和还应是零,则两粒子径迹必在同一直线上.现在发现Ni和e的运动径迹不在同一直线上,如果认为衰变产物只有Ni和e,就一定会违背动量守恒定律.
(3)用γ射线照射种子,会使种子的遗传基因发生突变,从而培育出优良品种.
8.带电粒子在“云室”中运动时,可呈现运动径迹,将“云室”放在匀强电场中,通过观察带电粒子的径迹,可以研究原子核发生衰变的规律.现将一静止的放射性14C放入上述装置中,当它发生衰变时,可能放出α粒子或电子.所放射的粒子与反冲核经过相等的时间所形成的径迹如图所示(发生衰变后瞬间放射出的粒子和反冲核的速度方向与电场强度E垂直,a、b均表示长度).
(1)14C发生衰变时所放射出的粒子是 .
(2)14C发生衰变时所放射出的粒子的运动轨迹是 (选填“①”或“②”).
(3)写出14C的衰变方程: .
α粒子
②
C→Be+He
[解析] (1)由轨迹可以看出,反冲核与放出的粒子的受力方向均与电场强度方向一致,所以放出的粒子为α粒子.
(2)由动量守恒定律得,α粒子的动量与反冲核的动量大小相等,而α粒子的质量小,速度大,相同时间内垂直于电场方向的位移大,即②为α粒子的运动轨迹.
(3)根据核电荷数守恒与质量数守恒可得C→Be+He.
9. (1)完成下列核反应方程
Li+H→He+ U+ →Xe+1n
(2)若元素A的半衰期为2天,元素B的半衰期为3天,则相同质量的A和B,经过12天后,剩下的质量之比mA∶mB= .
1∶4
He
n
[解析] (1)根据核反应的质量数守恒和核电荷数守恒可得,①的核反应方程为Li+H→He+He,②的核反应方程为U+n→Sr+Xe+1n,故应填He和n.
(2)根据衰变公式m=m0,可得mA∶mB=（∶（=1∶4.
1.(放射性的应用与防护)关于放射性的应用,下列说法中正确的是( )
A. 射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电,因此达到了消除有害静电的目的
B.利用 射线的贯穿性可以为金属探伤,也能进行人体的透视
C.用射线照射作物种子能使其发生变异,其结果一定是成为更优秀的品种
D.用 射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量,以免对人体正常组织造成太大的伤害
√
[解析] 消除有害静电是利用 射线的电离作用,使空气中气体分子电离成导体,将静电放出,故A错误;利用 射线的贯穿性可以为金属探伤,但 射线对人体细胞伤害太大,因此不能用来透视人体,故B错误;变异并不一定都是有益的,故C错误; 射线对人体细胞伤害太大,在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量,故D正确.
2.(核反应方程)(多选)关于核反应,下列说法正确的是( )
A.在核反应中,质量守恒、核电荷数守恒
B.核反应属于 衰变
C.核反应属于原子核的人工转变
D.核反应属于 衰变,而 射线来自原子外层的电子
[解析] 核反应前后核子数相等,核反应遵循的是质量数守恒而不是质量守恒,故A错误;根据核反应的特点可知,核反应属于 衰变,故B正确;核反应属于人工核反应,故C正确; 衰变是原子核的衰变,与核外电子无关, 衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子的同时释放出来的,故D错误.
√
√
3.(原子核的衰变)增殖反应堆将不能用作裂变核燃料的铀和钍转换成裂变核燃料钚和铀,其中,钍232通过与慢中子反应生成钍233,钍233经过两次 衰变后生成铀233,从而得到裂变核燃料铀233,达到增殖的目的.下列说法正确的是( )
A.钍232核转化成铀233核的过程是化学反应过程
B.钍233核比钍232核多一个质子
C.铀238核比铀233核多5个质子
D.铀233核比钍233核多两个质子
√
[解析] 钍232核转化成铀233核的过程是核反应过程,不是化学反应过程,选项A错误;钍233核与钍232核电荷数相同,则质子数相同,选项B错误;铀238核与铀233核电荷数相同,则质子数相同,选项C错误;钍233经过两次 衰变后生成铀233,每次 衰变中一个中子转化为一个质子,放出一个电子,铀233核比钍233核多两个质子,选项D正确.
4.(半衰期)[2024·厦门三中月考] 钍234的半衰期是24天,质量为的钍经过120天后发生衰变的钍的质量为原来质量的( )
A. B. C. D.
[解析] ,可知120天为五个半衰期,则钍未发生衰变的质量为,则已经发生衰变的钍的质量为原来质量的,故选D.
√
5.(半衰期)[2021·福建卷] 核污水中常含有氚等放射性核素，处置不当将严重威胁人类安全.氚 衰变的半衰期长达12.5年，衰变方程为，其中是质量可忽略不计的中性粒子，___，___.若将含有质量为的氚的核污水排入大海，即使经过50年，排入海中的氚还剩___(用分数表示).
2
3
[解析] 根据电荷数守恒和质量数守恒可得，,经过50年，排入海水中的氚的剩余质量为.
