原子核的衰变
1.了解天然放射现象及其规律，知道天然放射现象的原因是核的衰变． 2.知道三种射线的本质和区分方法．(重点)
3．知道α和β衰变规律，了解半衰期的概念．(难点)
[学生用书P54]
一、天然放射性的发现
定义：物理学中把物质能自发地放射出射线的现象，叫做天然放射现象；物质放出射线的性质叫做放射性；具有放射性的元素，叫做放射性元素．
原子序数大于83的所有元素，都有放射性．能自发地放出射线的元素叫做天然放射性元素．
二、天然放射线中的“三剑客”
三种射线的本质和特点的比较如下表所示：
实质 速度 贯穿本领 电离本领
α射线 氦核He 达到光速的 差，不能穿透一层纸 强
β射线 电子e 速度可达光速的99% 较强，能穿透几毫米厚的铝板 较弱
γ射线 电磁波：光子 光速 强，能穿透几厘米厚的铅板 很弱
1．(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力．( )
(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．( )
(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强．( )
提示：(1)× (2)√ (3)×
三、放射性元素的衰变
1．衰变：原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化．
2．衰变形式：常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变为α衰变，放出β粒子的衰变叫β衰变，而γ射线是伴随α射线或β射线产生的．
3．衰变规律
(1)α衰变：X→He＋Y
(2)β衰变：X→e＋Y
在衰变过程中，电荷数和质量数都守恒．
2．(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．( )
提示：(1)√ (2)× (3)×
四、放射性元素的半衰期
1．概念：放射性元素的原子核有半数发生衰变的时间．
2．特点：放射性元素衰变的快慢是由原子核本身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系．不同的放射性元素，有不同的半衰期．
3．应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间．
3．(1)半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢．( )
(2)半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律．( )
(3)对放射性元素加热时，其半衰期缩短．( )
提示：(1)√ (2)√ (3)×
对三种射线的理解[学生用书P54]
1．三种射线的本质特征
(1)α射线：卢瑟福经研究发现，α粒子带两个单位正电荷，质量数为4，即α粒子是氦核，其速度是光速的，有较大的动能．
特性：贯穿本领小，但电离作用强，能使沿途中的空气电离．
(2)β射线：贝克勒尔证实，β射线是高速运动的电子流，其速度可达光速的99%.
特征：贯穿本领大，能穿透黑纸，甚至几毫米厚的铝板，但电离作用较弱．
(3)γ射线是一种能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下．
特征：贯穿本领最强，能穿透几厘米厚的铅板，但电离作用最弱．
2．在电场、磁场中偏转情况的比较
(1)在匀强电场中，α射线偏转较小，β射线偏转较大，γ射线不偏转，如图甲所示．
(2)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图乙所示．
(1)三种射线能量都很高，都来自于原子核内部，这也使我们认识到原子核蕴藏有巨大的核能，原子核内也有极其复杂的结构．
(2)β射线中的电子是从原子核中释放出的，并不是原子核外面的电子跃迁出来形成的．
如图所示，R是一种放射性物质，虚线方框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线、到达P点的射线应属于( )
磁场方向 到达O点的射线 到达P点的射线
A 竖直向下 β α
B 竖直向下 α β
C 垂直纸面向里 γ β
D 垂直纸面向外 γ α
[思路点拨] 根据三种射线的不同贯穿本领和磁场对运动电荷的作用来判定三种射线的运动情况．
[解析] 放射性物质放射出来的射线共有α、β、γ三种．其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区时将受洛伦兹力作用，故打在O点的射线应为γ射线，由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线，依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里，故选项C正确．
[答案] C
三种射线的比较方法
(1)α射线是α、β、γ三种射线中贯穿本领最弱的一种，它穿不过白纸．
(2)要知道三种射线的成分，贯穿本领和电离本领．
(3)要知道α、β、γ三种射线，α、β是实物粒子，γ射线是电磁波谱中的一员．
对原子核衰变的理解[学生用书P55]
天然放射现象说明原子核具有复杂的结构．原子核放出α粒子或β粒子，并不表明原子核内有α粒子或β粒子；原子核发生衰变后“就变成新的原子核”．
1．衰变方程通式
α衰变：X→Y＋He
β衰变：X→Y＋e
2．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．
3．衰变时α、β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，则表示该核反应的方程为：
X→Y＋nHe＋me.
先根据质量数守恒列方程：
A＝A′＋4n，求α衰变次数n，
然后利用电荷数守恒列方程：Z＝Z′＋2n－m，求β衰变次数m.
(1)由于原子核是在发生α衰变或β衰变时有多余能量而放出γ射线，故不可能单独发生γ衰变．
(2)在一个原子核的衰变中，可能同时放出α和γ射线，或β和γ射线，但不可能同时放出α、β和γ三种射线，放射性元素放出的α、β和γ三种射线，是多个原子核同时衰变的结果．
原子核U经放射性衰变①变为原子核Th，继而经放射性衰变②变为原子核Pa，再经放射性衰变③变为原子核U，放射性衰变①、②和③依次为( )
A．α衰变、β衰变和β衰变
B．β衰变、α衰变和β衰变
C．β衰变、β衰变和α衰变
D．α衰变、β衰变和α衰变
[解题探究] (1)α、β衰变遵循什么规律？
(2)每发生一次α衰变，质子数、中子数如何变化？β衰变呢？
[解析] Ueq \a\vs4\al()Th，质量数少4，电荷数少2，说明①为α衰变.Theq \a\vs4\al()Pa，质子数加1，质量数不变，说明②为β衰变，中子转化成质子.Paeq \a\vs4\al()U，质子数加1，质量数不变，说明③为β衰变，中子转化成质子．故选A.
[答案] A
在处理α衰变和β衰变次数的问题时，首先由开始的原子核和最终的原子核确定质量数的变化，由此得出α衰变的次数，由α衰变引起的电荷数的改变与实际电荷数的改变确定β衰变的次数．
对半衰期的理解[学生用书P56]
1．公式：根据半衰期的概念，可总结出公式
N余＝N原，m余＝m原
式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．
2．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．
3．影响因素：半衰期由放射性元素的原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度)或化学状态(如单质、化合物)无关，因为这些因素都不能改变原子核的结构．
半衰期是一个统计规律，只对大量原子核适用，对于少数个别的原子核，其衰变毫无规律，何时衰变、何时衰变一半，都是不可预知的．
放射性同位素14C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代，此项研究获得1960年诺贝尔化学奖．
(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成不稳定的C，它很容易发生衰变，放出β射线变成一个新核，其半衰期为5 730年，试写出14C的衰变方程．
(2)若测得一古生物遗骸中的C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？
[思路点拨] (1)根据质量守恒和电荷数守恒写出衰变方程．
(2)由古生物14C的含量与活体14C的含量对比可确定其半衰期数，即可计算出古生物的年代．
[解析] (1)C的β衰变方程为：
C→e＋N.
(2)C的半衰期τ＝5 730年．
生物死亡后，遗骸中的C按其半衰期变化，设活体中C的含量为N0，遗骸中的C含量为N，则
N＝N0，
即0.25N0＝N0，故＝2，t＝11 460年．
[答案] (1)C→e＋N (2)11 460年
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.
解析：选C.经过32天即4个半衰期，碘131的含量变为m′＝＝，C项正确．
α衰变、β衰变在磁场中的轨迹分析[学生用书P56]
设有一个质量为M0的原子核，原来处于静止状态．当发生一次α(或β)衰变后，释放的粒子的质量为m，速度为v，产生的反冲核的质量为M，速度为V.
1．动量守恒关系：0＝mv＋MV或mv＝－MV.
2．在磁场中轨迹的特点：当粒子和反冲核垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场时，将在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，且轨迹如图所示．
(1)轨道半径的大小：因为粒子与反冲核的动量大小相等，所以轨道半径与电荷量成反比，即R＝∝.当发生α衰变时：＝.当发生β衰变时：＝.如果测出轨道的半径比，可以求出Z，从而判定是什么原子核发生了衰变．
(2)运行周期的长短：在同样的条件下，运行周期与粒子和反冲核的比荷成反比，即T＝∝.
(3)径迹的特点：粒子的轨道半径大，反冲核的轨道半径小．α粒子与反冲核带同种电荷，两轨道外切；β粒子与反冲核带异种电荷，两轨道内切；γ射线的径迹为与反冲核的径迹相切的直线．
静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核轨道半径之比为44∶1，如图所示，则下列说法错误的是( )
A．α粒子与反冲核的动量大小相等，方向相反
B．原来放射性元素的原子核电荷数为90
C．反冲核的电荷数为88
D．α粒子和反冲粒子的速度之比为1∶88
[解析] 微粒之间相互作用的过程中遵循动量守恒，由于初始总动量为0，则末动量也为0，即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反，选项A正确．
由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运动，
由Bqv＝m得：R＝.
若原来放射性元素的核电荷数为Q，则对α粒子：
R1＝对反冲核：R2＝.
由于p1＝p2，得R1∶R2＝44∶1，Q＝90，所以选项B、C正确．
它们的速度大小与质量成反比，故选项D错误．
[答案] D
[随堂检测][学生用书P57]
1．与原子核内部变化有关的现象是( )
A．电离现象 B．光电效应现象
C．天然放射现象 D．α粒子散射现象
解析：选C.电离现象是核外电子脱离原子核的束缚，光电效应是核外电子跃迁，α粒子散射现象也是在原子核外进行的，没有涉及原子核内部的变化，只有天然放射现象是在原子核内部发生的．
2．关于天然放射现象，下列说法正确的是( )
A．α射线是由氦原子核衰变产生
B．β射线是由原子核外电子电离产生
C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D．通过化学反应不能改变物质的放射性
解析：选D.α射线是在α衰变中产生的，本质是氦核，A错误；β射线是在β衰变中产生的，本质是高速电子束，B错误；γ射线是α衰变和β衰变时原子核发生能级跃迁而产生的电磁波，C错误；物质的放射性由原子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无关，D正确．
3．一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为U→Th＋He.下列说法正确的是( )
A．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能
B．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小
C．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间
D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
解析：选B.静止的铀核在衰变过程中遵循动量守恒，由于系统的总动量为零，因此衰变后产生的钍核和α粒子的动量等大反向，即pTh＝pα，B项正确；因此有＝，由于钍核和α粒子的质量不等，因此衰变后钍核和α粒子的动能不等，A项错误；半衰期是有半数铀核衰变所用的时间，并不是一个铀核衰变所用的时间，C项错误；由于衰变过程释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知，衰变过程有质量亏损，因此D项错误．
4．如图，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是( )
A．①表示γ射线，③表示α射线
B．②表示β射线，③表示α射线
C．④表示α射线，⑤表示γ射线
D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
解析：选C.γ射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故②和⑤表示γ射线，A、B、D项错；α射线中的α粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故③表示α射线，由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏，故④表示α射线，C项对．
5．完成下列核反应方程：
(1)N＋n→C＋________；
(2)N＋He→O＋________；
(3)B＋n→________＋He；
(4)Be＋He→________＋n；
(5)Fe＋H→Co＋________；
其中________是发现质子的核反应方程，________是发现中子的核反应方程．
解析：根据核反应过程中质量数和电荷数守恒，可以判定：
(1)H；(2)H，这是发现质子的核反应方程；(3)Li；
(4)C，是发现中子的核反应方程；(5)n.
答案：H H Li C n (2) (4)
[课时作业][学生用书P110(单独成册)]
一、单项选择题
1．关于天然放射现象，下列说法正确的是( )
A．放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期
B．放射性物质放出的射线中，α粒子动能很大，因此贯穿物质的本领很强
C．当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时，将发生β衰变
D．放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线
解析：选D.半衰期的概念是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，而不是原子核内的核子半数发生衰变所需的时间，选项A错误；放射性物质放出的射线中，α粒子的动能很大，但由于它与外界物质的原子核碰撞时很容易损失能量，因此它贯穿物质的本领很小，选项B错误；放射性元素发生衰变是因为原子核不稳定所引起的，与核外电子的能量高低无关，选项C错误；放射性元素发生衰变后的新核从高能级向低能级跃迁时会以光子的形式放出能量，γ射线即为高能的光子流，选项D正确．
2．下列关于半衰期的说法中正确的是( )
A．放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需要的时间越短，衰变速度越快
B．放射性元素的样品不断衰变，随着剩下的未衰变的原子核的减少，元素的半衰期也变短
C．把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素衰变的速度
D．降低温度或增大压强，让放射性元素与其他物质形成化合物，均可以减小该元素的衰变速度
解析：选A.放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需要的时间，它反映了放射性元素衰变的快慢，衰变越快，半衰期越短；某种元素的半衰期长短由其本身因素决定，与它所处的物理状态或化学状态无关，故上述选项只有A正确．
3．关于放射性元素的α衰变和β衰变，下列说法中正确的是( )
A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4
B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4
C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1
D．原子核每放出一个β粒子，原子序数增加1
解析：选D.发生一次α衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，核电荷数增加1，原子序数增加1.
4．下列表示放射性元素碘131(I)β衰变的方程是( )
A.I→Sb＋He B.I→Xe＋e
C.I→I＋n D.I→Te＋H
解析：选B.A选项不是β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．
5.
实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意图如图，则( )
A．轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外
B．轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外
C．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里
D．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里
解析：选D.根据动量守恒定律，原子核发生β衰变后产生的新核与电子的动量大小相等，设为p.根据qvB＝，得轨道半径r＝＝，故电子的轨迹半径较大，即轨迹1是电子的， 轨迹2是新核的．根据左手定则，可知磁场方向垂直纸面向里．选项D正确．
6．铀239(U)经过衰变可产生钚239(Pu)．关于铀239的衰变，下列说法正确的是( )
A.Pu与U的核内具有相同的中子数和不同的核子数
B．放射性物质U发生β衰变时所释放的电子来源于核外电子
C.U经过2次β衰变产生Pu
D．温度升高，U的半衰期减小
解析：选C.U的质量数A′＝239，核电荷数Z′＝92，则中子数n′＝239－92＝147，Pu的质量数A＝239，核电荷数Z＝94，则中子数n＝A－Z＝239－94＝145，故核子数相同，但中子数不同，故A错误．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同时释放出来的，故B错误.U→2e＋Pu，显然反应物的质量数为239，而生成物的质量数为239，故质量数守恒；而反应物的核电荷数为92，故核电荷数守恒，反应能够发生，故C正确．半衰期与物体的温度、状态均无关，而是由核内部自身因素决定的，故D错误．
二、多项选择题
7．天然放射性元素Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变之后，变成Pb(铅)．下列论断中正确的是( )
A．衰变的过程共有6次α衰变和4次β衰变
B．铅核比钍核少8个质子
C．β衰变所放出的电子来自原子核外轨道
D．钍核比铅核多24个中子
解析：选AB.由于β衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定α衰变的次数为：x＝＝6，再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数应满足：2x－y＝90－82＝8，y＝2x－8＝4.钍232核中的中子数为232－90＝142，铅208核中的中子数为208－82＝126，所以钍核比铅核多16个中子，铅核比钍核少8个质子．由于物质的衰变与元素的化学状态无关，所以β衰变所放出的电子来自原子核内n→H＋e，所以选项A、B正确．
8．关于天然放射性，下列说法正确的是( )
A．所有元素都有可能发生衰变
B．放射性元素的半衰期与外界的温度无关
C．放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性
D．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线
解析：选BC.自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项A错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素无关，选项B、C正确；原子核发生衰变时，不能同时发生α和β衰变，γ射线伴随这两种衰变产生，故选项D错误．
9．14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约5 700年．已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减小．现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是( )
A．该古木的年代距今约5 700年
B．12C、13C、14C具有相同的中子数
C．14C衰变为14N的过程中放出β射线
D．增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变
解析：选AC.古木样品中14C的比例是现代植物所制样品的二分之一，根据半衰期的定义知该古木的年代距今约5 700年，选项A正确．同位素具有相同的质子数，不同的中子数，选项B错误.14C的衰变方程为C→N＋e，所以此衰变过程放出β射线，选项C正确．放射性元素的半衰期与核内部自身因素有关，与原子所处的化学状态和外部条件无关，选项D错误．
10.
在匀强磁场中，一个原来静止的原子核发生了衰变，得到两条如图所示的径迹，图中箭头表示衰变后粒子的运动方向．不计放出光子的能量，则下列说法正确的是( )
A．发生的是β衰变，b为β粒子的径迹
B．发生的是α衰变，b为α粒子的径迹
C．磁场方向垂直于纸面向外
D．磁场方向垂直于纸面向里
解析：选AD.放射性元素放出β粒子时，β粒子与反冲核的速度相反，而电性相反，则两个粒子受到的洛伦兹力方向相同，两个粒子的轨迹应为内切圆，故放出的是β粒子，放射性元素放出粒子时，两带电粒子的动量守恒，由半径公式可得轨迹半径与动量成正比，与电荷量成反比，而β粒子的电荷量比反冲核的电荷量小，则β粒子的半径比反冲核的半径大，故b为β粒子的运动轨迹，故选项A正确，由左手定则知磁场方向垂直纸面向里，选项D正确．
三、非选择题
11．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到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.
(2)Be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占开始时的多少？
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He＋He―→Be＋γ.
(2)＝＝＝.
答案：(1)He (2)(或12.5%)
12．(1)原子核Th具有天然放射性，它经过若干次α衰变和β衰变后会变成新的原子核．下列原子核中，有三种是Th衰变过程中可以产生的，它们是________．
A.Pb B.Pb C.Po
D.Ra E.Ra
(2)一静止的U核经α衰变成为Th核，释放出的总动能为4.27 MeV.问此衰变后Th核的动能为多少MeV(保留1位有效数字)?
解析：(1)选ACD.发生1次α衰变时核子的质量数减4，电荷数减2；发生1次β衰变时，质量数不变，电荷数加1.先从质量数的变化分析，易得A、C、D正确．
(2)据题意知，此α衰变的衰变方程为：
U―→Th＋He，根据动量守恒定律得
mαvα＝mThvTh ①
式中，mα和mTh分别为α粒子和Th核的质量，vα和vTh分别为α粒子和Th核的速度，由题设条件知：
mαv＋mThv＝Ek ②
＝ ③
式中Ek＝4.27 MeV，是α粒子与Th核的总动能．
由①②③式得mThv＝Ek
代入数据得，衰变后Th核的动能
mThv≈0.07 MeV.
答案：(1)ACD (2)0.07 MeV
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(共39张PPT)
第4章 从原子核到夸克
第4章 从原子核到夸克
射线
放射
放射性
α衰变
β衰变
γ射线
半数
原子核本身
不同
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
(共32张PPT)
随堂演练·巩固提升
以练促学·补短扬长
