人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第5章 2.放射性元素的衰变学案

2．放射性元素的衰变
学习目标：1．[物理观念]知道衰变、半衰期及原子核衰变的规律，了解核反应及放射性同位素应用的基本观念和相关实验证据。　2.[科学思维]理解原子核的衰变规律及半衰期的计算方法，掌握核反应方程的写法与放射性同位素的应用，培养分析、推理能力。　3.[科学探究]通过学习科学家对放射性元素衰变的探究，学会观察和思考，提升科学探究的能力。　4.[科学态度与责任]学会坚持实事求是的科学态度，体验科学家探索科学规律的艰辛和科学研究的价值，激发学习兴趣。
阅读本节教材，回答第108页“问题”并梳理必要的知识点。
教材P108“问题”提示：真的存在，但不是化学方法，是原子核的衰变。
一、原子核的衰变
1．定义
原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。
2．衰变分类
(1)α衰变：放出α粒子的衰变。
(2)β衰变：放出β粒子的衰变。
3．衰变过程
U→Th＋He。
Th→Pa＋e。
4．衰变规律
(1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
(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，而γ射线伴随α衰变或β衰变产生。
说明：原子核衰变时质量数守恒，但不是质量守恒，有质量减少(也叫质量亏损)。
二、半衰期与核反应
1．半衰期
(1)定义
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。
(2)决定因素
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，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，半衰期不同。
(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。
2．核反应
(1)人工核转变：
N＋He→O＋H。
(2)定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。
(3)特点：在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。
说明：半衰期是大量原子核衰变的统计规律，只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义。
三、放射性同位素的应用与安全
1．放射性同位素：很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。
2．放射性同位素的应用：
(1)射线测厚仪。
(2)放射治疗。
(3)培优、保鲜。
(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后，可以探测出原子到达的位置。
3．辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。
说明：一般放射性同位素半衰期短，而且强度容易控制，使用更广泛。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)原子核发生α衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4。 (√)
(2)对放射性元素加热时，其半衰期缩短。 (×)
(3)衰变和原子核的人工转变均满足质量数守恒和电荷数守恒。 (√)
(4)在用到射线时，利用人工放射性同位素和天然放射性物质都可以。 (×)
2．(多选)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。下列选项正确的是(　　)
A．①是α衰变　　　 B．②是β衰变
C．③是β衰变 D．③是γ衰变
ABC　[U Th，质量数少4，电荷数少2，说明①为α衰变，A正确；ThPa，质子数加1，质量数不变，说明②为β衰变，中子转化成质子，B正确；PaU，质子数加1，质量数不变，说明③为β衰变，中子转化成质子，C正确，D错误。]
3．(多选)关于放射性的应用，下列说法正确的是(　　)
A．利用α射线使空气电离，把静电荷导走
B．利用β射线照射植物的种子，使产量显著增加
C．利用γ射线来治疗肺癌、食道癌等疾病
D．利用放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，作为示踪原子
ACD　[α射线的电离作用很强，利用α射线的电离作用，A正确；γ射线对生物具有物理、化学作用，照射种子可使基因变异，可用于放射性治疗，β射线不具有生物作用，B错误，C正确；同位素的核外电子数相同，化学性质相同，放射性同位素带有“放射性标记”，可用探测器探测，D正确。]
对原子核衰变的理解
(教师用书独具)教材P109“思考与讨论”提示：新核的质量数与原来的核质量数减少4，在元素周期表中位置向前移两位。α衰变的质量数减少4，核电荷数减少2。
原子核α衰变实质是放出一个氦原子核，β衰变实质是放出一个电子。
试探究：(1)放射性元素能不能一次衰变同时产生α射线和β射线？
(2)γ射线又是怎样产生的？
提示：(1)不能，一次衰变只能是α衰变或β衰变，而不能同时发生α衰变和β衰变。
(2)放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出γ光子。
1．衰变实质
α衰变：原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子，并在一定条件下作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，产生α衰变。
转化方程为2n＋2H→He。
β衰变：原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内，同时放出一个电子，即β粒子放射出来。
转化方程为n→H＋e。
2．衰变规律
原子核发生衰变时，遵循三个守恒定律
(1)衰变前后的电荷数守恒。
(2)质量数守恒。
(3)动量守恒。
3．衰变方程通式
(1)α衰变：X→Y＋He。
(2)β衰变：X→Y＋e。
4．确定原子核衰变次数的方法与技巧
(1)方法：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，则衰变方程为：
X→Y＋nHe＋me
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m
以上两式联立解得：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衰变的次数多少对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定β衰变的次数。
【例1】　U核经一系列的衰变后变为Pb核，问：
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？
(2)Pb与U相比，质子数和中子数各少了多少？
(3)综合写出这一衰变过程的方程。
思路点拨：(1)α衰变和β衰变方程遵守质量数守恒和电荷数守恒的规律。
(2)在写方程时用“→”而不能用“＝”号，因为质量并不相等，且也不可逆。
[解析]　(1)设U衰变为Pb经过x次α衰变和y次β衰变。由质量数守恒和电荷数守恒可得
238＝206＋4x ①
92＝82＋2x－y ②
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。
(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故Pb较U质子数少10，中子数少22。
(3)衰变方程为U→Pb＋8He＋6e。
[答案]　(1)8次α衰变和6次β衰变　(2)10　22
(3)U→Pb＋8He＋6e
衰变次数的判断方法
(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
(2)每发生一次α衰变，质子数、中子数均减少2。
(3)每发生一次β衰变，中子数减少1，质子数增加1。
[跟进训练]
1．(多选)原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线。这些射线共有三种：α射线、β射线和γ射线。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2
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
AD　[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、原子序数增加1，故A、D正确。]
半衰期的理解与应用
放射性元素氡(Rn)经α衰变成为钋(Po)，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Rn的矿石。
试探究：(1)甲同学说Rn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，这种说法对吗？
(2)如果不对，那到底是什么原因呢？
提示：(1)不对。放射性元素的半衰期由原子核本身的因素决定，与外界环境等因素无关。
(2)地壳中原有的Rn早已衰变完了，目前地壳中的Rn主要来自其他放射性元素的衰变。
1．对半衰期的理解：半衰期表示放射性元素衰变的快慢。
2．半衰期公式：N余＝N原)，m余＝m0)，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，τ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，无法确定其何时发生衰变，半衰期只适用于大量的原子核。
【例2】　碘131核不稳定，会发生β衰变，其半衰期为8天。
(1)碘131核的衰变方程：I→________(衰变后的元素用X表示)。
(2)经过________天75%的碘131核发生了衰变。
[解析]　(1)I→X＋e
(2)75%的碘发生了衰变，即25%的未衰变。
即＝25%＝＝
共经历了两个半衰期即16天。
[答案]　(1)I→X＋e　(2)16
有关半衰期的两点提醒
(1)半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，而不是样本质量减少一半的时间。
(2)经过n个半衰期，剩余原子核N剩＝N总。
[跟进训练]
2．新发现的一种放射性元素X，它的氧化物X2O的半衰期为8天，X2O与F发生化学反应2X2O＋2F2===4XF＋O2之后，XF的半衰期为(　　)
A．2天　 B．4天 C．8天 D．16天
C　[放射性元素的衰变快慢由原子核内部的自身因素决定，与原子的化学状态无关，故半衰期仍为8天，A、B、D错误，C正确。]
核反应与放射性同位素的应用
用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然放射性同位素只不过40几种，而今天人工制造的放射性同位素已达1 000多种。放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面都得到了广泛的应用。
试探究：(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失，这是什么原因？
(2)在我国首次用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素结晶是同一种，为此采用放射性同位素14C的作用是什么？
提示：(1)放射线的电离作用，空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和，所以使验电器所带电荷消失。
(2)示踪原子。
1．核反应
(1)原子核人工转变的三大发现
1919年卢瑟福发现质子的核反应：
N＋He→O＋H。
1932年查德威克发现中子的核反应：
Be＋He→C＋n。
1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应：Al＋He→P＋n；P→Si＋e。
(2)人工转变核反应与衰变的比较
不同点：原子核的人工转变是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理和化学条件的影响。
相同点：人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒，反应前后粒子总动量守恒。
2．放射性同位素的应用
(1)放射性同位素的分类
可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素两种，天然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达1 000多种，每种元素都有自己的放射性同位素。
(2)人工放射性同位素的优点
放射强度容易控制。
可以制成各种所需的形状。
半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理。因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素。
(3)放射性同位素的主要应用
①利用它的射线。
a.工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性；
b.农业应用——利用γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等；
c.医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症。
②作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置。
【例3】　(多选)关于放射性同位素的应用下列说法中正确的有(　　)
A．放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
C．用放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
思路点拨：(1)α射线电离能力强。
(2)γ射线的穿透能力强。
BD　[利用放射线消除有害静电是利用α射线的电离性，使空气分子电离成导体，将静电泄出，A错误；利用γ射线的穿透性可以为金属探伤，γ射线对人体细胞伤害太大，因此不能用来人体透视，在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量，B、D正确；DNA变异并不一定都是有益的，C错误。]
放射性同位素的两类应用
(1)利用它的射线：α射线的电离作用，γ射线的贯穿本领和生物作用，β射线的贯穿本领。
(2)作为示踪原子：多数情况下用β射线，因为γ射线难以探测到。
[跟进训练]
3．(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子(　　)
A．γ射线探伤仪
B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
C．利用钴60治疗肿瘤等疾病
D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律
BD　[A是利用了γ射线的穿透性，A错误；C利用了γ射线的生物作用，C错误；B、D是利用示踪原子。]
4．完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子和正电子的。
(1)B＋He→N＋(　　)
(2)Be＋(　　)→C＋n
(3)Al＋(　　)→Mg＋H
(4)N＋He→O＋(　　)
(5)Na＋(　　)→Na＋H
(6)Al＋He→n＋(　　)；P→Si＋(　　)
[解析]　(1)B＋He→N＋n
(2)Be＋He→C＋n
由此核反应使查德威克首次发现了中子。
(3)Al＋n→Mg＋H
(4)N＋He→O＋H
此核反应使卢瑟福首次发现了质子。
(5)Na＋H→Na＋H
(6)Al＋He→n＋P；
P→Si＋e(正电子)
此核反应使约里奥—居里夫妇首次发现了正电子。
[答案]　见解析
1．物理观念：原子核的衰变、半衰期、核反应及放射性同位素。
2．科学思维：衰变及核反应规律的理解，半衰期的理解与计算，放射性同位素的应用。
3．科学方法：实验法、计算法、比较法。
1．(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．β衰变放出的电子来自组成原子核的电子
B．β衰变实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子
C．α衰变说明原子核中含有α粒子
D．γ射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波
BD　[原子核发生β衰变中放出的电子是原子核内的中子转化为质子而释放的电子，故A错误；B正确；α射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起而从原子核中释放出来，C错误；γ射线总是伴随着其他衰变发生，它的本质是电磁波，故D正确。]
2．有一种新型镍铜长效电池，它是采用半衰期长达100年的放射性同位素镍63(Ni)和铜两种金属作为长寿命电池的材料，利用镍63发生β衰变时释放电子给铜片，把镍63和铜片作电池两极，外接负载为负载提供电能。下面有关该电池的说法正确的是(　　)
A．镍63的衰变方程是Ni→Cu＋e
B．镍63的衰变方程是Ni→Cu＋e
C．外接负载时镍63的电势比铜片低
D．该电池内电流方向是从镍片到铜片
A　[镍63的衰变方程为Ni→e＋Cu，选项A正确，B错误；电流方向为正电荷定向移动方向，在电池内部电流从铜片到镍片，镍片电势高，选项C、D错误。]
3．(多选)以下是物理学史上3个著名的核反应方程
x＋Li→2y　y＋N→x＋O　y＋Be→z＋C
x、y和z是3种不同的粒子，下列说法正确的是(　　)
A．x为α粒子　　 B．x为质子
C．y为α粒子 D．z为中子
BCD　[根据质量数守恒和电荷数守恒可以确定x为质子H，y为He核即α粒子，z为中子n，故B、C、D正确。]
4．(多选)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的比例持续减少。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
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。]
5．(思维拓展)如图所示是某著名物理实验装置图，科学家利用该装置第一次实现了原子核的人工转变。
问题探究：(1)请完成该核反应方程；
(2)请写出这位科学家的名字及他发现了什么？
[解析]　(1)核反应方程是：He＋N→O＋H。
(2)卢瑟福第一次完成了原子核的人工转变并发现了质子。
[答案]　见解析
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