(共51张PPT)
2.放射性元素的衰变
学习目标
1.了解衰变的概念,知道衰变时质量数和电荷数都守恒。
2.理解α衰变和β衰变的规律及实质,并能熟练书写衰变方程。
3.理解半衰期的概念,学会利用半衰期解决相关问题。
4.知道核反应及其遵从的规律,会正确书写核反应方程。
5.知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素。
6.知道放射性同位素的常见应用。了解放射性同位素带来的辐射与安全问题。
思维导图
必备知识
自我检测
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,则核电荷数变了,变成另一种
原子核,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.衰变方程
必备知识
自我检测
4.衰变规律
(1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
(2)当放射性物质连续衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰变,同时伴随着γ射线辐射。这时,放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。
必备知识
自我检测
二、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。
必备知识
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三、核反应和放射性同位素的应用与防护
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。
(2)原子核的人工转变
1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,产生了氧的一种同位素,同时产生一个质子。卢瑟福发现质子的核反应方程:
遵循规律:质量数守恒、电荷数守恒。
2.人工放射性同位素
放射性同位素的定义:有些同位素具有放射性,叫做放射性同位素。
必备知识
自我检测
3.放射性同位素的应用与防护
(1)应用射线
应用射线可以测厚度、医疗方面的放射治疗、照射种子培育优良品种等。
(2)示踪原子:有关生物大分子的结构及其功能的研究,要借助于
示踪原子。
(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。
必备知识
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4.人工放射性同位素的优势
(1)种类多。天然放射性同位素不过40多种,而人工放射性同位素已达3
000多种。
(2)放射强度容易控制。
(3)可制成各种所需的形状。
(4)半衰期短,废料易处理。
必备知识
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1.正误判断
(1)原子核在衰变时,它在元素周期表中的位置不变。( )
(2)发生β衰变是原子核中的电子发射到核外。( )
(3)半衰期是原子核有半数发生衰变需要的时间,经过两个半衰期原子核就全部发生衰变。( )
(4)通过化学反应也不能改变物质的放射性。( )
(5)原子核衰变过程中,电荷数、质量数、能量和动量都守恒。
( )
(6)在核反应中,质量数守恒,电荷数守恒。( )
(7)利用γ射线照射种子,可以培育出优良品种。( )
(8)任何放射性物质都可以作为示踪原子使用。( )
答案(1)× (2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)√ (7)√ (8)×
必备知识
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2.放射性在技术上有很多应用,不同的放射源可用于不同目的。下表列出了一些放射性元素的半衰期和可供利用的射线。
某塑料公司生产聚乙烯薄膜,方法是让厚的聚乙烯膜通过轧辊把聚乙烯膜轧薄,利用适当的放射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀。可利用的元素是( )
A.钋210
B.氡222
C.锶90
D.铀238
元素
射线
半衰期
钋210
α
138天
氡222
β
3.8天
锶90
β
28年
铀238
α、β、γ
4.5×109年
必备知识
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解析要测定聚乙烯薄膜的厚度,则要求射线可以穿透薄膜,因此α射线不合适;另外,射线穿透作用还要受薄膜厚度影响,γ射线穿透作用最强,薄膜厚度不会影响γ射线穿透,所以只能选用β射线,而氡222半衰期太短,所以只有锶90较合适。
答案C
必备知识
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3.(2020四川成都模拟)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程为:
,则X的原子序数和质量数分别为( )
A.8和17
B.7和17
C.6和14
D.10和15
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。
答案A
必备知识
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4.碳14是一种半衰期为5
730年的放射性同位素。若考古工作者探测到某古木中碳14的含量为原来的
,则该古树死亡时间距今大约( )
A.22
920年
B.11
460年
C.5
730年
D.2
865年
解析由
,所以该古树死亡时间应该为2个碳14的半衰期,即t=2T=5
730年×2=11
460年,故答案为B。
答案B
探究一
探究二
探究三
探究四
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原子核的衰变
情境探究
1.元素自发地放出射线后,原子核发生了变化,称为原子核的衰变。放出α粒子称为α衰变,放出β粒子称为β衰变,研究表明,碳14只放出β射线,钴60只放出β、γ射线,镭226只放出α、γ射线。不同元素放出的射线相同吗?元素放出射线后,原子核发生了什么变化?
要点提示不同的放射性元素放出的射线是不同的。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
2.下图为α衰变、β衰变示意图。
(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?
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
要点提示(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数各减少2个。因为α粒子是原子核内2个质子和2个中子结合在一起发射出来的。
(2)当原子核发生β衰变时,新核的核电荷数相对于原来增加了1个。新核在元素周期表中的位置向后移动了1个位次。
探究一
探究二
探究三
探究四
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知识归纳
1.衰变规律
原子核衰变时,电荷数和质量数都守恒。
2.衰变方程
探究一
探究二
探究三
探究四
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(3)γ射线辐射:
①α衰变或β衰变后产生的新核往往处于高能级,不稳定,要向低能级跃迁,放出γ光子。
②γ射线是伴随着α射线和β射线产生的,γ射线辐射并不能独立发生,所以,只要有γ射线必有α衰变或β衰变发生。
③γ粒子不是带电粒子,因此γ射线并不影响原子核的核电荷数,故γ射线不会改变元素在周期表中的位置。
探究一
探究二
探究三
探究四
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实例引导
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
温馨提示(1)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。
(2)衰变方程的书写方面:衰变方程用“→”表示,而不用“=”表示。
(3)衰变方程表示的变化方面:衰变方程表示的是原子核的变化,而不是原子的变化。
(4)为了确定衰变次数,一般是由质量数的改变先确定α衰变的次数,这是因为β衰变的次数的多少对质量数没有影响,然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。
(5)每发生一次α衰变原子核的质子数和中子数均少2,每发生一次β衰变原子核的中子数少1,质子数多1。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
变式训练1(多选)下列说法正确的是( )
解析α衰变时核电荷数减2,质量数减4,β衰变时核电荷数加1,质量数不变;设发生了x次α衰变和y次β衰变,则根据质量数和电荷数守恒有:2x-y+86=88,4x+222=226,解得x=1,y=0,A错误;同理可判断选项C错误;B、D正确。
答案BD
探究一
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探究四
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半衰期
情境探究
1.知道考古学家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。
探究一
探究二
探究三
探究四
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2.右图为氡衰变剩余质量与原有质量比值示意图。
纵坐标表示的是任意时刻氡的质量m与t=0时的质量m0的比值。
(1)每经过一个半衰期,氡原子核的质量如何变化?
(2)从图中可以看出,经过两个半衰期未衰变的原子核还有多少?
要点提示(1)由衰变图可看出,每经过一个半衰期,氡原子核的质量变为原来的
。
(2)经过两个半衰期未衰变的原子核还有
。
探究一
探究二
探究三
探究四
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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,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.公式
式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数或质量,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或质量,t表示衰变时间,T表示半衰期。
探究一
探究二
探究三
探究四
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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。
4.应用
利用半衰期非常稳定这一特点,可以测量其衰变过程、推断时间等。
特别提醒(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。
探究一
探究二
探究三
探究四
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探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
答案B
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
变式训练2(2020山东模拟)已知铋210的半衰期是5天,20
g铋210经过20天,剩余未衰变的铋210的质量为( )
A.1.25
g
B.2.5
g
C.5
g
D.10
g
m余=1.25
g,故A正确,B、C、D错误。
答案A
探究一
探究二
探究三
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核反应
情境探究
如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
(1)充入氮气前荧光屏上看不到闪光,充入氮气后荧光屏上看到了闪光,说明了什么问题?
(2)原子核的人工转变与原子核的衰变有什么相同规律?
要点提示(1)产生了新粒子。(2)质量数与电荷数都守恒。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
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1.原子核的人工转变
(1)条件:用α粒子、质子、中子,甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。
(2)实质:用粒子轰击原子核并不是粒子与原子核碰撞,将原子核打开,而是粒子打入原子核内部使原子核发生了转变。
(3)规律:反应前、后电荷数守恒、质量数守恒。
探究一
探究二
探究三
探究四
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2.三个重要原子核的人工转变方程
闪光语录原子核的人工转变必须要有一定的装置和条件,不会自发产生。
探究一
探究二
探究三
探究四
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实例引导
例3
(2020浙江义乌模拟)居里夫人发现了元素钋(Po),其α衰变的核反应方程式为
,下列按序对a、b、c、d、e、f赋值正确的是( )
A.84、211、2、4、1、0
B.84、210、2、4、0、0
C.84、207、1、1、0、1
D.83、207、1、1、0、0
解析由于该核反应方程式为α衰变的方程式,所以a为α粒子,则c=2,d=4。
该核反应释放的能量以γ射线的形式出现,所以f=0,e=0。
根据质量数守恒和电荷数守恒可得:
b=d+206=4+206=210
a=c+82=2+82=84,故B正确,A、C、D错误。
答案B
探究一
探究二
探究三
探究四
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变式训练3(2020上海徐汇区二模)用α粒子轰击铝核的核反应方程是
,n为中子。则X的核子数为( )
A.15
B.16
C.29
D.30
解析根据核反应过程中,质量数与电荷数守恒,α粒子的质量数为4,中子的质量数为1,可知X的质量数4+27-1=30,又因为质量数=核子数,故X的核子数为30,故D正确,A、B、C错误。
答案D
探究一
探究二
探究三
探究四
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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?
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
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,抑制蔬菜发芽,延长保存期。
探究一
探究二
探究三
探究四
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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。天然存在的放射性同位素只有40多种,但用人工方法得到的放射性同位素已达3
000多种。与天然放射性物质相比,人造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形状。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
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。
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。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
(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。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
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。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
实例引导
例4
(2020广东一模)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( )
探究一
探究二
探究三
探究四
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答案B
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
变式训练4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)写出氧15的衰变和正负电子湮灭的方程式。
(2)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
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
(2)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。
探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测
1.(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的( )
A.利用钴60治疗肿瘤等疾病
B.γ射线探伤
C.利用含有放射性碘131的油,检测地下输油管的漏油情况
D.把含有放射性同位素的肥料施给农作物用以检测农作物吸收养分的规律
解析利用钴60治疗肿瘤和γ射线探伤是利用射线能量高、贯穿本领大的特点,故A、B错误;C、D两项是利用放射性同位素作为示踪原子,故C、D均正确。
答案CD
探究一
探究二
探究三
探究四
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2.(2020山西模拟)居家装修中的花岗岩、大理石等装修材料,有的会释放放射性气体氡,氡发生衰变,可诱发多种人体疾病,结合所学放射性知识,下列说法正确的是( )
A.α衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子
B.β射线是原子核外电子电离形成的电子流,它具有中等的穿透能力
C.氡的半衰期为3.8天,20个氡原子核经过7.6天则变为5个原子核
D.发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了2
解析α衰变是原子核中释放出一个α粒子,所以发生α衰变时,电荷数少2,中子数少2,核子数少4。故A错误,D正确;β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的。故B错误;半衰期是一个统计规律,只对大量的原子核适用,故C错误。
答案D
探究一
探究二
探究三
探究四
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探究一
探究二
探究三
探究四
随堂检测2.放射性元素的衰变
课后篇巩固提升
基础巩固
1.卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变,其核反应方程为He
NH,下列说法错误的是
( )
A.卢瑟福通过该实验提出了原子核式结构模型
B.实验中是用α粒子轰击氮核
C.卢瑟福通过该实验发现了质子
D.原子核在人工转变的过程中,电荷数一定守恒
解析卢瑟福用α粒子轰击金箔散射的实验,提出原子的核式结构模型,故A错误;用α粒子轰击氮核首次实现了原子核的人工转变,并发现了质子,故B、C正确;核反应方程质量数和电荷数是守恒的,故D正确。
答案A
2.(2020北京西城区二模)在核反应方程BeHeC+X中,X表示的是( )
A.质子
B.中子
C.电子
D.α粒子
解析根据质量数守恒,X的质量数为9+4-12=1;根据核电荷数守恒,X的核电荷数为4+2-6=0,说明X为中子,故B正确,ACD错误。
答案B
3.14C测年法是利用14C衰变规律对古生物进行年代测定的方法。若以横坐标t表示时间,纵坐标m表示任意时刻14C的质量,m0为t=0时14C的质量。下面四幅图中能正确反映14C衰变规律的是( )
解析设衰变周期为T,那么任意时刻14C的质量m=m0,可见,随着t的增长物体的质量越来越小,且变化越来越慢,很显然C项图线符合衰变规律,故选C。
答案C
4.(2020陕西西安长安区模拟)居里夫人是放射性元素钋Po)的发现者。已知钋Po)发生衰变时,会产生α粒子和原子核X,并放出γ射线。下列分析正确的是( )
A.原子核X的质子数为82,中子数为206
B.γ射线具有很强的穿透能力,可用来消除有害静电
C.由α粒子所组成的射线具有很强的电离能力
D.地磁场能使γ射线发生偏转
解析根据发生核反应时,质量数与电荷数守恒,可得原子核X的质子数为84-2=82,质量数为210-4=206,依据质量数等于质子数与中子数之和,得原子核X的中子数为206-82=124,故A错误;γ射线具有很强的穿透能力,但是电离本领弱,不能用来消除有害静电,故B错误;因为α射线实质是氦核流,具有很强的电离本领,故C正确;γ射线的实质是频率很高的电磁波,本身不带电,所以γ射线在地磁场不会受力,不能发生偏转,故D错误。
答案C
5.一个静止的放射性原子核处于垂直纸面向里的匀强磁场中,由于发生了衰变而形成了如图所示的两个圆形径迹,两圆半径之比为1∶16,下面说法正确的是
( )
A.该原子核发生了α衰变
B.反冲核沿小圆作顺时针方向运动
C.原静止的原子核的原子序数为15
D.沿大圆和小圆运动的粒子的周期相同
解析由轨迹图可判断发生了β衰变,A错误;由左手定则可判断反冲核沿小圆逆时针旋转,B错误;
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β衰变时
所以选项C正确;
由T=可知D错误。
答案C
能力提升
1.(2020山东日照三模)已知Rn的半衰期为3.82d,经衰变后变成稳定的Pb。下列说法正确的是( )
A.氡核Rn的中子数为86,质子数为136
B.该衰变要经过4次α衰变和4次β衰变
C.该衰变过程,遵循质量守恒
D.标号为a、b、c、d的4个氡核Rn经3.82d后一定剩下2个核未衰变
解析氡核的质子数为86,中子数为222-86=136,故A错误;设此衰变过程中经历了要经过X次α衰变和Y次β衰变,根据质量数守恒和电荷数守恒可得其衰变方程为RnPb+He+e,由222=206+4X,86=82+2X-Y,联立解得:X=4,Y=4,故B正确;该衰变过程释放能量存在质量亏损,遵循质量数守恒、电荷数守恒,故C错误;半衰期适用于大量的原子核,对于少量的原子核不适用,故D错误。
答案B
2.(2020山东卷)氚核H发生β衰变成为氦核He。假设含氚材料中H发生β衰变产生的电子可以全部定向移动,在3.2×104
s时间内形成的平均电流为5.0×10-8
A。已知电子电荷量为1.6×10-19
C,在这段时间内发生β衰变的氚核H的个数为( )
A.5.0×1014
B.1.0×1016
C.2.0×1016
D.1.0×1018
解析根据电流的定义式I=,该段时间内产生的电荷量为q=It=5.0×10-8×3.2×104
C=1.6×10-3
C,根据衰变方程得Hee,可知这段时间内发生β衰变的氚核H的个数为n==1.0×1016,故B正确,ACD错误。
答案B
3.天然放射性铀U)发生衰变后产生钍Th)和另一个原子核。
(1)请写出衰变方程;
(2)若衰变前铀U)核的速度为v,衰变产生的钍Th)核速度为,且与铀核速度方向相同,求产生的另一种新核的速度。
解析(1ThHe
(2)设另一新核的速度为v',铀核质量为238m,由动量守恒定律得238mv=234m+4mv',得v'=v。
答案(1)见解析 (2)v
4.为测定水库的存水量,将一瓶放射性溶液倒入水库中,已知这杯溶液每分钟衰变8×107次,这种同位素半衰期为2天,10天以后从水库中取出1
m3的水,并测得每分钟衰变10次,求水库的存水量。
解析由每分钟衰变次数与其质量成正比出发,运用半衰期知识可求出存水量。
设放射性同位素原有质量为m0,10天后其质量剩余为m,水库存水量为Q
m3,由每分钟衰变次数与其质量成正比可得,由半衰期公式得m=,由以上两式联立代入数据得==5,解得水库存水量为2.5×105
m3。
答案2.5×105
m3
