第5章 第1～2节 原子核的组成 放射性元素的衰变（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第1节　原子核的组成 第2节　放射性元素的衰变 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道天然放射现象和三种射线的本质. 2.知道原子核的组成和核子、中子、质子，知道原子核的质量数、电荷数，了解同位素的概念. 3.知道人工放射性同位素. 4.知道原子核的衰变，了解衰变的种类，掌握衰变方程的书写. 5.知道半衰期的概念和应用. 1.物理观念：(1)天然放射现象、α射线、β射线、γ射线、中子、质子、原子核的质量数、电荷数、同位素.(2)衰变、半衰期、核反应. 2.科学思维：衰变和核反应方程的书写，半衰期的应用. 3.科学态度与责任：放射性元素的应用，核辐射的安全防护. [对应学生用书P71] 1.质子的发现 卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子. 2.中子的发现 (1)卢瑟福预言：原子核内可能还存在另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫作中子. (2)查德威克用α粒子轰击铍(Be)原子核获得了中子. 3.原子核的组成 原子核由质子和中子组成，它们统称为核子. 4.原子核的电荷数(Z) 等于原子核的质子数，等于原子序数. 5.原子核的质量数(A) 等于质子数与中子数的总和. 6.原子核的符号表示 X，其中X表示该核所属的化学元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核的电荷数. 7.同位素 (1)原子序数相同而中子数不同的原子核互称为同位素. (2)氢有三种同位素，叫作氕、氘、氚，分别用H、H、H表示.U和U是铀元素的两种同位素. 8.核力：核子之间的相互作用力，它属于四种基本相互作用中的强相互作用. [思考]　人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么？绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么？ 提示　质子是原子核的组成部分.原子核由质子和中子组成，原子核的质量数是其质子数加中子数. 1.天然放射现象 (1)1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性. (2)物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫作天然放射现象. (3)原子序数大于或等于83的元素，都能自发地放出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线. 2.射线的实质 (1)α射线：α粒子流，即氦原子核流，速度只有光速的10%，其电离能力强，穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张黑纸就能把它挡住. (2)β射线：带负电的电子流，它速度很快，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，但不能穿透几毫米厚的铝片. (3)γ射线：能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下，呈电中性，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土. [判断]　(对的画“√”，错的画“×”) (1)放射性元素的放射性都是自发的现象.(√) (2)α射线是由高速运动的氦核组成的，其运动速度接近光速.(×) (3)β射线能穿透几毫米厚的铅板.(×) 1.人工放射性同位素 (1)有些同位素具有放射性，叫作放射性同位素. (2)人工放射性同位素的发现：1934年，约里奥·居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷P. (3)发现磷同位素的方程：He＋Al―→P＋n. 2.衰变 (1)定义：放射性元素自发地蜕变为另一种元素，同时放出射线的现象. (2)衰变分类 ①α衰变：放出α粒子的衰变. ②β衰变：放出β粒子的衰变. (3)衰变方程 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. 3.半衰期 (1)定义：放射性元素的原子核由于衰变而数目减少至原来一半所需的时间. (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. [判断]　(对的画“√”，错的画“×”) (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)原子核发生β衰变时，原子核的质量不变.(×) (3)原子核发生衰变时，质量数和电荷数都守恒.(√) [对应学生用书P73] 探究点一　原子核的组成和数量关系 原子核的示意图如图所示. (1)原子核大小的数量级是多少？ (2)原子核中有几种核子？ 提示　(1)10－15 m (2)有两种，质子和中子. 1.原子核的大小、组成和同位素 同位素：质子数相同而中子数不同的原子核 2.原子核的符号和数量关系 (1)符号：X. (2)基本关系： 核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数. 质量数(A)＝核子数＝质子数(Z)＋中子数(N). 3.对核子数、电荷数、质量数的理解 (1)核子数：质子和中子的质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数. (2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫作核电荷数. (3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，而质子与中子的质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个整数叫作原子核的质量数. (多选)Ra与Ra互为同位素，对于这两种原子而言，下列说法正确的有(　　) A.它们具有相同的质子数和不同的质量数 B.它们具有相同的中子数和不同的原子序数 C.它们具有相同的核电荷数和不同的中子数 D.它们具有相同的核外电子数和不同的化学性质 AC　[原子核的原子序数与核内质子数、核电荷数、核外电子数都是相等的，原子核的质量数(核子数)等于核内质子数与中子数之和，由此可知这两种镭是同位素，核内的质子数均为88，核子数分别为226和228，中子数分别为138和 140，原子的化学性质由核外电子数决定，由于它们的核外电子数相同，故它们的化学性质也相同.故正确答案为A、C.] [训练1]　在元素周期表中查到铅的原子序数为82，一个铅原子的质量数为207，下列说法正确的是(　　) A.其核外有82个电子，核内有207个质子 B.其核外有82个电子，核内有82个质子 C.其核内有82个质子，207个中子 D.其核内有125个核子 B　[在元素周期表中查到铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，则核外电子有82个.根据质量数等于质子数与中子数之和可知，铅原子核的中子数为207－82＝125.只有B正确.] 探究点二　天然放射现象中三种射线的特性 右图为三种射线在匀强磁场中的运动轨迹示意图. (1)α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转说明了什么？ (2)α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径说明了什么？ 提示　(1)说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电. (2)说明α射线的比荷小于β射线的比荷. 1.α、β、γ射线的性质、特征比较 射线种类 组成 速度 贯穿本领 电离作用 α射线 α粒子是氦原子核(He) 约c 很弱，一张薄纸就能挡住 很强 β射线 β粒子是高速电子流(e) 接近c 很强，能穿过几毫米厚的铝板 较弱 γ射线 波长很短的电磁波 等于c 最强，能穿过几厘米厚的铅板 很弱 2.三种射线在电场和磁场中的偏转 (1)垂直电场线方向射入匀强电场中时，γ射线不发生偏转，做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，β粒子的偏移大，如图所示. 沿电场线方向的位移x可表示为 x＝at2＝·()2∝ 所以，在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为 ＝××≈37. (2)在匀强磁场中，γ射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，如图所示. 根据qvB＝得R＝∝ 所以，在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为 ＝××≈. 如图所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，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点的射线种类、到达P点的射线种类分别是(　　) 选项 磁场方向 到达O点的射线 到达P点的射线 A 竖直向上 β射线 α射线 B 竖直向下 α射线 β射线 C 垂直纸面向里 γ射线 β射线 D 垂直纸面向外 γ射线 α射线 [思路点拨]　解答此题应注意以下两点： (1)能够穿过厚纸板的只有β射线和γ射线，α射线无法穿过. (2)γ射线在磁场中不偏转，β射线在磁场中的偏转情况符合左手定则. C　[R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域时将受到洛伦兹力作用，γ射线不偏转，故打在O点的应为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.] [题后总结]　判断三种射线的方法 (1)根据三种射线的带电性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电.α、β射线是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种. (2)在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α射线和β射线，由于γ射线不带电，故其运动轨迹仍为直线. (3)α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强. [训练2]　如图所示，放射性元素镭在衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，它们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 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错误；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正确.] 探究点三　原子核的衰变规律 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？当原子核发生β衰变时，新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少？ 提示　当原子核发生α衰变时，原子核的质子数减小2，中子数减小2，因为α衰变的实质是2个质子和2个中子结合在一起从原子核中被抛射出来.β粒子为电子，发生β衰变时核电荷数增加1，所以原子序数增加1. 1.衰变实质 (1)α衰变：原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子，2n＋2H―→He. (2)β衰变：原子核内的一个中子变成质子，同时放出一个电子，n―→H＋e. 2.衰变方程通式 (1)α衰变：X―→Y＋He (2)β衰变：X―→Y＋e 3.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衰变的次数对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定β衰变的次数. 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①②③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 [思路点拨] (1)放射性元素发生衰变时，质量数和电荷数均守恒. (2)先确定衰变时放出的粒子，再确定衰变的种类. A　[U Th，质量数减4，电荷数减2，说明①为α衰变.Th 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.Pa 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A正确.] [题后总结]　放射性元素衰变的三大规律 (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，质量数减少4. (3)每发生一次β衰变，中子数减少1，质子数增加1，质量数不变. [训练3]　已知Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi，下列说法正确的是(　　 ) A.Bi的原子核比Np的原子核少28个中子 B.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变 C.衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变 D.衰变前比衰变后所有物质的质量数少 B　[由题意可知，质量数减少了237－209＝28，由28÷4＝7可知发生了7次α衰变，发生β衰变的次数为93－83＝10，设发生α衰变的次数为x，则7×2－x＝10，解得x＝4，即发生了4次β衰变，故B正确，C错误；Bi和Np的中子数分别为209－83＝126，237－93＝144，中子数之差为144－126＝18，故A错误；根据衰变规律可知，反应前后质量数守恒，故D错误.] 探究点四　半衰期的理解和应用 放射性元素衰变有一定的速率.镭226衰变为氡222的半衰期为1 620年，有人说：“10 g镭226经过1 620年有一半发生衰变，镭226还有5 g，再经过1 620年另一半镭226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的时间叫作这种元素的半衰期.经过第二个1 620年后镭226还剩2.5 g. 1.半衰期的意义：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原子核组成的系统. 4.应用：利用半衰期非常稳定的特点，可以测算原子核的衰变过程，推算时间等. 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C的衰变方程. (2)若测得某古生物遗骸中的C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？ 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 [题后总结]　 (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，未发生衰变的原子核的数目N剩＝ N原. [训练4]　(多选)目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些材料都不同程度地含有放射性元素.下列有关放射性知识的说法正确的是(　　) A.氡的半衰期为3.8天，若有4 kg氡原子核，经过7.6天后就只剩下1 kg氡原子核 B.氡的半衰期为3.8天，若有4个氡原子核，经过7.6天后就只剩下1个氡原子核 C.放射性元素发生β衰变时释放的电子是原子核外电子电离产生的高速电子 D.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性 AD　[若有4 kg氡原子核，经过7.6天即经过2个半衰期后，就只剩下4 kg×()2＝1 kg 氡原子核，A正确；半衰期是统计规律，对少数原子核不适用，B错误；β衰变实质是原子核中的一个中子转变为一个质子和一个电子，电子从原子核中释放出来，C错误；放射性由原子核本身决定，与所处的化学状态无关，D正确.] [对应学生用书P77] 1.(原子核的组成和符号)放射性元素钴(Co)可以有效治疗癌症，该元素原子核内中子数与核外电子数之差是(　　) A.6　　　　　　　　　　 B.27 C.33 D.60 A　[中子数为60－27＝33个，核外电子数等于质子数等于原子序数27，所以中子数33与核外电子数27之差等于6，A正确.] 2.(衰变)下列观点正确的是(　　) A.α射线、β射线、γ射线都是高速带电粒子流 B.原子核发生衰变时要遵守电荷数守恒和质量守恒 C.大量原子核发生衰变时一定同时放出α射线、β射线、γ射线 D.原子核发生衰变时产生的α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的 D　[α射线、β射线都是高速带电粒子流，γ射线不带电，是光子流，A错误；原子核发生衰变时遵守电荷数守恒和质量数守恒，但质量不守恒，B错误；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从原子核中辐射出来，β衰变的实质是原子核中的一个中子变成一个质子和一个电子，γ射线伴随α衰变或β衰变的产生而产生，所以这三种射线都是从原子核内部释放出来的，大量原子核发生衰变时不一定同时放出α射线、β射线、γ射线，C错误，D正确.] 3.(衰变和半衰期综合)(多选)钍(Th)具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤(Pa)，同时伴随有γ射线产生，其方程为Th→Pa＋X，钍的半衰期为24天.则下列说法正确的是(　　 ) A.X为质子 B.X是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的 C.γ射线是镤原子核放出的 D.1 g钍(Th)经过120天后还剩0.312 5 g BC　[根据电荷数和质量数守恒知，钍核衰变过程中放出了一个电子，即X为电子，故A错误；发生β衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子时产生的，故B正确；γ射线是镤原子核放出的，故C正确；钍的半衰期为24天，1 g钍(Th)经过120天(即经过5个半衰期)后，还剩()5×1 g＝0.031 25 g，故D错误.] 4.(衰变规律的应用)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　(1)U―→Th＋He. (2)设另一种新核的速度为v′，铀核质量为238m，钍核质量为234m，由动量守恒定律得238mv＝234m×＋4mv′，解得v′＝v. 答案　(1)U―→Th＋He　(2)v 学科网（北京）股份有限公司 $$