5.2-5.3放射性元素的衰变、核力与核反应方程 课件-2023-2024学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

5.2 放射性元素的衰变 第五章 原子与原子核 5.3 核力与核反应方程 人们对原子组成和原子结构的认识过程 枣糕模型 + + 核式结构模型 量子化轨道 电子云 由卢瑟福的原子核式结构我们知道，原子由原子核和电子组成，那么原子核内部会不会也存在着复杂的结构呢 关于原子核内部信息的研究，最早来自矿物的天然放射现象。那么，人们是怎样从破解天然放射现象入手，一步步揭开了原子核秘密的呢？ 新课导入 一、放射性的发现 贝克勒尔 1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线。这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光 。 居里夫妇 Po (钋） Ra（镭） 一、放射性的发现 物质放射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 一、放射性的发现 天然放射性元素 原子序数在83以上的元素都具有放射性，原子序数在小于等于83的某些元素如锝（Tc）、钷（Pm）等也具有放射性 这些能自发地放出射线的元素叫做天然放射性元素 元素的放射性是原子的性质还是原子核的性质？放射性的发现有何重要意义? 表明原子核也有内部结构。 如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响，即放射性与元素所处的化学状态无关。 放射性的强度也不受温度、外界压强的影响，即放射性与元素存在的物理状态无关。是原子核的性质，而不是原子的性质。只与原子核的内部结构有关。 重要实验 结论 原子具有结构 原子具有核式结构 原子核具有结构 阴极射线 a粒子散射实验 天然放射现象 原子核由更加基本的粒子组成 原子由原子核和核外电子组成 原子内部存在电子 原子核内究竟还有什么结构？ 原子核又是由什么粒子组成的呢？这些粒子又是如何被发现的呢？ 【思考问题】阅读113页教材内容，回答下列问题： 二、原子核的组成 （1）谁发现了质子？怎样发现的？ （2）中子是怎么发现的？是由谁发现的？ 1919年，卢瑟福用 粒子轰击氮核时，发现了质子。 卢瑟福的学生查德威克用射线轰击铍时发现了中子。 质子的符号：p 中子的符号：n 质子的质量： 中子的质量： 1、原子核由中子和质子组成，中子与质子的质量几乎相等； 2、核子：组成原子核的中子和质子被统称为核子； 二、原子核的组成 3、原子核符号： A：质量数（核子数） Z：核电荷数（质子数、原子序数、核外电子数） 中子数 N=A-Z 二、原子核的组成 核子数： 235 质量数： 235 质子数： 92 核电荷数： 92 中子数： 235-92=143 同位素 氕 氘 氚 同位素：质子数相同，中子数不同 元素符号相同 质子数相同（电荷数相同 ） 质量数不同 　关于原子物理的知识，下列说法正确的是 A.质子的发现说明原子是可分的 B.电子的发现说明原子核是可分的 C.天然放射现象的发现揭示了原子核有复杂的结构 D.α粒子散射实验揭示了原子核是由质子和中子组成的 例1 √ 例：已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226.试问： (1)镭核中有多少个质子？多少个中子？ (2)镭核所带的电荷量是多少？ (3)呈中性的镭原子，核外有多少个电子？ √ 1、核反应：利用天然放射性的高速粒子或人工加速的粒子去轰击原子核，以产生新的原子核，这个过程叫作核反应。 三、核反应方程 2、反应能：在核反应过程中，原子核的质量数和电荷数会发生变化，同时伴随着能量的释放和吸收，所放出或吸收的能量叫作反应能。 三、核反应方程 情境1：卢瑟福用 粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子。 情境2：查德威克用 粒子轰击铍原子核，产生了碳14和一个中子。 在核反应过程中，方程两边总的质量数和电荷数是守恒的。 化学方程式 核反应方程式 联系 区别 电荷、质量守恒 电荷数、质量数守恒 用符号 用箭头 说明： 1.中间用单箭头，不用等号； 2.是质量数守恒，不是质量守恒; 3.方程及生成物要以实验为基础,不能杜撰。 钡铀云母 翠砷铜铀矿 斜水钼铀矿 铀钙石矿 在放射性现象中放出的射线是什么东西呢？ 它们除了能穿透黑纸使照相底片感光的性质以外，还有些什么性质呢？ 这些射线带不带电呢？带什么电？ 射线到底是什么 放射性说明了原子核具有复杂结构 1、研究方法 ⑴把放射源铀、钋或镭放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。 这三种射线分别叫作α射线、β射线和γ射线。 ⑵在射线经过的空间施加磁场。 ①射线分裂成三束； ②两束在磁场中向不同的方向偏转，这说明它们是带电粒子流；且电性相反。 ③另一束在磁场中不偏转，说明它不带电。 如果α射线、β射线都是带电粒子流，按照图5.1-1中标出的径迹判断，它们分别带什么电荷？ ×　×　×　×　× ×　×　×　×　× ×　×　×　×　× ×　×　×　×　×　 α射线 β射线 γ射线 正电 负电 α射线 + β射线－ γ射线 电场E 思考与讨论 如果不用磁场而用电场判断它们带电的性质，两个电极怎样放置可以使三种射线大致沿图示的方向偏转？ 成分 符号 电荷量 质量 速度 电离能力 贯穿能力 氦原子核 高速 电子流 高能量 电磁波 （光子） +2e 0 4m 0 0.1c 0.99c 光速c 三种射线在电场中的模拟图 三种射线的穿透能力 电离作用：射线飞行途中遇到原子并将其部分能量转移给原子 中的电子，使这个电子脱离核的束缚成为自由电子。 α射线：最强 β射线：较弱 γ射线：最弱 电离能力： 成分 符号 电荷量 质量 速度 电离能力 贯穿能力 氦原子核 高速 电子流 高能量 电磁波 （光子） +2e 0 4m 0 0.1c 0.99c 光速c 最强 较强 最弱 最弱 较强 最强 　(多选)(2022·奉新县第一中学高二月考)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，如图表示射线偏转情况，其中正确的是 例2 √ √ 威耳逊云室 由微观粒子构成的射线，肉眼是看不见的。但是，射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，会显示射线的存在。威尔逊云室就是一种常用的射线探测装置。 剑桥卡文迪许实验室陈列的威尔逊云室 拓展学习 思考：原子核自发地放出 射线后原子核会发生什么变化呢？ 在古代，不论是东方还是西方，都有一批人追求“点石成金”之术，他们试图利用化学方法将一些普通的矿石变成黄金。当然，这些炼金术士的希望都破灭了。那么，真的存在能让一种元素变成另一种元素的过程吗？ 类似于“点石成金”的事一直就在自然界中进行着，这就是伴随着天然放射现象发生的原子核“衰变”过程。 新课导入 衰变：一种元素经放射过程变成另一种元素的现象 α衰变 β衰变 五、原子核衰变 β 粒子 原子核衰变时电荷数和质量数都守恒 β衰变实质：核内的中子转化成了一个质子和一个电子。 β衰变的本质 α衰变的本质：两个中子和两个质子能十分紧密地结合在一起，因此，在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，即发生了α衰变。 α衰变的本质 五、原子核衰变 两种衰变的本质 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。γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。 γ射线的产生 放出粒子的不同 放出ɑ粒子和γ射线：ɑ衰变 放出β粒子和γ射线：β衰变 （氦核 ） （电子 ） 注意：一种元素只能发生一种衰变，但在一块放射性物质中可以同时放出α、β 和 γ 三种射线。 【思考】设放射性元素 经过n 次α衰变和 m 次β衰变后，变成稳定的新元素 ，试分析： （1）衰变方程 （2）衰变次数n 和 m 电荷数守恒： 解得： 5、衰变次数的计算 质量数守恒： 对点训练 BD　 [针对训练2]　用中子轰击铝27，产生钠24和X粒子，钠24具有放射性，它衰变后生成镁24，则X粒子和钠的衰变过程分别是(　　) A．质子，α衰变　　　　　　　 B．电子，α衰变 C．α粒子，β衰变 D．正电子，β衰变 √ 1、哪一个是 衰变？ 2、哪一个是粒子，哪一个是新核？ 3、圆的半径由什么决定 (多选)(2019·北京101中学高二下学期期末)A、B是两种放射性元素，原来都静止在同一匀强磁场，其中一个放出α粒子，另一个放出β粒子，运动方向都与磁场方向垂直。图中a、b与c、d分别表示各粒子的运动轨迹，下列说法中正确的是 (　 　) A．磁场方向一定为垂直纸面向里 B．A放出的是α粒子，B放出的是β粒子 C．b为α粒子运动轨迹，c为β粒子运动轨迹 D．a轨迹中粒子比b轨迹中的粒子动量大 BC　 放射性元素衰变有一定的速率。我们可以用半衰期来表示放射性元素衰变的快慢。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期。 六、半衰期 例如，氡222经过α衰变为钋218，观察发现，每过3.8天就有一半的氡发生衰变。即经过一个半衰期质量少了一半 最初的质量：m0 半衰期：τ 时间：t 未衰变的质量： 如图为始祖鸟的化石，美国科学家维拉·黎比运用了半衰期的原理发明“碳－14计年法”，并因此荣获了1960年诺贝尔奖.利用“碳－14计年法”可以估算出始祖鸟的年龄. (1)为什么能够运用半衰期来计算始祖鸟的年龄？ 半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.能够运用它来计算始祖鸟的年龄是因为半衰期与原子所处的化学状态和物理状态无关. (2)若有10个具有放射性的原子核，经过一个半衰期，则一定有5个原子核发生了衰变.这种说法是否正确，为什么？ 这种说法是错误的，因为半衰期描述的是大量放射性元素衰变的统计规律，不适用于少量原子核的衰变. 2．对半衰期的理解 (1)每一种放射性元素都有一定的半衰期，不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大． (2)放射性元素的半衰期，描述的是大量该元素衰变的统计规律．对于一个特定或少量原子来说，我们只知道其发生衰变的概率，而无法预测其何时发生衰变． (3)放射性元素衰变的速率由核本身的因素决定，与原子所处的物理状态或化学状态有关． 　(2021·常州市高二期中)关于放射性元素的衰变，下列说法正确的是 A.半衰期是原子核有半数发生衰变所需的时间 B.半衰期是原子核的核子数减少一半所需的时间 C.温度越高，放射性元素衰变就越快 D.β衰变说明原子核内部有电子 例3 √ 已知碘131的半衰期是8天，1g碘经过24天后还剩多少? 解：根据半衰期的定义，τ=8，t=24 剩下的钍为 巩固练习3 7.(2018·江苏卷)已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩余的A和B质量之比为 A.1∶4 B.1∶2 C.2∶1 D.4∶1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 8.某放射性元素经过11.4天有 的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为 A.11.4天 B.7.6天 C.5.7天 D.3.8天 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 9.一块质量为M的矿石中含有放射性元素钚，其中钚238的质量为m，已知钚的半衰期为88年，那么下列说法正确的是 A.经过176年后，这块矿石中基本不再含有钚 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 能力综合练 10.(多选)地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算.测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化的规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断下列选项正确的是 A.铀238的半衰期为90亿年 B.地球的年龄大约为45亿年 C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子 　数之比约为1∶4 D.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 11.(2022·绍兴市高二期末)某原子研究实验室发生放射性同位素泄漏事故.已知该元素的半衰期为3天，总放射量为人体最大允许量的8倍，则研究人员要进入该实验室，至少需要等待的天数为 A.3天 　　B.6天 　　C.9天 　　D.12天 √ [针对训练1]　某种元素的原子核用eq \o\al(A,Z)X表示，下列说法正确的是(　　) A．原子核的质子数为Z，中子数为A B．原子核的质子数为Z，中子数为A－Z C．原子核的质子数为A，中子数为Z D．原子核的质子数为A－Z，中子数为Z 完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反应方程，哪个是发现中子的核反应方程． (1)eq \o\al(14, 7)N＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(14, 6)C＋________； (2)eq \o\al(14, 7)N＋eq \o\al(4,2)He→eq \o\al(17, 8)O＋________； (3)eq \o\al(10, 5)B＋eq \o\al(1,0)n→________＋eq \o\al(4,2)He； (4)eq \o\al(9,4)Be＋eq \o\al(4,2)He→________＋eq \o\al(1,0)n； (5)eq \o\al(56,26)Fe＋eq \o\al(2,1)H→eq \o\al(57,27)Co＋________． 1．(多选)下列说法正确的是 (　 　) A．eq \o\al(226,88)Ra衰变为eq \o\al(222,86)Rn要经过1次α衰变和1次β衰变 B．eq \o\al(238,92)U衰变为eq \o\al(234,91)Pa要经过1次α衰变和1次β衰变 C．eq \o\al(238,92)U衰变为eq \o\al(222,86)Rn要经过4次α衰变和4次β衰变 D．eq \o\al(232,90)Th衰变为eq \o\al(208,82)Pb要经过6次α衰变和4次β衰变 B.经过176年后，有m钚元素发生了衰变 C.经过88年后该矿石的质量为M－m D.经过264年后，钚元素的质量还剩m $$