5.2 放射性元素的衰变 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

5.2放射性元素的衰变 选择性必修第三册&第五章 原子核 授课教师：杨孝波 在古代，不论是东方还是西方，都有一批追求，“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？ 课堂引入 2 点石成金 真实的将一种物质变成另一种物质 天然放射现象中原子核自发地放出 α 射线或 β 射线，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，就变成另一种原子核。 我们把这种变化称为原子核的衰变。 1、衰变 （氦核 ） 放射性衰变后的原子核 ɑ粒子 （电子 ） β粒子 放射性衰变后的原子核 一、原子核的衰变—衰变 2.α衰变：原子核放出粒子的衰变 铀238核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，变成新核钍234核。用衰变方程式来表示： 在衰变中遵循什么规律呢？ 用一般方程表达为： 衰变 在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和,衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。 一、原子核的衰变—α衰变 新核质量数+4=旧核质量数，即上标相加左右相等。 电荷数=原子序数，在α衰变中电荷数减少2，所以往前挪动2位。 原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。 α衰变的一般方程： 在α衰变中，新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系?相对于原来的核在周期表中的位置，新核在周期表中的位置应当向前移还是向后移?要移动几位?你能概括出α衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗? 思考与讨论 一、原子核的衰变—α衰变 3.β衰变：原子核放出β粒子的衰变 用一般方程表达为： β衰变 在衰变时产生的也具有放射性，它能放出一个β粒子变为 ，用衰变方程式来表示： 原子核衰变时电荷数和质量数都守恒 一、原子核的衰变—β衰变 结果: 新核在元素周期表中位置前移2位 （原子序数减2） 本质: 原子核内的一个中子变成质子，同时放出一个电子， 结果: 新核在元素周期表中位置后移 1位 （原子序数增1） α衰变： β衰变： 本质: 原子核内少了两个质子和两个中子 （原子核中的两个中子和两个质子结合形成ɑ粒子并释放出来） 4.衰变本质 一、原子核的衰变—衰变本质 为何放射性物质会同时放出三种射线呢？ 原子核能量变化是不连续的 与原子类似 存在能级且 越低越稳定 新核处于高能级 发生α衰变 或β衰变 跃迁到低能级 放出γ光子 5.γ射线的来源 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、γ三种射线。 不存在单独的γ衰变 一、原子核的衰变—γ射线的来源 m余/m原 11.4 7.6 3.8 1/2 1/4 1/8 t /天 0 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间是固定 3.8天 3.8天+3.8天 氡的衰变 1/2 1/4 1/16 … 每经过3.8天氡222的剩余质量就是原来的一半 二、半衰期—氡的衰变 9 1.半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 2.意 义：表示放射性元素衰变快慢的物理量 3.公 式： 衰变前质量 衰变后质量 衰变时间 半衰期 衰变时间 半衰期 衰变前原子数 衰变后原子数 4.说 明：①半衰期是针对大量的原子核的统计规律 ②不同放射性元素的原子核半衰期差异很大 ③每种放射性元素的原子核半衰期是固定的，由原子核内部结构决定的，与原子所处的化学状态和外部条件没有关系 二、半衰期—定义 10 例如：氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天 镭226衰变为氡222的半衰期为1620年 铀238衰变为钍234的半衰期长达4.5×109年 半衰期是表示放射性元素本身衰变快慢的物理量。不同元素的半衰期不同，有的差别很大。 衰变的半衰期描述的对象是大量的原子核，不是个别原子核，这是一个统计规律。 比如某原子核半衰期是2天，现在有两个这样的原子核，那么过两天后是不是就剩下一个了？ 想一想 单个原子核的微观事件是不可预测 二、半衰期—拓展 1、定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或发生状态变化的过程。 3、规律： 2、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。 ⑴1919 年，卢瑟福发现质子的核反应。 ⑵1932 年查德威克发现中子的核反应。 ⑶1934 年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应。 4、原子核人工转变的三大发现 I·约里奥·居里，1900～1958 F·约里奥·居里，1897～1956 法国科学家。是P·居里和M·居里的女儿和女婿.由于发现人工放射性而获得1935年诺贝尔化学奖. 发现质子 发现中子 发现放射性同位素和正电子 质量数和电荷数都守恒 三、核反应 2.放射性同位素的分类 ①天然放射性同位素。 ②人工放射性同位素。 3.人工放射性同位素的优势 ①放射强度容易控制。 ②半衰期短，废料易处理。 1.放射性同位素：具有放射性的同位素. 四、放射性同位素及其应用 （1）射线测厚仪 在钢板一面，放置γ射线源，另一面放着接收装置。那么钢板越厚，接收到了射线信号越弱，根据信号强度就可以测量金属板的厚度。 ——利用γ射线具有很强的穿透性 4.放射性同位素的应用 四、放射性同位素及其应用 （2）放射治疗 利用γ射线高能量治疗癌症 四、放射性同位素及其应用 ——γ射线遗传基因发生变异,培育优良品种 （3）培优 保鲜 ——γ射线可以杀死细菌 食品保鲜 四、放射性同位素及其应用 医学方面：给人注射碘的放射性同位素碘131,在颈部底部的甲状腺(红色，部分被遮蔽)，被放射性示踪剂碘131高亮着色。定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的疾病。 （4）示踪原子 —— 同位素化学性质相同，这样就可以用放射性同位素了解各元素的流向。 农业方面：棉花在开花、结桃的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子.上，磷肥也能被吸收。但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究。如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花的叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就解决了。 四、放射性同位素及其应用 人类一直生活在放射性的环境中。例如，地球上的每个角落都有来自宇宙的射线，我们周围的岩石，其中也有放射性物质。 不过这些射的强度都在安全剂量之内，对我们没有伤害。 电磁信号 五、辐射与安全 然而过量的射线对人体组织有破坏作用，这些破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉。因此，在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意人身安全，同时，要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。 五、辐射与安全 C-14（“碳钟”）年代测定法，又称放射性碳定年法，就是根据C-14衰变的程度来判定古生物体的年代，该项研究获得1960年诺贝尔化学奖。 要推断一块古木的年代，可以先把古木加温，制取1g碳的样品，再用粒子计数器进行测量。如果测得样品每分钟衰变的次数正好是现代植物所制样品的一半，表明这块古木经过了14C的一个半衰期，即5730年，如果测得每分钟衰变的次数是其他值，也可以根据半衰期计算出古木的年代。 稳定 14C 半衰期 τ =5730 年 碳14测年技术 科学漫步 一、原子核的衰变 2.衰变原则： 质量数守恒，电荷数守恒。 1.原子核的衰变： （1）衰变:原子核放出粒子的衰变叫做衰变． （2）β衰变:原子核放出β粒子的衰变叫做β衰变． （3）γ射线:伴随射线或射线产生. 二、半衰期 1、半衰期: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。 2、不同的放射性元素，半衰期不同 放射性元素衰变的快慢是核内部自身因素决定。 放射性元素半衰变是一个统计规律。 课堂总结 课堂练习 课堂练习 课堂练习 (3)综合写出这一衰变过程的方程。 课堂练习 　1.关于放射性元素氡及三种射线，下列说法正确的是(　　) A．γ射线是高速电子流 B．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 C．β衰变时释放的电子是核外电子 D．三种射线中α射线的穿透能力最强，电离作用最弱 B 课堂练习 A 课堂练习 课堂练习 课堂练习 　3.下列有关半衰期的说法正确的是(　　) 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，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长 C．把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度 D．降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度 A 课堂练习 C 课堂练习 课堂练习 (1)写出核反应方程； 课堂练习 (2)求出质子的速度大小v(结果保留两位有效数字)。 [答案]　(2)0.23c 课堂练习 　5.(多选)诺贝尔官方称居里夫人的“笔记”仍具放射性，还将持续1 500年。关于放射性元素、衰变和半衰期，下列说法正确的是 (　　) A．居里夫人的笔记本，经过两个半衰期，质量仅剩下原来的四分之一 B．放射性元素的半衰期不仅与核内部本身因素有关，还与质量有关 C．一个放射性原子核，每发生一次β衰变，它的中子数减少一个，质子数增加一个 CD 课堂练习 D 课堂练习 　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15O注入人体，参与人体的代谢过程。15O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15O的衰变和正负电子湮灭的方程式。 课堂练习 (2)将放射性同位素15O注入人体，15O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 [解析]　(2)将放射性同位素15O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，选项B正确。 B 课堂练习 (3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应 (选填“长”“短”或 “长短均可”)。 [解析]　(3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，半衰期应该短。 短 课堂练习 　7.(多选)人工放射性同位素被用作示踪原子， 主要是因为 (　 　) A．放射性同位素不改变其化学性质 B．人工放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期短得多 C．半衰期与元素所处的物理、化学状态无关 D．放射性同位素容易制造 ABC 课堂练习 8. (多选)人工放射性同位素被广泛应用，是因为( 　　) A．放射性同位素的半衰期比较短 B．放射性同位素放射强度容易控制 C．放射性同位素的射线具有较强的杀伤力，能用来治疗癌症、灭菌消毒等 D．放射性同位素作为示踪剂时，由于其放射性对人体有害，故一定不能对人体使用 ABC 课堂练习 $$