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

第2节 放射性元素的衰变 第五章 人教版（2019）选择性必修三 CONTENTS 目录 原子核的衰变 01 半衰期 02 放射性同位素及其应用 04 学以致用提高练习 06 核反应 03 辐射与安全 05 思考与讨论：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？ 新课导入 知识讲解 课堂小结 随堂练习 布置作业 一、原子核的衰变 1.衰变定义 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。 2.衰变的种类 ⑴α衰变：原子核自发放出α粒子而转变为新核的过程叫α衰变。 如：原子核放出一个α 粒子 ，质量数减少4，电荷数减少2，就成了一个新原子核的过程 。 ɑ粒子 核 核 衰变方程： 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 思考与讨论：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？相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移还是向后移？要移动几位？ α衰变的一般方程： ①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。 ②发生一次α衰变，因为原子序数减小2，所以相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移2位。 ⑵β衰变：原子核自发放出β粒子而转变为新核的过程叫β衰变。 如：原子核放出一个β 粒子 ，质量数不变，电荷数增加1，就成了一个新原子核的过程 。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 衰变方程： β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。 β衰变的一般方程： 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 3.衰变的规律 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。大量事实表明，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。         注意：(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。 4.衰变的本质 α衰变的本质 β衰变的本质 β衰变实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子。 α衰变实质是核内的两个质子转化成了一个氦核。 说明：元素的放射性与元素存在的状态无关，放射性表明原子核是有内部结构的。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 5.γ射线的产生 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。因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的，即α、β、γ三种射线同时出现。 几点注意事项： ①核反应指的是原子核内部核子数发生相应变化，而化学反应指的是原子核外最外层电子数发生变化，二者存在本质的不同。 ②放射性元素衰变不可能有单独的γ衰变！γ粒子不是带电的粒子，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。 ③衰变后元素的化学性质发生了变化，即：生成了新的原子核！ ④一种元素只能发出一种衰变，但在一块放射性物质中可以同时放出α、β、γ三种射线（连续衰变） 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 【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： 质量数守恒： 解得： 【注意】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。 6.衰变次数的计算 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 α 衰变： β 衰变： A B c 衰变 A B c 衰变 常考题型： 反比 F内 >> F外 动量守恒： r= 动量守恒： 牛顿第二定律： qvB=m 7.衰变中的动量守恒问题 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 A B c 衰变 常考题型： 反比 α 衰变： β 衰变： 两圆外切，α 粒子半径大 两圆内切，β粒子半径大 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 视频演示：衰变中的动量守恒 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 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.物理意义： 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。 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 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业     3.公式：       注意：半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 视频演示：半衰期 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 三、核反应 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。 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。 3.规律：质量数和电荷数都守恒 4.原子核人工转变的三大发现: (1)质子的发现—α粒子轰击氮原子核 1919 年卢瑟福发现质子的核反应方程: 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 (2)中子的发现—a粒子轰击铍原子核 查德威克 1932 年查德威克发现中子的核反应方程： 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 （3）正电子的发现 1934年，约里奥·居里和伊丽芙·居里在用α粒子轰击铝箔时，除探测到预料中的中子外，还探测到了正电子，正电子的质量跟电子相同，所带电荷与电子相反，为一个单位的正电荷，更意外的是，拿走放射源后，铝箔虽不再发射中子，但仍继续发射正电子，而且这种放射性也有一定的半衰期。 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方程： 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 四、放射性同位素及其应用 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。 （1）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。 （2）人工放射性同位素的优势（与天然的放射性物质相比） ①放射强度容易控制。 ②半衰期短，废料易处理。 不过40多种 已达1000多种 ③可以制成各种需要的形状。 1.放射性同位素 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 2.放射性同位素及其应用 （1）射线测厚仪（利用γ射线具有很强的穿透性） 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。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 (2)放射治疗（利用γ射线高能量治疗癌症） （3）培优（γ射线遗传基因发生变异,培育优良品种）保鲜（γ射线可以杀死细菌） 经过照射 未经过照射 培优育种 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 医学方面：人体甲状腺的工作需要碘，碘被吸收后聚集在甲状腺内。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：棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，利用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，被植物吸收，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，就可知道什么时候磷的吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 五、辐射与安全 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。我们的食物和日常用品中，有的也具有放射性，例如，食盐和有些水晶眼镜片中含有钾40，香烟中含有钋210，这些也是放射性同位素，不过它们辐射的强度都在安全剂量之内。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 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。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 辐射的防护的基本方法： (1)距离防护——就是要尽可能远离射线源 (2)时间防护——就是要尽量减少可能受到照射的时间 (3)屏蔽防护——就是在射线源的周围设置能够吸收或阻挡射线的屏蔽物体，以尽可能减弱射线的强度与能量 (4)仪器监测——要配置适当的剂量测量设备，加强对环境的监测，特别是加强对核电站等有放射源的区域周边环境的监控 (5)规范操作——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。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 六、学以致用提高练习 1．我国科研人员对“嫦娥五号”月球样品富铀矿物进行分析，确定月球直到 20亿年前仍存在岩浆活动。 已知铀的一种衰变方程为 ， 则（     ） A．m=8，n=3 B．m=7，n=2 C．m=7，n=4 D．m=8，n=1 【答案】C 【解析】根据α衰变和β衰变的特点，由质量数守恒和质子数守恒有235=4m+207；92=2m+82-n解得m=7，n=4故选C。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 2.天然放射性元素 （钍）经过一系列α衰变和β衰变之后，变成 （铅）。下列判断中正确的是（　　） A．衰变过程共有6次α衰变和2次β衰变 B．铅核比钍核少8个质子 C．β衰变所放出的电子来自原子核外 D．钍核比铅核多24个中子 【答案】B 【解析】A．α衰变的次数为 ,β衰变的次数n2=82+2×6-90=4 故A错误； B．铅核、钍核质子数差为n3=90-82=8可知铅核比钍核少8个质子，故B正确； C．β衰变所放出的电子来自原子核内，故C错误； D．钍核、铅核中子数差为n4=(232-90)-(208-82)=16可知钍核比铅核多16个中子，故D错误。故选B。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 3.放射性同位素 的样品经过6小时还剩下 没有衰变，它的半衰期是(　　) A．2小时 B．1.5小时 C．1.17小时 D．0.75小时 【答案】A 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 4.有甲、乙两种放射性元素，半衰期分别是T甲＝15天，T乙＝30天，它们的质量分别为M甲、M乙，经过60天这两种元素的质量相等，则它们原来的质量之比M甲∶M乙是(　　) A．1∶4 B．4∶1 C．2∶1 D．1∶2 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 【答案】B 5.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 【答案】BD 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 6. 核经一系列的衰变后变为 核，问： (1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？ (2) 与 相比，质子数和中子数各少多少？ (3)综合写出这一衰变过程的方程。 解析： 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 随堂练习 布置作业 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业（再见） $$