第5章 第二节 放射性元素的衰变（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第二节　放射性元素的衰变 核心素养导学 物理观念 (1)了解放射性现象和放射性元素。 (2)知道原子核的衰变及三种射线的特性。 (3)掌握半衰期的概念和应用。 科学思维 半衰期在考古学方面的应用。 科学探究 探究三种射线在电场中的偏转。 科学态度与责任 通过对原子核结构的探究，感悟探索微观世界的研究方法，强化证据意识和推理能力。 一、放射性的发现　原子核衰变 1．放射性的发现 (1)1896年，法国物理学家_________发现铀和含铀的矿物都能发出一种看不见的_____，这种射线可以使包在黑纸里的照相底片感光。 (2)波兰裔法国物理学家玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，分别命名为钋(Po)、_______。 贝可勒尔 射线 镭(Ra) 2．放射性 (1)定义：物质放射出射线的性质。 (2)放射性元素：具有_____性的元素。放出的射线常见的有______、β射线和γ射线。 (3)天然放射性元素：能_______放出射线的元素。 3．原子核衰变 (1)衰变：一种元素经放射过程变成___________的现象。 (2)分类：放出α粒子的衰变称为_______，放出β粒子的衰变称为_______。 放射 α射线 自发地 另一种元素 α衰变 β衰变 一半 半衰期 不同 核本身 1.如图为α衰变、β衰变示意图。判断以下结论的正误： (1)原子核发生衰变，变成了一种新的原子核。 ( ) (2)原子核衰变时不会变成新元素。 ( ) (3)β衰变时放出的电子就是核外电子。 ( ) √ × × 2．用碳14测年法直接测量被鉴定样品中碳14的含量来断定文物样品的年代，误差仅为数十年，测量精度非常高。 请对以下说法作出判断： (1)半衰期就是放射性元素全部衰变所用时间的一半。 ( ) (2)半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律。 ( ) (3)对放射性元素加热时，其半衰期缩短。 ( ) × √ × 新知学习(一)|对三种射线的理解 [任务驱动] 如图为三种射线在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？ 提示：说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。 (2)α粒子的速度约为β粒子速度的十分之一，但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径说明什么问题？ 提示：说明α射线比荷小于β射线的比荷。 [重点释解] 1．三种射线的比较 2．三种射线在电场、磁场中偏转情况的比较 (1)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图甲所示。 (2)在匀强电场中，α射线偏离较小，β射线偏离较大，γ射线不偏离，如图乙所示。 3．元素的放射性 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。也就是说，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有关。因此，原子核不是组成物质的最小微粒，原子核也存在着一定结构。 [典例体验] [典例]　 (2024·珠海高二检测)(多选)将α、β和γ三种射线分别垂直射入匀强磁场和匀强电场，假设α粒子与β粒子速度相同，则下列表示射线偏转情况的图像中正确的是 (　 ) /方法技巧/ 三种射线的比较方法 (1)知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电。α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属电磁波的一种。 (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和β射线偏转方向，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线。 (3)α粒子穿透能力较弱，β粒子穿透能力较强，γ射线穿透能力最强，而电离作用相反。 [针对训练] 1．如图所示，x为未知的放射源，L为薄铝片，若在放射源和计数器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则x可能是 (　 ) A．α和β的混合放射源　　　 B．纯α放射源 C．α和γ的混合放射源 D．纯γ放射源 解析：在放射源和计数器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即α粒子；在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，说明穿过铝片的粒子中无带电粒子，故只有γ射线。因此放射源可能是α和γ的混合放射源，C正确。 答案：C　 2．α、β和γ射线穿透物质的能力是不同的，为把辐射强度减到一半，所需铝板的厚度分别为0.000 5 cm、0.05 cm和8 cm。工业部门可以使用射线来测厚度。如图所示，轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪，仪器探测到的射线强度与钢板的厚度有关，轧出的钢板越厚，透过的射线越弱。因此，将射线测厚仪接收到的信号输入计算机，就可以对钢板的厚度进行自动控制。如果钢板的厚度需要控制为5 cm，请推测测厚仪使用的射线是 (　 ) A．α射线　 B．β射线 C．γ射线 D．可见光 解析：根据α、β、γ三种射线特点可知，γ射线穿透能力最强，电离能力最弱，α射线电离能力最强，穿透能力最弱，钢板厚度控制为5 cm，则α、β射线均不能穿透，而γ射线可以穿透，为了能够准确测量钢板的厚度，探测射线应该用γ射线；随着轧出的钢板越厚，透过的射线越弱，而轧出的钢板越薄，透过的射线越强，故A、B、D错误，C正确。 答案：C /方法技巧/ 衰变次数的判断技巧 (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。 (3)每发生一次β衰变中子数减少1，质子数增加1。 [针对训练] 1．(多选)原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线。这些射线共有三种：α射线、β射线和γ射线。下列说法中正确的是(　 ) A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少2 B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4 C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1 D．原子核每放出一个β粒子，原子序数增加1 解析：发生一次α衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，核电荷数、原子序数增加1。 答案：AD　 2．如图，一个原子核X经图中所示的一系列α、β衰变后，生成稳定的原子核Y，在此过程中放射出电子的总个数为 (　 ) A．6 B．8 C．10 D．14 解析：X的中子数为146，质子数为92，质量数为146＋92＝238，Y的中子数为124，质子数为82，质量数为124＋82＝206，质量数减少238－206＝32，发生α衰变的次数为32÷4＝8，发生β衰变的次数为82－(92－2×8)＝6，即在此过程中放射出电子的总个数为6，A正确。 答案：A　 新知学习(三)|半衰期及其应用 [任务驱动] 晋朝初年，南昌人许逊被朝廷任命为旌阳县令，他看到很多老百姓的租税交不了，非常同情他们，用点石成金的法术，免去百姓的租税。许逊真的能把石头点成金子吗？ 提示：不能，衰变需要一定时间。 [针对训练] 1．核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。下列说法正确的是 (　 ) A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽 B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒 C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期 D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害 2．(2024·北京高考)已知钍234的半衰期是24天。1 g钍234经过48天后，剩余钍234的质量为(　　) A．0 g B．0.25 g C．0.5 g D．0.75 g 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——大自然的时钟(碳-14) 1．(选自沪科版新教材“信息浏览”)一座古墓被发掘出来了，科学家们从其中的一块木片就可以大致推断这座古墓是在多少年前建造的。你想知道其中的原因吗？ 原来，在地球的大气中含有一定比例的碳-14，碳-14具有放射性。活的动植物从空气中吸收的碳中，既有不带放射性的碳-12，也有一定比例的碳-14。动植物死后，不能再吸收空气中的碳-14，于是动植物体中的碳-14将通过衰变而逐渐减少。 碳-14的半衰期是5 730a(年)。如图为碳-14测年法示意图。现在利用先进的加速器质谱计，让碳-14离子在加速器中获得较高能量后，进入粒子探测器，通过直接测量被鉴定样品中碳-14的原子数来断定文物样品的年代。这种方法可使考古年代推至数十万年前，误差仅为数十年，测量精度非常高。 科学态度与责任——烟雾探测器 2．(选自鲁科版新教材“科学书屋”)烟雾探测器是一种能探测空气中的烟雾并自动报警的装置。如图是一种价格低廉、灵敏度高、利用α射线进行探测的烟雾探测器示意图。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．根据临床经验，部分药物在体内的代谢也有与原子核衰变相似的规律。药物的血浆半衰期是指药物在血浆中的浓度下降一半所需的时间。某种药物的血浆半衰期为2小时，一次合理剂量的用药后药物在血浆中的浓度为20毫克/升，若血浆中的药物浓度下降至3毫克/升以下就要补充用药，则该药物的用药时间间隔约为 (　 ) A．2小时　　　　　　 B．4小时 C．6小时 D．8小时 解析：因为药物的血浆半衰期为2小时，经过6小时，即3个半衰期，血浆中的药物浓度下降至2.5毫克/升，所以该药物的用药时间间隔约为6小时，故C正确。 答案：C　 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （十五） (单击进入电子文档) 43 二、半衰期 1．定义：原子核数目因衰变减少到原来的______所经过的时间。 2．公式：m＝m0，t为经历时间，T为________。 3．决定因素 不同的放射性元素，半衰期_____。放射性元素衰变的速率由______的因素决定，与原子所处的物理状态或化学状态无关。 种类 α射线 β射线 γ射线 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高 频电磁波)带电荷量 2e －e 0 质量 4mp mp＝1.67×10－27 kg 静止质量为零 种类 α射线 β射线 γ射线 速度 0.1c 0.9c c 在电场或磁场中 偏转 与α射线反向偏转 不偏转 贯穿本领 最弱，用纸能挡住 较强，能穿透几毫米的铝板 最强，能穿透几厘米的铅板 对空气的电离作用 很强 较弱 很弱 在空气中的径迹 粗、短、直 细、较长、曲折 最长 通过胶片 感光 感光 感光 [解析]　α射线为高速氦核流，带正电；β射线为高速电子流，带负电；γ射线为能量很高的电磁波，不带电。根据左手定则判断正、负电荷在磁场中受到的洛伦兹力方向，可知A、B两图中α射线和β射线的偏转方向均正确，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其轨迹半径r＝，由于两粒子速度相同，氦核的比荷小于电子的比荷，所以氦核运动的轨迹半径大于电子运动的轨迹半径，故A正确，B错误；根据带电粒子在电场中的受力分析，可知C、D两图中的射线偏转方向均正确，带电粒子垂直射入匀强电场，设初速度为v0，垂直电场线方向的位移为x，沿电场线方向的位移为y，则有x＝v0t，y＝·t2，解得y＝，在x不变的情况下，β射线沿电场线偏转的距离大于α射线偏转的距离，故C错误，D正确。 [答案]　AD 新知学习(二)|原子核衰变的理解和应用 [重点释解] 1．衰变种类 (1)α衰变：放出α粒子的衰变，如U―→Th＋He。 (2)β衰变：放出β粒子的衰变，如Th―→Pa＋e。 2．衰变规律：原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数和质量数都守恒。 3．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，并在一定条件下作为一个整体从原子核中抛射出来，产生α衰变。方程：2n＋2H―→He。 (2)β衰变：原子核内的一个中子转化成一个质子留在原子核内，同时放出一个电子，即β粒子。方程：n―→H＋e。 4．衰变方程通式 (1)α衰变：X―→Y＋He。 (2)β衰变：X―→Y＋e。 5．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衰变的次数多少对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定β衰变的次数。 [典例体验] [典例]　U核经一系列的衰变后变为 Pb。 (1)一共经过几次α衰变、几次β衰变？ (2) Pb与 U相比，质子数和中子数各少多少？ (3)请写出这一衰变过程的转化方程。 [解析]　(1)设 U衰变为 Pb经过x次α衰变和y次β衰变。由质量数守恒和电荷数守恒，可得 238＝206＋4x 92＝82＋2x－y 解得x＝8，y＝6 即一共经过8次α衰变和6次β衰变。 (2)Pb比 U的质子数少92－82＝10 中子数少(238－92)－(206－82)＝22。 (3)核反应方程为：U―→Pb＋8He＋6e。 [答案]　(1)8次α衰变　6次β衰变　(2)10　22 (3)U―→Pb＋8He＋6e [重点释解] 1．意义：半衰期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余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期。 3．规律的特征：放射性元素的半衰期是稳定的，由元素的原子核内部因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度)或化学状态(如单质、化合物)无关。 4．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。 5．规律的用途：利用天然放射性元素的半衰期可以估测岩石、化石和文物的年代。 [典例体验] [典例]　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。 (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 14C的衰变方程。 (2)若测得一古生物遗骸中的 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T＝5 730年。 生物死亡后，遗骸中的C含量按其半衰期变化，设活体中 C的含量为N0，遗骸中的 C含量为N， 则N＝N0＝0.25N0， 故＝2，t＝11 460(年)。 [答案]　(1)C―→e＋N　(2)11 460年 /误区警示/ 应用半衰期公式的三点注意 (1)半衰期公式只对大量原子核才适用，对少数原子核是不适用的。 (2)明确半衰期公式m余＝m0，N余＝N原中m余、m0的含义及二者的关系；N余、N原的含义及二者的关系。 (3)明确发生衰变的原子核与新产生的原子核质量之间的比例关系，每衰变一个原子核，就会产生一个新核，它们之间的质量之比等于各自原子核的质量之比。 解析：根据半衰期的定义可知，放射性元素经过两个完整的半衰期后，还剩余原来的未衰变，故A错误；原子核衰变时满足电荷数守恒、质量数守恒，故B错误；放射性元素的半衰期是由原子核的自身结构决定的，而与物理环境如压力、温度或浓度无关，与化学状态无关，故C错误；过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害，故D正确。 答案：D　 答案：B　 解析： 1 g钍234经过48天后，剩余钍234的质量m＝（）m0＝0.25 g，故选B。 探测器中装有大约0.2 mg的Am，它是一种半衰期长达432年的放射性金属，会释放出α射线和γ射线。α粒子在探测腔内与空气中的氧、氮等分子碰撞，会使这些分子电离。探测腔内有两个加有低电压的极板，电离产生的正、负离子在电场力作用下移动，形成微小电流，探测器内装有能探测微小电流的芯片。烟雾一旦进入探测腔内，烟雾中的微粒会吸附部分α粒子，使探测腔内α粒子的数量减少，从而使被电离的分子数目相应减少，最终导致电极中电流减小，探测器探测到电流的变化，就会使报警电路发出警报。 2．(2024·山东高考)2024年是中国航天大年，神舟十八号、嫦娥六号等已陆续飞天，部分航天器装载了具有抗干扰性强的核电池。已知Sr衰变为Y 的半衰期约为29年；Pu衰变为U的半衰期约为87年。现用相同数目的Sr和Pu各做一块核电池，下列说法正确的是(　　) A.Sr衰变为Y时产生α粒子 B.Pu衰变为U时产生β粒子 C．50年后，剩余的Sr数目大于Pu的数目 D．87年后，剩余的Sr数目小于Pu的数目 解析：根据核反应前后质量数守恒和电荷数守恒可知Sr 衰变为Y时产生电子，即β粒子，Pu衰变为U时产生He，即α粒子，故A、B错误；根据题意可知Pu的半衰期大于Sr的半衰期，现用相同数目的Sr和Pu各做一块核电池，经过相同的时间，Sr经过的半衰期的次数多，所以剩余的Sr数目小于Pu的数目，故D正确，C错误。 答案：D　 3．氡Rn是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤，它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一，它发生衰变之后生成Po和未知粒子X，已知氡的半衰期约为3.8天，回答下列问题： (1)写出氡的衰变方程； (2)16 g氡经过多少天剩余1 g未衰变？ 解析：(1)根据电荷数守恒、质量数守恒知，未知粒子X的电荷数为2，质量数为4，为α粒子(He)。其衰变方程是：Rn―→Po＋He。 (2)根据m＝m0得，＝＝， 解得＝4，则t＝4T＝4×3.8天＝15.2天。 答案：(1)Rn―→Po＋He　(2)15.2天 $$