第5章 2 放射性元素的衰变(课件PPT)-【精讲精练】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

第五章　原子核 2　放射性元素的衰变 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 预习案 必备知识·问题导学 01 探究案 关键能力·互动探究 02 知能达标训练 04 提升案 随堂演练·基础落实 03 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 01 预习案 必备知识·问题导学 栏目导航 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 衰变 电荷数 质量数 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 半数 内部自身 无关 半衰期 栏目导航 第五章　原子核 1 新原子核 质量数 栏目导航 第五章　原子核 1 放射性 约里奥－居里夫妇 栏目导航 第五章　原子核 1 放射治疗 示踪原子 过量 放射性物质 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 27 60 28 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 02 探究案 关键能力·互动探究 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 [答案]　C 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 03 提升案 随堂演练·基础落实 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 04 知能达标训练 栏目导航 栏目导航 第五章　原子核 1 谢谢观看 栏目导航 第五章　原子核 1 [学业要求] 1．知道放射现象的实质是原子核的衰变。 2．了解半衰期的概念，知道半衰期的统计意义，能利用半衰期进行简单的计算。 3．知道两种衰变的性质，能运用衰变规律写出衰变方程。 4．知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素。 5．了解放射性在生产和科学领域的应用。 6．知道核反应及其遵从的规律，会正确书写核反应方程。 一、原子核的衰变 阅读教材，并回答： 1．原子核放出α粒子和β粒子后会发生什么变化？ 答案：变成另一种原子核。 2．原子核衰变过程中符合哪些规律？ 答案：电荷数和质量数都守恒。 4．原子核里没有电子，β衰变释放的电子从哪里来的？ 答案：中子转化来的。 3．发生α衰变时，新原子核的电荷数和质量数发生了怎样的变化？ 答案：电荷数减小2，质量数减小4。 [概念·规律] 1．原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的________。原子核衰变时__________和__________都守恒。 2．α衰变、β衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(A－4,Z－2)Y＋eq \o\al(4,2)He eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(　A,Z＋1)Y＋eq \o\al(　0,－1)e 衰变实质 2个质子和2个中子结合成一个整体射出 1个中子转化为1个质子和1个电子 2eq \o\al(1,1)H＋2eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(4,2)He eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(1,1)H＋eq \o\al(　0,－1)e 3．γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变和β衰变产生的。其实质是放射性原子核在发生α衰变、β衰变的过程中，产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出__________。γ射线的本质是辐射能量，不能单独发生。 γ光子 二、半衰期 1．半衰期：放射性元素的原子核有________发生衰变所需的时间，半衰期由原子核____________的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件________。 2．根据半衰期的概念，可总结出公式： N余＝N原eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \s\up16(\f(t,τ)) ，m余＝m原eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \s\up16(\f(t,τ)) 。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示__________。 三、核反应 1．定义：原子核在其他粒子的轰击下产生____________或者发生状态变化的过程。 2．原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程eq \o\al(14, 7)N＋eq \o\al(4,2)He→____________。 3．遵循规律：__________守恒，电荷数守恒。 eq \o\al(17, 8)O＋eq \o\al(1,1)H 四、放射性同位素及其应用 1．放射性同位素：具有__________的同位素。 2．人工放射性同位素的发现 (1)1934年，____________________发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷eq \o\al(30,15)P。 (2)发现磷同位素的方程eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(27,13)Al→____________。 eq \o\al(30,15)P＋eq \o\al(1,0)n 3．放射性同位素的应用与防护 (1)应用射线：可以测厚度、医疗方面的____________、照射种子培育优良品种等。 (2)示踪原子：有关生物大分子的结构及其功能的研究，要借助于____________。 (3)辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，________的射线对人体组织有破坏作用。要防止_____________对水源、空气、用具等的污染。 4．人工放射性同位素的优势 (1)天然放射性同位素不过40多种，人工放射性同位素已达3 000多种。 (2)放射性强度容易控制。 (3)半衰期短、废料易处理。 1．下列说法正确的是(　　) A．发生β衰变是原子核中的电子发射到核外 B．半衰期是原子核有半数发生衰变需要的时间，经过两个半衰期原子核就全部发生衰变 C．在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒 D．现在用到射线时，既可以用人工放射性同位素，也可以用天然放射性物质 答案　C 2．1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用eq \o\al(60,27)Co放射源进行了实验验证。次年李、杨两人为此获得诺贝尔物理学奖。eq \o\al(60,27)Co的衰变方程是eq \o\al(60,27)Co→eq \o\al(A,Z)Ni＋eq \o\al(　0,－1)e＋νe。其中νe是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零。eq \o\al(60,27)Co的核外电子数为_____，在上述衰变方程中，衰变产物eq \o\al(A,Z)Ni的质量数是_____，核电荷数是_____。 探究点一　原子核的衰变规律与衰变方程 1．衰变种类、实质与方程 (1)α衰变：eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(A－4,Z－2)Y＋eq \o\al(4,2)He 实质：原子核中，2个中子和2个质子结合得比较牢固，有时会作为一个整体从较大的原子核中被释放出来，这就是放射性元素发生的α衰变现象。 如eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(234, 90)Th＋eq \o\al(4,2)He。 (2)β衰变：eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(　A,Z＋1)Y＋eq \o\al(　0,－1)e 实质：原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即β粒子，使电荷数增加1，β衰变不改变原子核的质量数，其转化方程为eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(1,1)H＋eq \o\al(　0,－1)e。 如eq \o\al(234, 90)Th→eq \o\al(234, 91)Pa＋eq \o\al(　0,－1)e。 (3)γ射线经常是伴随α衰变和β衰变产生的。 2．确定原子核衰变次数的方法与技巧 (1)方法：设放射性元素eq \o\al(A,Z)X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素eq \o\al(A′,Z′)Y，则衰变方程为：eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(A′,Z′)Y＋neq \o\al(4,2)He＋meq \o\al(　0,－1)e 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＝eq \f(A－A′,4)，m＝eq \f(A－A′,2)＋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。 　(2021·全国甲卷)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]　由题图分析可知，核反应方程为 eq \o\al(238, 92)X→eq \o\al(206, 82)Y＋aeq \o\al(4,2)He＋beq \o\al(0,－1)e 设经过a次α衰变，b次β衰变 由电荷数与质量数守恒可得 238＝206＋4a,92＝82＋2a－b 解得a＝8，b＝6 故放出6个电子，A正确。 [答案]　A 如图所示，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。下列说法正确的是(　　) A．此过程发生了8次α衰变 B．此过程发生了6次β衰变 C．原子核X发生α衰变的半衰期 与温度有关 D．原子核X的中子数比原子核Y 的中子数比多24个 解析　根据图和题意，设经过a次α衰变，b次β衰变，则衰变的整个过程为eq \o\al(234, 90)X→eq \o\al(206, 82)Y＋aeq \o\al(4,2)He＋beq \o\al(　0,－1)e，根据质量数守恒和质子数守恒有234＝206＋4a,90＝82＋2a－b，解得a＝7，b＝6，故A错误，B正确；放射性元素的半衰期是这种放射性元素大量原子核半数发生衰变所需要的时间，只与原子核本身有关，与原子核所处的温度、压力以及原子所处的化学状态均无关，故C错误；原子核X的中子数比原子核Y的中子数比多20，故D错误。 答案　B ●核心素养·思维升华 1．衰变方程的书写 衰变方程用“→”，而不用“＝”表示，因为衰变方程表示的是原子核的变化，而不是原子的变化。 2．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。 1.eq \o\al(238, 92)U核经一系列的衰变后变为eq \o\al(206, 82)Pb核，则： (1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？ (2)eq \o\al(206, 82)Pb与eq \o\al(238, 92)U相比，质子数和中子数各少了多少？ (3)综合写出这一衰变过程的方程。 解析　(1)设eq \o\al(238, 92)U衰变为eq \o\al(206, 82)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，① 92＝82＋2x－y，② 联立①②解得x＝8，y＝6。 即一共经过8次α衰变和6次β衰变。 (2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故eq \a\vs4\al(\o\al(206, 82)Pb)较eq \o\al(238, 92)U质子数少10，中子数少22。 (3)衰变方程为eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(206, 82)Pb＋8eq \o\al(4,2)He＋6eq \o\al(　0,－1)e。 答案　(1)8　6　(2)10　22 (3)eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(206, 82)Pb＋8eq \o\al(4,2)He＋6eq \o\al(　0,－1)e 探究点二　半衰期 1．意义：表示放射性元素衰变的快慢。 2．半衰期公式：N余＝N原eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \s\up16(\f(t,τ)) ，m余＝m0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \s\up16(\f(t,τ)) 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，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的原子核。 4．应用：利用半衰期非常稳定的特点，可以测算其衰变过程，推算时间等。 【特别提醒】 (1)半衰期由核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件都无关。 (2)半衰期是一个统计规律，适用于对大量原子核衰变的计算，对于个别少数原子核不适用。 　(2022·全国甲卷)两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0，在t＝0时刻这两种元素的原子核总数为N，在t＝2t0时刻，尚未衰变的原子核总数为eq \f(N,3)，则在t＝4t0时刻，尚未衰变的原子核总数为(　　) A．eq \f(N,12)　　　 B．eq \f(N,9) C．eq \f(N,8)　　　 D．eq \f(N,6) [解析]　根据题意设半衰期为t0的元素原子核数为x，另一种元素原子核数为y，依题意有x＋y＝N 经历2t0后有eq \f(1,4)x＋eq \f(1,2)y＝eq \f(N,3) 联立可得x＝eq \f(2,3)N，y＝eq \f(1,3)N 在t＝4t0时，原子核数为x的元素经历了4个半衰期，原子核数为y的元素经历了2个半衰期，则此时未衰变的原子核总数为n＝eq \f(1,24)x＋eq \f(1,22)y＝eq \f(N,8) 故选C。 1．在例题中，两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0，则相同质量的两种放射性元素经过2t0后，剩余的质量之比为 (　　) A．1∶4 B．1∶2 C．2∶1 D．4∶1 答案　B 2．在例题中，两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0。在t＝0时刻这两种元素的原子核总数为N，在t＝2t0时刻，衰变的原子核总数为eq \f(7,8)N，则刚开始两种放射性元素原子核数目之比为(　　) A．1∶2 B．2∶1 C．1∶3 D．3∶1 答案　B 2．(2021·全国乙卷)医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线，而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn，经过时间t后剩余的113Sn质量为m，其eq \f(m,m0)­t图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为(　　) A．67.3 d B．101.0 d C．115.1 d D．124.9 d 解析　由题图可知从eq \f(m,m0)＝eq \f(2,3)到eq \f(m,m0)＝eq \f(1,3)恰好衰变了一半，根据半衰期的定义可知半衰期为T＝182.4 d－67.3 d＝115.1 d，故选C。 答案　C 探究点三　核反应　放射性同位素及其应用 1．核反应的条件：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。 2．核反应的实质：用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变。 3．放射性同位素的主要应用 (1)利用它的射线。 ①工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性； ②农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等； ③医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症。 (2)作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置。 　原子核eq \o\al(A,Z)X与氘核eq \o\al(2,1)H反应生成一个α粒子和一个质子。由此可知(　　) A．A＝2，Z＝1 B．A＝2，Z＝2 C．A＝3，Z＝3 D．A＝3，Z＝2 [解析]　写出核反应方程：eq \o\al(A,Z)X＋eq \o\al(2,1)H—→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(1,1)H，由质量数守恒和电荷数守恒，列方程A＋2＝4＋1，Z＋1＝2＋1，解得A＝3，Z＝2。故正确答案为D。 [答案]　D 　(2023·全国甲卷)在下列两个核反应方程中X＋eq \o\al(14, 7)N→Y＋eq \o\al(17, 8)O、Y＋eq \o\al(7,3)Li→2X，X和Y代表两种不同的原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则(　　) A．Z＝1，A＝1 B．Z＝1，A＝2 C．Z＝2，A＝3 D．Z＝2，A＝4 [解析]　设Y电荷数和质量数分别为m和n，根据核反应方程质量数和电荷数守恒可知第一个核反应方程的核电荷数和质量数满足 A＋14＝n＋17，Z＋7＝m＋8 第二个核反应方程的核电荷数和质量数满足 n＋7＝2A，m＋3＝2Z 联立解得Z＝2，A＝4 故选D。 [答案]　D 3．(2024·江苏卷)用粒子轰击氮核从原子核中打出了质子，该实验的核反应方程式是X＋eq \o\al(14, 7)N→eq \o\al(1,1)H＋eq \o\al(14, 6)C，粒子X为(　　) A．正电子eq \o\al(0,1)e B．中子eq \o\al(1,0)n C．氘核eq \o\al(1,2)H D．氦核 解析　根据质量数守恒可知X的质量数为m＝14＋1－14＝1，根据电荷守恒可知X的电荷数为n＝6＋1－7＝0，可知X为中子eq \o\al(1,0)n，故选B。 答案　B 4．(多选)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．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 解析　放射性同位素用作示踪原子，主要是利用放射性同位素代替没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物过程，既要利用化学性质相同，又要利用衰变规律不受外部条件和化学状态的影响，同时，还要考虑放射性废料容易处理，因此A、B、C项正确，D错误。 答案　ABC 1．(2024·福建卷)eq \o\al(63,28)Ni→eq \o\al(63,29)Cu＋X，则其中的X表示(　　) A．eq \o\al(4,2)He B．eq \o\al(　0,－1)e C．eq \o\al(0,1)e D．eq \o\al(1,0)n 解析　根据质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为0，电荷数－1，则X为eq \o\al(　0,－1)e，故选B。 答案　B 2．(2021·河北卷)银河系中存在大量的铝同位素26Al，26Al核β＋衰变的衰变方程为eq \o\al(26,13)Al→eq \o\al(26,12)Mg＋eq \o\al(0,1)e，测得26Al核的半衰期为72万年。下列说法正确的是(　　) A．26Al核的质量等于26Mg核的质量 B．26Al核的中子数大于26Mg核的中子数 C．将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中，其半衰期不变 D．银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年后全部衰变为26Mg 解析　eq \o\al(26,13)Al和eq \o\al(26,12)Mg的质量数均为26相等，但是二者原子核中的质子数和中子数不同，所以质量不同，A错误；eq \o\al(26,13)Al核的中子数为26－13＝13个，eq \o\al(26,12)Mg核的中子数为26－12＝14个，B错误；半衰期是原子核固有的属性，与外界条件无关，C正确；质量为m的eq \o\al(26,13)Al的半衰期为72万年，经过144＝2×72万年为2个半衰期，剩余质量为eq \f(1,4)m，不会全部衰变为eq \o\al(26,12)Mg，D错误。 答案　C 3．(2021·广东卷)科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26，铝26的半衰期为72万年，其衰变方程为eq \o\al(26,13)Al→eq \o\al(26,12)Mg＋Y。下列说法正确的是(　　) A．Y是氦核 B．Y是质子 C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半 D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变 解析　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，该核反应是eq \o\al(26,13)Al→eq \o\al(26,12)Mg＋eq \o\al(0,1)e即Y是正电子，选项A、B错误；因72万年是一个半衰期，可知再过72万年，现有的铝26衰变一半；再过144万年，即两个半衰期，现有的铝26衰变四分之三，选项C正确，D错误；故选C。 答案　C 4.eq \o\al(210, 84)Po的衰变方程为eq \o\al(210, 84)Po→eq \o\al(206, 82)Pb＋eq \o\al(4,2)He，其衰变曲线如图所示，τ为半衰期，则(　　) A．eq \o\al(210, 84)Po发生的是β衰变 B．eq \o\al(210, 84)Po发生的是γ衰变 C．k＝3 D．k＝4 解析　由衰变方程可知，eq \o\al(210, 84)Po发生的是α衰变，故A、B错误；根据公式Δm＝m0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \s\up16(\f(t,τ)) ，代入图中数据可得eq \f(1,8)m0＝m0·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))k，解得k＝3，故D错误，C正确。 答案　C 5.静止在真空中匀强电场中的某原子核发生衰变，其衰变粒子与反冲核的初速度方向均与电场方向垂直，且经过相等的时间后形成的轨迹如图所示(a、b表示长度)。原子核重力不计，则该衰变方程可能是(　　) A．eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(234, 90)Th B．eq \o\al(226, 92)Ra→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(222, 86)Rn C．eq \o\al(234, 90)Th→eq \o\al(　0,－1)e＋eq \o\al(234, 91)Pa D．eq \o\al(14, 6)C→eq \o\al(　0,－1)e＋eq \o\al(14, 7)N 解析　由轨迹弯曲方向可以看出，反冲核与衰变粒子的受力方向均与电场强度方向相同，带正电，所以放出的粒子为α粒子，C、D错误；设运动时间为t，上轨迹粒子电荷量为q1，质量为m1，下轨迹粒子电荷量为q2，质量为m2，由动量守恒有m1v1＝m2v2，根据类平抛运动规律，则有v1t＝9a，eq \f(1,2)·eq \f(q1E,m1)·t2＝a，v2t＝b，eq \f(1,2)·eq \f(q2E,m2)t2＝5b，联立得到eq \f(q1,q2)＝eq \f(1,45)，所以A选项中方程粒子符合，B选项方程粒子不符合，A正确，B错误。 答案　A $$