第5章 2.放射性元素的衰变-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（人教版2019）

令学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 2.放射性元素的衰变 核心素养定位 1.理解衰变的概念，知道放射现象的实质就是原子核的衰变，知道两种衰变的实质，会利用 衰变规律写出衰变方程。2理解半衰期的概念，知道半衰期的统计意义及决定因素，能利用 半衰期进行简单的计算。3知道核反应及其遵循的规律，会书写核反应方程。4知道什么是放 射性同位素和人工放射性同位素，了解放射性同位素在科学与生产领域的应用，了解辐射过 量的危害。 课前自主学习 原子核的衰变 1.定义：原子核自发地放出sp1O1)α粒子或s四l02B粒子，由于核电荷数变了，它在元 素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。 2.规律：原子核衰变时电荷数和质量数都spl03)守恒。 3.衰变 (1)规律：在衰变过程中，质量数spl04)减少4，电荷数supl05)减少2.23892U的a衰变 方程为23892U一→spl0623490Th+42He (2)实质：原子核中的splO7)两个中子和splO8)两个质子结合起来形成粒子，并被释放 出来。 4.衰变 (1)规律：在B衰变过程中，质量数spl09)不变，电荷数sp110)增加1.23490Th的邹衰变 方程为23490Th→s11123491Pa十0-1e (2)实质：核内的sp112中子转化成一个sp113)质子和一个电子，电子发射到核外，就是 粒子。 二半衰期 1.定义：放射性元素的原子核有spl0)半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰 期。 2.特点 (1)不同的放射性元素，半衰期splO2)不同 (②)放射性元素的半衰期，描述的是spl03)大量原子核行为的统计规律。 亨学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 (3)放射性元素衰变的快慢是由sp104核内部自身的因素决定的，跟原子所处的sp1O5化 学状态和spl06)外部条件没有关系。 三核反应 1.定义：原子核在其他粒子的轰击下产生spl0)新原子核或者发生spl02状态变化的 过程。 2.原子核的人工转变 (1)sp103)卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素，同时产生一个质子。 (2)卢瑟福发现质子的核反应方程为147N+42He一sp104178O+11H。 3.遵循规律：在核反应中，sp105)质量数守恒、sp1(06)电荷数守恒。 四放射性同位素及其应用 1.放射性同位素：很多元素都存在的一些具有s妙101)放射性的同位素。 2.放射性同位素的应用：射线测厚仪，放射sp102)治疗，培优、保鲜，sp103)示踪原 子。 五辐射与安全 人类一直生活在放射性的环境中。pl0)过量的射线对人体组织有破坏作用。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spl02)放射性物质对 空气、水源、用具等的污染。 ●课前检测 1.判一判 (1y射线经常是伴随α衰变和β衰变产生的，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，它向低能级跃迁时，能量以y光子的形式辐射出来。() (2)原子核放出一个y光子不会改变它的质量数和电荷数。() (③)半衰期就是放射性元素全部衰变所用时间的一半。() (4对放射性元素加热时，其半衰期缩短。() (⑤)书写核反应方程时不能用等号，是因为核反应通常是不可逆的，且箭头“→“表示反应进行 的方向。() (⑥原子核的人工转变是自发进行的，反应前后质量数和电荷数都守恒。() (⑦)人工放射性同位素比天然放射性元素半衰期长。() 2 令学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2XXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 (⑧)用y射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期。() (9)任何放射性物质都可以作为示踪原子使用。() (10)过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，生活环境中的辐射强度应控制在安全剂量之内。 () 提示：(1)N(2)V(3)×(4)×(⑤)N(⑥×(7)×(8)V(9)×(10)N 2.想一想 (1)在α衰变中生成的新核相对于原来的核在元素周期表中的位置应当前移还是后移？ 提示：α衰变后生成的新核电荷数减少，在元素周期表中位置前移。 (2那衰变过程原子核释放出电子，那么原子核内是否含有电子？ 提示：原子核内不存在电子。阝衰变过程核内的一个中子转变成一个质子和一个电子，电子 被释放出来即为阝粒子。 (3)10个轴238经过一个半衰期就剩5个了吗？ 提示：不一定。半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数原子核不适用。 (4医学上做射线治疗的放射性元素，应用半衰期长的还是短的？为什么？ 提示：用半衰期短的。因为半衰期短的放射性废料容易处理。 课堂探究评价 探究1原子核的衰变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 轴238 雪a粒子 234 234 。B粒子 234 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 3.87.611.4 丙氧的衰变 师生互动 活动1：一种元素变成另一种元素的根本在于什么发生变化？ 提示：原子核电荷数发生变化，即原子核内的质子数发生变化。 活动2：甲、乙两图所示的原子核的这种变化称为衰变。观察两图并查阅原子序数，在衰变 过程中什么物理量守恒？ 提示：轴238核的质量数为238，查表知其电荷数为92，粒子的质量数为4，电荷数为2， 产生的钍234核的质量数为234，查表知其电荷数为90：比较衰变前后的情况可知，a衰变 前后电荷数和质量数守恒。对图乙的衰变做类似分析，注意到电子的质量远小于核子的质量， 质量数可以看成0，也可得到相同结论。 活动3：用符号表示对应的原子核或粒子，用“→”表示原子核变化的方向，甲、乙两图所示 的衰变应该如何用方程表示？ 提示：根据活动2可得：23892U-→23490Th+42He,23490Th-→23491Pa十0-1e. 活动4：2个质子和2个中子能结合得十分紧密，在一定条件下会作为一个整体从较大的原子 核中抛射出来，这就是α衰变。原子核里没有电子，推测邮衰变中的电子来自哪里？ 提示：B表变时质量数不变，即核子数不变，而新核的电荷数增加1，即质子数增加1，由此 分析可知，应该是核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，电子被抛射出来，这就是β 衰变。 活动5：放射现象中的y射线经常伴随α衰变和叩衰变产生。参阅玻尔的氢原子理论，猜想一下 y射线的来源？ 提示：原子核的能量可能也不是连续变化的，具有一系列能级。原子核发生衰变、阝衰变时 ,蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量 以y光子的形式辐射出来，形成y射线。 活动6：放射性同位素衰变的快慢有一定的规律，不同的放射性元素衰变快慢不同。如图丙 4 令学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 是氢222的质量与初始质量之比随时闻间变化的图像，由图像可以总结出什么规律？ 提示：由图丙可知，经过38天，氧剩余12：再经过38天，剩余14：经过第3个38天， 剩余18。由此可知，每经过3.8天，就有一半的氧发生了衰变。可以用公式表示：mm0=1 .8天) alvs4 alcol(f(12)) 得 出 结 论 1.原子核的衰变 (1)衰变类型 a衰变：AZX→A-4Z-2Y+42He; B衰变：AZX→AZ+1Y+0-le。 (②)衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。 (③)衰变的实质 ①衰变：在一定条件下，原子核中的两个中子和两个质子会结合起来形成粒子，并被释放 出米，此时原子核就发生了α衰变。 ②B衰变：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，使核电荷数增加1。但郎 衰变不改变原子核的质量数。其转化方程是：10n→11H十0一1e。 ③射线的产生：原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不 连续的数值，因此也存在着能级，同样是能级越低越稳定。放射性的原子核在发生α衰变、阝 衰变时，产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以y光子的形式辐射出来。因 此，y射线经常是伴随α射线和β射线产生的。 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y射线辐射。 这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有、B、Y三种射线。 2.半衰期 (1)半衰期的理解 放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。半衰期被用米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，叫作这种元素的半衰期。不同的放射性元素，半 衰期不同，甚至差别非常大。 (2)半衰期的适用对象 衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个的微观事件是不可预 5 令学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 测的”，例如对于一个特定的氢原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生 衰变。一个特定的氡核可能在下1s就衰变，也可能在10mn之内衰变，也可能在200万年 之后再衰变。然而，量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测。例如，对于大量氢核， 可以准确地预言在1s后、10mn后，或200万年后，各会剩下百分之几没有衰变。放射性 元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律。 (3)半衰期的影响因素 放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没 有关系。例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物， 或者对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度或与其他元素 的化合等，都不会影响原子核的结构。 实践提升 例1（多选）天然放射性元素23290Th(钍)经过一系列a衰变和B衰变之后，变成20882Pb(铅)。 下列论断中正确的是() A.衰变过程共有6次衰变和4次B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轨道 D.钍核比铅核多24个中子 [实践探究]门)衰变后新核质量数减少是什么原因导致的？ 提示：α表变引起的，阝衰变不引起质量数的变化。 (2)如何确定β衰变次数？ 提示：α表变次数x=232一2084=6，结合电荷数的变化情况再判断B衰变次数。 [规范解答]由于阝衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定α衰变的次数 为x=232一2084=6，再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数y应满足： 2x-y=90-82=8,得y=2x-8=4,A正确：钍232核中的中子数为232-90=142，铅208 核中的中子数为208一82=126，所以钍核比铅核多16个中子，铅核比钍核少8个质子，B 正确，D错误：B衰变所放出的电子来自原子核内，C错误。 [答案]AB 心规律点拨 6 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 1.衰变次数的判断方法和技巧 (I)方法：设放射性元素AZX经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素AZY,则 衰变方程为： AZX-A'Z'Y+n42He+mo_je 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程： A=A+4n,Z=Z+2n-m。 (②)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定衰变的次数（这是因为B衰变的次 数多少对质量数没有影响)，然后根据电荷数变化确定β衰变的次数（α衰变一次减少2个质子， B衰变一次增加1个质子)。 2.半衰期公式：N=Ngas4 ac0W12》”,m车=ms4 acol012》,式中Ng ,表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N金、m牵表示衰变后的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，表示半衰期。 [变式湖训练1一1]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，则研究人员至少需等待几天后才能进入该实验室 () A.3天 B.6天 C.9天 D.24天 答案C 解析设放射性同位素的总量为N,则人体最大允许量为N8,半衰期为T=3天，由半衰期 公式可知N◆=Navs4allcol(f12),故当N◆=N8时，可得tT=3,故有t=3T=9天， 即研究入员至少需等待9天后才能进入该实验室，C正确。 [变式训练1一2]碘131(13153D治疗是临床上常用的一种治疗甲亢的方法，它是通过含有B 射线的碘被甲状腺吸收，来破坏甲状腺组织，使甲状腺合成和分泌甲状腺激素水平减少来达 到治愈甲亢的目的。已知碘131发生邱衰变的半衰期为8天，则以下说法正确的是() A.碘131的衰变方程为13153I→13154Xe+0-1e B.13154Xe核比13153I核多一个中子 C.32g碘131样品，经16天后大约有8g样品发生了β衰变 D.升高温度可能会缩短碘131的半衰期 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2XXk.C0m● 您身边的互联网+教辅专家 答案A 解析原子核β衰变过程中放出电子，根据质量数守恒和电荷数守恒可知，碘131的衰变方 程为13153I→13154Xe十0-1e,故A正确：13154Xe核比13153I核少-个中子，故B错误： 32g碘131样品，经16天，即经过2个半衰期，由半衰期公式可知m=m as4ulc01012刀=8g,即大约有8g样品未发生衰变，衰变的质量为24g,故C错误： 放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没 有关系，因此升高温度不会影响原子核的半衰期，故D错误。 探究2核反应放射性的应用与防护 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 S M A A:放射性物质：F:铝结：S:荧光屏： M:显微镜；C:容器：T:阀) n 放大器 厚度控制装冒 探测器盘 刚料板 6 成金属板 放射性 同位素 乙射线测厚装置 8 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 NH. 0 99 H0-P-0-P-0-P-0-G0 OHOH OH HH ATP H0-P-0-P-0-C0 OHOH ADP 丙生物体内的ATP-ADP循环示意图 师生互动 活动1：如图甲是卢瑟福1919年敏的一个实验，放射性物质A不断放出高速粒子，被铝箔 F挡住，当容器中通入氮气时，荧光屏上出现闪光，说明了什么？ 提示：氨原子核在α粒子的撞击下产生了一种粒子，这种粒子能穿过铝箔。 活动2：图甲就是发现质子的实验，这是人类实现的第一次原子核的人工转变，类似的过程 称为核反应。在产生质子的同时，容器中还出现氧17，试写出核反应方程。 提示：147N+42He→1780+11H。 活动3：通过核反应生成的人工放射性同位素已达3000多种，应用极其广泛。如图乙所示利 用的是放射性同位素的什么特性？ 提示：利用的是放射性同位素发出的射线能够贯穿一定厚度的物质，根据透过射线的强度测 物质的厚度。 活动4：如图丙是生物体中很常见的一种生物化学反应。如果用半衰期为14天的放射性3215P 代替化合物中稳定的3115P,该化学反应还能进行吗？类似这祥的替代有什么用途？ 提示：3215P与3115P的核电荷数和核外电子数相同，所以两者化学性质相同，故用3215P 代替3115P,该化学反应仍能进行。 3215P能发出放射线，如果用磷的放射性同位素3215P替代3115P制成肥料，经植物吸收后， 9 亨学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 每隔一定时间用探测器测量植株各部位的放射性强度，就能研究植物在什么时候对磷的吸收 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。 得出结论 1.核反应 (I)条件：用α粒子、质子、中子，甚至用y光子轰击原子核使原子核发生转变。 (2)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)规律：质量数守恒，电荷数守恒。 (4)典型的人工转变的核反应 ①卢瑟福发现质子：147N+42He→1780+11H。 ②查德威克发现中子：94Be+42He→126C+10m ③约里奥一居里夫妇发现人工放射性同位素：42He+2713A1一3015P+10n。 3015P具有放射性（正电子的发现）：3015P→3014Si+01e。 2.放射性同位素及其应用 (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 ①放射强度容易控制。 ②半衰期短，废料易处理。 (③)放射性同位素的主要应用 ①利用它的射线 a.利用y射线的穿透本领，可用y射线探伤、测厚等。 b.利用α射线的电离作用，可消除有害静电。 ©.利用γ射线对生物组织的物理和化学作用，可用来使种子发生变异，培有良种，灭菌消毒。 d.利用放射线的能量，在医疗上，常用以抑制甚至杀死病变组织；还可以轰击原子核，诱发 核反应。 ②作示踪原子 10