5.2 放射性元素的衰变（Word教参）-【优化指导】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 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道天然放射现象和三种射线的本质． 2．知道原子核的衰变，了解衰变的种类，掌握衰变方程的书写． 3．知道半衰期的概念和应用． 1.物理观念：天然放射现象，半衰期． 2．科学思维：三种射线的本质、特点及应用，衰变方程的书写、半衰期的理解． 3．科学探究：探究三种射线的穿透本领，利用14C的半衰期估算植物的年龄． [对应学生用书P74] 1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光． 2．物质放射出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素能自发地放出射线的现象叫作天然放射现象． 3．原子序数大于83的元素，都能自发地放出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能放出射线． 1．三种射线 (1)α射线：实际上就是氦原子核，速度可达到光速的，其电离能力强，贯穿本领较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住． (2)β射线：是高速电子流，它速度很大，可达光速的99%，它的电离能力较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板． (3)γ射线：呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下，它的电离作用更弱，贯穿本领更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土． (4)放射线来自原子核，说明原子核内部是有结构的． 2．原子核的衰变 (1)定义 原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核，这种变化称为原子核的衰变． (2)衰变分类 ①α衰变：放出α粒子的衰变． ②β衰变：放出β粒子的衰变． [判断] (1)放射性元素的放射性都是自发的现象．(√) (2)α射线是由高速运动的氦核组成的，其运动速度接近光速．(×) (3)β射线能穿透几毫米厚的铅板．(×) 1．定义 原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间． 2．决定因素 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．不同的放射性元素，半衰期不同． 3．应用 利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间． [思考] 放射性元素的半衰期是否就是该种元素的核子有半数发生变化的时间？ 提示　不是．经过一个半衰期，该种元素的原子核有半数发生变化，转变成其他元素，但核内的核子(质子和中子)并没有这么明显的变化． [对应学生用书P76] 探究点一　三种射线的性质特征 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？ (2)α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径说明了什么问题？ 提示　(1)说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电． (2)说明α射线比荷小于β射线的比荷． 1．α、β、γ射线性质、特征比较 射线种类 组成 速度 贯穿本领 电离作用 α射线 α粒子是氦原子核He 约c 很小，一张薄纸就能挡住 很强 β射线 β粒子是高速电子流e 接近c 很大，能穿过几毫米厚的铝板 较弱 γ射线 波长很短的电磁波 等于c 最大，能穿过几厘米厚的铅板 很小 2.三种射线在电场和磁场中的偏转 (1)在匀强电场中，γ射线不发生偏转，做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，β粒子的偏移大，如图所示． 位移x可表示为x＝at2＝·∝ 所以，在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为 ＝××＝37. (2)在匀强磁场中，γ射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，如图所示． 根据qvB＝得R＝∝ 所以，在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为 ＝××＝. 如图为天然放射性元素放出的α、β、γ三种射线贯穿物体情况的示意图，其中(　　) A．①是α射线　　　　　　 B．②是γ射线 C．③是β射线 D．③是α射线 A　[α射线的穿透能力最弱，一张纸即可把它挡住，但是其电离能力最强，γ射线的穿透能力最强，但是其电离能力最弱．故①是α射线，②是β射线，③是γ射线．A正确，B、C、D错误．] [规律方法] 判断三种射线性质的方法 (1)射线的电性：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，它是波长很短的电磁波． (2)射线的偏转：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)射线的穿透能力：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． [训练1]　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 C　[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，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．] [训练2]　如图所示，放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，其中________是α射线，________是β射线，________是γ射线． 解析　由放射现象中α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线，③④是α射线，①⑥是β射线． 答案　③④　①⑥　②⑤ 探究点二　半衰期的理解和应用 如图为始祖鸟的化石，美国科学家维拉·黎比运用了半衰期的原理发明“碳—14计年法”，并因此荣获了1960年的诺贝尔奖．利用“碳—14计年法”可以估算出始祖鸟的年龄 (1)为什么能够运用半衰期来计算始祖鸟的年龄？ (2)若有10个具有放射性的原子核，经过一个半衰期，则一定有5个原子核发生了衰变，这种说法是否正确，为什么？ 提示　(1)半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．能够运用它来计算始祖鸟的年龄是因为半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关． (2)这种说法是错误的，因为半衰期描述的是大量放射性元素衰变的统计规律，不适用于少量原子核的衰变． 1．意义：表示放射性元素衰变的快慢． 2．半衰期公式： 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．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． 已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为(　　) A．1∶4　　　　　　　　　　　 B．1∶2 C．2∶1 D．4∶1 B　[经过2T，对A来说是2个半衰期，A的质量还剩，经过2T，对B来说是1个半衰期，B的质量还剩，所以剩有的A和B质量之比为1∶2，选项B正确．] [训练3]　(2022·山东卷)碘125衰变时产生γ射线，医学上利用此特性可治疗某些疾病．碘125的半衰期为60天，若将一定质量的碘125植入患者病灶组织，经过180天剩余碘125的质量为刚植入时的(　　) A． B． C． D． B　[设碘125刚植入时的质量为m0，则经过n＝＝3个半衰期以后剩余的质量为m＝()nm0，解得＝，B项正确．] [训练4]　一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m，铀发生一系列衰变，最终生成物为铅．已知铀的半衰期为T，那么下列说法中正确的是(　　) A．经过2个半衰期后，这块矿石中基本不再含有铀 B．经过2个半衰期后，原来所含的铀元素的原子核有发生了衰变 C．经过3个半衰期后，其中铀元素的质量还剩 D．经过1个半衰期后该矿石的质量剩下 C　[经过2个半衰期后矿石中剩余的铀应该有，故选项A、B错误；经过3个半衰期后矿石中剩余的铀还有，故选项C正确；因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中，所以矿石质量没有太大的改变，选项D错误．] [对应学生用书P78] 1．(天然放射现象)以下事实可作为“原子核可再分”的依据的是(　　) A．天然放射现象　　　　　　 B．α粒子散射实验 C．电子的发现 D．氢原子发光 A　[贝可勒尔发现了天然放射现象，说明原子核也是有着复杂的结构的，揭示了原子核还可再分；卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型；汤姆孙发现了电子，说明原子可再分；氢原子发光是能级跃迁引起的，不能说明原子核可再分．故本题应选A.] 2．(三种射线)关于天然放射现象中产生的三种射线，以下说法中正确的是(　　) A．α、β、γ三种射线中，α射线的电离作用最强，穿透能力也最强 B．α、β、γ三种射线中，β射线的速度最快，可以达到0.9c C．β射线是由原子核外电子电离产生的 D．人们利用γ射线照射种子，可以使种子内的遗传物质发生变异，培育出新的优良品种 D　[α、β、γ三种射线中，α射线的电离作用最强，穿透能力最弱，故A错误；α、β、γ三种射线中，α射线射出速度约0.1c，β射线射出速度接近c，γ射线射出速度为c，所以三种射线中γ射线的速度最快，故B错误；β射线是由原子核内的中子转化为质子时放出的电子，选项C错误；人们利用γ射线照射种子，可以使种子内的遗传物质发生变异，培育出新的优良品种，故D正确．] 3．(衰变)下列观点正确的是(　　) A．α射线、β射线、γ射线都是高速带电粒子流 B．原子核发生衰变时要遵守电荷数守恒和质量守恒 C．大量原子核发生衰变时一定同时放出α射线、β射线、γ射线 D．原子核发生衰变时产生的α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的 D　[α射线、β射线都是高速带电粒子流，γ射线不带电，是光子流，A错误；原子核发生衰变时遵守电荷数守恒和质量数守恒，但质量不守恒，B错误；α衰变的实质是原子核中的两个质子和两个中子结合成一个氦核从原子核中辐射出来，β衰变的实质是原子核中的一个中子变成一个质子和一个电子，γ射线伴随α衰变或β衰变的产生而产生，所以这三种射线都是从原子核内部释放出来的，大量原子核发生衰变时不一定同时放出α射线、β射线、γ射线，C错误，D正确．] 4．(半衰期)(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，则在t＝4t0时刻，尚未衰变的原子核总数为(　　) A． B． C． D． C　[设t＝0时刻，甲、乙两种放射性元素原子核数分别为N1、N2，则有N1＋N2＝N，t＝2t0时，甲经过两个半衰期，未衰变原子核数为，乙经过一个半衰期，未衰变原子核数为，由已知条件有＋＝，解得N1＝N，N2＝N；t＝4t0时，甲经过四个半衰期，未衰变原子核数为，乙经过两个半衰期，未衰变原子核数为，则此时未衰变原子核总数为N′＝＋，解得N′＝，C项正确．] 5．(三种射线)如图所示，一天然放射性物质放射出的三种射线经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域(方向如图所示)，调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线照射，下面的哪种判断是正确的(　　) A．射到a点的是α射线 B．射到b点的是β射线 C．射到b点的是α射线或β射线 D．射到b点的是γ射线 C　[因为γ射线不带电，所以γ射线一定射到a点；α、β两种射线在电磁场中受到电场力和洛伦兹力，若满足qvB＝Eq，即v＝，则α、β两种射线都能射到a点，故不合题意；若电场力大于洛伦兹力，则射到b点的是α射线；若洛伦兹力大于电场力，则射到b点的是β射线．故C正确，A、B、D错误．] 6．(三种射线)如图所示，x为未知放射源，它向右方放出射线，p为一张厚度为0.5 mm左右的薄铝箔，铝箔右侧是一真空区域，内有较强磁场，q为荧光屏，h是观察装置．实验时，若将磁场撤去，每分钟观察到荧光屏上的亮点数基本没有变化，再将铝箔移开，则每分钟观察到荧光屏上的亮点数明显增加，则可知放射源x可能为(　　) A．α射线和β射线的混合放射源 B．α射线和γ射线的混合放射源 C．β射线和γ射线的混合放射源 D．α射线、β射线和γ射线的混合放射源 B　[将强磁场撤去，每分钟观察到荧光屏上的亮点数基本没有变化，说明磁场对穿过p的射线粒子没有影响，可知射到屏上的是不带电的γ射线；再将厚0.5 mm左右的薄铝箔移开，则每分钟观察到荧光屏上的亮点数明显增加，说明除接收到γ射线外，又收到了原来被薄铝箔p挡住的射线，而厚度为0.5 mm左右的铝箔能挡住的只有α射线，所以此放射源应是α射线和γ射线的混合放射源．] 7．(半衰期的计算)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，此项研究获得1960年诺贝尔化学奖．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．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　C的半衰期T＝5 730年． 生物死亡后，遗骸中的C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， 即0.25N0＝N0，故＝2，t＝11 460年． 答案　11 460年 学科网（北京）股份有限公司 $$