5.2 放射性元素的衰变 导学案-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

2　放射性元素的衰变 学习任务一　原子核的衰变 [物理观念] 原子核自发地放出α粒子或β粒子,则核电荷数变了,变成另一种原子核,这种变化称为原子核的衰变. (1)α衰变:原子核放出一个α粒子就发生了一次α衰变,新核的质量数减少了　　　,而电荷数减少了　　　,用通式表示为　　　　　　　　　.  (2)β衰变:原子核放出一个β粒子就发生了一次β衰变,新核的质量数　　　　,而电荷数增加了　　　,用通式表示为　　　　　　　　　.  (3)衰变规律:原子核衰变时,　　　　　和　　　　　都守恒.  (4)γ射线经常是伴随α射线和β射线而产生,往往是衰变后的新核从高能级向低能级跃迁时辐射出来的,原子核放出一个γ光子不会改变它的　　　　　和　　　　　.  　　　　　　　　　　　　　　　 例1 1964年10月16日,中国第一枚原子弹试爆成功,如图.该原子弹核反应物的主要成分是U.天然U是不稳定的,它通过若干次α衰变和β衰变最终成为稳定的元素Pb,则此过程α衰变和β衰变的次数分别为 (　) A.7、4 B.5、8 C.12、14 D.14、46 [反思感悟]       变式1 (多选)[2024·河北唐山一中月考] A、B两种放射性元素,原来都静止在同一匀强磁场中,磁场方向如图所示,其中一个放出α粒子,另一个放出β粒子,α与β粒子的运动方向跟磁场方向垂直,图中a、b、c、d表示α粒子、β粒子以及两个新原子核的运动轨迹,则 (　) A.甲图为α衰变的轨迹图,乙图为β衰变的轨迹图 B.甲图为β衰变的轨迹图,乙图为α衰变的轨迹图 C.b为α粒子轨迹,c为β粒子轨迹 D.a为α粒子轨迹,d为β粒子轨迹 [反思感悟]       【要点总结】 1.对α衰变和β衰变的理解 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 XYHe XYe 衰变实质 2个质子和2个中子结合成氦核 　H+nHe 　1个中子转化为1个质子和1个电子 nHe 典型方程 UThHe ThPae 匀强磁场 中的轨迹 形状 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 2.确定原子核衰变次数的方法与技巧 (1)方法:设放射性原子核X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新原子核Y,则衰变方程为X→Y+He+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,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衰变对质量数没有影响),然后根据衰变规律确定β衰变的次数. 学习任务二　半衰期 [教材链接] 阅读教材“半衰期”相关内容,完成下列填空: (1)半衰期的概念:半衰期表示放射性元素衰变的快慢,放射性元素的原子核有　　　　发生衰变所需的时间叫作这种元素的半衰期.  (2)影响半衰期的因素:半衰期由放射性元素的　　　　　　　　　　　　决定,跟原子所处的　　　　　　(如压强、温度)和　　　　　　(如单质、化合物)无关,因为这些因素都不会影响原子核的结构.  [科学推理] 用N原、m0表示衰变前的原子数和质量,t表示衰变时间,τ表示半衰期,则衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量分别为N余=　　　　　,m余=　　　　　　　.  例2 [2023·浙江1月选考] 宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子,中子与大气中的氮14会产生以下核反应:NnCH,产生的C能自发进行β衰变,其半衰期为5730年,利用碳14的衰变规律可推断古木的年代.下列说法正确的是(　) A.C发生β衰变的产物是N B.β衰变辐射出的电子来自于碳原子的核外电子 C.近年来由于地球的温室效应,引起C的半衰期发生微小变化 D.若测得一古木样品的C含量为活体植物的,则该古木距今约为11 460年 [反思感悟]     变式2 某放射性元素的衰变曲线如图,T为半衰期,以下说法正确的是 (　) A.k=3 B.k=4 C.若T=5天,那么200个该元素的原子核经kT后一定还剩下25个 D.根据图像可以知道,该元素的半衰期逐渐减小 [反思感悟]     学习任务三　核反应 [教材链接] 阅读教材“核反应”相关内容,完成下列填空: (1)核反应: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)核反应的条件:用　　　　　　　　　,甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变.  (3)原子核的人工转变 ①1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,产生了氧的一种同位素,同时产生了一个质子.发现质子的核反应方程NHeO+H. ②1932年查德威克发现中子的核反应方程:Be+He→n. ③1934年约里奥·居里夫妇观察到正电子的核反应方程AlHePnPSie. (4)核反应遵循的规律:　　　　　守恒,　　　　　守恒.  例3 [2024·湖南师大附中月考] 国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功,获得中子束流,可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台.下列核反应中放出的粒子为中子的是 (　) A.　N俘获一个α粒子,产生O并放出一个粒子 B.　Al俘获一个α粒子,产生P并放出一个粒子 C.　B俘获一个质子,产生Be并放出一个粒子 D.　Li俘获一个质子,产生He并放出一个粒子 [反思感悟]     变式3 (多选)物质在β衰变过程中释放出的电子只带走了总能量的一部分,还有一部分能量“失踪”了,著名物理学家尼尔斯·玻尔据此认为在衰变过程中能量守恒定律是失效的,后来中微子(一种电荷数和质量数都是零的微观粒子)的发现解释了这一现象.20世纪40年代初,我国科学家——“两弹一星功勋奖章”获得者王淦昌先生首先提出了证明中微子存在的实验方案.我们可以将其做如下描述:静止原子核Be俘获一个粒子X,可生成一个新原子核Li,并放出中微子(用“νe”表示),根据核反应后原子核Li的动能和动量,可以间接测量中微子的能量和动量,进而确定中微子的存在.下列说法正确的是 (　) A.粒子X是电子 B.粒子X是质子 C.核反应前后的中子总数不变 D.这个实验的思想是能量守恒和动量守恒 【要点总结】 1.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. 2.核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒,核反应过程中,一般会发生质量的变化. 3.核反应过程中遵循动量和能量守恒. 4.原子核的衰变和人工转变 类型 可控性 核反应方程典例 α衰变 自发 UThHe β衰变 自发 ThPae 人工 转变 人工 控制 NHeOH (卢瑟福发现质子) BeHeCn (查德威克发现中子) AlHePn (约里奥·居里夫妇发现放射性同位素) 5.核反应方程的书写 (1)熟记常见基本粒子的符号:质子H)、中子n)、α粒子He)、β粒子e)、正电子e)、氘核H)、氚核H)等. (2)核反应过程中质量数守恒,电荷数守恒. (3)由于核反应不可逆,所以书写核反应方程时只能用“→”表示反应方向. 学习任务四　放射性同位素及其应用　辐射与安全 [教材链接] 阅读教材“放射性同位素及其应用”“辐射与安全”相关内容,完成下列填空: (1)放射性同位素:有些同位素具有　　　　　,叫作放射性同位素.  (2)放射性同位素的应用:①应用它的　　　　,②作　　　　　　.  (3)辐射与安全 人类一直生活在放射性的环境之中,　　　　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.  例4 基因测序是一种新型基因检测技术,能够从血液或唾液中分析测定基因全序列,预测罹患多种疾病的可能性,提前预防和治疗.基因测序采用放射性同位素为标记,让基因序列自动显影.下列关于放射性同位素及射线的应用说法正确的是 (　) A.α射线可以用来测量钢板的厚度 B.射线能够治疗癌症是因为癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞慢 C.天然放射性同位素比人工放射性同位素半衰期短 D.利用γ射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,可培育出优良品种 [反思感悟]     　　　　　 　　　　　 　　　　　 1.(放射性的应用与防护)关于放射性的应用,下列说法中正确的是 (　) A.α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,也能进行人体的透视 C.用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 2.(核反应)[2024·贵州贵阳一中月考] 我国科研人员及合作者成功合成了新原子核Ac.原子核存在一种衰变链,其中第1次由Ac衰变成原子核Fr,第2次由Fr衰变成原子核At.下列说法正确的是 (　) A.两次均为α衰变 B.两次均为β衰变 C.第1次为α衰变,第2次为β衰变 D.第1次为β衰变,第2次为α衰变 3.(半衰期)[2024·福建福州三中月考] 钍234的半衰期是24天,质量为10 g的钍经过120天后发生衰变的钍的质量为原来质量的 (　) A. B. C. D. 4.(核反应)(多选)关于核反应,下列说法正确的是(　) A.在核反应中,质量守恒、电荷数守恒 B.核反应UThHe属于α衰变 C.核反应NHeOH属于原子核的人工转变 D.核反应CN+　0-1e属于β衰变,而β射线来自原子外层的电子 2　放射性元素的衰变 [物理观念] (1)4　2XYHe　(2)不变　1　Ye　(3)质量数　电荷数　(4)质量数　电荷数 例1　A　[解析] 发生一次α衰变,原子核释放出两个质子和两个中子,形成新的元素,衰变方程为XYHe,发生一次β衰变,原子核内的一个中子变成一个质子和一个电子,形成新的元素,衰变方程为X→　Y+　0-1e,可以看出,发生一次α衰变,新元素质量数减少4,核电荷数减少2,发生一次β衰变,新元素质量数不变,核电荷数增加1,假设U发生x次α衰变,发生y次β衰变,最终得到Pb,可得出235-4x=207、92-2x+y=82,联立解得x=7,y=4,故选A. 变式1　AC　[解析] 原来静止的核在放出粒子的过程中总动量守恒,所以粒子和新原子核的速度方向一定相反,且新原子核和粒子的动量大小相等,由左手定则判断可知α衰变的轨迹为外切圆,β衰变的轨迹为内切圆,所以A正确,B错误;由r=可得,动量一定时,电荷量小的半径大,所以b为α粒子轨迹,c为β粒子轨迹,则C正确,D错误. [教材链接] (1)半数　(2)原子核内部自身的因素　外部条件　化学状态 [科学推理] N原　m0 例2　D　[解析] 根据衰变过程中的质量数、电荷数守恒规律可知,发生β衰变后质量数不变,电荷数增加1,即产生N,选项A错误;原子核衰变的电子由原子核内部的中子产生,选项B错误;半衰期不受外界因素干扰,所以不会因为温室效应改变,选项C错误;若测得一古木样品的C含量为活体植物的,说明经过了2个半衰期,因此大约距今时间为5730×2=11 460年,选项D正确. 变式2　A　[解析] 根据衰变剩余该元素质量公式=m0,解得k=3,选项A正确,B错误;半衰期是统计规律,少量原子核衰变时是随机的,不遵从统计规律,C错误;半衰期是描述原子核性质的物理量,取决于放射性元素的原子核自身,与原子数目、所处的物理环境、化学状态无关,因此半衰期不变,D错误. [教材链接] (1)新原子核　(2)α粒子、质子、中子　(4)质量数　电荷数 例3　B　[解析] 由核反应过程中遵循质量数、电荷数均守恒的原则,可写出选项中的四个核反应方程.N+He→O+H,A错误AlHePn,B正确BH→He,C错误LiHHeHe,D错误. 变式3　AD　[解析] 该核反应方程为BeXLiνe,由质量数守恒和电荷数守恒有7+A=7+0,4+Z=3+0,解得A=0,Z=-1,所以粒子X是电子,故A正确,B错误;反应前中子总数n1=7-4=3,反应后中子总数n2=7-3=4,所以中子数增加1,故C错误;由前面分析可知该实验方案的思想是守恒思想,即利用能量守恒和动量守恒推出中微子的动量和能量从而证实它的存在,故D正确. [教材链接] (1)放射性　(2)射线　示踪原子　(3)过量　放射性物质 例4　D　[解析] α射线穿透能力弱,故不能用来测量钢板厚度,A错误;射线照射患处杀死癌细胞是治疗癌症的一种方法,癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞快,故B错误;天然放射性同位素比人工放射性同位素半衰期长,故C错误;利用γ射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,可以培育出新的优良品种,故D正确. 随堂巩固 1.D　[解析] 消除有害静电是利用α射线的电离作用,使空气中气体分子电离成导体,将静电放出,故A错误;利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤,但γ射线对人体细胞伤害太大,因此不能用来透视人体,故B错误;DNA变异并不一定都是有益的,故C错误;γ射线对人体细胞伤害太大,在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量,故D正确. 2.A　[解析] 电荷数守恒和质量数守恒可知,第一次衰变方程为AcFrHe,第二次衰变方程为FrAtHe,可知两次均为α衰变,故A正确. 3.D　[解析] 120 d=5×24 d,可知120天为五个半衰期,则钍未发生衰变的质量为m=m0·=,则已经发生衰变的钍的质量为原来质量的1-=,故选D. 4.BC　[解析] 核反应前后核子数相等,核反应遵循的是质量数守恒而不是质量守恒,故A错误;根据核反应的特点可知,核反应UThHe属于α衰变,故B正确;核反HeOH属于人工核反应,故C正确;β衰变是原子核的衰变,与核外电子无关,β衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子的同时释放出来的,故D错误. 学科网（北京）股份有限公司 $$