第5章 第2节 放射性元素的衰变-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word(教科版)

第2节　放射性元素的衰变 1．知道天然放射现象及其规律。 2．理解三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们。 3．知道放射现象的实质是原子核的衰变；知道两种衰变的基本性质，掌握原子核的衰变规律。 4．会用半衰期描述衰变的快慢，知道半衰期的统计意义。会利用半衰期解决相关问题。 5．了解放射性在生产和科学领域的应用。知道射线的危害及防护。　 一、天然放射性 1．1896年，法国物理学家________________发现铀化合物能放出某种射线，使密封完好的照相底片感光。这种辐射后来被人们称为“贝克勒尔辐射”。 2．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种能够发出更强射线的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)。 3．物质发射射线的性质称为____________，具有放射性的元素称为放射性元素。原子序数大于或等于__________的元素，都能______________放出射线，原子序数小于________的元素，有的也能放出射线。放射性元素____________发出射线的现象叫作天然放射现象。 二、射线的性质 1．α射线其实就是α粒子(氦原子核)流。α粒子带________，速度只有光速的10%，穿透能力弱，容易被物质吸收。一张薄薄的铝箔，或一层包裹底片的黑纸，甚至人体皮肤的角质层，都能将它挡住。 2．β射线是带__________的____________，它的速度很快，穿透力强，在空气中可以走几十米远，而碰到几毫米厚的________就不能穿过了。 3．γ射线本质上是一种波长极短的____________，波长约是X射线波长的1%，穿透力极强，能穿过厚的____________和铅板。 三、人工放射性同位素 有些同位素具有放射性，称为放射性同位素。1934年，约里奥·居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷P，即He＋Al―→P＋n，自然界没有天然的P，它是通过核反应生成的人工放射性同位素。 四、衰变 1．定义：放射性元素是____________的，会__________蜕变为另一种元素，同时放出射线，我们称这种现象为放射性衰变。在衰变过程中，有些放射性元素放出________射线，有的放出β射线，有些还伴随着α或β射线而放出γ射线。 2．衰变分类 (1)α衰变：放出α粒子的衰变。 (2)β衰变：放出β粒子的衰变。 3．衰变方程 α衰变：U→Th＋__________。 β衰变：Th→Pa＋__________。 4．衰变规律 原子核衰变时____________和____________都守恒。 五、半衰期 1．放射性元素的原子核由于衰变而数目减少至原来一半所需的时间，叫作这种元素的半衰期。 2．半衰期的统计规律和影响因素 单个放射性元素的衰变完全是一种随机事件。但众多原子核在一个半衰期中有一半发生衰变是确定的。放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律。放射性元素衰变的半衰期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(压力、温度等)没有关系。 判断下列说法是否正确。 (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，其运行速度接近光速。(　　) (3)原子核发生α衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4。(　　) (4)原子核发生衰变时，质量数和电荷数都守恒。(　　) (5)半衰期就是放射性元素全部衰变所用时间的一半。(　　) (6)半衰期可以通过人工进行控制。(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)× [答案自填] 贝克勒尔　放射性　83　自发地　83　自发地　正电　负电　电子流 铝片　电磁波　混凝土　不稳定　自发地　α　He　e　电荷数　质量数 知识点一　三种射线的性质 三种射线在匀强磁场中的运动轨迹示意图如图所示。 (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，这说明什么问题？ [提示]　(1)说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。 (2)根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r＝可知，α粒子的应大于β粒子的。　 1．α、β、γ三种射线的比较 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) 粒子 质量 4mp(mp＝ 1．67×10－27kg) 静止质量为零 电荷 量 2e －e 0 速率 0.1c 0.99c c 穿透 能力 最弱，用一张薄薄的铝箔就能挡住 较强，不能穿透几毫米厚的铝片 极强，能穿过厚的铅板和混凝土 电离 作用 很强 较弱 很弱 在磁 场中 偏转 偏转 不偏转 2.三种射线在磁场、电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。 3．三种射线的穿透能力比较 　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，下列说法正确的是(　　) A．①表示γ射线，③表示α射线 B．②表示β射线，③表示α射线 C．④表示α射线，⑤表示γ射线 D．⑤表示β射线，⑥表示α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，C正确。 [答案]　C 　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，计数器的计数率将大幅度减小，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薄铝片后，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。 [答案]　C 知识点二　原子核的衰变 原子核α衰变实质是放出一个氦原子核，β衰变实质是放出一个电子。试探究： (1)放射性元素能不能一次衰变同时产生α射线和β射线？ (2)γ射线又是怎样产生的？ [提示]　(1)不能，一次衰变只能是α衰变或β衰变，不能同时发生α衰变和β衰变。 (2)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，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式放出。　 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较大的原子核中穿越出来，放射性元素就发生了α衰变。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粒子放射出来。n→H＋e。 4．衰变方程通式 (1)α衰变：X→Y＋He。 (2)β衰变：X→Y＋e。 角度1　原子核的衰变 　在测定年代较近的湖泊沉积物形成年份时，常利用沉积物中半衰期较短的Pb来分析，其衰变方程为Pb→Bi＋X，X表示(　　) A．电子 B．质子 C．中子 D．α粒子 [解析]　根据质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为0，电荷数为－1，是电子。 [答案]　A 　(2024·广东湛江期末)由于放射性元素Np的半衰期很短，所以在自然界中一直未被发现，只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi，下列选项正确的是(　　) A．Bi的原子核比Np的原子核少28个中子 B．Np经过衰变变成Bi，衰变过程中产生的α射线可以穿透铅板 C．衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变 D．Np的半衰期等于任一个Np原子核发生衰变的时间 [解析]　 Bi的原子核比Np的原子核少10个质子，质子数和中子数总共少28，故Bi的原子核比Np的原子核少18个中子，故A错误；设需要经过x次α衰变和y次β衰变，根据质量数和电荷数守恒则有93＝2x－y＋83，4x＝237－209，解得x＝7，y＝4，故C正确；α射线穿透能力很弱，无法穿透铅板，故B错误；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，故D错误。 [答案]　C 角度2　衰变粒子在磁场中的运动 　在垂直于纸面向外的匀强磁场中，某静止的原子核发生了α或β衰变，衰变后α或β粒子和反冲核的轨迹如图所示，两图中大圆和小圆的半径之比均为45∶1，下列说法正确的是(　　) A．原子核在α衰变过程中，产生的α粒子与反冲核动量不守恒 B．升高温度或增大压强可以改变原子核的半衰期 C．甲图是β衰变的轨迹，乙图是α衰变的轨迹 D．甲图可能表示46号元素发生了衰变，乙图可能表示92号元素发生了衰变 [解析]　升高温度或增大压强都不能改变原子核的半衰期，B错误；α衰变或β衰变的过程均满足动量守恒定律，衰变后的α或β粒子和反冲核的速度相反，A错误；根据左手定则可知，甲图是β衰变的轨迹，乙图是α衰变的轨迹，C正确；根据qvB＝m，解得r＝，根据动量守恒定律可知mv相等，所以半径r和电荷量q成反比，若甲图表示46号元素发生了衰变，则大圆和小圆的半径之比应为47∶1，若乙图表示92号元素发生了衰变，则大圆和小圆的半径之比为90∶2＝45∶1，D错误。 [答案]　C 知识点三　半衰期和放射性同位素的应用 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”可以估算出始祖鸟化石形成的年代。 (1)为什么能够运用半衰期来计算始祖鸟化石形成的年代？ (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化石形成的年代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．半衰期 (1)对半衰期的理解：半衰期是描述放射性元素衰变快慢的物理量。 (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，τ表示半衰期。 (3)半衰期的影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)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，无法确定何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核。 2．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。 角度1　半衰期的理解 　(2024·湖北武汉统考期末)考古通常用C测年技术推算出土文物的年代，C的衰变方程为C→N＋X，其半衰期为5 730年，下列说法正确的是(　　) A．一个C原子核必须等到5 730年后才会发生衰变 B．随着C的不断衰变，其半衰期会逐渐变长 C．C衰变方程中的X是正电子 D．C衰变方程中的N与X的质量数之和等于C的质量数 [解析]　经过一个半衰期，有半数发生衰变，这是一个统计规律，是大量原子核中有半数发生衰变对应的时间，对一个原子核无意义，故A错误；C的半衰期由原子核内部结构决定，与所处的物理、化学环境无关，不会变长，故B错误；据质量数守恒和电荷数守恒可知，X为e，即电子，故C错误；据质量数守恒和电荷数守恒可知，N与X的质量数之和等于C的质量数，故D正确。 [答案]　D 角度2　半衰期的计算 　(2024·浙江杭州阶段检测)某无毒放射性元素的半衰期为2天，为估算某水库的库容，取该元素的5 mL水溶液，测得溶液每分钟衰变3.2×107次。将水溶液倒入水库，8天后可视为溶液已均匀分布，在水库中取水样1 m3，测得水样每分钟衰变20次，则该水库中水的体积约为(　　) A．1×105 m3 B．4×105 m3 C．1×108 m3 D．2×1010 m3 [解析]　因1 m3的水经过8天，即4个半衰期后测得水样每分钟衰变20次，可知8天前1 m3的水每分钟衰变次数n＝＝320次，则水库中水的体积V＝ m3＝1×105 m3。 [答案]　A 　(2024·山东泰安期末)碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m的碘131，经过24天后，该药物中碘131的含量大约还有(　　) A． B． C． D． [解析]　半衰期公式为m′＝m，由题可知τ＝8天，t＝24天，代入解得m′＝。 [答案]　B 角度3　放射性同位素的应用 　正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理：将放射性同位素O注入人体，参与人体的代谢过程，O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图像。根据PET原理，回答下列问题： (1)写出O的衰变和正、负电子湮灭的方程式______________________________________。 (2)将放射性同位素O注入人体，O的主要用途是________。 A．利用它的射线 B．作为示踪原子 C．参与人体的代谢过程 D．有氧呼吸 (3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应________(选填“长”“短”或“长短均可”)。 [解析]　(1)由题意得O→N＋e，e＋e→2γ。 (2)将放射性同位素O注入人体后，由于它能放出正电子，并能与人体内的负电子产生一对光子，从而被探测器探测到，所以它的主要用途是作示踪原子，B正确。 (3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，半衰期应该很短。 [答案]　(1) O→N＋e，e＋e→2γ　(2)B　(3)短 1．(三种射线的性质)(多选)我国自己研制的旋式γ刀性能特别好，已被各大医院应用于临床治疗。γ刀治疗脑肿瘤主要是利用(　　) A．γ射线具有很强的穿透能力 B．γ射线具有很强的电离作用 C．γ射线波长很短，具有很高的能量 D．γ射线能很容易绕过阻碍物到达脑肿瘤位置 解析：选AC。γ射线是波长很短、频率很高的电磁波，具有很高的能量和很强的穿透能力，所以它能穿透皮肉和骨骼到达肿瘤位置并杀死肿瘤细胞，A、C正确；因γ射线不带电，它的电离作用很弱，因波长很短，其衍射能力也很差，B、D错误。 2．(原子核的衰变)(2024·江苏南通阶段检测)把一块铀矿石放在一只玻璃管内，过几天在管内发现了氦气。已知矿石中存在铀核U，则在此过程中(　　) A．涉及的反应方程式为U→Th＋He B．放入矿石后至少需等待一个半衰期才有氦气产生 C．矿石中的铀核发生α衰变生成氦原子 D．矿石必须达到一定质量才有氦气产生 解析：选A。铀核自发进行α衰变和β衰变，会涉及α衰变方程，即U→Th＋He，故A正确；半衰期是原子核半数发生衰变所需要的时间，是一种针对大量原子核的统计规律，因此无需等待一个半衰期才产生氦气，故B错误；铀核自发进行α衰变和β衰变，放出电子和氦核，两种微粒组合会形成氦原子，大量的氦原子就形成了氦气，故C错误；只要存在铀核便会发生α衰变和β衰变，无需达到一定质量，故D错误。 3．(原子核的衰变和半衰期)(2024·吉林阶段检测)铯－137(Cs)无色无味，会发生 β衰变同时释放γ射线，半衰期约30年，放射性较强，如果人接触到一定剂量，会对人体造成伤害甚至致死。下列说法正确的是(　　) A．铯－137发生β衰变时，原子核中放出一个电子 B．铯－137发生β衰变时释放的γ射线，来自铯－137 C．β粒子的速度为光速的十分之一 D．一定量的铯－137，经过60年将全部衰变完 解析：选A。铯－137发生β衰变时，原子核中放出一个电子，衰变过程中的电子是由核内中子转化为质子时释放出来的，故A正确；铯－137发生β衰变时释放的γ射线，来自衰变产生的新核，故B错误；β粒子速度约为光速的十分之九，故C错误；一定量的铯－137，经过60年即经过两个半衰期，还剩原来的没有衰变，故D错误。 4．(衰变粒子在磁场中的运动)正电子是电子的反粒子，与电子质量相同，带等量正电荷。在云室中有垂直于纸面的匀强磁场，从P点发出两个电子和一个正电子，三个粒子运动轨迹如图中1、2、3所示。下列说法正确的是(　　) A．磁场方向垂直于纸面向里 B．轨迹1对应的粒子运动速度越来越大 C．轨迹2对应的粒子初速度比轨迹3的大 D．轨迹3对应的粒子是正电子 解析：选A。根据题图可知，1和3粒子的转动方向一致，则1和3粒子为电子，2为正电子，电子带负电且顺时针转动，根据左手定则可知磁场方向垂直于纸面向里，A正确，D错误；电子在云室中运行的轨迹半径变小，由qvB＝可知r＝，则可知粒子速度越来越小，B错误；同理可知轨迹3对应的粒子运动的半径更大，初速度更大，C错误。 学科网（北京）股份有限公司 $