2.放射性元素的衰变-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

本高中物理讲义聚焦放射性元素的衰变，系统梳理α衰变和β衰变的规律及本质，半衰期的概念与计算，核反应方程书写规则，以及放射性同位素的应用。从原子核自发衰变到人工核反应，构建从理论规律到实际应用的完整学习支架。 该资料通过情境导入（如猛犸象化石年代推断）激发兴趣，师生互动任务驱动探究（如分析衰变中质子数变化），培养科学思维与科学探究能力。例题及针对练强化理解，联系放疗、示踪原子等应用体现社会责任，课中辅助教学，课后助力学生查漏补缺。

2.放射性元素的衰变 【素养目标】　1.知道原子核的衰变，知道α衰变和β衰变及两种衰变的规律及本质。2.知道半衰期的概念和半衰期的统计意义，能利用半衰期公式进行计算。3.知道核反应及其遵循的规律，会正确书写核反应方程式。4.知道人工放射性同位素，了解放射性同位素在生产和科学领域的应用。 知识点一　原子核的衰变 【情境导入】　如图所示，铀238放出一个α粒子后变成钍234，钍234放出一个β粒子后变成镤234。 (1)铀238变成钍234属于什么变化？ (2)钍234变成镤234属于什么变化？ 提示：(1)原子核的α衰变。 (2)原子核的β衰变。 【教材梳理】 (阅读教材P108—P110完成下列填空) 1.原子核的衰变 原子核自发地放出α粒子或β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.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。 注意：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，并放出γ光子。因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。 3.衰变方程 α衰变XYHe，如UTh＋He。 β衰变XYe，如ThPa＋e。 4.衰变规律 (1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。 (2)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γ射线辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线。 【师生互动】　根据“情境导入”回答下列问题： 任务1.当铀核发生α衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？新核相对原来的原子核在元素周期表中的位置怎样变化？ 任务2.当钍核发生β衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？新核相对原来的原子核在元素周期表中的位置怎样变化？ 提示：任务1.原子核发生α衰变时，质子数减少2，中子数减少2；新核相对原来的原子核在元素周期表中的位置向前移动两位。 任务2.原子核发生β衰变时，核内的一个中子转化成了一个β粒子和一个质子，中子数减少1，质子数增加1；新核相对原来的原子核在元素周期表中的位置向后移动一位。 学生用书⬇第119页 【探究归纳】 1.α衰变和β衰变的比较 衰变 类型 α衰变 β衰变 方程 通式 XYHe： 发生一次α衰变，新核相比原来的核质量数减少4，核电荷数减少2 XYe：发生一次β衰变，新核与原来的核质量数相等，核电荷数增加1 衰变 实质 原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子 原子核内的一个中子变成质子，同时放出一个电子 n＋HHe nHe 匀强 磁场 中轨 迹的 形状 共同 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：设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则衰变方程为XY＋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，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。 原子核衰变的理解 U是一种放射性元素，能够自发地进行一系列放射性衰变，如图所示，则下列说法正确的是(　　) A.图中a是208 B.Y和Z都是β衰变 C.X衰变放出的电子是中子转变为质子时产生的 D.X衰变中放出的射线电离能力最强 答案：C 解析Bi衰变成Tl，核电荷数少2，所以Y衰变为α衰变，放出α粒子，则质量数少4，a＝206，Po衰变成Pb，质量数少4，核电荷数少2，所以Z衰变为α衰变，故A、B错误；Bi衰变成Po，质量数不变，核电荷数加1，所以发生的是β衰变，其放出的β射线的电离能力比α射线的电离能力弱，其本质是原子核内的一个中子转化成一个质子和一个电子，故C正确，D错误。 衰变次数的计算 (多选)下列说法正确的是(　　) A.Ra衰变为Rn要经过1次α衰变和1次β衰变 BU衰变为Pa要经过1次α衰变和1次β衰变 CU衰变为Rn要经过4次α衰变和4次β衰变 DTh衰变为Pb要经过6次α衰变和4次β衰变 答案：BD 解析：设Ra衰变为Rn发生了x次α衰变和y次β衰变，即RaHe＋eRn，则根据质量数和电荷数守恒有4x＋222＝226，2x－y＋86＝88，解得x＝1，y＝0，A错误；同理知，C错误，B、D正确。 针对练.放射性元素Th经一系列α、β衰变后生成Rn，以下说法正确的是(　　) A.每经过一次α衰变原子核的质量数会减少2 B.每经过一次β衰变原子核的质子数会增加1 CTh原子核的中子数比Rn原子核的中子数少4个 DTh衰变成Rn一共经过2次α衰变和3次β衰变 答案：B 解析：每经过一次α衰变，原子核的质量数减少4，故A错误；每经过一次β衰变，原子核的核电荷数增加1，质量数不变，质子数等于核电荷数，则质子数增加1，故B正确Th的原子核的质量数为232，质子数为90，则中子数为142，Rn原子核的质量数为220，质子数为86，则中子数为134，可知Th原子核的中子数比Rn原子核的中子数多8个，故C错误；设发生了x次α衰变和y次β衰变，则根据质量数和电荷数守恒有4x＋220＝232，2x－y＋86＝90，解得x＝3，y＝2，故D错误。 原子核在匀强磁场中的衰变与动量的综合 (多选)存在射线危险的地方，常能看到如图1所示的标志。核辐射会向外释放3种射线：α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。现有甲、乙两个原子核，原来都静止在同一匀强磁场中，其中一个 学生用书⬇第120页 核放出一个α粒子，另一个核放出一个β粒子，得出图2所示的4条径迹，则(　　) A.磁场的方向一定垂直于纸面向里 B.甲核放出的是α粒子，乙核放出的是β粒子 C.a为α粒子的径迹，d为β粒子的径迹 D.b为α粒子的径迹，c为β粒子的径迹 答案：BD 解析：因粒子的运动方向未知，所以无法判断磁场的方向是垂直纸面向里还是垂直纸面向外，A错误；衰变过程满足动量守恒，粒子与新核的动量大小相等、方向相反，根据带电粒子在磁场中运动分析可知，若轨迹为外切圆，则为α衰变，所以甲核放出的是α粒子，乙核放出的是β粒子，B正确；由于衰变过程动量守恒，初状态总动量为零，所以末状态粒子与新核动量大小相等，又由r＝＝可知半径与电荷量成反比，所以b为α粒子的径迹，c为β粒子的径迹，C错误，D正确。 针对练.在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于衰变放射出某种粒子，结果得到一张两个相切圆1和圆2的径迹照片如图所示，已知两个相切圆半径分别为r1、r2，则下列说法正确的是(　　) A.原子核可能发生α衰变，也可能发生β衰变 B.径迹2可能是衰变后新核的径迹 C.若衰变方程是UThHe，则衰变后新核和射出的粒子的动能之比为117∶2 D.若衰变方程是UThHe，则r1∶r2＝1∶45 答案：D 解析：原子核衰变过程系统动量守恒，可知衰变生成的两粒子动量大小相等、方向相反，粒子速度方向相反。由左手定则可知，若生成的两粒子电性相反，则在磁场中的径迹为内切圆；若电性相同，则在磁场中的径迹为外切圆，所以题图生成的是电性相同的粒子，发生的是α衰变，不可能是β衰变，A错误。粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得qvB＝m，解得r＝＝，由于p、B都相同，则粒子的电荷量q越大，其轨道半径r越小，由于新核的电荷量大于α粒子的电荷量，则新核的轨道半径小于α粒子的轨道半径，则径迹1为新核的运动径迹，径迹2为α粒子的运动径迹，B错误。根据动量守恒定律可知，新核Th和α粒子的动量大小相等，又动能Ek＝，所以动能之比等于质量的反比，为2∶117，C错误。根据r＝可得r1∶r2＝2∶90＝1∶45，D正确。 知识点二　半衰期 【情境导入】　如图为猛犸象化石的图片，你知道考古学工作者根据什么原理推断该化石的年代吗？ 提示：利用放射性元素的半衰期，只要测出化石中碳14的含量，就可以根据碳14的半衰期推断化石的年代。 【教材梳理】 (阅读教材P110—P111完成下列填空) 1.半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。 2.半衰期的决定因素：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，从而推断时间。 【师生互动】　如图所示为氡衰变剩余质量与原有质量比值的示意图。纵坐标表示的是任意时刻氡的质量m与t＝0时的质量m0的比值。氡的半衰期为3.8 d。 任务1.每经过一个半衰期，氡原子核的质量变为原来的多少？ 任务2.从图中可以看出，经过两个半衰期，未衰变的原子核还有多少？ 任务3.对于某个或选定的几个氡原子核，能根据它的半衰期预测它的衰变时间吗？ 提示：任务1.由题图可以看出，每经过一个半衰期，氡原子核的质量变为原来的。 任务2.经过两个半衰期，未衰变的原子核还有。 任务3.半衰期是某种放射性元素的大量原子核有半数发生衰变所用时间的统计规律，故无法预测单个原子核或几个特定原子核的衰变时间。 学生用书⬇第121页 【探究归纳】 对半衰期的理解 半衰期 物理 意义 表示放射性元素衰变的快慢 衰变 规律 N余＝N原，m余＝m原，式中N原、m原分别表示衰变前放射性元素的原子核数和质量，N余、m余分别表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子核数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期 影响 因素 由原子核内部因素决定，跟原子所处的外部条件、化学状态无关 适用 条件 半衰期是对大量原子核衰变行为作出的统计结果，可以对大量原子核的衰变行为进行预测，而单个或特定几个原子核的衰变行为不可预测 应用 利用半衰期非常稳定的特点，可以测算其衰变程度，推断时间等 (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5 730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 答案：D 解析：根据CNe，可知C发生β衰变的产物是N，A错误；β衰变辐射出的电子来自原子核内的中子转化为质子时放出的电子，B错误；半衰期与外界环境无关，C错误；若测得一古木样品的C含量为活体植物的，可知经过了2个半衰期，则该古木距今约为5 730×2年＝11 460年，D正确。故选D。 半衰期理解的两个误区 1.错误地认为半衰期就是一个放射性元素的原子核发生衰变所经历的时间，其实半衰期是大量原子核发生衰变的统计规律。 2.错误地认为放射性元素的半衰期就是元素质量减少为原来一半所需要的时间，该观点混淆了尚未发生衰变的放射性元素的质量与衰变后元素的质量的差别，其实衰变后元素的质量包括衰变后新元素的质量和尚未发生衰变的元素的质量两部分。 针对练1.下列有关半衰期的说法正确的是(　　) A.放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快 B.放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长 C.把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度 D.降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度 答案：A 解析：放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映了放射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期由其核内部自身的因素决定，与它所处的物理条件和化学状态无关。故选A。 针对练2.烟雾探测器使用了一种半衰期为432年的放射性元素镅Am)来探测烟雾。当正常空气分子穿过探测器时，镅Am)衰变所释放的射线会将它们电离，从而产生电流。一旦有烟雾进入探测器内，烟雾中的微粒会吸附部分射线，导致电流减小，从而触发警报。则(　　) A.镅Am)放出的是X射线 B.镅Am)放出的是γ射线 C.1 mg的镅Am)经864年将有0.75 mg发生衰变 D.发生火灾时，烟雾探测器中的镅Am)因温度升高而半衰期变短 答案：C 解析：镅Am)会释放出射线将空气分子电离，从而产生电流，而三种射线中α射线能使空气电离，故镅Am)放出的是α射线，故A、B错误；半衰期为432年，经864年，1 mg的镅将衰变掉四分之三即0.75 mg，还剩下0.25 mg没有衰变，故C正确；半衰期由原子核本身的性质决定，与物理条件和化学状态均无关，故D错误。故选C。 学生用书⬇第122页 知识点三　核反应 【情境导入】　如图所示是某著名物理实验装置图，科学家在该装置中用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子。 (1)这是哪位科学家进行的实验？ (2)这个实验是衰变吗？ 提示：(1)卢瑟福。(2)不是，是原子核的人工转变。 【教材梳理】 (阅读教材P111—P112完成下列填空) 1.原子核的人工转变：用人工控制原子核的变化。例如NHeOH。 2.核反应 (1)定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程。 (2)特点：质量数守恒、电荷数守恒。 【师生互动】　根据“情境导入”，回答下面问题： 任务1.该实验的核反应方程是什么？ 任务2.书写此方程时应注意保持什么守恒？ 任务3.原子核的人工转变与衰变有什么不同？ 提示：任务1NHeOH。 任务2.质量数守恒和电荷数守恒。 任务3.原子核的人工转变是利用α粒子、质子、中子或γ光子轰击靶核发生的变化，所有的原子核都可能发生人工转变，而衰变是具有放射性的不稳定的核自发进行的变化。 【探究归纳】 1.原子核的人工转变 条件 用α粒子、质子、中子或用γ光子轰击原子核使原子核发生转变 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 规律 (1)质量数、电荷数守恒。(2)动量守恒 三个 典型 的核 反应 (1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程： NHeOH (2)1932年查德威克发现中子的核反应方程BeHeCn (3)1934年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素的核反应方程AlHen 核反 应方 程 核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向 2.原子核的人工转变与衰变的比较 不同点 原子核的人工转变是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，与它所处的化学状态和外部条件无关 相同点 原子核的人工转变与衰变过程一样，在反应过程中质量数与电荷数都守恒，反应前后粒子总动量守恒 完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反应方程，哪个是发现中子的核反应方程。 (1NnC＋　　　　； (2NHeO＋　　　　； (3Bn　　　He； 学生用书⬇第123页 (4BeHe　　　n； (5FeHCo＋　　　　。 答案：(1H (2H，发现质子的核反应方程 (3Li (4C，发现中子的核反应方程 (5n 针对练1.(2022·湖北高考)上世纪四十年代初，我国科学家王淦昌先生首先提出证明中微子存在的实验方案：如果静止原子核Be俘获核外K层电子e，可生成一个新原子核X，并放出中微子νe，即BeeXνe。根据核反应后原子核X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.原子核X是Li B.核反应前后的总质子数不变 C.核反应前后总质量数不同 D.中微子νe的电荷量与电子的相同 答案：A 解析：根据核反应前后质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为7，电荷数为3，即原子核X是Li，A正确，C错误；由A项分析可知，核反应方程为eLiνe，则反应前的总质子数为4，反应后的总质子数为3，B错误；中微子不带电，则中微子νe的电荷量与电子的不相同，D错误。 针对练2.中国散裂中子源(CSNS)是我国“十一五”期间重点建设的大科学装置，2018年8月23日通过国家验收，并对国内外各领域的用户开放。下列核反应方程中X为中子的是(　　) APSi＋X BUTh＋X CAlnMg＋X DAlHeP＋X 答案：D 解析：根据核反应遵循质量数守恒和电荷数守恒可知，选项A、B、C、D中X分别为正电子、氦核、质子、中子，故D正确。 知识点四　放射性同位素及其应用　辐射与安全 【情境导入】　1934年，约里奥·居里夫妇用α粒子轰击静止的Al核，探测到了放射性磷P)，其核反应方程为He＋AlPn，这是首次用人工方法获得放射性同位素，约里奥·居里夫妇因这一伟大发现而获得诺贝尔化学奖。 (1)放射性同位素可以怎样获得？ (2)人工放射性同位素的半衰期有什么特点？ 提示：(1)可以由天然放射性元素获得，也可以用人工方法获得。 (2)放射强度容易控制、半衰期比较短等。 【教材梳理】 (阅读教材P112—P113完成下列填空) 1.放射性同位素 (1)定义：具有放射性的同位素。 (2)类型：天然放射性同位素和人工放射性同位素。 (3)人工放射性同位素具有放射强度容易控制、半衰期比较短和放射性废料容易处理的优点。 2.放射性同位素的应用 (1)射线测厚仪：使用放射性同位素发出的射线来测厚度。 (2)放射治疗：利用放射性同位素发出的射线破坏癌细胞。 (3)培优、保鲜：利用γ射线照射种子，培育优良品种等。 (4)示踪原子：一种元素的各种同位素都有相同的化学性质，用放射性同位素代替非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置。 学生用书⬇第124页 3.辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，然而过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。 【师生互动】　人工放射性同位素的放射强度易于控制，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此在国民经济和科学研究的各个领域得到广泛的应用。 任务1.能用α射线来测量金属板的厚度吗？ 任务2.γ射线照射食品延长保存期的原理是什么？ 提示：任务1.不能。 任务2.用γ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。 用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然的放射性同位素不过40多种，而今天通过核反应生成的人工放射性同位素已达3 000多种，每种元素都有其放射性同位素。放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面得到了广泛的应用。 (1)带电的验电器在射线照射下电荷会很快消失。其原因是　　　　。 A.射线的贯穿作用 B.射线的电离作用 C.射线的物理、化学作用 D.以上三个选项都不是 (2)如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。如果工厂生产的是厚度1毫米的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是　　　　射线。 (3)在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素的结晶是同一种物质，为此曾采用放射性同位素14C做　　　　　　。 答案：(1)B　(2)β　(3)示踪原子 解析：(1)因射线的电离作用，空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与验电器所带电荷相互中和，从而使验电器所带电荷消失，故B正确。 (2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1毫米的铝板，因而探测器不能探测。γ射线穿透物质的本领极强，穿透1毫米厚铝板和几毫米厚铝板后其强度几乎相同，探测器很难分辨。β射线能够穿透1毫米厚铝板和几毫米厚铝板，但铝板厚度不同，穿透后β射线的强度明显不同，探测器容易分辨。 (3)把掺入14C的人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经过多次重新结晶后，得到了放射性14C分布均匀的牛胰岛素结晶，这就证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素完全融为一体，它们是同一种物质。这种把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可以知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易查明的情况或规律。人们把这种放射性同位素叫作示踪原子。 针对练1.(多选)某医院利用放射线治疗肿瘤，被利用的放射源必须具备以下两个条件：①放出的射线有较强的穿透能力，能辐射到体内肿瘤所在处； ②能在较长的时间内提供比较稳定的辐射强度。现有四种放射性同位素的放射线及半衰期如表所示。关于表中所列的四种同位素，下列说法正确的是(　　) 同位素 钴60 锶90 锝99 氡222 放射线 γ射线 β射线 γ射线 α射线 半衰期 5年 28年 6小时 3.8天 A.最适宜作为放疗使用的放射源应是钴60 B.最适宜作为放疗使用的放射源应是锶90 C.放射线的电离能力最强的放射源是锝99 D.放射线的电离能力最强的放射源是氡222 答案：AD 解析：钴60放出的γ射线穿透能力强，半衰期长，A正确，B错误；α射线电离能力最强，γ射线的电离能力最弱，氡222放出的是α射线，C错误，D正确。 针对练2.关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是(　　) A.利用γ射线使空气电离，消除静电 B.利用α射线照射植物的种子，使产量显著增加 C.利用β射线来治疗肺癌、食道癌 D.利用放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，可以作为示踪原子 答案：D 解析：γ射线的电离作用很弱，α射线电离作用很强，应利用α射线的电离作用使空气电离，消除静电，A错误；α射线穿透本领弱，不适合用来辐射育种，γ射线可以用来治疗肺癌、食道癌等，B、C错误；放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，可以作为示踪原子，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $