第5章 第2节 放射性元素的衰变（Word练习）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（教科版）

第2节　放射性元素的衰变 [核心素养导学] 物理观念 (1)知道天然放射现象,了解放射性衰变。 (2)了解三种射线的性质。 (3)知道放射性同位素及其应用。 (4)知道半衰期及其统计规律。 科学思维 根据质量数守恒和电荷数守恒写出反应方程。 科学探究 利用14C的半衰期估算植物的年龄。 科学态度与责任 了解放射性技术在生活、科技领域的应用,培养对发展科学技术的热爱。 一、天然放射性 1.放射性的发现 (1)1896年,物理学家亨利·贝克勒尔发现铀化合物能够发出看不见的　　　　,它能穿透黑纸使照相底片感光。  (2)物理学家居里夫人和她的丈夫皮埃尔·居里发现放射性更强的新元素,分别命名为钋(Po)、　　　　。  2.放射性 (1)定义:物质发射射线的性质。 (2)放射性元素:具有　　　性的元素,原子序数大于或等于83的元素,都能自发地放出射线,原子序数小于83的元素,有的也能放出射线。  3.天然放射现象:放射性元素　　　　发出射线的现象。  二、射线的性质 1.三种射线:在射线经过的空间施加磁场,射线分成三束,其中两束在磁场中向不同的方向偏转,说明这两束是　　　　粒子流;另一束在磁场中　　　　　,说明它不带电,这三束射线分别叫作α射线、β射线和γ射线。  2.α射线实际上就是氦原子核流,速度可达到光速的,其　　　　作用强,　　　　能力弱,容易被物质吸收,用一张纸就能把它挡住。  3.β射线是高速　　　　,速度可以接近光速,它的穿透能力较强,　　　　作用较弱,很容易穿透黑纸,不能穿透几毫米厚的铝片。  4.γ射线是能量很高的　　　　,波长很短,在10-10 m以下,它的电离作用更弱,但　　　　能力极强,甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。  三、人工放射性同位素 1.放射性同位素:具有　　　　　的同位素。  2.人工放射性同位素 (1)通过　　　生成HeAlP+　　　。  (2)优点:容易控制,　　　　短。  四、衰变 1.放射性衰变:放射性元素是不稳定的,会自发地蜕变为另一种元素,同时放出射线。 2.α衰变 (1)定义:放出　　　　　的衰变过程。  (2) 衰变方程UTh+　　　　　。  3.β衰变 (1)定义:放出　　　　　的衰变过程。  (2)衰变方程Th Pa+　　　　　。  (3)衰变的实质:原子核内的中子转化成一个　　　　和一个电子,转化方程为n　　　　 e。  4.衰变规律:　　　　守恒,　　　　守恒。  5.γ射线的产生:放射性元素的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级,向低能级跃迁时放出γ光子。 五、半衰期 1.定义:放射性元素的原子核由于衰变而数目减少至原来　　　　所需的时间。  2.决定因素 不同的放射性元素,半衰期　　　　。放射性元素衰变的快慢是由　　　　　　的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件　　　　关系。  1.1896年,法国物理学家贝克勒尔首先发现了天然放射现象,如图所示。 (1)贝克勒尔是根据什么发现的天然放射现象? (2)贝克勒尔以后又是谁发现了两种更强的放射性元素? 2.β射线的本质是高速电子流,示波器中的阴极射线的本质也是高速电子流,这两种射线的来源相同吗? 3.如图为α衰变、β衰变示意图。 (1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数如何变化?为什么? (2)当发生β衰变时,新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少?新核在元素周期表中的位置怎样变化? 4.活的动植物从空气中吸收一定比例的碳14,碳14是有放射性的,半衰期是5 730年。动植物死后,不能再吸收空气中的碳14,于是动植物体中的碳14将由于衰变而逐渐减少。 用碳14测年法直接测量被鉴定样品中碳14的含量来断定文物样品的年代,误差仅为数十年,测量精度非常高。 请对以下说法作出判断: (1)半衰期就是放射性元素全部衰变所用时间的一半。 (　 ) (2)半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律。 (　 ) (3)对放射性元素加热时,其半衰期缩短。 (　 ) 新知学习(一)|对三种射线的理解 [任务驱动]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射线的偏转半径说明什么问题? [重点释解] 1.三种射线的比较 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) 带电荷量 2e -e 0 质量 4mp mp=1.67× 10-27 kg 静止质量 为零 速度 0.1c 0.9c c 在电场 或磁场中 偏转 与α射线 反向偏转 不偏转 贯穿本领 最弱,用 纸能挡住 较强,能 穿透纸 最强,能 穿透几厘 米的铅板 对空气的 电离作用 很强 较弱 很弱 在空气中 的径迹 粗、短、直 细、较长、 曲折 最长 通过胶片 感光 感光 感光 2.三种射线在电场、磁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。 [典例体验] 　　[典例]　(多选)将α、β和γ三种射线分别垂直射入匀强磁场和匀强电场,假设α粒子与β粒子速度相同,则下列表示射线偏转情况的图像中正确的是 (　 ) 听课记录: /方法技巧/ 三种射线的比较方法 　　(1)知道三种射线带电的性质,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,属电磁波的一种。 (2)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)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。 [针对训练] 1.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 2.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 新知学习(二)|对衰变的理解和应用 [重点释解] 1.衰变种类 (1)α衰变:放出α粒子的衰变,如UThHe。 (2)β衰变:放出β粒子的衰变,如ThPae。 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原子核中抛射出来,产生α衰变。n+HHe。 (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。 nHe。 4.衰变方程通式 (1)α衰变:X―→Y＋He。 (2)β衰变:X―→Y＋e。 5.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：X―→Y＋nHe＋me。 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程: A=A'+4n,Z=Z'+2n-m。 以上两式联立解得: 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衰变的次数多少对质量数没有影响),然后根据衰变规律确定β衰变的次数。 [典例体验] 　　[典例]U核经一系列的衰变后变为 Pb。 (1)一共经过几次α衰变、几次β衰变? (2) Pb与 U相比,质子数和中子数各少多少? (3)请写出这一衰变过程的转化方程。 尝试解答: /方法技巧/ 　　 衰变次数的判断技巧 　　(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。 (2)每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2。 (3)每发生一次β衰变中子数减少1,质子数增加1。 [针对训练] 1.(2025·云南高考)2025年3月,我国科学家研制的碳14核电池原型机“烛龙一号”发布,标志着我国在核能技术领域与微型核电池领域取得突破。碳14的衰变方程为CN+X,则 (　 ) A.X为电子,是在核内中子转化为质子的过程中产生的 B.X为电子,是在核内质子转化为中子的过程中产生的 C.X为质子,是由核内中子转化而来的 D.X为中子,是由核内质子转化而来的 2.如图,一个原子核X经图中所示的一系列α、β衰变后,生成稳定的原子核Y,在此过程中放射出电子的总个数为 (　 ) A.6　　　 B.8　　　 C.10　　　 D.14 　　　　　　　　　　　　　　　　 新知学习(三)|半衰期及其应用 [任务驱动] 晋朝初年,南昌人许逊被朝廷任命为旌阳县令,他看到很多老百姓的租税交不了,非常同情他们,用点石成金的法术,免去百姓的租税。许逊真的能把石头点成金子吗? [重点释解] 1.意义:半衰期表示放射性元素衰变的快慢。 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,T表示半衰期。 3.规律的特征:放射性元素的半衰期是稳定的,由元素的原子核内部因素决定,跟原子所处的物理状态(如压强、温度)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,无法确定其何时发生衰变,半衰期只适用于大量的原子核。 5.规律的用途:利用天然放射性元素的半衰期可以估测岩石、化石和文物的年代。 [典例体验] 　　[典例]　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。 (1)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,试写出 14C的衰变方程。 (2)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? 尝试解答: /易错警示/ 应用半衰期公式的三点注意 　　(1)半衰期公式只对大量原子核才适用,对少数原子核是不适用的。 　　(2)明确半衰期公式m余=m0,N余=中m余、m0的含义及二者的关系;N余、N原的含义及二者的关系。 　　(3)明确发生衰变的原子核与新产生的原子核质量之间的比例关系,每衰变一个原子核,就会产生一个新核,它们之间的质量之比等于各自原子核的质量之比。 [针对训练] 1.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. 2.(2025·乐山高二检测)磷32是磷的一种放射性同位素,在农业研究中常用作示踪原子。将含磷31的材料置于反应堆中辐射,反应产生的磷32会混于稳定的磷31中。如果将该材料取出,研究发现磷31和磷32的含量相等,28天后磷32的含量占磷元素总量的20%,则磷32的半衰期为 (　 ) A.28天 B.14天 C.7天 D.3.5天 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉科学思维——放射源的选用 1.(选自粤教版教材课后练习)用于治疗肿瘤的放射源必须满足以下两个条件:①放射线具有较强的穿透力,以辐射到体内的肿瘤处;②要在较长时间内具有相对稳定的辐射强度。根据以上条件,下表中给出的四种放射性元素,适合用于治疗肿瘤的是 ( 　) 同位素 辐射线 半衰期 钋210 α 138天 锝99 γ 6小时 钴60 γ 5年 锶90 β 28年 A.钋210　　　　　 B.锝99 C.钴60 D.锶90 ◉科学态度与责任——烟雾探测器 2.(选自鲁科版教材“科学书屋”)烟雾探测器是一种能探测空气中的烟雾并自动报警的装置。如图是一种价格低廉、灵敏度高、利用α射线进行探测的烟雾探测器示意图。 探测器中装有大约0.2 mg的Am,它是一种半衰期长达432年的放射性金属,会释放出α射线和γ射线。α粒子在探测腔内与空气中的氧、氮等分子碰撞,会使这些分子电离。探测腔内有两个加有低电压的极板,电离产生的正、负离子在电场力作用下移动,形成微小电流,探测器内装有能探测微小电流的芯片。烟雾一旦进入探测腔内,烟雾中的微粒会吸附部分α粒子,使探测腔内α粒子的数量减少,从而使被电离的分子数目相应减少,最终导致电极中电流减小,探测器探测到电流的变化,就会使报警电路发出警报。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.(2024·山东高考)2024年是中国航天大年,神舟十八号、嫦娥六号等已陆续飞天,部分航天器装载了具有抗干扰性强的核电池。已知Sr衰变为Y 的半衰期约为29年Pu衰变为U的半衰期约为87年。现用相同数目的Sr和Pu各做一块核电池,下列说法正确的是 (　 ) ASr衰变为Y时产生α粒子 BPu衰变为U时产生β粒子 C.50年后,剩余的Sr数目大于Pu的数目 D.87年后,剩余的Sr数目小于Pu的数目 2.碘131I)治疗是临床上常用的一种治疗甲亢的方法,它是通过含有β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β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IXee BXe核比I核多一个中子 C.32 g碘131样品,经16天后大约有8 g样品发生了β衰变 D.升高温度可能会缩短碘131的半衰期 课下请完成课时跟踪检测(十八) 1 / 11 学科网（北京）股份有限公司 第2节　放射性元素的衰变 落实必备知识 [预读教材] 一、 1.(1)射线　(2)镭(Ra)　2.(2)放射　3.自发地 二、 1.带电　不偏转　2.电离　穿透　3.电子流　电离　4.电磁波　穿透 三、 1.放射性　2.(1)核反应n　(2)半衰期 四、 2.(1)α粒子　(2He　3.(1)β粒子　(2e　(3)质子H 4.电荷数　质量数 五、 1.一半　2.不同　核内部自身　没有 [情境创设] 1.提示:(1)贝克勒尔是根据铀和含铀的矿物质能使用黑纸包住的照相底片感光,发现了天然放射现象。 (2)后来居里夫人和她丈夫皮埃尔·居里发现了钋、镭两种放射性元素。 2.提示:不同。阴极射线的电子来源于核外电子,β射线的电子来源于原子核。 3.(1)提示:α衰变时,原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子抛射出来,则核内的中子数和质子数都减少2个。 (2)提示:β衰变时,核内的一个中子变成一个质子留在核内,同时放出一个电子。则核电荷数增加1,新核在元素周期表中的位置后移一位。 4.(1)×　(2)√　(3)× 强化关键能力 新知学习(一) [任务驱动] (1)提示:说明α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。 (2)提示:说明α射线比荷小于β射线的比荷。 [典例]　选AD　α射线为高速氦核流,带正电;β射线为高速电子流,带负电;γ射线为能量很高的电磁波,不带电。根据左手定则判断正、负电荷在磁场中受到的洛伦兹力方向,可知A、B两图中α射线和β射线的偏转方向均正确,带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,其轨迹半径r=,由于两粒子速度相同,氦核的比荷小于电子的比荷,所以氦核运动的轨迹半径大于电子运动的轨迹半径,故A正确,B错误;根据带电粒子在电场中的受力分析,可知C、D两图中的射线偏转方向均正确,带电粒子垂直射入匀强电场,设初速度为v0,垂直电场线方向的位移为x,沿电场线方向的位移为y,则有x=v0t,y=·t2,解得y=,在x不变的情况下,β射线沿电场线偏转的距离大于α射线偏转的距离,故C错误,D正确。 [针对训练] 1.选C　在放射源和计数器之间加上L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,C正确。 2.选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,钢板厚度控制为5 cm,则α、β射线均不能穿透,而γ射线可以穿透,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。 新知学习(二) [典例]　解析: (1)设 U衰变为 Pb经过x次α衰变和y次β衰变。由质量数守恒和电荷数守恒,可得 238=206+4x 92=82+2x-y 解得x=8,y=6 即一共经过8次α衰变和6次β衰变。 (2Pb比 U的质子数少92-82=10 中子数少(238-92)-(206-82)=22。 (3)核反应方程为UPb+He+e。 答案: (1)8次α衰变　6次β衰变　(2)10　22 (3)UPb+He+e [针对训练] 1. 选A　根据质量数和电荷数守恒,写出该衰变方程为CNe,可知X为电子,是在核内中子转化为质子的过程中产生的。故选A。 2.选A　X的中子数为146,质子数为92,质量数为146+92=238,Y的中子数为124,质子数为82,质量数为124+82=206,质量数减少238-206=32,发生α衰变的次数为32÷4=8,发生β衰变的次数为82-(92-2×8)=6,即在此过程中放射出电子的总个数为6,A正确。 新知学习(三) [任务驱动] 提示:不能,衰变需要一定时间。 [典例]　解析: (1C的β衰变方程为CeN。 (2C的半衰期T=5 730年。 生物死亡后,遗骸中的 C含量按其半衰期变化,设活体中 C的含量为N0,遗骸中的 C含量为N, 则N=N0=0.25N0,故=2,t=11 460(年)。 答案: (1CeN　(2)11 460年 [针对训练] 1.选B　设刚植入时碘的质量为m0,经过180天后的质量为m,根据m=m0,代入数据解得m=m0=m0=m0。 2.选B　根据题意,设开始磷31和磷32的含量均为N,衰变后磷32的含量为N',则有=20%,解得N'=N,可知,磷32经过了2个半衰期,则磷32的半衰期为14天。 浸润学科素养和核心价值 一、 1.选C　由放射源放出的放射线具有较强的穿透力可知,选项A、D均错误;由放射源要在较长时间内具有相对稳定的辐射强度可知,选项B错误,C正确。 二、 1. 选D　根据核反应前后质量数守恒和电荷数守恒可知Sr 衰变为Y时产生电子,即β粒子Pu 衰变为U时产生He,即α粒子,故A、B错误;根据题意可知Pu的半衰期大于Sr的半衰期,现用相同数目的Sr和Pu各做一块核电池,经过相同的时间Sr经过的半衰期的次数多,所以剩余的Sr数目小于Pu的数目,故D正确,C错误。 2. 选A　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IXee,故A正确Xe核比I核少一个中子,故B错误;32 g碘131样品,经16天,即经过2个半衰期,大约有8 g样品未发生衰变,衰变的质量为24 g,故C错误;改变温度或改变外界压强都不会影响原子核的半衰期,故D错误。 $