第5章 第2节 原子核衰变及半衰期（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版）

本讲义聚焦原子核衰变及半衰期核心知识点，系统梳理α衰变、β衰变的规律及方程写法，深入解析半衰期的定义、计算方法与统计意义，衔接放射性同位素的应用及射线防护知识，构建完整知识支架。 资料通过“质疑辨析”强化科学思维，以碳-14测年法任务驱动科学探究，结合高考典例与题点训练提升应用能力。放射性防护内容渗透科学态度与责任，课中辅助教师高效授课，课后助力学生查漏补缺，深化理解。

第2节　原子核衰变及半衰期(赋能课——精细培优科学思维) 课标要求 学习目标 1.了解放射性和原子核衰变。 2.知道半衰期及其统计意义。 3.知道射线的危害与防护。 1.知道衰变、半衰期并掌握原子核衰变的规律。掌握衰变方程写法。 2.理解原子核的衰变规律及半衰期的计算方法。 3.了解放射性同位素的应用，知道射线危害及防护。 一、原子核的衰变　衰变的快慢——半衰期 1.原子核的衰变：原子核因释放出像α、β这样的射线(粒子流)而转变为新核的变化。 2.衰变类型：常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变称为α衰变，放出β粒子的衰变称为β衰变，而γ射线是伴随α射线或β射线产生的。 3.衰变方程 α衰变：UHeTh； β衰变：ThePa+。 式中，为反中微子，不带电，静止质量几乎为0。 4.衰变规律：核电荷数守恒、质量数守恒。 5.衰变的快慢——半衰期 (1)放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间称为半衰期。 (2)元素半衰期的长短由原子核自身因素决定，与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度等无关。 (3)设某放射性元素的半衰期为T，原来的质量为M，经过时间t，该元素的剩余质量m=M。 [质疑辨析] 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。 (×) 二、放射性的应用　放射性污染和防护 1.放射性的应用 (1)利用14C可以推断年代。 (2)放射性同位素可以作为示踪原子。 (3)γ射线照射种子能培育优良品种，γ射线还可以用作射线探伤。 (4)制作放射性同位素电池。 2.放射性污染的主要来源 (1)核爆炸；(2)核泄漏；(3)医疗照射。 3.为了防止放射线的破坏，人们主要采取以下措施 (1)密封防护；(2)距离防护；(3)时间防护；(4)屏蔽防护。 强化点(一)　原子核衰变规律 [要点释解明] 1.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释放出来，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。He。 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。 根据核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]　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。 [解析]　(1)设 U衰变为 Pb经过x次α衰变和y次β衰变。由质量数守恒和核电荷数守恒，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。 (2)Pb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 [思维建模] 　　 衰变次数的判断技巧 (1)衰变过程遵循质量数守恒和核电荷数守恒。 (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。 [题点全练清] 1.对天然放射现象，下列说法中正确的是 (　　) A.α射线穿透力最强 B.β粒子带负电，所以β粒子有可能是核外电子 C.γ射线是光子，所以γ射线有可能是原子发光产生的 D.β衰变的实质是原子核的一个中子转化成一个质子并放出一个电子 解析：选D　天然放射现象中有三种射线，其中γ射线穿透力最强，α射线的电离能力最强，A错误；β衰变的实质是原子核内的一个中子转化成一个质子并放出一个电子，释放出的电子就是β粒子，所以β粒子不可能是核外电子，B错误，D正确；在原子核发生衰变过程中，原子核释放出α粒子或β粒子后生成新的原子核，新原子核由高能级跃迁至低能级释放出γ射线，即γ射线是原子核跃迁发光产生的，不是原子发光产生的，C错误。 2.(2025·安徽高考)2025年4月，位于我国甘肃省武威市的钍基熔盐实验堆实现连续稳定运行，标志着人类在第四代核电技术上迈出关键一步。该技术利用钍核Th)俘获x个中子n)，共发生y次β衰变，转化为易裂变的铀核U)，则 (　　) A.x=1，y=1　　　　　 B.x=1，y=2 C.x=2，y=1 D.x=2，y=2 解析：选B　根据题意可知，钍核Th)每俘获1个中子质量数加1、电荷数不变，每发生一次β衰变质量数不变、电荷数加1，钍核Th)变成铀核U)，质量数加1，电荷数加2，则俘获1个中子，发生2次β衰变，即x=1，y=2，故选B。 强化点(二)　半衰期及其应用 任务驱动 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原子核发生衰变的统计规律，不适用于少量原子核的衰变。 [要点释解明] 半衰期的理解与应用 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原分别表示衰变前的原子核数和质量，N余、m余分别表示衰变后的尚未发生衰变的原子核数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期 影响 因素 由原子核自身因素决定，跟原子所处的外部条件、化学状态无关 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 注意 事项 半衰期是对大量原子核衰变行为作出的统计结果，可以对大量原子核衰变行为进行预测，而单个特定原子核的衰变行为不可预测 　　[典例]　放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如氡核Rn经α衰变变成钋核Po。如图所示，横坐标表示时间，纵坐标表示任意时刻氡的质量m与t=0时的质量m0的比值。 (1)写出该核反应方程； (2)求1 g氡经过15.2天后剩余的质量。 [解析]　(1)由质量数与核电荷数守恒可得核反应方程为RnPoHe。 (2)根据题图可知，氡核的半衰期T=3.8天，根据衰变规律有m余=m原×=1×g= g。 [答案]　(1RnPoHe　(2) g [题点全练清] 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. 解析：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.(2025·河南高考)由于宇宙射线的作用，在地球大气层产生的铍有两种放射性同位素Be和Be。测定不同高度大气中单位体积内二者的原子个数比，可以研究大气环境的变化。已知Be和Be的半衰期分别约为53天和139万年。在大气层某高度采集的样品中，研究人员发现Be和Be的总原子个数经过106天后变为原来的，则采集时该高度的大气中Be和Be的原子个数比约为 (　　) A.1∶4 B.1∶2 C.3∶4 D.1∶1 解析：选B　设采集时该高度的大气中有x个Be原子和y个Be原子，由于Be的半衰期为139万年，故经过106天后Be原子的衰变个数可以忽略不计，Be的半衰期为53天，故经过106天后剩余数量为x·个，故可得=，解得=，故选B。 强化点(三)　放射性同位素的应用 [要点释解明] 1.分类 可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素两种，天然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达3 000多种，每种元素都有自己的放射性同位素。 2.人工放射性同位素的优点 (1)放射强度容易控制。 (2)可以制成各种所需的形状。 (3)半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理，获得了广泛的应用。 3.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。 　　[典例]　中国核电商用堆首次实现批量生产碳-14同位素，解决了我国碳-14同位素供应几乎全部依赖进口的问题。碳-14同位素广泛应用于农业、化学、医学、生物学等领域。秦山核电站生产C的核反应方程为NnC+X，其产物C的衰变方程为CNe。下列说法正确的是 (　　) A.X是正电子 BC可以用作示踪原子 Ce来自原子核外 D.经过一个半衰期，10个C将剩下5个 [解析]　根据质量数和核电荷数守恒可得核反应方程为NnCH，则X是质子，A错误；由题意知C不稳定，会发生衰变，可以用作示踪原子，B正确；C的衰变过程放出的e是原子核反应释放出的，因此e来自原子核内部，C错误；半衰期是对大量原子核的统计规律，对少量原子核不适用，D错误。 [答案]　B [题点全练清] 1.(2025·漳州高二检测)(双选)关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是 (　　) A.放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 C.用放射线照射农作物种子能使其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 解析：选BD　利用放射线消除有害静电是利用α射线的电离性，使空气分子电离，将静电泄出，故A错误；利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤，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B、D正确；DNA变异并不一定都是有益的，故C错误。 2.(2025·山东济南高二质检)正电子发射断层扫描(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γ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，下列说法不正确的是 (　　) A.O衰变的方程为ONe B.将放射性同位素O注入人体，其作用为示踪原子 C.该正、负电子湮灭的方程为eeγ D.PET所选的放射性同位素的半衰期应小于人体的代谢周期 解析：选CO衰变的方程为ONe，A正确，不符合题意；将放射性同位素O注入人体，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，故其作用为示踪原子，B正确，不符合题意；该正、负电子湮灭后生成两个光子，即ee2γ，C错误，符合题意；PET所选的放射性同位素的半衰期应小于人体的代谢周期，否则无法通过探测器探测到，D正确，不符合题意。 学科网（北京）股份有限公司 $