5.2 放射性元素的衰变 导学案-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第2节　放射性元素的衰变 学习目标 1.知道原子核的衰变,知道两种衰变的规律,理解半衰期的概念。 2.知道什么是核反应,能写出核反应方程。 3.知道什么是放射性同位素,了解放射性在生产和科学领域的应用。 自主预习 一、原子核的衰变 1.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　　 　　。  2.衰变分类 (1)α衰变:放出　　 　　的衰变。  (2)β衰变:放出　　 　　的衰变。  3.衰变规律 (1)原子核衰变时电荷数和质量数都　　　 　。  (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　　　　、　　　　和　　　　三种射线。  二、半衰期 4.半衰期是指放射性元素的原子核有　　　　发生衰变所需的时间。  三、核反应 5.定义:原子核在　　　　　　　　　产生新原子核或者发生状态变化的过程。  6.原子核的人工转变 卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,产生了氧的一种　　　　,同时产生一个　　　　。  遵循规律:　　　　。  四、放射性同位素及其应用 7.放射性同位素的定义:有些同位素具有放射性,叫作　　 　　。  五、辐射与安全 课堂探究 [情境设问]在古代,不论是东方还是西方,都有一批人追求“点石成金”之术,他们试图利用化学方法将一些普通的矿石变成黄金。当然,这些炼金术士的希望都破灭了。 真的存在能让一种元素变成另一种元素的过程吗? 结论1:类似于“点石成金”的事一直就在自然界中进行着,这就是伴随着天然放射现象发生的原子核“　　　　”过程。  一、原子核的衰变 [思考]什么是衰变?衰变的类型有哪些? 结论2: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　　　　　　　　　。  结论3:放出α粒子的衰变过程叫作　　 　　。  [讨论]尝试能否用方程表示上述过程? [思考与讨论]原子核衰变时,电荷数和质量数有什么变化? 结论4:在这个衰变过程中,衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和;衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量事实表明,原子核衰变时　　　　和　　　　都守恒。  放出β粒子的衰变叫作β衰变。 [讨论]尝试能否用方程表示这个过程? 结论5:由于电子的质量比核子的质量小得多,因此,我们可以认为电子的质量数为　　　　 、电荷数为　　　　,可以把电子表示为　　　　。这样,原子核放出一个电子后,因为其衰变前后电荷数和质量数都守恒,新核的质量数不会改变但其电荷数应当加1。其衰变方程为  [思考与讨论]原子核里没有电子,β 衰变中的电子来自哪里? 结论6:β衰变的实质在于核内的中子转化成了　　　　质子和　　　　电子,其转化方程是  这种转化产生的电子发射到核外,就是β粒子;与此同时,新核少了一个中子,却增加了一个质子。所以,新核质量数不变,而电荷数增加1。 [思考]α衰变的实质是什么? 在放射性元素的原子核中: 结论7:α衰变的实质是原子核内少　　　　质子和　　　　中子。  [思考]尝试总结衰变的规律。 结论8:①遵守三个守恒:原子核衰变时遵守　　　　守恒,　　　　守恒,动量守恒。  ②任何一种放射性元素只有一种放射性,不能同时既有 　　　　放射性,又有 　 　　　放射性(伴随的 　　　　射线除外)。  [思考]如何确定衰变次数? 结论9: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。 反应方程： , 根据电荷数和质量数守恒列方程: A=A'+4n,Z=Z'+2n-m, 两式联立解得　 。  二、半衰期 [思考]我们怎么定义衰变的快慢? 结论10:半衰期 定义:放射性元素的原子核有　 　　　衰变所需的时间。  意义:表示放射性元素衰变快慢的物理量。 不同元素的半衰期: 氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天, 镭226衰变为氡222的半衰期为1 620年, 铀238衰变为钍234的半衰期长达4.5×109年。 [思考]半衰期的快慢和哪些因素有关系呢? 结论11:不同的放射性元素,半衰期　　　　。放射性元素衰变的快慢是由　　　 　　　　　　决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。  [讨论]半衰期是不是适用于所有场景呢? 结论12:半衰期的适用条件 半衰期是一个统计概念,是对　　 　　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　　 　　。  三、核反应 [情境设问]衰变是原子核的自发变化,能不能用人工的方法使原子核发生变化呢? 当初卢瑟福用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,即 这是人类第一次实现的原子核的人工转变。 结论13:不仅用 α 粒子,用质子、中子甚至用 γ光子去轰击一些原子核,都可以实现原子核的转变。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,称为　　　 　。  [思考]根据定义,思考核反应的条件和实质。 结论14: 核反应的条件:用 α 粒子、质子、中子甚至用 γ 光子轰击　　 　　,使　　 　　发生转变。  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。 [思考]试推测核反应遵循什么规律? 结论15: 遵循规律:　　　 　守恒,　　 　　守恒。  [讨论]试比较人工转变与衰变的异同。 结论16: 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,它不受物理、化学条件的影响。 相同点:人工转变与衰变过程一样,在发生过程中质量数与电荷数都守恒,反应前后粒子总动量守恒。 [总结]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。核反应方程应以实验事实为基础,不能凭空杜撰。 四、放射性同位素及其应用 结论17:有些同位素具有放射性,叫作放射性　 　　　。  [思考]你知道放射性同位素可以怎么分类吗? 结论18:放射性同位素分为　　 　　同位素和　　　 　同位素。其中　　 　　同位素在自然界不过40多种,而　　　 　同位素则有3 000多种。  [讨论]人工放射性同位素有哪些优势? 结论19: ①放射　　　　容易控制。  ②可以根据需要进行人工制造。 ③　　　　更短,放射性废料容易处理。  [讨论]放射性同位素有哪些应用? 结论20:放射性同位素的应用有　　　 　、　　　　、　　　　　　、　　　　。  五、辐射与安全 [思考]放射性元素会不会产生危害呢? 警告标志 结论21:过量的射线对　　 　　有破坏作用,这些破坏往往是对细胞核的破坏,有时不会立刻被察觉。  [讨论]尝试列举放射性的危害。 结论22: 核爆炸:最初几秒钟放射出来的主要是强烈的 γ 射线和中子流,这些射线具有很强的穿透能力,对人体和其他生物有很强的杀伤作用。 核泄漏:核工业生产和核科学研究中使用的放射性原材料,一旦泄漏,就会造成严重污染。 医疗照射:如使用射线的剂量过大,会导致病人的身体受到损害,甚至死亡。 典型例题 【例题1U(铀核)衰变为Rn(氡核)要经过几次α衰变,几次β衰变? 【例题2】已知钍234的半衰期是24天,1 g钍经过120天后还剩多少? 素养专练 1.下列核反应方程中,属于α衰变的是(　　)　 　　　　　 A. B. C. D. 2U经过m次α衰变和n次β衰变生成Pb,则(　　) A.m=7,n=3 B.m=7,n=4 C.m=14,n=9 D.m=14,n=18 3.经过一系列α衰变和β衰变后变成Pb,则Pb比Th少(　　) A.16个中子,8个质子 B.8个中子,16个质子 C.24个中子,8个质子 D.8个中子,24个质子 4.(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子(　　) A.利用钴60治疗肿瘤等疾病 B.γ射线探伤 C.利用含有放射性碘131的油,检测地下输油管的漏油情况 D.把含有放射性同位素的肥料施给农作物用以检测农作物吸收养分的规律 5.关于原子核的衰变,下列说法正确的是(　　) A.碘131的半衰期是8天,20 g碘131经过24天后还有5 g未衰变 B.用化学反应改变放射性元素的存在状态,可以实现对衰变快慢的控制 CTh衰变为Rn,经过3次α衰变,2次β衰变 D.α、β和γ三种射线中,α射线的电离能力最强,γ射线的穿透能力最弱 6.用α粒子轰击Ni核的核反应方程是 ,则(　　) A.X的电荷数与H的电荷数相同 B.X的质量数与H的质量数相同 CCu的核子数比Ni的核子数多1 DCu的中子数比Ni的中子数多2 7.一静止的铝原子核Al俘获一速度大小为1.4×107 m/s的氢原子核H后,变为稳定的硅原子核Si,下列说法正确的是(　　) A.该核反应方程为 B.若无其他粒子产生,则反应后Si的速度大小约为5×105 m/s C.核反应后的电荷数比核反应前的电荷数小 D.核反应后的质量数比核反应前的质量数大 8.在下列4个核反应方程中,X表示α粒子的是(　　) A. B. C. D. 9.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,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,下列判断正确的是(　　) ABi的原子核比Np的原子核少28个中子 BBi的原子核比Np的原子核少8个中子 C.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变 D.衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变 参考答案 自主预习 1.原子核的衰变 2.（1）α粒子　（2）β粒子 3.（1）守恒　（2）α　β　γ 4.半数 5.其他粒子的轰击下 6.同位素　质子　质量数守恒、电荷数守恒 7.放射性同位素 课堂探究 【结论1】 衰变 【结论2】 原子核的衰变 【结论3】 α衰变 【结论4】 电荷数　质量数 【结论5】 0　-1e 【结论6】 一个　一个 【结论7】 两个　两个 【结论8】 1 电荷数　质量数　② α　β　γ 【结论9】 n=,m=+Z'-Z 【结论10】 半数发生 【结论11】 不同　核内部自身的因素 【结论12】 大量　大量的原子核 【结论13】 核反应 【结论14】 原子核　原子核 【结论15】 质量数　电荷数 【结论17】 同位素 【结论18】 天然放射性　人工放射性　天然放射性　人工放射性 【结论19】 ①强度　③半衰期 【结论20】 射线测厚仪　放射治疗　培优、保鲜　示踪原子 【结论21】 人体组织 例题与变式 【例题1】 例题分析:(1)α衰变和β衰变方程遵循质量数守恒和电荷数守恒的规律。 (2)在写方程时用“”而不能用“=”,因为质量并不相等,且也不可逆。 例题解答:设经过x次α衰变,y次β衰变, , 质量数:238=222+4x, 电荷数:92=86+2x-y, 解得x=4,y=2, 所以经过4次α衰变,2次β衰变。 【例题2】 例题分析:(1)半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,而不是样本质量减少一半的时间。 (2)经过n个半衰期,剩余原子核N剩=N总。 例题解答:根据半衰期的定义,τ=24,t=120,剩下的钍的质量为 m=m0=1× g。 素养专练 1.B　解析:用He轰击N产生质子是原子核的人工转变,选项A错误;α衰变是原子核自发放射α粒子,选项B正确;两个轻核结合成中核的反应为轻核聚变反应,选项C错误;D为β衰变。故选B。 2.B　解析:原子核每发生一次α衰变,质量数减少4,电荷数减少2;每发生一次β衰变,质量数不变,电荷数增加1。比较两种原子核,质量数减少28,即发生了α衰变次数:m= =7;电荷数应减少14,而电荷数减少10,说明发生了β衰变次数:n=m×2－(92－82)=4,故选项B正确。 3.A　解析Pb比Th质子数少(90－82)=8个,核子数少(232－208)=24个,所以中子数少(24－8)=16个,故选项A正确,B、C、D错误。 4.CD　解析:利用钴60治疗肿瘤和γ射线探伤是利用射线能量高、贯穿本领大的特点,故选项A、B错误;选项C、D是利用放射性同位素作为示踪原子,故选项C、D正确。 5.C　解析:碘131的半衰期是8天,20 g碘131经过24天即3个半衰期后还有 20×3 g=2.5 g未衰变,选项A错误;半衰期与外界因素无关,用化学反应改变放射性元素的存在状态,其半衰期不会发生变化,选项B错误;设发生n次α衰变,m次β衰变,根据电荷数和质量数守恒,则有234=222+4n,90=86+2n-m,解得n=3,m=2,选项C正确;α、β和γ三种射线中,α射线的电离能力最强,γ射线的穿透能力最强,选项D错误。故选C。 6.B　解析:X为中子n,X的质量数与H的质量数相同,电荷数不同,选项A错误,选项B正确Cu的核子数比Ni的核子数多2,选项C错误Cu的中子数比Ni的中子数多1,选项D错误。故选B。 7.B　解析:根据质量数和电荷数守恒,可得核反应方程为,选项A、C、D错误;若无其他粒子产生,由动量守恒定律有mHv0=(mH+mAl)vSi,可得Si的速度大小约为5×105 m/s,选项B正确。故选B。 8.D　解析:根据电荷数及质量数守恒,可得A中是正电子,B中是电子,C中是中子,D中是α粒子。故选D。 9.C　解析Bi的原子核有20983=126个中子,Np的原子核有23793=144个中子,则Bi的原子核比Np的原子核少18个中子,选项A、B错误;由于237209=4x,932x+y=83,可得x=7,y=4,即衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变,选项C正确,D错误。故选C。 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $