5.2 放射性元素的衰变 课件-2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

2 放射性元素的衰变 第五章 原子核与基本粒子 High school physics 02 了解人工放射性同位素的特点及其应用。 重点 01 了解放射性、放射性元素及天然放射现象，掌握三种射线的本质。 重点 03 知道α衰变和β衰变的特点，能运用衰变规律写出衰变方程。 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。 重难点 04 2 天然放射性、射线的性质 01 在古代，不论是东西方，都有一批追求“点石成金”之术的人，他们试图利用化学方法将普通的矿石变成黄金。当然，这些炼金术士的希望都破灭了。那么，真的存在能让一种元素变成另一种元素的过程吗？ 类似于“点石成金”的事其实一直在自然界进行着，这就是伴随着天然放射现象发生的原子核“衰变”过程。 “点石成金”术与衰变 公司logo 公司logo 情境导入 “点石成金”术与衰变 公司logo 公司logo 观察与思考 1896年，法国物理学家亨利.贝克勒尔发现，铀化合物能放出某种射线，这种射线可以使密封完好的照相底片感光。 贝克勒尔， 1852-1908 天然放射性 翠砷铜铀矿 铀钙石矿 公司logo 公司logo 核心知识 物质发射射线的性质称为放射性。 具有放射性的元素称为放射性元素。 放射性元素自发地放出射线的现象。 放射性并不是少数元素才有的，原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。 天然放射性 放射性 放射性 元素 天然放射现象 公司logo 公司logo 核心知识 ❋延伸：放射性元素为什么具有放射性？(选讲) 公司logo 公司logo 思考与讨论 如何区分三种天然放射射线 利用电场和磁场可以将天然放射线分开 ×　×　×　×　× ×　×　×　×　× ×　×　×　×　× ×　×　×　×　×　 带正电 带负电 不带电 带正电 带负电 不带电 这些射线的本质是什么？ 公司logo 公司logo 思考与讨论 射线 本质 符号 速度 电离作用 穿透能力 α射线 β射线 γ射线 氦核 约为光速的10% 强 弱 电子 接近光速 较弱 较强 电磁波 γ 波长极短的电磁波 很弱 很强 He e 三种天然放射射线对比 公司logo 公司logo 核心知识 厚纸 铝板 厚铅板 三种天然放射射线穿透能力对比 α射线 β射线 γ射线 公司logo 公司logo 核心知识 利用云室观察放射射线 公司logo 公司logo 核心知识 1.(多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是 A.一张厚的黑纸能挡住α射线和β射线，但不能挡住γ射线 B.γ射线在电场或磁场中均不偏转，是电磁波 C.三种射线中对气体电离作用最强的是α射线 D.β射线是高速电子流，但不是原来绕核旋转的核外电子 √ √ √ 例题 由三种射线的本质和特点可知，α射线穿透能力最弱，一张黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线，故A错误； γ射线是电磁波，不带电，在电场和磁场中均不偏转，故B正确； 三种射线中α射线电离作用最强，故C正确； β射线是高速电子流，来源于原子核，故D正确。 2.(多选)(来自教材改编)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，(已知α粒子质量为4mp，β粒子质量为)下列表示射线偏转情况的选项正确的是 √ √ 例题 已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动所受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中所受电场力方向不同，可知A、B、C、D四幅图中，α、β粒子的偏转方向都是正确的。带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径r＝，将其数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比为：··××≈，故A正确，B错误； 带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为v0，垂直电场线方向位移为y，在y相同时，α、β粒子沿电场偏转距离之比为： ··××≈，故C错误，D正确。 三种射线在磁场及电场中偏转情况的分析 1.γ射线不论在电场还是磁场中，总是做匀速直线运动，不发生偏转。 公司logo 公司logo 总结提升 2.α射线和β射线在电场中偏转的特点 在匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，β粒子的偏移量大，根据粒子在沿电场方向做初速度为零的匀加速直线运动，偏移量x可表示为： x＝at2＝·∝ 在同样条件下β与α粒子偏移量之比为 ××≈37。 公司logo 公司logo 总结提升 3.α射线和β射线在磁场中偏转的特点 在匀强磁场中，α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨迹半径小， 根据qvB＝得R＝∝。 在同样条件下β与α粒子的轨迹半径之比为 ××≈。 公司logo 公司logo 总结提升 人工放射性同位素 02 天然放射性打开原子核物理学的大门 公司logo 公司logo 情境导入 放射性同位素 定义 具有放射性的同位素。 发现 1934年，约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝，发现了含有放射性的磷P，即He＋Al―→P＋n。P是通过核反应生成的人工放射性同位素。 公司logo 公司logo 核心知识 类型 天然放射性同位素不过40多种，而今人工制造的放射性同位素已达3 000多种。 优点 (3)优点：与天然放射性物质相比，人工放射性同位素的资源丰富，放射强度容易控制，半衰期(后文会学到)比较短，因此放射性废料容易处理，获得了广泛的应用。 放射性同位素及其应用 公司logo 公司logo 核心知识 射线测厚仪：工业部门使用放射性同位素放出的射线来测厚度。 ❋延伸：人工放射性同位素的应用(选讲) 放射治疗：利用放射性同位素放出的射线破坏癌细胞组织。 培优、保鲜：利用放射性同位素放出的射线照射种子培养优良品种。 示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置。 公司logo 公司logo 核心知识 ❋延伸：日常生活中的放射性物质 公司logo 公司logo 核心知识 衰变 03 定义 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，这种现象称为放射性衰变。 原子核的衰变 公司logo 公司logo 核心知识 α衰变 α衰变 原子核自发放出α粒子而转变为新核的过程叫α衰变。 原子核放出一个α 粒子（），质量数减少4，电荷数减少2，就成了一个新原子核的过程 。 比如铀238核放出一个α 粒子后，质量数减少4，电荷数减少2，就变成了钍234核。 公司logo 公司logo 核心知识 β衰变 β衰变 原子核自发放出α粒子而转变为新核的过程叫α衰变。 原子核放出一个β粒子（），质量数不变，电荷数增加1，就成了一个新原子核的过程 。 比如钍234核放出一个β 粒子后质量数没有改变，但电荷数增加了1 ，就变成镤234核 。 公司logo 公司logo 核心知识 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。 衰变： + 衰变： + 中间用单箭头，不用等号； 公司logo 公司logo 核心知识 衰变实质 β衰变的实质在于核内的中子n)转变成一个质子和一个电子，这种转变产生的电子发射到核外，就是β粒子。 α衰变的本质 2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起，在一定条件下它们会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。 β衰变的本质 公司logo 公司logo 核心知识 (1)原子核在衰变时，产生的新核在元素周期表中的位置不变。 (　　) (2)β衰变是原子核外电子的电离。(　　) (3)某原子核衰变时，放出一个β粒子后，原子核的中子数少1，原子序数加1。(　　) √ × × 辨析 3.(2025·资阳市高二检测)U核经一系列的衰变后变为Pb核，问： (1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？ 答案　8次α衰变和6次β衰变 (2Pb与U相比，质子数和中子数各少了多少？ 答案　10　22 (3)写出这一衰变过程的方程。 答案 核反应方程为U―→Pb＋He＋e。 例题 (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 ① 92＝82＋2x－y ② 联立①②解得x＝8，y＝6 即一共经过8次α衰变和6次β衰变。 (2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故Pb较U质子数少10，中子数少22。 衰变方程的书写 衰变方程用“→”，而不用“=”表示，因为衰变方程表示的是原子核的变化，而不是化学反应。 衰变次数的判断技巧 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：根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程：A=A'+4n，Z=Z'+2n-m。 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。 公司logo 公司logo 总结提升 半衰期 03 放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如氡222经过α衰变成为钋218。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。 通过观察，你发现了什么规律？ 答案　每过3.8 d就有一半的氡发生了衰变。 11.4 7.6 3.8 t /d 0 氡的衰变 m/m0 t /d 3.8 1/2 2×3.8 1/4 3×3.8 1/8 1/16 4×3.8 … 公司logo 公司logo 观察与思考 半衰期 T 定义 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。 特点 (1)不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。 (2)放射性元素衰变的快慢是由核内部自生的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。 公司logo 公司logo 核心知识 半衰期 T 适用条件 半衰期描述的是统计规律，不适用于少数原子核的衰变。 衰变规律 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表示时间，T表示半衰期。 公司logo 公司logo 核心知识 半衰期的应用—C14测年技术 公司logo 公司logo 核心知识 1.放射性元素衰变有一定的速率。镭226衰变为氡222的半衰期为1 620年，有人说：20 g镭226经过1 620年有一半发生衰变，镭226还有10 g，再经过1 620年另一半镭226也发生了衰变，镭226就没有了。这种说法对吗？为什么？ 答案　不对。经过第二个1 620年后镭226还剩5 g。 2.10个U经过一个半衰期之后一定还剩5个U，这种理解正确吗？ 答案　不正确。半衰期是统计规律，不适用于少数原子核的衰变。 公司logo 公司logo 思考与讨论 4.(2024·扬州市期末)镅射线源是火灾自动报警器的主要部件，镅Am的半衰期为432年，衰变方程为Am—→Np+X。则 A.发生的是α衰变 B.温度升高，镅Am的半衰期变小 C.衰变产生的射线能穿透几毫米厚的铝板 D.100个镅Am经432年将有50个发生衰变 √ 例题 由质量数和电荷数守恒可知，X的电荷数为2，质量数为4，发生的是α衰变，α射线穿透能力较弱，不能穿透几毫米厚的铝板，故A正确，C错误； 放射性元素的半衰期不随外部条件及化学状态变化而变化，是由原子核内部本身决定的，故B错误； 半衰期描述的是统计规律，对少数原子核的衰变不适用，故D错误。 人工放射性同位素 具有放射性的同位素 居里夫妇发现了磷P ①α衰变：+ ②β衰变： 衰变 半衰期 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做元素的半衰期 放射性元素 的衰变 天然放射性、 射线的性质 元素自发的放射出射线的现象 贝克勒尔发现放射现象 课堂小结 本课结束 Keep Thinking! Lavf58.9.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.9.100 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.30(gap_fixed:False) Lavf58.9.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.9.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $