2. 放射性元素的衰变（表格式教学设计）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理教学设计聚焦放射性元素的衰变，涵盖衰变规律、半衰期、核反应及放射性同位素应用等核心知识。通过“点石成金”历史故事导入，衔接前课天然放射现象，引导学生思考元素转变可能，构建从现象到本质的知识支架。 此资料以科学思维为核心，通过衰变方程推导培养逻辑推理，结合半衰期计算渗透统计规律；科学探究环节设计硬币模拟半衰期实验，用控制变量法探究影响因素。融入考古断代、医疗检测等应用案例，强化科学态度与责任。问题驱动式教学助学生深化微观认知，教师可直接取用提升课堂效率。

第2节 放射性元素的衰变 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第2节 放射性元素的衰变 教学 目标 物理观念 了解原子核的衰变现象，认识衰变的本质是原子核内部核子的重新组合；理解 α 衰变、β 衰变的规律与核反应方程的书写规则，掌握衰变过程中的质量数守恒与电荷数守恒；理解半衰期的概念，明确半衰期的统计意义及其影响因素，建立原子核衰变的微观过程模型，深化对原子核稳定性与变化规律的认知。 科学思维 通过分析 α 衰变、β 衰变的核反应方程，构建衰变过程的逻辑推理链条；通过半衰期相关问题的分析与计算，掌握统计规律在微观世界的应用方法；通过对比 α 衰变与 β 衰变的区别，形成分类归纳、演绎推理的科学思维；结合衰变过程中能量变化的分析，深化质能关系的理解，提升从微观过程到宏观规律的抽象概括能力。 科学探究 通过分析放射性元素衰变的实验数据，体验从实验现象中总结衰变规律的探究过程；通过探究影响半衰期的因素（如温度、压强、化学状态等），学习控制变量法的应用；通过设计模拟衰变过程的实验方案（如统计硬币抛掷模拟半衰期），体会科学探究的完整流程，提升基于证据进行科学论证与误差分析的能力。 科学态度 与责任 了解放射性元素衰变的发现与研究历程，感受科学家严谨求实、勇于探索的科学精神；认识放射性衰变在考古断代、医疗检测、工业探伤等领域的应用价值，了解核辐射防护的重要性，树立科学使用放射性技术、防范核辐射风险的责任意识；理解科学技术发展对人类社会的双重影响，形成辩证看待科技应用的科学态度。 教学 重难点 1.原子核的衰变规律（α衰变、β衰变）与核反应方程书写(重点)。 2.半衰期的概念与基本计算(重点)。 3.衰变过程的微观本质理解；半衰期的统计意义及相关应用(难点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：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。那么，真的存在能让一种元素变成另一种元素的过程吗？ 学生思考问题。 新课讲授 一、原子核的衰变 教师：通过前一节课的学习，我们知道天然放射现象会产生三种射线，它们分别是α粒子（氦核）流、β粒子(电子)流和γ光子。难道原子核内部存在α粒子和β粒子吗? 学生：原子核内部由质子和中子组成，不存在α粒子和β粒子，即不存在氦核和电子。 教师：原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于核电荷数改变，其在元素周期表中的位置改变，变成另一种原子核，这种变化叫作原子核的衰变。以具有放射性的U(铀核)为例,放出一个α粒子后，电荷数和质量数会发生怎样的改变呢？ 学生：电荷数会减少2，质量数会减少4，电荷数变成90，质量数变成234。 教师：这样就变成了(钍核)，这种衰变过程叫作α衰变。 师生：归纳总结 1.定义：原子核放出α粒子或β粒子转变为新核的变化叫做原子核的衰变。 2.种类：ɑ衰变；β衰变；γ衰变。 教师：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。 请结合教材，写出这个α衰变的核反应方程。 学生：的α衰变方程：+。 教师：实际上，刚刚得到的(钍核)也是不稳定的，它会继续放出一个电子发生β衰变,同学们能否仿照α衰变，尝试写出这个β衰变的核反应方程。 学生：的β衰变方程：+。 教师：你能概括出α、β衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗？ 学生：衰变过程中质量数守恒，核电荷数守恒。 【例1】核经一系列的衰变后变为核，问： (1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？ (2)与相比，质子数和中子数各少了多少？ 【解析】 (1)设衰变为经过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+4x① 92=82+2x-y② 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，故较质子数少10，中子数少22。 【例2】A、B两种放射性元素，原来都静止在同一匀强磁场中，磁场方向如图所示，其中一个放出α粒子，另一个放出β粒子，α与β粒子的运动方向跟磁场方向垂直，下列关于图中a、b、c、d与α粒子、β粒子以及两处剩余核的运动轨迹的说法，正确的是(　　) A.a为α粒子轨迹，c为β粒子轨迹 B.b为α粒子轨迹，d为β粒子轨迹 C.b为α粒子轨迹，c为β粒子轨迹 D.a为α粒子轨迹，d为β粒子轨迹 【解析】 两个相切的圆表示在相切点处静止的原子核发生了衰变，由于无外力作用，动量守恒，所以原子核发生衰变后，新核与放出的粒子速度方向相反，若它们带相同电性的电荷，则它们所受的洛伦兹力方向相反，则轨道应是外切圆，故左图应该是原子核发生了α衰变的轨迹，又因为r=，半径大的应该是电荷量小的α粒子的运动轨迹，A、D错误；若它们所带电荷的电性不同，则它们的轨道应是内切圆，则右图的轨迹表示放出了与原子核电性相反的电荷，故应该是发生了β衰变，半径大的应该是电荷量小的β粒子的运动轨迹，故B错误，C正确。 学生思考并回答问题。 新课讲授 二、半衰期 教师：氡 原子核可以通过α衰变变为。一个氡原子核过多久会发生衰变？答案可能是十分钟，也可能是1万年。单个的微观事件是不可预测的，所以我们应如何讨论衰变的快慢呢？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？ 学生：每过3.8 d就有一半的氡发生了衰变。 师生：归纳总结 1.定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 2.物理意义：表示放射性元素本身衰变快慢的物理量。不同元素的半衰期不同，有的差别很大。 3.公式：N余=N原，m余=m0，式中N原、m0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表示时间，T1/2表示半衰期。 教师：⑴元素的半衰期由原子核内部的因素决定，只与元素的种类有关，跟元素所处的物理或化学状态无关。不同元素半衰期不同。 ⑵半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。 【例3】(2024·商丘市高二期末)14C衰变为14N，半衰期约为5 730年。已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变，生命活动结束后，14C的比例会持续减少。现测量某古木样品中14C的比例，发现正好是现代植物样品中14C比例的四分之一。则(　　) A.该古木生命活动结束的年代距今约22 920年 B.再过约5 730年，该样品中的14C将全部衰变殆尽 C.14C衰变为14N的本质是原子核内+ D.改变样品测量环境的温度和压强，可以改变14C的衰变快慢 【解析】剩余说明经历2次半衰期，时间为11 460年，A错误；每次只有一半数量的原子核发生衰变，B错误；+实质为+，C正确；半衰期与压强、温度无关，D错误。 学生思考并回答问题。 新课讲授 三、核反应 教师：通过学习已经知道天然放射现象是原子核自发的变化，与之相对的，是人类用一种粒子轰击原子核而得到新的粒子和元素的变化，这个过程被称作人工核反应。广义上来说，原子核的衰变和原子核的人工转变都属于核反应。怎么样才能得到可控的核反应呢？ 学生：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。通过这种方式可以研究原子核的结构，还可以发现和制造新元素。 师生：归纳总结 1.核反应：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。 (1)条件：用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。 (2)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。 2.原子核人工转变的三大发现 (1)1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，He→。 (2)1932年查德威克用α粒子轰击铍，发现了中子：He→n。 (3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程AlHe→Pn，PSi+。 3.遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。 4.人工转变与衰变的比较 相同点：在发生过程中质量数和电荷数都守恒；反应前后粒子总动量守恒。 不同点：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;衰变是原子核自发的变化，不受物理化学条件的影响。 【例4】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。 (1)n+　　　　； (2)He+　　　　； (3)n→　　　+He； (4)He→　　　+n； (5)HCo +　　　　。 答案　(1) (2)，发现质子的核反应方程 (3)Li (4)，发现中子的核反应方程 (5) 教师：总结提升 书写核反应方程时要注意 1.质量数守恒和电荷数守恒； 2.中间用箭头，不能写成等号； 3.核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化。 学生思考并回答问题。 新课讲授 四、放射性同位素及其应用 教师：放射性同位素 (1)定义：具有放射性的同位素。 (2)分类：天然放射性同位素和人工放射性同位素。 (3)人工放射性同位素的优势（与天然的放射性物质相比） ①放射强度容易控制。 ②半衰期短，废料易处理。 ③可以制成各种需要的形状。 教师：工厂利用放射性同位素放出的射线，来自动控制生产的金属板厚度。请你简述自动控制的原理。 学生：利用γ射线具有很强的穿透性，在钢板一面放置γ射线源，另一面放着接收装置。那么钢板越厚，接收到的射线信号越弱，根据信号强度就可以测量金属板的厚度。 教师：放射性同位素应用 1.射线测厚仪 2.由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪。也可以利用它杀菌、治病等。 3.利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病等。 4.示踪原子：同位素化学性质相同，这样就可以用放射性同位素了解各元素的流向。 5.棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收。但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究。如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决。 【例5】(多选)放射性同位素在工农业生产和科学研究领域有广泛的应用，下列关于放射性同位素的应用与防护的说法正确的是(　　) A.利用γ射线照射食品，可以杀死使食物腐败的细菌，延长保质期 B.利用示踪原子可以研究生物大分子的结构和功能 C.利用射线的贯穿作用，可以制成射线测厚装置 D.放射治疗利用了射线对病灶细胞的电离作用 【解析】放射治疗利用了射线对病灶细胞的破坏作用，故A、B、C正确，D错误。 学生思考并回答问题。 新课讲授 五、辐射与安全 教师：人类一直生活在放射性的环境中。例如，地球上的每个角落都有来自宇宙的射线，我们周围的岩石，其中也有放射性物质。我们的食物和日常用品中，有的也具有放射性，例如，食盐和有些水晶眼镜片中含有钾40，香烟中含有钋210，这些也是放射性同位素，不过它们辐射的强度都在安全剂量之内。 然而过量的射线对人体组织有破坏作用，这些破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉。因此，在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意人身安全，同时，要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。存在射线危险的地方，常能看到如图所示的标志。 提问：因此，在使用放射性同位素时，要如何做好防护？ 学生：（1）在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄。 （2）用过的核废料要放在很厚的重金属箱内，并埋在深海里。 （3）在生活中要有防范意识，尽可能远离放射源。 课 堂 练 习 1.2025年3月，我国科学家研制的碳4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 【解析】根据质量数守恒和电荷数守恒有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。 2.两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0，在t＝0时刻这两种元素的原子核总数为N，在t＝2t0时刻，尚未衰变的原子核总数为，则在t＝4t0时刻，尚未衰变的原子核总数为 （    ）  A. B. C. D. 【解析】根据题意设半衰期为t0的元素原子核数为x，另一种元素原子核数为y，依题意有x＋y＝N，经历2t0后有x＋y＝，联立可得x＝N，y＝N，在t＝4t0时，原子核数为x的元素经历了4个半衰期，原子核数为y的元素经历了2个半衰期，则此时未衰变的原子核总数为n＝x＋y＝，故选C. 3.秦山核电站生产C的核反应方程为7N＋n→C＋X，其产物C的衰变方程为C→N＋e.下列说法正确的是（      ）  A.X是H B.C可以用作示踪原子 C.e来自原子核外 D.经过一个半衰期，10个C将剩下5个 【解析】A.根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X为，故A正确B.常用的示踪原子有：、、，故B正确；C，衰变是由原子核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，电子被释放出来，所以来自原子核内，故C错误；D，半衰期是一个统计规律，对于大量原子核衰变是成立的，个数较少时规律不成立，故D错误。 4.写出下列原子核人工转变的核反应方程。 (钠核)俘获1个α粒子后放出1个质子。 (铝核)俘获1个α粒子后放出1个中子。 (3)(氧核)俘获1个中子后放出1个质子。 (硅核)俘获1个质子后放出1个中子。 【解析】(3) 课 堂 小 结 板 书 设 计 第2节 放射性元素的衰变 一、原子核的衰变 1.定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，而变成另一种原子核的变化。 2.衰变类型 (1)α衰变： 原子核放出α粒子的衰变。进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2，的α衰变方程：+。 (2)β衰变： 原子核放出β粒子的衰变。进行β 衰变时，质量数不变，电荷数加1，的β衰变方程：+。 3.衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。 二、半衰期 1.定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。 2.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。 3.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。 4.衰变规律：N余=N原，m余=m0，式中N原、m0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表示时间，T1/2表示半衰期。 三、核反应 1.核反应：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。 (1)条件：用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。 (2)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。 2.原子核人工转变的三大发现 (1)1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，He→。 (2)1932年查德威克用α粒子轰击铍，发现了中子：He→n。 (3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程AlHe→Pn，PSi+。 3.遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。 四、放射性同位素及其应用 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)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，半衰期比较短，因此放射性废料容易处理，获得了广泛的应用。 2.应用： (1)射线测厚仪：工业部门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组织。 (3)培优、保鲜：利用放射性同位素放出的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。 五、辐射与安全 人类一直生活在放射性的环境中，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。 作业 布置 1.完成教材课后作业：“练习与应用”。 2.配套分层作业。 教学反思 本节课通过分析天然放射现象产生的机理，知道放射性元素的衰变原理，理解并掌握对放射性的应用。核反应方程式是本节课教学的重难点，是对物理学守恒思想的再一次渗透，意义重大。在微观世界的研究中，概率统计的思想非常重要，从原子能级的分立，到半衰期的定义，一步一步让学生熟悉运用概率统计思想来处理问题。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $