5.2 放射性元素的衰变 课件-2026-2027学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

第五章　原子核与基本粒子 放射性元素的衰变 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。 了解人工放射性同位素的特点及其应用。 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。 重点 重难点 重点 2 1 3 4 天然放射性、射线的性质 一 人们认识原子核的结构是从天然放射现象开始的 情境导入 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，使密封完好的照相底片感光。 贝克勒尔在实验室中 天然放射现象 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，放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象。 钡铀云母 翠砷铜铀矿 斜水钼铀矿 铀钙石矿 放射性并不是少数元素才有的，原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能发出射线。 射线到底是什么？ α 射线 “+” β 射线 “” γ射线 不带电 利用电场和磁场都可以将射线分离开来，如图甲、乙所示，图甲中用电场分离的三束射线电性如何？图乙中用磁场分离的三束射线电性如何？ α 射线 “+” β 射线 “” γ射线 不带电 图甲 图乙 黑纸 铝片 铅板 三种射线穿透能力不同 α 射线 β 射线 γ 射线 讨论交流 黑纸 (1)本质是α粒子(氦原子核)流，符号为He，粒子带正电。 (2)速度可以达到光速的10%。 (3)电离作用强，穿透能力弱，容易 被物质吸收。一张薄薄的铝箔，或 一层包裹底片的黑纸，甚至人体皮 肤的角质层，都能把它挡住。 α射线 α 射线 黑纸 铝片 β 射线 (1)本质是高速电子流，符号为e。 (2)速度很快，可达到光速的99%。 (3)电离作用较弱，穿透能力强， 在空气中可以走几十米远，而碰 到几毫米厚的铝片就不能通过了。 β射线 (1)本质是一种波长极短的电磁波，波长约是X射线波长的1%。 (2)不带电，静止质量为0。 (3)电离作用更弱， 穿透能力极强， 能穿透厚的混凝 土和铅版。 γ射线 黑纸 铝片 铅板 γ 射线 1.(多选)如图所示，R是一种放射性物质，它能放出α、β、γ三种射线，虚线框内有竖直方向的匀强电场，LL'是纸板，MM'是荧光屏，实验时发现在荧光屏上只有O、P两点处有亮斑。下列说法正确的是 A.电场方向竖直向下，到达O点的是γ射线 B.电场方向竖直向上，到达O点的是γ射线 C.电场方向竖直向上，到达P点的是β射线 D.电场方向竖直向下，到达P点的是α射线 √ √ 例题 2.(多选)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)下图表示射线偏转情况中正确的是 √ √ 例题 三种射线在磁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。 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 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，偏移量大，根据qvB＝得R＝∝。 在同样条件下β与α粒子的轨迹半径之比为 × × ≈ 人工放射性同位素 二 放射性同位素 (1)定义：具有放射性的同位素。 皮埃尔·居里，1859－1906， 法国物理学家。 玛丽·居里，1867－1934， 法国籍波兰裔物理学家、化学家。 (2)人工放射性同位素的发现 ①1934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HeAl→n。是通过核反应生成的人工放射性同位素。 放射性同位素 ②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3000多种。 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（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。 (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。 ——利用γ射线具有很强的穿透性 *延伸：人工放射性同位素的应用 (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。 ——γ射线对细胞有很强的杀伤力 (3)培优：利用放射性同位素放出的射线照射种子培育优良品种等。 保鲜： γ射线可以杀死细菌 食品保鲜 培育优良品种 经照射 未经照射 (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。 探测磷肥的分布与吸收 碘131用于诊断甲状腺疾病 衰变 三 讨论交流 1.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。 2.衰变类型 (1)α衰变： 放射性元素放出一 个α粒子后，核的质量数减少4， 电荷数减少2，成为新核。 例如：—→ +He。 放射性衰变 (2)β衰变：放射性元素放出β粒子后，核的质量数不变，电荷数增加1。 3.衰变规律： 原子核衰变时电荷数和 质量数都守恒。 例如，—→e。 (1)当原子核发生α衰变时，α粒子是哪里来的？ 4.衰变的实质 质量数减少4 电荷数减少2 衰变方程： 质量数守恒 电荷数守恒 (2)当发生β衰变时，释放出来的电子是哪里来的？ 原子核发生β衰变时，核内的中子转变成一个质子和一个电子，即 n—→____+____+。 H e (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.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？ (2)与U相比，质子数和中子数各少了多少？ 答案　 (1) 8次α衰变和6次β衰变　(2)10　22 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。 1.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。 2.衰变次数的判断技巧 (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：Y+He+e 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：A=A'+4n，Z=Z'+2n-m。 (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。 总结提升 半衰期 四 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。 3.8天 +3.8天 未衰变 11.4 7.6 3.8 t /d 0 氡的衰变 衰变 未衰变 衰变 讨论交流 半衰期 T 1.定义：放射性元素的原子核由于衰变而数目减少至原来一半需的时间。 2.适用条件：半衰期描述的是统计规律，不适用于单个原子核的衰变。 11.4 7.6 3.8 t /d 0 氡的衰变 3.特点： (1)放射性元素的半衰期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（压力、温度等）没有关系。 (2)不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。 半衰期 T 4.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表示衰变时间，T表示半衰期。 半衰期 T 11.4 7.6 3.8 t /d 0 氡的衰变 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。 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。 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？ 讨论交流 4.碳14测年是考古中常用的一种测年法，碳14是放射性核，其半衰期是5 730年，自然界中的碳14参与碳循环，生物体死亡后，立即停止与生物圈的碳交换，其碳14含量开始减少。通过测量样品中残留的碳14含量，就可以知道有机物死亡的时间。现有一份古生物化石，其中碳14在碳原子中所占的比例只是现代生物中的，则此化石形成距今的年数是 A.11 460年 B.17 190年 C.22 920年 D.28 650年 √ 由题意可知，古生物化石已经经过了4个半衰期，则此化石形成距今时间为t=5 730×4年=22 920年，故选C。 例题 放射性元素的衰变 一、天然放射性、射线的性质 四、半衰期 规律 质量数和电荷数守恒 物理意义：表示放射性元素本身 衰变快慢的物理量 元素自发的放射出射线的现象 贝克勒尔发现放射现象 三种放射性射线 三、衰变 公式： N余=N原(，m余=m0( 定义：具有放射性的同位素 居里夫妇发现了磷P 二、人工放射 性同位素 α衰变：Y＋He β衰变：Y＋e 分类 α射线穿透能力最弱，所以穿不过LL'纸板，只有 β、γ两种射线穿过纸板到达MM'荧光屏，其中γ 射线不带电，不在电场中偏转，只有β射线偏转， 所以到达O点的是γ射线，到达P点的是β射线，β 射线带负电，在电场中向下偏转，说明受到向下 的电场力，所以电场方向竖直向上，故选BC。 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受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向不同，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。 Keep thinking Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 $