高中物理 第3章 原子核与放射性 第2节原子核衰变及半衰期知识导航素材 鲁科版选修3-5（通用）

高中物理 第3章 原子核与放射性 第2节原子核衰变及半衰期知识导航素材 鲁科版选修3-5（通用）

第2节 原子核衰变及半衰期 ‎ 思维激活 考古学中是怎样测定出土文物的年代?‎ 提示：放射性元素具有一定的衰变速率,不同元素的衰变速率不同,即半衰期是不一样的.根据衰变前后元素的剩余质量的关系:m余=m原()t/T,可测出衰变时间t,从而确定出不同的年代.‎ 的衰变曲线 自主整理 一、天然放射现象的发现 ‎_______发现天然放射现象,揭开了人类研究原子核结构的序幕.通过对天然放射现象的研究,人们发现原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性,原子序数小于83的天然存在的元素有些也具有放射性,它们放射出来的射线共有三种.‎ ‎1.α射线:速度约为光速的_______,贯穿作用_______,电离作用_______‎ ‎2.β射线:速度接近光速的_______,贯穿作用_______,电离作用_______.‎ ‎3.γ射线:波长极短的电磁波,γ粒子就是光子,贯穿作用_______,电离作用_______.‎ 二、原子核的衰变 ‎1.定义:原子核自发地放出某种粒子而转变为_______的变化叫做原子核的_______.‎ ‎2.分类 ‎(1)α衰变:α衰变的实质是其元素的原子核同时放出由_______质子和_______中子组成的粒子(即氦核),每发生一次α衰变,新元素与原元素比较,核电荷数减少,质量数减少_______,即_______.‎ ‎(2)β衰变:β衰变的实质是其元素的原子核内的一个_______变成_______时放射出一个电子.每发生一次β衰变,新元素与原元素比较,核电荷数增加_______,质量数_______.即_______.‎ ‎(3)γ衰变:γ衰变是伴随着_______和_______同时发生的,γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数.其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变时,产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子.‎ 三、半衰期 ‎1.定义:放射性元素的_______发生衰变需要的时间.‎ ‎2.半衰期的大小由放射性元素的原子核_______决定,跟原子所处的_______ (如压强、温度等)或_________ (如单质或化合物)无关.‎ 高手笔记 ‎1.原子核既然是由质子和中子组成的,那么为什么还会从原子核里发射出α粒子、β粒子?实际上,发射出来的α粒子和β粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的.α粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的,β粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的.所以不能因为从原子核中发射出α粒子和β粒子就认为原子核也是由它们组成的.‎ ‎2.三种射线的比较 种类 α射线 β射线 γ射线 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高频电磁波)‎ 带电荷量 ‎2e ‎-e ‎0‎ 质量 ‎4mPmP=1.67×10‎‎-27 kg 静止质量为零 速度 ‎0.1c ‎0.99c c 在电场或磁场中 偏转 与α射线反向偏转 不偏转 贯穿本领 最弱用纸能挡住 较强穿透几毫米的铝板 最强穿透几厘米的铅板 对空气的电离作用 很强 较弱 很弱 在空气中的径迹 粗、短、直 细、较长、曲折 最长 通过胶片 感光 感光 感光 名师解惑 ‎1.对半衰期概念的理解 剖析:半衰期是反映大量原子核衰变快慢的统计规律.当样品中的原子数目减小到统计规律不再起作用的时候,我们就不能按半衰期的公式去计算了.例如:‎2 g的Bi所含的原子核数目大,可按半衰期公式进行计算.而20个Bi核,就不再满足统计规律,也就无法判断有多少个Bi核发生了衰变.而且对单个Bi核,其何时衰变完全是偶然的,无法确定它将何时发生衰变.‎ ‎2.书写衰变方程的依据 剖析:质量数守恒和电荷数守恒是书写衰变方程的重要依据,但要以衰变的事实为基础,不能仅仅根据两条守恒定律随意书写事实上不存在的衰变方程.‎ 另外,衰变方程是不可逆的,方程中只能用箭头“→”连接并指示衰变方向,而不能用等号“”连接.‎ 讲练互动 ‎【例题1】如图‎3-2-1‎,放射源放在铅块上的细孔中,铅块上方有匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向外.已知放射源放出的射线有α、β、γ三种.下列判断正确的是( )‎ 图‎3-2-1‎ A.甲是α射线、乙是γ射线、丙是β射线 B.甲是β射线、乙是γ射线、丙是α射线 C.甲是γ射线、乙是α射线、丙是β射线 D.甲是α射线、乙是β射线、丙是γ射线 解析：粒子垂直进入磁场,若带电则必受洛伦兹力的作用而做圆周运动,轨迹为圆弧,而乙为直线,可判定其为不带电粒子,即乙是γ射线;再根据左手定则,即可判定甲为β射线,丙为α射线,故B正确.‎ 答案：B 绿色通道 对衰变中放出的三种粒子不同性质及其在磁场或电场中的偏转问题进行定性分析.‎ 变式训练 ‎1.放射性元素放出的射线,在电场中分成a、b、c三束,如图‎3-2-2‎所示,其中( )‎ 图‎3-2-2‎ A.c为氦核组成的粒子 B.b为比X射线波长更长的光子流 C.b为比X射线波长更短的光子流 D.a为高速电子组成的电子流 解析：根据射线在电场中的偏转情况,可以判断,a射线向电场线方向偏转应为带正电的粒子组成的α射线,b射线在电场中不偏转,所以为γ射线;c射线受到与电场方向相反的电场力,应为带负电的粒子组成的β射线.‎ 答案：C ‎【例题2】铀()经过α、β衰变形成稳定的铅(),问在这一变化过程中,共有多少中子转变为质子( )‎ A.6 B‎.14 C.22 D.32‎ 解析：衰变为 ‎,需经过8次α衰变和6次β衰变,每经过一次β衰变就会有一个中子转变为质子同时放出一个电子,所以共有6个中子转化为质子.‎ 答案：A 绿色通道 在分析有关α、β衰变的问题时,应抓住每次α衰变质量数减4、电荷数减2和每次β衰变时质量数不变、电荷数加1这一衰变规律进行分析.‎ 变式训练 ‎2.衰变成共发生了__________次α衰变和__________次β衰变.‎ 解析：根据衰变规律,Rn的质量数比U的质量数减少了238-222=16,而天然放射只有α衰变才能使质量数减少,且每次α衰变减少质量数为4,故发生了16÷4=4次α衰变.因每次α衰变核的电荷数减少2,故由于α衰变核的电荷数应减少4×2=8.而Rn核的电荷数仅比U核少了92-86=6,故说明发生了2次β衰变(即92-8+2=86).‎ 答案：4 2‎ ‎【例题3】古墓中发现一古代植物,测得里面含碳14与碳12的比例是现代植物中比例的三分之一,已知碳14的半衰期为5 730年,求这种植物生长期距今有多少年?(lg2=0.3,lg3=0.48)‎ 解析：设植物活着时碳14与碳12比值为k=,植物死后t年时,碳14与碳12的比值为k′=.则:.由半衰期公式得:‎ ‎=,解得:‎ t=(lg3/lg2)T=(0.48/0.3)×5 730年=9 168年.可见该植物体的生长期距今约为9 168年.‎ 答案：9 168年 绿色通道 ‎14C衰变,在植物死后不能得到补充,因此它与植物体内的‎12C的比例会减少.‎ 变式训练 ‎3.放射性元素的半衰期是( )‎ A.质量减少一半需要的时间 B.原子量减少一半需要的时间 C.原子核全部衰变需要时间的一半 D.原子核有半数发生衰变需要的时间 解析：放射性元素的半衰期是对大量的原子核而言,原子核的个数有一半发生衰变的时间叫半衰期,故D项正确.‎ 答案：D ‎【例题4】如图‎3-2-3‎所示，在匀强磁场中的A点，有一个静止的原子核，当它发生哪一种衰变时，射出的粒子以及新核的轨道才做如图所示的圆周运动,并确定它们环绕的方向.若两圆的半径之比是44∶1，这个放射性元素原子核的原子序数是多少？‎ 图‎3-2-3‎ 解析：原子核衰变时,遵守动量守恒定律.由原子核的初态是静止的,可以判定出衰变时射出的粒子与新核的动量大小相等、方向相反.现由图可知新核与该粒子尽管速度方向相反,但受的磁场力方向却相同,新核带正电,则该粒子带负电,这说明发生的是β衰变.设其质量为m,在磁感应强度为B的匀强磁场中,以速度v做匀速圆周运动,其运动半径为R=,由衰变时动量守恒知射出粒子的动量m1v1等于新核动量m2v2,而B相同,所以R与q成反比,新核的q值都比较大,可判定出衰变射出粒子的运动轨道半径大,新核半径小,知大圆是放射出的粒子的轨迹,小圆则是新核的轨迹.根据左手定则判断：在A点发射出的粒子是负电子，它的初速度水平向左，沿圆轨道顺时针方向旋转.新核初速度水平向左，沿圆轨道逆时针旋转且有.可从发射粒子的电荷数确定新核的电荷数,由于衰变过程中电荷数守恒,可求出原来放射性元素原子核的电荷数即它的原子序数.q1=e,电荷数是1，所以q2‎ ‎=44e，电荷数是44.根据电荷守恒定律，原来的放射性元素原子核的原子序数是45，它发生的是β衰变，电子顺时针方向做匀速圆周运动，新核逆时针做匀速圆周运动.‎ 答案：45‎ 绿色通道 原子核在衰变过程中,不仅质量数、电荷数守恒.其动量、能量也同时守恒,并兼顾带电粒子在匀强磁场中的运动规律.‎ 变式训练 ‎4.在匀强磁场中,一静止的放射性原子核发生衰变,放出一个粒子后变为另一新原子核,为此拍得如图‎3-2-4‎所示两个相切的圆形径迹的照片,则( )‎ 图‎3-2-4‎ A.图甲为发生α衰变的照片,其中大圆为α粒子的径迹 B.图甲为发生β衰变的照片,其中大圆为电子的径迹 C.图乙为发生α衰变的照片,其中大圆为α粒子的径迹 D.图乙为发生β衰变的照片,其中大圆为电子的径迹 解析：图为内切圆时,原子核发生β衰变,大圆为β粒子的轨迹;图为外切圆时,原子核发生α衰变,大圆为α粒子的轨迹.‎ 答案：AD 体验探究 ‎【问题】考古学家如何把放射性同位素作为“时钟”,测定土层、化石、古木年代的?‎ 导思：不同的放射性同位素具有不同的半衰期,且不随状态、温度的改变而改变.在自然界中同位素的含量是稳定的.‎ 探究：在土层、化石、古木枯死后,其内部不再与外界进行物质交换,而内部的放射性同位素仍在进行衰变,不断减小,因此,可以根据放射性强度的大小情况算出它们的时间.‎ 教材链接 教材P52《讨论与交流》‎ 参照α衰变规律的分析过程,通过分析的衰变方程寻找β衰变的规律,找出新生成的核与原来的核的电荷数、质量数有什么关系,在元素周期表中的位置怎样变化,并试着用一个通式来表示.与同学交流自己的见解.‎ 答：发生β衰变方程为→+,新生核比原来的核质量数没有改变,电荷数增加1,新生核在元素周期表中的位置后移一位.其规律可表示为→+.X为原来的原子核,Y为新生成的原子核.‎