2017-2018学年高中物理 第四章 原子核 4.1 走进原子核 4.2 核衰变与核反应方程教学案 粤教版选修3-5

第一节走进原子核第二节放射性元素的衰变目标定位1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象.2.知道原子核的组成，会正确书写原子核的符号.3.知道原子核的衰变及两种衰变的规律，掌握三种射线的特性.4.会用半衰期描述衰变的快慢，知道半衰期的统计意义一、放射性的发现1放射性1896年法国物理学家享利贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物都能够发出看不见的射线，物质放射出射线的性质叫做放射性2放射性元素 具有放射性的元素叫放射性元素玛丽居里和她的丈夫皮埃尔居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)3天然放射性元素能自发地放出射线的元素叫做天然放射性元素原子序数大于83的所有元素，都有放射性原子序数小于等于83的元素，有的也具有放射性4放射性发现的意义放射性的发现揭示了原子核结构的复杂性二、原子核的组成1质子的发现：卢瑟福用粒子轰击氮核获得了质子2中子的发现：卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了中子的存在3原子核的组成：由质子和中子组成，因此它们统称为核子4原子核的电荷数：等于原子核的质子数即原子的原子序数5原子核的质量数：等于质子数和中子数的总和6原子核的符号：X，其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核的电荷数三、放射线的本质1射线种类放射性物质发出的射线有三种：射线、射线、射线2放射线的本质(1)射线是高速运动的粒子流，射出时的速度可达0.1c.(2)射线是高速运动的电子流，射出时速度可达0.99c.(3)射线是波长很短的电磁波四、原子核的衰变1衰变一种元素经放射过程变成另一种元素的现象2衰变方程(1)衰变的一般方程为XYHe，每发生一次衰变，新元素与旧元素相比较，核电荷数减2，质量数减4.(2)衰变的一般方程为XYe，每发生一次衰变，新元素与旧元素相比较，核电荷数加1，质量数不变3射线射线是伴随衰变、衰变同时产生的，射线不改变原子核的电荷数和质量数五、半衰期1定义：原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间2公式：m，m0表示放射性元素衰变前的质量，m为经过时间t后剩余的放射性元素的质量预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3一、原子核的组成1原子核的组成原子核是由质子、中子构成的，质子带正电，中子不带电不同的原子核内质子和中子的个数并不相同原子核的直径为10151014 m.2原子核的符号和数量关系(1)符号：X.(2)基本关系：核电荷数质子数(Z)元素的原子序数核外电子数质量数(A)核子数质子数中子数【例1】已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226.试问：(1)镭核中有几个质子？几个中子？(2)镭核所带电量是多少？(3)若镭原子呈电中性，它核外有几个电子？(4)Ra是镭的一种同位素，让Ra和Ra以相同速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，它们运动的轨迹半径之比是多少？答案(1)88138(2)1.411017 C(3)88(4)113114解析因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的，原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和由此可得：(1)镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差，即NAZ22688138.(2)镭核所带电荷量QZe881.61019 C1.411017 C.(3)镭原子呈电中性，则核外电子数等于质子数，故核外电子数为88.(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力为洛伦兹力，故有Bqvm，两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故.借题发挥对核子数、电荷数、质量数的理解(1)核子数：质子和中子的质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个数表示原子核的电量，叫做原子核的电荷数(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数针对训练1在粒子轰击金箔的散射实验中，粒子可以表示为He，He中的4和2分别表示()A4为核子数，2为中子数B4为质子数和中子数之和，2为质子数C4为核外电子数，2为中子数D4为中子数，2为质子数答案B解析根据He所表示的物理意义，原子核的质子数决定核外电子数，原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即为核内的核子数.He符号的左下角表示的是质子数或相应中性原子核外电子数，即为2，He符号左上角表示的是核子数，即为4，故选项B正确二、三种射线的本质及特点1、三种射线的性质、特征比较种 类射线射线射线组 成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2ee0质 量4mp(mp1.671027 kg)静止质量为零速 率0.1c0.99cc贯穿本领最弱用一张纸就能挡住较强能穿透几毫米的铝板最强能穿透几厘米的铅板电离作用很强较弱很弱2.在电场、磁场中偏转情况的比较(1)在匀强电场中，射线偏转较小，射线偏转较大，射线不偏转，如图1甲所示图1(2)在匀强磁场中，射线偏转半径较大，射线偏转半径较小，射线不偏转，如图乙所示【例2】一置于铅盒中的放射源发射出的、和射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔，铝箔后的空间有一匀强电场进入电场后，射线变为a、b两束，射线a沿原来方向行进，射线b发生了偏转，如图2所示，则图中的射线a为_射线，射线b为_射线图2答案解析在三种射线中，射线带正电，穿透能力最弱，射线不带电，穿透能力最强；射线带负电，穿透能力一般，综上所述，结合题意可知，a射线应为射线，b射线应为射线借题发挥(1)射线是、三种射线中贯穿本领最弱的一种，它穿不过白纸(2)要知道三种射线的成分，贯穿本领和电离本领的强弱(3)要知道、三种射线的本质，、是实物粒子，射线是电磁波谱中的一员针对训练2(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射线，但不能挡住射线和射线B某原子核在放出射线后会变成另一种元素的原子核C三种射线中对气体电离作用最强的是射线D粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子答案ACD解析由三种射线的本质和特点可知，射线贯穿本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住射线和射线，故A正确；射线是伴随、衰变而产生的一种电磁波，不会使原核变成新核，故B错；三种射线中射线电离作用最强，故C正确；粒子是电子，来源于原子核，故D正确三、原子核的衰变1原子核放出粒子或粒子后，变成另一种原子核，这种现象称为原子核的衰变2衰变：(1)原子核进行衰变时，质量数减少4，电荷数减少2.(2)衰变的实质：在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较牢固，有时会作为一个整体从较大的原子核中释放出来，这就是放射性元素发生的衰变现象3衰变：(1)原子核进行衰变时，质量数不变，电荷数增加1.(2)衰变的实质：原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即粒子，使核电荷数增加1，但衰变不改变原子核的质量数，其转化方程为：nHe.4衰变规律：衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒5射线是在发生或衰变过程中伴随产生的，且射线是不带电的，因此射线并不影响原子核的核电荷数，不会改变元素在周期表中的位置6确定衰变次数的方法设放射性元素X经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素Y，则衰变方程为XYnHeme.根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程AA4n，ZZ2nm.【例3】U核经一系列的衰变后变为Pb核，问：(1)一共经过几次衰变和几次衰变？(2)Pb与U相比，质子数和中子数各少了多少？(3)综合写出这一衰变过程的方程答案(1)8次衰变，6次衰变(2)10个；22个(3)见解析解析(1)设U衰变为Pb经过x次衰变和y次衰变，由质量数守恒和电荷数守恒可得2382064x92822xy联立解得x8，y6.即一共经过8次衰变和6次衰变(2)由于每发生一次衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次衰变中子数少1，而质子数增加1，故Pb较U质子数少10，中子数少22.(3)核反应方程为UPb8He6e.借题发挥衰变次数的判断方法(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒(2)每发生一次衰变质子数、中子数均减少2.(3)每发生一次衰变中子数减少1，质子数增加1.针对训练3U经过m次衰变和n次衰变，变成Pb，则()Am7，n3 Bm7，n4Cm14，n9 Dm14，n18答案B解析根据题意有：2354m207,922mn82，解得m7，n4，选项B正确四、对半衰期的理解1对半衰期的理解半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素具有的衰变速率一定，不同元素的半衰期不同，有的差别很大2半衰期公式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，T1/2表示半衰期3适用条件半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变，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，半衰期只适用于大量的原子核【例4】碘131核不稳定，会发生衰变，其半衰期为8天(1)碘131核的衰变方程：I_(衰变后的元素用X表示)(2)经过_天75 %的碘131核发生了衰变答案(1)Xe(2)16解析(1)根据衰变过程电荷数守恒与质量数守恒可得衰变方程：IXe.(2)每经1个半衰期，有半数原子核发生衰变，经2个半衰期将剩余，即有75 %发生衰变，即经过的时间为16天针对训练4氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一其衰变方程是RnPo_.已知Rn的半衰期约为3.8天，则约经过_天，16 g的Rn衰变后还剩1 g.答案He15.2解析根据核反应过程中电荷数守恒和质量数守恒可得该反应的另一种生成物为He.根据m余m原和4，解得t3.84天15.2天.原子核的组成1(多选)氢的原子核有三种，分别是氕(H)、氘(H)、氚(H)，则()A它们的质子数相等B它们原子的核外电子数不相等C它们的核子数相等D它们的化学性质相同答案AD解析氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和核外电子数均相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，A正确；元素化学性质决定于中性原子的核外电子数，三个原子核化学性质相同，D正确2人类探测月球时发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可作为未来核聚变的重要原料之一，氦的该种原子核应表示为()A.He B.He C.He D.He答案B解析氦的同位素质子数一定相同，质量数为3，故应表示为He，B正确原子核的衰变及三种射线的性质3. (多选)图3中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束，以下判断正确的是()图3Aa为射线、b为射线Ba为射线、b为射线Cb为射线、c为射线Db为射线、c为射线答案BC解析由题图可知电场线方向向右，射线带正电，所受电场力方向与电场线方向一致，故射线向右偏转，即c为射线；射线带负电，所受电场力方向与电场线方向相反，故射线向左偏转，即a为射线；射线不带电，不发生偏转，即b为射线故选项B、C正确4(多选)关于天然放射性，下列说法正确的是()A所有元素都可能发生衰变B放射性元素的半衰期与外界的温度无关C放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D、和三种射线中，射线的穿透能力最强E一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线答案BCD解析原子序数大于83的元素才可以发生衰变，原子序数小于等于83的元素有的可以发生衰变，有的不可以发生衰变，A错误；放射性元素的半衰期与元素所处的物理、化学状态无关，B、C正确；三种射线、穿透能力依次增强，D正确；原子核发生或衰变时常常伴随着光子的产生，但同一原子核不会同时发生衰变和衰变，E错误5“朝核危机”引起全球瞩目，其焦点就是朝鲜核电站采用轻水堆还是重水堆重水堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚239(Pu)，这种钚239可由铀239(U)经过n次衰变而产生，则n为()A2 B239 C145 D92答案A解析衰变规律是质量数不变，质子数增加1.Pu比U质子数增加2，所以发生2次衰变，A对半衰期的理解与计算6放射性元素Na的样品经过6小时还剩下没有衰变，它的半衰期是()A2小时 B1.5小时C1.17小时 D0.75小时答案A解析放射性元素衰变一半所用的时间是一个半衰期，剩下的元素再经一个半衰期只剩下，再经一个半衰期剩，所以题中所给的6小时为三个半衰期的时间，因而该放射性同位素的半衰期应是2小时，也可根据m余m原，即，得T2小时(时间：60分钟)题组一原子核的组成1关于质子与中子，下列说法不正确的是()A原子核(除氢核外)由质子和中子构成B质子和中子统称为核子C卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在D卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在答案D解析原子核内存在质子和中子，中子和质子统称为核子，卢瑟福只发现了质子，以后又预言了中子的存在2若用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，则对Th的原子来说()Ax90y90z234Bx90y90z144Cx144y144z90Dx234y234z324答案B解析质量数质子数中子数，中性原子中：质子数核外电子数，所以选B选项正确3(多选)以下说法中正确的是()A原子中含有带负电的电子，所以原子带负电B原子核中的中子数一定跟核外电子数相等C用粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质子是原子核的组成部分D绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子答案CD解析原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错；正是用粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故C正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内还有别的中性粒子，故D正确题组二三种射线性质的比较4(多选)对天然放射现象，下列说法中正确的是()A粒子带正电，所以射线一定是从原子核中射出的B粒子带负电，所以射线有可能是核外电子C粒子是光子，所以射线有可能是由原子发光产生的D射线、射线、射线都是从原子核内部释放出来的答案AD解析衰变的实质是原子核中的两个质子和两个中子结合成一个氦核放出的，衰变的实质是一个中子变成一个质子和一个电子，然后释放出电子，射线是伴随衰变和衰变而产生的所以这三种射线都是从原子核内部释放出来的5.放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图1所示，其中()图1AC为氦原子核组成的粒子流BB为比X射线波长更长的光子流CB为比X射线波长更短的光子流DA为高速电子组成的电子流答案C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射线，所以是射线；B射线在电场中不偏转，所以是射线；C射线在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子，所以是射线6天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图2所示，由此可推知()图2A来自于原子核外的电子B的电离作用最强，是一种电磁波C的电离作用较强，是一种电磁波D的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子答案D解析衰变的射线均来自于核内，A错；从题图中可看出，一张纸能挡住射线，则射线一定是射线，其贯穿本领最差，电离能力最强，但不是电磁波，而是高速粒子流，B错；铝板能挡住，而不能挡住，说明一定是射线，其电离能力最弱，贯穿本领最强，是一种电磁波，属于原子核内以能量形式释放出来的以光速运行的高能光子，D对题组三原子核的衰变及半衰期7由原子核的衰变可知()A放射性元素一次衰变就同时产生射线和射线B放射性元素发生衰变，产生的新核的化学性质不变C衰变说明原子核内部存在氦核D放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出射线答案D解析原子核发生衰变时，一次衰变只能是衰变或衰变，而不能同时发生衰变和衰变，发生衰变后产生的新核往往处于高能级，要向外以射线的形式辐射能量，故一次衰变只可能同时产生射线和射线，或射线和射线，A错，D对；原子核发生衰变后，核电荷数发生了变化，变成了新核，故化学性质发生了变化，B错；原子核内的2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起，因此在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，于是放射性元素发生了衰变，C错8原子核X经过一次衰变成原子核Y，原子核Y再经一次衰变变成原子核Z，则下列说法中正确的是()A核X的中子数比核Z的中子数多2B核X的质子数比核Z的质子数多5C核Z的质子数比核X的质子数少1D原子核X的中性原子的电子数比原子核Y的中性原子的电子数少1答案C解析根据衰变规律，发生一次衰变减少两个质子和两个中子，发生一次衰变减少一个中子而增加一个质子中性原子的电子数等于质子数9铀裂变的产物之一氪90(Kr)是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90(Zr)，这些衰变是()A1次衰变，6次衰变B4次衰变C2次衰变D2次衰变，2次衰变答案B解析原子核每经过一次衰变，质量数减少4，电荷数减少2；每经过一次衰变，电荷数增加1，质量数不变方法一衰变的次数为n0(次)，衰变的次数为m40364(次)方法二设氪90(Kr)经过x次衰变，y次衰变后变成锆90(Zr)，由衰变前后的质量数、电荷数守恒得4x9090,2xy4036，解得x0，y4.1014C测年法是利用14C衰变规律对古生物进行年代测定的方法若以横坐标t表示时间，纵坐标m表示任意时刻14C的质量，m0为t0时14C的质量下面四幅图中能正确反映14C衰变规律的是()答案C解析由公式mm0可知14C的衰变图象应为C.11碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有()A. B. C. D.答案C解析根据半衰期公式mm0，将题目中的数据代入可得C正确题组四综合应用12约里奥居里夫妇因发现人工放射性同位素而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素P衰变成Si的同时放出另一种粒子，这种粒子是_.P是P的同位素，被广泛应用于生物示踪技术.1 mg P随时间衰变的关系如图3所示，请估算4 mg的P经_天的衰变后还剩0.25 mg.图3答案正电子56解析衰变方程为PSie，即这种粒子是正电子由题图可以看出P的半衰期为14天，则40.25，得t56天13天然放射性铀(U)发生衰变后产生钍(Th)和另一个原子核(1)请写出衰变方程；(2)若衰变前铀(U)核的速度为v，衰变产生的钍(Th)核速度为，且与铀核速度方向相同，求产生的另一种新核的速度答案(1)见解析(2)30.25 v解析(1)UThHe(2)设另一新核的速度为v，铀核质量为238m，由动量守恒定律得：238mv234m4mv得：v30.25 v14