2017-2018学年高中物理 第19章 原子核 2 放射性元素的衰变学案 新人教版选修3-5

2放射性元素的衰变学习目标 1.知道衰变的概念.2.知道、衰变的实质，知道射线是怎样产生的，会写、衰变方程.3.知道什么是半衰期，会利用半衰期解决相关问题一、原子核的衰变导学探究如图1为衰变、衰变示意图图11当原子核发生衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？答案衰变时，质子数减少2，中子数减少2.2当发生衰变时，新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少？新核在元素周期表中的位置怎样变化？答案衰变时，核电荷数增加1.新核在元素周期表中的位置向后移动一位知识梳理原子核的衰变1定义：原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的过程2衰变类型(1)衰变：放射性元素放出粒子的衰变过程放出一个粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，成为新核(2)衰变：放射性元素放出粒子的衰变过程放出一个粒子后，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4衰变的实质(1)衰变的实质：2个中子和2个质子结合在一起形成粒子(2)衰变的实质：核内的中子转化为了一个电子和一个质子(3)射线经常是伴随衰变和衰变产生的即学即用判断下列说法的正误(1)原子核在衰变时，它在元素周期表中的位置不变()(2)发生衰变是原子核中的电子发射到核外()二、半衰期导学探究1.什么是半衰期？对于某个或选定的几个原子核能根据该种元素的半衰期预测它的衰变时间吗？答案半衰期是一个时间，是某种放射性元素的大量原子核有半数发生衰变所用的时间的统计规律，故无法预测单个原子核或几个特定原子核的衰变时间2某放射性元素的半衰期为4天，若有10个这样的原子核，经过4天后还剩5个，这种说法对吗？答案半衰期是大量放射性元素的原子核衰变时所遵循的统计规律，不能用于少量的原子核发生衰变的情况，因此，经过4天后，10个原子核有多少发生衰变是不能确定的，所以这种说法不对知识梳理半衰期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因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件无关3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4半衰期公式：N余N原()，m余m原()，其中为半衰期即学即用判断下列说法的正误(1)同种放射性元素，在化合物中的半衰期比在单质中长()(2)把放射性元素放在低温处，可以减缓放射性元素的衰变()(3)放射性元素的半衰期与元素所处的物理和化学状态无关，它是一个统计规律，只对大量的原子核才适用()(4)氡的半衰期是3.8天，若有4个氡原子核，则经过7.6天后只剩下一个氡原子核()一、原子核的衰变规律和衰变方程1衰变种类、实质与方程(1)衰变：XYHe实质：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被释放出来，这就是放射性元素发生的衰变现象如：UThHe.(2)衰变：XYe.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，使电荷数增加1，衰变不改变原子核的质量数，其转化方程为：nHe.如：ThPae.2确定原子核衰变次数的方法与技巧(1)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.以上两式联立解得：n，mZZ.由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组(2)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定衰变的次数(这是因为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衰变的次数例1U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)86(2)1022(3)UPb8He6e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)衰变方程为UPb8He6e.针对训练1原子核U经放射性衰变变为原子核Th，继而经放射性衰变变为原子核Pa，再经放射性衰变变为原子核U.放射性衰变、和依次为()A衰变、衰变和衰变B衰变、衰变和衰变C衰变、衰变和衰变D衰变、衰变和衰变答案A解析根据衰变反应前后的质量数守恒和电荷数守恒特点，U核与Th核比较可知，衰变的另一产物为He，所以衰变为衰变，选项B、C错误；Pa核与U核比较可知，衰变的另一产物为e，所以衰变为衰变，选项A正确，D错误衰变方程的书写：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，而不是原子的变化二、对半衰期的理解及有关计算例2放射性同位素14C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代，此项研究获得1960年诺贝尔化学奖(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成不稳定的C，它很容易发生衰变，放出射线变成一个新核，其半衰期为5 730年，试写出14C的衰变方程(2)若测得一古生物遗骸中的C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？答案(1)CeN(2)11 460年解析(1)C的衰变方程为：CeN.(2)C的半衰期5 730年生物死亡后，遗骸中的C按其半衰期变化，设活体中C的含量为N0，遗骸中的C含量为N，则N()N0，即0.25N0()N0，故2，t11 460年针对训练2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推得该反应的另一种生成物为He.根据m余m原得4，代入3.8天，解得t3.84天15.2天1(多选)以下关于天然放射现象，叙述正确的是()A若使某放射性物质的温度升高，其半衰期将变短B衰变所释放的电子是原子核外的电子电离形成的C射线是原子核衰变产生的，它有很强的电离作用D射线是原子核产生的，它是能量很大的光子流答案CD解析半衰期与元素的物理状态无关，若使某放射性物质的温度升高，半衰期不变，故A错误；衰变所释放的电子是从原子核内释放出的电子，故B错误；射线是原子核衰变产生的，是氦的原子核，它有很强的电离作用，穿透能力很弱，选项C正确；射线是原子核发生或衰变时产生的，它是能量很大的光子流，选项D正确2下列有关半衰期的说法正确的是()A放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快B放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长C把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度D降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度答案A解析放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映了放射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期长短由其自身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关，故A正确，B、C、D错误3某原子核A先进行一次衰变变成原子核B，再进行一次衰变变成原子核C，则()A核C的质子数比核A的质子数少2B核A的质量数减核C的质量数等于3C核A的中子数减核C的中子数等于3D核A的中子数减核C的中子数等于5答案C解析原子核A进行一次衰变后，一个中子转变为一个质子并释放一个电子，再进行一次衰变，又释放两个中子和两个质子，所以核A比核C多3个中子、1个质子，选项C正确，A、B、D错误4(多选)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约5 700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的比例持续减小现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一下列说法正确的是()A该古木的年代距今约5 700年B12C、13C、14C具有相同的中子数C14C衰变为14N的过程中放出射线D增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变答案AC解析因古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一，则可知经过的时间为一个半衰期，即该古木的年代距今约为5 700年，选项A正确；12C、13C、14C具有相同的质子数，由于质量数不同，故中子数不同，选项B错误；根据核反应方程可知，14C衰变为14N的过程中放出电子，即发出射线，选项C正确；外界环境不影响放射性元素的半衰期，选项D错误一、选择题(15题为单选题，69题为多选题)1关于原子核的衰变和半衰期，下列说法正确的是()A半衰期是指原子核的质量减少一半所需要的时间B半衰期是指原子核有半数发生衰变所需要的时间C发生衰变时产生的新原子核在周期表中的位置向后移动2位D发生衰变时产生的新原子核在周期表中的位置向前移动1位答案B2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m余m原，将题目中的数据代入可得C正确，A、B、D错误3人们在海水中发现了放射性元素钚(Pu). Pu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，所以发生了2次衰变，A正确4放射性同位素钍232经、衰变会生成氡，其衰变方程为ThRnxy，其中()Ax1，y3 Bx2，y3Cx3，y1 Dx3，y2答案D解析根据衰变方程左右两边的质量数和电荷数守恒可列方程解得x3，y2.故答案为D.5钍Th具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤Pa，同时伴随有射线产生，其方程为ThPaX，钍的半衰期为24天则下列说法中正确的是()AX为质子BX是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的C射线是钍原子核放出的D1 g钍Th经过120天后还剩0.2 g钍答案B解析根据电荷数和质量数守恒知钍核衰变过程中放出了一个电子，即X为电子，故A错误；衰变的实质：衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子同时产生的，故B正确；射线是镤原子核放出的，故C错误；钍的半衰期为24天，1 g钍Th经过120天后，还剩1 g()50.031 25 g，故D错误6由原子核的衰变规律可知()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与原来的核的化学性质相同C放射性元素衰变的快慢跟它所处的物理、化学状态无关D放射性元素发生正电子衰变时，产生的新核质量数不变，电荷数减少1答案CD解析由放射性元素的衰变实质可知，不可能同时发生衰变和衰变，故A错；衰变后变为新元素，化学性质不同，故B错；衰变快慢与所处的物理、化学状态无关，C对；正电子电荷数为1，质量数为0，故D对7天然放射性元素Th(钍)经过一系列衰变和衰变之后，变成Pb(铅)下列说法中正确的是()A衰变的过程共有6次衰变和4次衰变B铅核比钍核少8个质子C衰变所放出的电子来自原子核核外轨道D钍核比铅核多24个中子答案AB解析由于衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定衰变的次数为：x6，再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定衰变的次数应满足：2xy90828，y2x84.钍232核中的中子数为23290142，铅208核中的中子数为20882126，所以钍核比铅核多16个中子，铅核比钍核少8个质子由于物质的衰变与元素的化学状态无关，所以衰变所放出的电子来自原子核内，所以选项A、B正确8某原子核的衰变过程ABC，下列说法正确的是()A核C比核A的质子数少1B核C比核A的质量数少5C原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多2D核C比核B的中子数少2答案AD解析由衰变方程可写出关系式ABC可得A、D项正确9在匀强磁场中，一个原来静止的原子核发生了衰变，得到两条如图1所示的径迹，图中箭头表示衰变后粒子的运动方向不计放出的光子的能量，则下列说法正确的是()图1A发生的是衰变，b为粒子的径迹B发生的是衰变，b为粒子的径迹C磁场方向垂直于纸面向外D磁场方向垂直于纸面向内答案AD二、非选择题10在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图2所示)，今测得两个相切圆半径之比r1r2144.求：图2(1)这个原子核原来所含的质子数是多少？(2)图中哪一个圆是粒子的径迹？(说明理由)答案(1)90(2)见解析解析(1)设衰变后新生核的电荷量为q1，粒子的电荷量为q22e，它们的质量分别为m1和m2，衰变后的速度分别为v1和v2，所以原来原子核的电荷量qq1q2.根据轨道半径公式有，又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则m1v1m2v2，以上三式联立解得q90e.即这个原子核原来所含的质子数为90.(2)因为动量相等，所以轨道半径与粒子的电荷量成反比，所以圆轨道2是粒子的径迹，圆轨道1是新生核的径迹11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)核的速度为，且与铀核速度方向相同，试估算产生的另一种新核的速度答案(1)UThHe(2)v，方向与铀核速度方向相同解析(1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒，有UThHe.(2)由(1)知新核为氦核，设一个核子的质量为m，则氦核的质量为4m、铀核的质量为238m、钍核的质量为234m，氦核的速度为v，由动量守恒定律，得238mv234m4mv，解得vv，方向与铀核速度方向相同9