2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5课件：4-1,4-2 走进原子核 放射性元素的衰变

第一节第一节 走进原子核走进原子核 第二节第二节 放射性元素的衰变放射性元素的衰变 目标定位目标定位 1.知知道什么是放射性、放射性元素、天然放射道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象现象.2.知道原子核的组成，会正确书写原子核的符号知道原子核的组成，会正确书写原子核的符号.3.知道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.会会用半衰期描述衰变的快慢，知道半衰期的统计意义用半衰期描述衰变的快慢，知道半衰期的统计意义 一一、放射性的发现放射性的发现 1放射性放射性 1896年法国物理学家年法国物理学家 发现发现，铀和含铀的铀和含铀的矿物都能够发出看不见的射线矿物都能够发出看不见的射线，物质放射出物质放射出 的性质的性质叫做放射性叫做放射性 2放射性元素放射性元素 具有具有 的元素叫放射性元素的元素叫放射性元素 玛丽玛丽居里和她的丈夫皮埃尔居里和她的丈夫皮埃尔居里发现了两种放射性更居里发现了两种放射性更强的新元素强的新元素，命名为命名为 和和 享利享利贝克勒尔贝克勒尔 射线射线 放射性放射性 钋钋(Po) 镭镭(Ra) 3天然放射性元素天然放射性元素 能能 地放出射线的元素叫做天然放射性元素地放出射线的元素叫做天然放射性元素原子序原子序数大于数大于 的所有元素的所有元素，都有放射性都有放射性原子序数小于等原子序数小于等于于 的元素的元素，有的也具有放射性有的也具有放射性 4放射性发现的意义放射性发现的意义 放放射性的发现揭示了射性的发现揭示了 结构的复杂性结构的复杂性 自发自发 83 83 原子核原子核 二、原子核的组成二、原子核的组成 1质质子的发现：子的发现： 用用 粒子轰击粒子轰击 获得了质子获得了质子 2中子的发现：卢瑟福的学生中子的发现：卢瑟福的学生 通过实验证实了通过实验证实了 的的存在存在 3原子核的组成：由原子核的组成：由 和和 组成，因此它们统称为组成，因此它们统称为 4原子核的电荷数：等于原子核的原子核的电荷数：等于原子核的 即原子的即原子的 5原子核的质量数：等于原子核的质量数：等于 和和 的总和的总和 6 原子核的符号： 原子核的符号：AZX， 其中， 其中 X 为为 ， A 为原子核的为原子核的 ，Z 为原子核的为原子核的 卢瑟福卢瑟福 氮核氮核 查德威克查德威克 中子中子 质子质子 中子中子 核子核子 质子数质子数 原子序数原子序数 质子数质子数 中子数中子数 元素符号元素符号 质量数质量数 电荷数电荷数 三三、放射线的本质放射线的本质 1射线种类射线种类 放放射性物质发出的射线有三种：射性物质发出的射线有三种： 、 、 2放射线的本质放射线的本质 (1)射射线是高速运动的线是高速运动的 粒子流粒子流，射出时的速度可达射出时的速度可达0.1c. (2)射线是高速运动的射线是高速运动的 ，射出时速度可达射出时速度可达0.99c. (3)射线是波长很短的射线是波长很短的 射线射线 射线射线 射线射线 电子流电子流 电磁波电磁波 四、原子核的衰变四、原子核的衰变 1衰变衰变 一一种元素经放射过程变成另一种元素的现象种元素经放射过程变成另一种元素的现象 2衰变方程衰变方程 (1) 衰衰变的一般方程为变的一般方程为MZX M4Z2Y42He ，每发生一次，每发生一次 衰变，衰变，新元素与旧元素相比较，核电荷数减新元素与旧元素相比较，核电荷数减 2，质量数减，质量数减 4. (2) 衰变的一般方程为衰变的一般方程为MZX MZ1Y 01e ，每发生一次，每发生一次 衰变，衰变，新元素与旧元素相比较，核电荷数加新元素与旧元素相比较，核电荷数加 1，质量数不变，质量数不变 3 射线射线 射射线是伴随线是伴随 衰变、衰变、 衰变衰变 产生的，产生的， 射线不改变原子核射线不改变原子核的电荷数和质量数的电荷数和质量数 同时同时 五五、半衰期半衰期 1定定义：原子核数目因衰变减少到原来的义：原子核数目因衰变减少到原来的 所经过的所经过的时间时间 2公式：公式：m ，m0表示放射性元素衰变前的质量表示放射性元素衰变前的质量，m为经过时间为经过时间t后剩余的放射性元素的质量后剩余的放射性元素的质量 一半一半 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题问题1 问题问题2 问题问题3 2原子核的符号和数量关系原子核的符号和数量关系 (1)符符号：号：AZX. (2)基本关系：核电荷数质子数基本关系：核电荷数质子数(Z)元素的原子序数核外电元素的原子序数核外电子数质量数子数质量数(A)核子数质子数中子数核子数质子数中子数 一一、原子核的组成原子核的组成 1原子核的组成原子核的组成 原原子核是由质子子核是由质子、中子构成的中子构成的，质子带正电质子带正电，中子不带中子不带电电不同的原子核内质子和中子的个数并不相同不同的原子核内质子和中子的个数并不相同原子原子核的直径为核的直径为10151014 m. 【例【例 1】 已已知镭的原子序数是知镭的原子序数是 88，原子核的质量，原子核的质量数是数是 226.试问：试问： (1)镭核中有几个质子？几个中子？镭核中有几个质子？几个中子？ (2)镭核所带电量是多少？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？若镭原子呈电中性，它核外有几个电子？ (4)228 88Ra 是镭的一种同位素，让是镭的一种同位素，让226 88Ra 和和228 88Ra 以相同速度垂直射以相同速度垂直射入磁感应强度为入磁感应强度为 B 的匀强磁场中， 它们运动的轨迹半径之比是多的匀强磁场中， 它们运动的轨迹半径之比是多少？少？ 答案答案 (1)88 138 (2)1.411017 C (3)88 (4)113114 解析解析 因为原子序数与核内质子数因为原子序数与核内质子数、核电荷数核电荷数、中性原子的中性原子的核外电子数都是相等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原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和中子数之和由此可得：由此可得： (1)镭核中的质子数等于其原子序数镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数为故质子数为88，中子数中子数N等于原子核的质量数等于原子核的质量数A与质子数与质子数Z之差之差，即即 NAZ22688138. (2)镭核所带电荷量镭核所带电荷量 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，故有有 Bqvmv2r，两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故故r226r228226228113114. 借题发挥借题发挥 对核子数对核子数、电荷数电荷数、质量数的理解质量数的理解 (1)核子数：质子和中子的质量差别非常微小核子数：质子和中子的质量差别非常微小，二者统称为核二者统称为核子子，所以质子数和中子数之和叫核子数所以质子数和中子数之和叫核子数 (2)电荷数电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍：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通常用这个数表示原子核的电量，叫做原子核的电荷数叫做原子核的电荷数 (3)质量数质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和和，而质子与中子质量几乎相等而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数这个倍数叫做原子核的质量数 针对训练针对训练 1 在在 粒子轰击金箔的散射实验中，粒子轰击金箔的散射实验中， 粒子可以表示为粒子可以表示为 42He，42He 中的中的 4 和和 2 分别表示分别表示 ( ) A4 为核子数，为核子数，2 为中子数为中子数 B4 为质子数和中子数之和，为质子数和中子数之和，2 为质子数为质子数 C4 为核外电子数，为核外电子数，2 为中子数为中子数 D4 为中子数，为中子数，2 为质子数为质子数 答案答案 B 解析解析 根据根据42He 所表示的物理意义，原子核的质子数决定核外电子所表示的物理意义，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，即为核内的核子数子数.42He 符号的左下角表示的是质子数或相应中性原子核外电子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，即为数，即为 2，42He 符号左上角表示的是核子数，即为符号左上角表示的是核子数，即为 4，故选项，故选项 B正确正确 二二、三种射线的本质及特点三种射线的本质及特点 1、三种射线的性质三种射线的性质、特征比较特征比较 种种 类类 射线射线 射线射线 射线射线 组组 成成 高速氦核流高速氦核流 高速电子流高速电子流 光子流光子流 (高频电磁波高频电磁波) 带电荷量带电荷量 2e e 0 质质 量量 4mp (mp1.67 1027 kg) mp1 836 静止质量为零静止质量为零 速速 率率 0.1c 0.99c c 贯穿本领贯穿本领 最弱最弱 用一张纸用一张纸 就能挡住就能挡住 较强较强 能穿透几能穿透几 毫米的铝板毫米的铝板 最强最强 能穿透几能穿透几 厘米的铅板厘米的铅板 电离作用电离作用 很强很强 较弱较弱 很弱很弱 2.在电场在电场、磁场中偏转情况的比较磁场中偏转情况的比较 (1)在在匀强电场中匀强电场中，射线偏转较小射线偏转较小，射线偏转较大射线偏转较大，射射线不偏转线不偏转，如图如图1甲所示甲所示 图图1 (2)在匀强磁场中在匀强磁场中，射线偏转半径较大射线偏转半径较大，射线偏转半径较射线偏转半径较小小，射线不偏转射线不偏转，如图乙所示如图乙所示 【例例2】 一一置于铅盒中的放射源发射出的置于铅盒中的放射源发射出的、和和射线射线，由铅盒由铅盒的小孔射出的小孔射出，在小孔外放一铝箔在小孔外放一铝箔，铝箔后的空间有一匀强电铝箔后的空间有一匀强电场场进入电场后进入电场后，射线变为射线变为a、b两束两束，射线射线a沿原来方向行进沿原来方向行进，射线射线b发生了偏转发生了偏转，如图如图2所示所示，则图中的射线则图中的射线a为为_射线射线，射线射线b为为_射线射线 图图2 答案答案 解析解析 在三种射线中在三种射线中，射线带正电射线带正电，穿透能力最弱穿透能力最弱，射线射线不带电不带电，穿透能力最强；穿透能力最强；射线带负电射线带负电，穿透能力一般穿透能力一般，综综上所述上所述，结合题意可知结合题意可知，a射线应为射线应为射线射线，b射线应为射线应为射射线线 借题发挥借题发挥 (1)射线是射线是、三种射线中贯穿本领最弱的一三种射线中贯穿本领最弱的一种种，它穿不过白纸它穿不过白纸 (2)要知道三种射线的成分要知道三种射线的成分，贯穿本领和电离本领的强弱贯穿本领和电离本领的强弱 (3)要知道要知道、三种射线的本质三种射线的本质，、是实物粒子是实物粒子，射线射线是电磁波谱中的一员是电磁波谱中的一员 针对训练针对训练2 (多选多选)天天然放射性物质的放射线包括三种成分然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是下列说法正确的是 ( ) A一张厚的黑纸能挡住一张厚的黑纸能挡住射线射线，但不能挡住但不能挡住射线和射线和射射线线 B某原子核在放出某原子核在放出射线后会变成另一种元素的原子核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三种射线中对气体电离作用最强的是射线射线 D粒子是电子粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子但不是原来绕核旋转的核外电子 答案答案 ACD 解析解析 由三种射线的本质和特点可知，由三种射线的本质和特点可知，射线贯穿本领最弱，射线贯穿本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住一张黑纸都能挡住，而挡不住射线和射线和射线，故射线，故A正确；正确；射射线是伴随线是伴随、衰变而产生的一种电磁波，不会使原核变成新衰变而产生的一种电磁波，不会使原核变成新核，故核，故B错；三种射线中错；三种射线中射线电离作用最强，故射线电离作用最强，故C正确；正确；粒子是电子，来源于原子核，故粒子是电子，来源于原子核，故D正确正确 三三、原子核的衰变原子核的衰变 1原原子核放出子核放出粒子或粒子或粒子后粒子后，变成另一种原子核变成另一种原子核，这种现这种现象称为原子核的衰变象称为原子核的衰变 2衰变：衰变： (1)原子核进行原子核进行衰变时衰变时，质量数减少质量数减少4，电荷数减少电荷数减少2. (2)衰变的实质：在放射性元素的原子核中衰变的实质：在放射性元素的原子核中，2个中子和个中子和2个质子结合得比较牢固个质子结合得比较牢固，有时会作为一个整体从较大的原有时会作为一个整体从较大的原子核中释放出来子核中释放出来，这就是放射性元素发生的这就是放射性元素发生的衰变现象衰变现象 3 衰变：衰变： (1)原子核进行原子核进行 衰变时，质量数不变，电荷数增加衰变时，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子即 粒子，使核电荷数增加粒子，使核电荷数增加 1，但，但 衰变不改变原子核的质量衰变不改变原子核的质量数，其转化方程为：数，其转化方程为：10n11H 01e. 4衰变规律：衰变规律： 衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒 5 射线是在发生射线是在发生 或或 衰变过程中伴随产生的，且衰变过程中伴随产生的，且 射线是不带射线是不带电的， 因此电的， 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周期表中的位置 6确定衰变次数的方法确定衰变次数的方法 设放射性元素设放射性元素AZX 经过经过 n 次次 衰变和衰变和 m 次次 衰变后， 变成稳定的衰变后， 变成稳定的新元素新元素AZY，则衰变方程为，则衰变方程为 AZXAZYn42Hem 01e. 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 AA4n，ZZ2nm. 【例【例 3】 238 92U 核经一系列的衰变后变为核经一系列的衰变后变为206 82Pb 核，问：核，问： (1)一共经过几次一共经过几次 衰变和几次衰变和几次 衰变？衰变？ (2)206 82Pb 与与238 92U 相比，质子数和中子数各少了多少？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综合写出这一衰变过程的方程 答案答案 (1)8 次次 衰变，衰变，6 次次 衰变衰变 (2)10 个；个；22 个个 (3)见解析见解析 解析解析 (1)设设238 92U 衰变为衰变为206 82Pb 经过经过 x 次次 衰变和衰变和 y 次次 衰变，由质衰变，由质量数守恒和电荷数守恒可得量数守恒和电荷数守恒可得 2382064x 92822xy 联立联立解得解得 x8，y6.即一共经过即一共经过 8 次次 衰变和衰变和 6 次次 衰变衰变 (2)由于每发生一次由于每发生一次 衰变质子数和中子数均减少衰变质子数和中子数均减少 2，每发生一次，每发生一次 衰变中子数少衰变中子数少 1，而质子数增加，而质子数增加 1，故，故206 82Pb 较较238 92U 质子数少质子数少 10，中，中子数少子数少 22. (3)核反应方程为核反应方程为238 92U206 82Pb842He6 01e. 借题发挥借题发挥 衰变次数的判断方法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衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒 (2)每发生一次每发生一次衰变质子数衰变质子数、中子数均减少中子数均减少2. (3)每发生一次每发生一次衰变中子数减少衰变中子数减少1，质子数增加质子数增加1. 针对训练针对训练 3 235 92U 经过经过 m 次次 衰变和衰变和 n 次次 衰变，变成衰变，变成207 82Pb，则，则 ( ) Am7，n3 Bm7，n4 Cm14，n9 Dm14，n18 答案答案 B 解析解析 根据题意有：根据题意有： 2354m207,922mn82， 解得， 解得 m7，n4，选项，选项 B 正确正确 四、对半衰期的理解四、对半衰期的理解 1对半衰期的理解对半衰期的理解 半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半衰期公式半衰期公式 N余余N原原 ，m余余m0 式中式中 N原原、m0表示衰变前的原子数和质量，表示衰变前的原子数和质量，N余余、m余余表示衰变后表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，的尚未发生衰变的原子数和质量，t 表示衰变时间，表示衰变时间，T1/2表示半表示半衰期衰期 3适用条件适用条件 半半衰期是一个统计概念衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的是对大量的原子核衰变规律的总结总结，对于一个特定的原子核对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰无法确定其何时发生衰变变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时衰变即某时衰变的可能性的可能性，因此因此，半衰期只适用于大量的原子核半衰期只适用于大量的原子核 【例【例 4】 碘碘 131 核不稳定，会发生核不稳定，会发生 衰变，其半衰期为衰变，其半衰期为 8 天天 (1)碘碘 131 核的衰变方程：核的衰变方程：131 53I_(衰变后的元素用衰变后的元素用 X 表表示示) (2)经过经过_天天 75 %的碘的碘 131 核发生了衰变核发生了衰变 答案答案 (1)131 54X 01e (2)16 解析解析 (1)根据衰变过程电荷数守恒与质量数守恒可得衰变方根据衰变过程电荷数守恒与质量数守恒可得衰变方程：程：131 53I131 54X 01e. (2)每经每经 1 个半衰期，有半数原子核发生衰变，经个半衰期，有半数原子核发生衰变，经 2 个半衰期将个半衰期将剩余剩余14，即有，即有 75 %发生衰发生衰变，即经过的时间为变，即经过的时间为 16 天天 针对训练针对训练 4 氡氡 222 是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的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物质之一其衰变方程是222 86Rn218 84Po_.已知已知222 86Rn 的半衰的半衰期约为期约为 3.8 天，则约经过天，则约经过_天，天，16 g 的的222 86Rn 衰变后还剩衰变后还剩 1 g. 答案答案 42He 15.2 解析解析 根据核反应过程根据核反应过程中电荷数守恒和质量数守恒可得该反应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的另一种生成物为42He. 根据根据 m余余m原原 和和tT1/24， 解得解得 t3.84 天天15.2 天天.