高中物理 第4章 从原子核到夸克 4_2 原子核的衰变教师用书 沪科版选修3-5

4.2原子核的衰变学 习 目 标知 识 脉 络1.知道天然放射现象，了解放射性及放射性元素的概念.(重点)2.掌握天然放射线中的“三剑客”的本质和特点.(重点、难点)3.掌握原子核衰变的规律，知道衰变、衰变的本质.(重点、难点)4.理解半衰期的概念，会应用半衰期公式解决相关问题.(重点)天然放射现象的发现及放射线的本质先填空1.天然放射现象的发现(1)天然放射现象：物质能自发地放出射线的现象.(2)放射性：物质放出射线的性质，叫做放射性.(3)放射性元素：具有放射性的元素，叫做放射性元素.(4)天然放射现象的发现：1896年，法国物理学家贝可勒尔发现了天然放射现象.2.天然放射线中的“三剑客”(1)本质：射线：在磁场作用下发生偏转，偏转角度较小，是带正电的高速运动的粒子流，电荷数为2，质量数为4，本质是氦原子核.射线：在磁场作用下与射线“分道扬镳”，朝另一个方向偏转，偏转角度较大，是带负电的高速运动的电子流.射线：在磁场中不偏转，是不带电的波长很短的电磁波.如图421为三剑客在磁场中的运动情况.“三剑客”图421(2)本领射线：粒子射出时的速度大约是光速的十分之一，有很强的电离作用，很容易使空气电离，使照相底片感光，但穿透本领很小.一张纸就能挡住.射线：射线的速度接近光速，对物质的穿透本领较强，能穿透几毫米厚的铝板，但电离作用较弱.射线：电离作用很小，穿透本领很强，能穿透几厘米厚的铅板.再判断1.放射性元素发出的射线可以直接观察到.()2.放射性元素发出的射线的强度可以人工控制.()3.射线的穿透本领最强，电离作用很弱.()4.原子序数大于83的所有天然存在的元素都具有放射性.()后思考天然放射现象说明了什么？【提示】天然放射现象说明了原子核具有复杂的内部结构.核心点击1.三种射线的比较如下表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4mpmp1.671027 kg静止质量为零速度0.1c0.99cc在电场或磁场中偏转与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2.三种射线在电场和磁场中的偏转(1)在匀强电场中，射线不发生偏转，做匀速直线运动，粒子和粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，粒子的偏移大，如图422所示.图422位移x可表示为xat22所以，在同样条件下粒子与粒子偏移之比为37.(2)在匀强磁场中：射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，粒子和粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，粒子的轨道半径小，如图423所示.图423根据qvB得R所以，在同样条件下粒子与粒子的轨道半径之比为.1.关于天然放射现象，下列说法正确的是()A.射线是由氦原子核组成的B.射线是由原子核外电子电离产生C.射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D.通过化学反应不能改变物质的放射性E.射线本质是高速电子流【解析】射线是在衰变中产生的，本质是氦核，A正确；射线是在衰变中产生的，本质是高速电子流，B错误，E正确；射线是发生衰变和衰变时原子核发生能级跃迁而产生的电磁波，C错误；物质的放射性由原子核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，D正确.【答案】ADE2.一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424所示，则图中的射线a为_射线，射线b为_射线.图424【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.【答案】3.将、三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情况正确的是()【解析】已知粒子带正电，粒子带负电，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可知，A、B、C、D四幅图中、粒子的偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步判断.带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径r，将数据代入，则粒子与粒子的半径之比371，A对，B错；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x，沿电场线方向位移为y，则有xv0t，yt2，消去t可得y对某一确定的x值，、粒子沿电场线偏转距离之比，C错，D对.选项E中，若粒子不发生偏转，则有BvqEq，此时因粒子的速度大些，有BvqEq，电子将向右偏转，故E正确.【答案】ADE判断三种射线性质的方法(1)射线的电性：射线带正电、射线带负电、射线不带电.、是实物粒子，而射线是光子流，它是波长很短的电磁波.(2)射线的偏转：在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断和射线偏转方向，由于射线不带电，故运动轨迹仍为直线.(3)射线的穿透能力：粒子穿透能力较弱，粒子穿透能力较强，射线穿透能力最强，而电离作用相反.放射性元素的衰变和半衰期先填空1.衰变原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化.2.衰变形式：常见的衰变有两种，放出粒子的衰变为衰变，放出粒子的衰变为衰变，而射线是伴随射线或射线产生的.3.衰变规律(1)衰变：XHeY.(2)衰变：XeY.在衰变过程中，电荷数和质量数都守恒.4.放射性元素的半衰期(1)概念放射性元素每经过一段时间，就有一半的核发生衰变，这段时间叫做放射性元素的半衰期.(2)放射性元素的半衰期是由其原子核本身决定的，一种放射性元素，不论它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，也不论所处的环境如何，它的半衰期都不会改变.再判断1.原子核的衰变有衰变、衰变和衰变三种形式.()2.在衰变过程中，电荷数、质量数守恒.()3.原子所处的周围环境温度越高，衰变越快.()后思考有10个镭226原子核，经过一个半衰期有5个发生衰变，这样理解对吗？【提示】不对.10个原子核数目太少，它们何时衰变是不可预测的，因为衰变规律是大量原子核的统计规律.核心点击1.衰变实质衰变：原子核内两个质子和两个中子结合成一个粒子，并在一定条件下作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，产生衰变.2n2HHe.衰变：原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内，同时放出一个电子，即粒子放射出来.nHe.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.3.对半衰期的理解(1)意义：表示放射性元素衰变的快慢.(2)半衰期公式：nN，mM式中N、M表示衰变前的原子数和质量，n、m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.4.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，半衰期只适用于大量的原子核.5.应用：利用半衰期非常稳定的特点，可以测算其衰变过程，推算时间等.4.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2E.核C比核A的中子数少3【解析】原子核A经过一次衰变和一次衰变变为原子核C的衰变方程为：ABC，由此可知核C比核A的质子数少1，质量数少4，A正确，B错误；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少1，C错误；核C比核B的中子数少2，核C比核A的中子数少3，D、E均正确.【答案】ADE5.由于放射性元素Np的半衰期很短，所以在自然界一直未被发现，只是在使用人工的方法制造后才被发现.已知Np经过一系列衰变和衰变后变成Bi，下列论断中正确的是()A.Bi的原子核比Np的原子核少28个中子B.Bi的原子核比Np的原子核少18个中子C.衰变过程中共发生了7次衰变和4次衰变D.衰变过程中共发生了4次衰变和7次衰变E.衰变过程中共有4个中子转变为质子【解析】Bi的中子数为20983126，Np的中子数为23793144，Bi的原子核比Np的原子核少18个中子，A错、B对；衰变过程中共发生了衰变的次数为7次，衰变的次数是27(9383)4次，C对、D错；此过程中共发生了4次衰变，因此共有4个中子转变为质子，E正确.【答案】BCE6.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. 【导学号：67080036】(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？【解析】(1)C的衰变方程为：CeN.(2)C的半衰期T5 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NN0N0，即0.25N0N0，故2，t11 460年.【答案】(1)CeN(2)11 460年(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒.每发生一次衰变质子数、中子数均减少2，质量数减少4.每发生一次衰变中子数减少1，质子数增加1，质量数不变.(2)利用半衰期公式解决实际问题，首先要理解半衰期的统计意义，其次要知道公式建立的是剩余核的质量与总质量间的关系.