2018-2019版高中物理第4章从原子核到夸克4.2原子核的衰变学案沪科版选修3 .docx

4.2原子核的衰变学习目标1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象.2.知道三种射线的特性.3.知道衰变及两种衰变的规律，能熟练写出衰变方程.4.会用半衰期描述衰变的速度，知道半衰期的统计意义一、天然放射现象和三种射线导学探究1.1896年，法国物理学家贝可勒尔发现了放射性元素自发地放出射线的现象，即天然放射现象是否所有的元素都具有放射性？放射性物质放出的射线有哪些种类？答案原子序数大于或等于83的元素，都能自发地放出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线放射性物质发出的射线有三种：射线、射线、射线2怎样用电场或磁场判断三种射线粒子的带电性质？答案让三种射线通过匀强电场，射线不偏转，说明射线不带电射线偏转方向和电场方向相同，带正电，射线偏转方向和电场方向相反，带负电或者让三种射线通过匀强磁场，射线不偏转，说明射线不带电，射线和射线可根据偏转方向和左手定则确定带电性质知识梳理1天然放射现象1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀及其化合物能放出一种不同于X射线的新射线(1)定义：物理学中把物质能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象(2)放射性：物质放出射线的性质(3)放射性元素：具有放射性的元素2对三种射线的认识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速率0.1c0.99cc贯穿本领最弱，用一张薄锡箔或一张纸就能挡住较强，能穿透几毫米厚的铝板最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土电离作用很强较强很弱即学即用判断下列说法的正误(1)1896年，法国的玛丽居里首先发现了天然放射现象()(2)原子序数大于83的元素都是放射性元素()(3)原子序数小于83的元素都不能放出射线()(4)射线实际上就是氦原子核，射线具有较强的穿透能力()(5)射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板()(6)射线是能量很高的电磁波，电离作用很强()二、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？答案发生衰变时，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？答案发生衰变时，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：原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化，叫做原子核的衰变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XYHe(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.XYe3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)射线经常是伴随着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()(3)射线经常是伴随着射线和射线产生的()三、放射性元素的半衰期导学探究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其原子核本身决定的，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T为半衰期5半衰期的应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以通过测量其衰变程度来推断时间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、天然放射现象和三种射线1三种射线的实质射线：高速氦核流，带电荷量为2e的正电荷；射线：高速电子流，带电荷量为e的负电荷；射线：光子流(高频电磁波)，不带电2三种射线在电场中和磁场中的偏转(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2所示图2(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3所示图33元素的放射性(1)一种元素的放射性与是单质还是化合物无关，这就说明射线跟原子核外电子无关(2)射线来自于原子核说明原子核内部是有结构的例1如图4所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL是厚纸板，MM是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的()图4选项磁场方向到达O点的射线到达P点的射线A竖直向上B竖直向下C垂直纸面向里D垂直纸面向外答案C解析R放射出来的射线共有、三种，其中、射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用而偏转，射线不偏转，故打在O点的应为射线；由于射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是射线；依据射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里例2(多选)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()答案AD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对三种射线的鉴别：(1)射线带正电、射线带负电、射线不带电射线、射线是实物粒子，而射线是光子流，属于电磁波的一种(2)射线、射线都可以在电场或磁场中偏转，但偏转方向不同，射线则不发生偏转(3)射线穿透能力弱，射线穿透能力较强，射线穿透能力最强，而电离本领相反二、原子核的衰变规律和衰变方程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3U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减少1，而质子数增加1，故Pb与U相比，质子数少10，中子数少22.(3)衰变方程为UPb8He6e.针对训练1在横线上填上粒子符号和衰变类型(1)UTh_，属于_衰变(2)ThPa_，属于_衰变(3)PoAt_，属于_衰变(4)CuCo_，属于_衰变答案(1)He(2)e(3)e(4)He解析根据质量数和电荷数守恒可以判断：(1)中生成的粒子为He，属于衰变(2)中生成的粒子为e，属于衰变(3)中生成的粒子为e，属于衰变(4)中生成的粒子为He，属于衰变1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2衰变次数的判断技巧(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1.三、对半衰期的理解及有关计算1公式：根据半衰期的概念，可总结出公式N余N原，m余m原式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m原表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期2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，无法确定何时发生衰变，但可以确定发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核3影响因素：半衰期由放射性元素的原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度)或化学状态(如单质、化合物)无关，因为这些因素都不能改变原子核的结构例4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5730年，试写出C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)11460年解析(1)C的衰变方程为：CeN.(2)C的半衰期T5730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NN0，即0.25N0N0，故2，t11460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，16g的Rn衰变后还剩1g.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T3.8天，解得t3.84天15.2天.1(天然放射现象的认识)(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CD2(衰变规律的理解)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衰变过程中共发生了7次衰变和4次衰变C衰变过程中共发生了4次衰变和7次衰变D衰变前比衰变后所有物质的质量数减少答案B解析依题意有：23720928，由2847就可知道发生了7次衰变，发生衰变次数为：72x9383，x4，即发生了4次衰变，B正确，C错误；它们中子数分别为：23793144,20983126，中子数之差为：14412618，故A错误；根据衰变规律可知，反应前后质量数守恒，D错误3(半衰期的理解)关于半衰期，下列说法正确的是()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4(半衰期的理解及计算)(多选)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约5700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5700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5700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，即放出射线，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、选择题考点一天然放射现象及三种射线1(多选)下列哪些现象能说明射线来自原子核()A三种射线的能量都很高B射线的强度不受温度、外界压强等物理条件的影响C元素的放射性与所处的化学状态(单质、化合态)无关D射线、射线都是带电的粒子流答案BC解析能说明射线来自原子核的证据是元素的放射性与其所处的化学状态和物理状态无关，B、C正确2在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是()A射线的贯穿作用B射线的电离作用C射线的贯穿作用D射线的中和作用答案B解析由于粒子电离作用较强，能使空气分子电离，电离产生的电荷与带电体的电荷中和，使带电体所带的电荷很快消失3(多选)天然放射性物质的射线包含三种成分，下列说法中正确的是()A射线的本质是高速氦核流B射线是不带电的光子流C三种射线中电离作用最强的是射线D一张厚的黑纸可以挡住射线，但挡不住射线和射线答案AD解析射线的本质是高速氦核流，射线是高速电子流，A正确，B错误三种射线中电离作用最强的是射线，C错误；一张厚的黑纸可以挡住射线，但挡不住射线和射线，D正确4如图1所示，放射性元素镭衰变过程中释放出、三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是()图1A表示射线，表示射线B表示射线，表示射线C表示射线，表示射线D表示射线，表示射线答案C解析射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故和表示射线，A、B、D项错；射线中的粒子为氦原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故表示射线，由左手定则可知在匀强磁场中射线向左偏，故表示射线，C项对考点二原子核的衰变5(多选)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6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7一个原来静止的U原子核，辐射出粒子，它的两个产物在垂直于它们速度方向的匀强磁场中运动，它们的轨迹和运动方向(图中用箭头表示)可能是下图中哪一个()答案D解析由于发生的是衰变，产物是两个带正电的粒子，根据动量守恒Mv1mv0知这两个新核的运动方向相反，受到的洛伦兹力方向相反，即轨迹应该是外切圆，再利用左手定则，判断洛伦兹力方向，由r知rr新，D正确8(多选)U是一种放射性元素，能够自发地进行一系列放射性衰变，如图2所示，可以判断下列说法正确的是()图2A图中a是84，b是206BY是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的CY和Z是同一种衰变D从X衰变中放出的射线电离性最强答案AC解析Bi衰变成Po，质量数不变，可知发生的是衰变，则电荷数多1，可知a84，Bi衰变成Tl，知电荷数少2，发生的是衰变，质量数少4，则b206，故A正确，B错误Z衰变，质量数少4，发生的是衰变，Y和Z是同一种衰变，故C正确从X衰变中放出的射线是射线，电离能力不是最强，故D错误考点三半衰期9(多选)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是()A原子核全部衰变所需要的时间的一半B原子核有半数发生衰变所需要的时间C相对原子质量减少一半所需要的时间D元素质量减半所需要的时间答案BD解析放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间叫做这种元素的半衰期，它与原子核全部衰变所需要的时间的一半不同放射性元素发生衰变后成为一种新的原子核，原来的放射性元素原子核的个数不断减少，当原子核的个数减半时，该放射性元素的原子核的总质量也减半，故选项B、D正确10(多选)下列关于放射性元素的半衰期的说法中正确的是()A同种放射性元素，在化合物中的半衰期比在单质中长B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C氡的半衰期是3.8天，若有4g氡原子核，则经过7.6天就只剩下1g氡D氡的半衰期是3.8天，若有4个氡原子核，则经过7.6天就只剩下一个答案BC解析放射性元素的半衰期由核内部因素决定，跟原子所处的物理状态和化学状态无关，它是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，A、D错误，B正确；氡的半衰期是3.8天，则4 g氡原子核经7.6天剩余质量MM04 g1 g，C正确二、非选择题11(原子核的衰变与动量守恒定律的综合应用)天然放射性铀(U)发生衰变后产生钍(Th)和另一种新核(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，以v的方向为正方向由动量守恒定律，得238mv234m4mv，解得vv，方向与铀核速度方向相同12(三种射线性质及与电场的综合应用)在暗室的真空装置中做如下实验：在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生、三种射线的放射源从放射源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图3所示，在与放射源距离为H高处，水平放置两张叠放着的、涂药品面朝下的印像纸(比一般纸厚且涂有感光药品的纸)，经射线照射一段时间后两张印像纸显影(已知m4u，mu，v，vc)图3(1)上面的印像纸有几个暗斑？各是什么射线的痕迹？(2)下面的印像纸显出一串三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比？(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使射线不偏转，一次使射线不偏转，则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少？答案(1)两个暗斑射线和射线(2)1845(3)101解析(1)因粒子穿透本领弱，穿过下面印象纸的只有射线和射线，射线、射线在上面的印像纸上留下两个暗斑(2)下面印像纸上从左向右依次是射线、射线、射线留下的暗斑设射线、射线留下的暗斑到中央射线留下暗斑的距离分别为x、x.则对粒子，有xat2a2，a对粒子，有xat2a2，a联立解得.(3)若使射线不偏转，则qEqvB，所以B，同理，若使射线不偏转，则B.故.