2017-2018学年高中物理教科版选修3-5教师用书：第3章

2.放射性 衰变

学

习 目 标 知 识 脉 络

1.知道什么是放射性及放射性元素．(重点)

2．知道三种射线的本质和特性．(重点、难点)

3．知道原子核的衰变和衰变规律．(重点)

4．知道什么是半衰期．(重点)

天 然 放 射

性 和 衰 变

[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，法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射现象．

2．三种射线

图3­2­1

如图3­2­1所示，让放射线通过强磁场，在磁场的作用下，放射线能分成3束，这表明有3种射线，且它们电性不同．带正电的射线向左偏转，为α射线；带负电的射线向右偏转，为β射线；不发生偏转的射线不带电，为γ射线．

3．放射性衰变

(1)定义：放射性元素自发地蜕变为另一种元素，同时放出射线，这种现象叫做放射性衰变．

(2)衰变形式：常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变为α衰变，放出β粒子的衰变为β衰变，而γ射线是伴随α射线或β射线产生的．

(3)衰变规律

①α衰变：AZX→42He＋A－4Z－2Y.

②β衰变：AZX→ 0－1e＋AZ＋1Y.

在衰变过程中，电荷数和质量数都守恒．

[再判断]

1．放射性元素的放射性都是自发的现象．(√)

2．α射线是由高速运动的氦核组成的，其运行速度接近光速．(×)

3．原子核发生α衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4.(√)

4．原子核发生β衰变时，原子核的质量不变．(×)

5．原子核发生衰变时，质量数和电荷数都守恒．(√)

[后思考]

如图3­2­2是放射性物质放出的射线垂直经过磁场的情形，射线为什么会分成三束？

图3­2­2

【提示】 三种射线的带电情况各不相同，它们在磁场中所受洛伦兹力情况不同，故可分成三束．

1．α、β、γ射线性质、特征比较

射线种类 组成 速度 贯穿本领 电离作用

α射线 α粒子是氦原子核42He 约110c 很小，一张薄纸就能挡住 很强

β射线 β粒子是高速电子流

0－1e 接近c 很大，能穿过几毫米厚的铝板 较弱

γ射线 波长很短的电磁波 等于c 最大，能穿过几厘米厚的铅板 很小

2.三种射线在电场、磁场中偏转情况的比较

(1)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如

图3­2­3所示．

图3­2­3

(2)在匀强电场中，α射线偏离较小，β射线偏离较大，γ射线不偏离，如图所示．

3．衰变

(1)衰变方程

①α衰变：AZX―→A－4Z－2Y＋42He

②β衰变：AZX―→ AZ＋1Y＋0－1e

(2)α衰变和β衰变的实质

①α衰变：210n＋211H―→42He

②β衰变：10n―→11H＋0－1e

(3)衰变次数的计算方法

设放射性元素AZX经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素A′Z′Y，则衰变方程为

AZX―→A′Z′Y＋n42He＋m0－1e

根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程

A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.

以上两式联立解得n＝A－A′4，m＝A－A′2＋Z′－Z.

1．(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α射线，但不能挡住β射线和γ射线

B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核

C．三种射线中γ射线的穿透能力最强

D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子

【解析】 由三种射线的本质和特点可知，α射线穿透本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是一种波长很短的光子，不会使原核变成新核，三种射线中γ射线的穿透能力最强，故C正确，B错误；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确．

【答案】 ACD

2．如图3­2­4所示，放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和

匀强磁场中，其中________是α射线，________是β射线，________是γ射线.

【导学号：22482037】

图3­2­4

【解析】 由放射现象中α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线，③④是α射线．

【答案】 ③④、①⑥、②⑤

3．一置于铅盒中的放射源发射出的α、β和γ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3­2­5所示，则图中的射线a为________射线，射线b为________射线．

图3­2­5

【解析】 在三种射线中，α射线带正电，穿透能力最弱，γ射线不带电，穿透能力最强，β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γ射线，b射线应为β射线．

【答案】 γ β

4．(多选)原子核238 92U经放射性衰变①变为原子核234 90Th，继而经放射性衰变②变为原子核234 91Pa，再经放射性衰变③变为原子核234 92U.下列选项正确的是( )

A．①是α衰变 B．②是β衰变

C．③是β衰变 D．③是γ衰变

【解析】 238 92U①→234 90Th，质量数少4，电荷数少2，说明①为α衰变. 234 90Th②→234 91Pa，质子数加1，质量数不变，说明②为β衰变，中子转化成质子. 234 91Pa③→234 92U，质子数加1，质量数不变，说明③为β衰变，中子转化成质子．

【答案】 ABC

5．原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线．这些射线共有三种：α射线、β射线和γ射线．下列说法中正确的是( )

A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4

B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4

C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1

D．原子核放出γ射线时，原子序数不变

【解析】 发生一次α衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，核电荷数、原子序数增加1，γ射线是光子．

【答案】 D

6.238 92U核经一系列的衰变后变为206 82Pb核，问：

【导学号：22482038】

(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？

(2)206 82Pb与238 92U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．

【解析】 (1)设238 92U衰变为206 82Pb经过x次α衰变和y次β衰变．由质量数守恒和电荷数守恒可得

238＝206＋4x ①

92＝82＋2x－y ②

联立①②解得x＝8，y＝6

即一共经过8次α衰变和6次β衰变．

(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故206 82Pb较238 92U质子数少10，中子数少22.

(3)衰变方程为238 92U→206 82Pb＋842He＋6 0－1e

【答案】 (1)8次α衰变和6次β衰变 (2)10 22

(3)238 92U→206 82Pb＋842He＋6 0－1e

1．三种射线的比较方法

(1)知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种．

(2)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α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线．

(3)α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强．

2．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α衰变质子数、中子数均减少2.

(3)每发生一次β衰变中子数减少1，质子数增加1.

半

衰

期

[先填空]

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．决定因素

放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系．不同的放射性元素，半衰期不同．

3．应用

利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间．

[再判断]

1．半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢．(√)

2．半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律．(√)

3．对放射性元素加热时，其半衰期缩短．(×)

[后思考]

放射性元素衰变有一定的速率．镭226衰变为氡222的半衰期为1 620年，有人说：10

g镭226经过1 620年有一半发生衰变，镭226还有5 g，再经过1 620年另一半镭226也发生了衰变，镭226就没有了．这种说法对吗？为什么？

【提示】 不对．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做这种元素的半衰期．经过第二个1 620年后镭226还剩2.5 g.

1．对半衰期的理解：半衰期表示放射性元素衰变的快慢．

2．半衰期公式：N余＝N原12tτ，m余＝m012tτ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，τ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，半衰期只适用于大量的原子核．

7．(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的比例持续减少．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( )