原子核衰变及半衰期

原子核稳定性核衰变和半衰期原子核稳定性、核衰变和半衰期原子核稳定性、核衰变和半衰期是核物理学中重要的概念。

了解这些概念有助于我们理解放射性物质的特性以及核能的应用。

本文将对原子核稳定性、核衰变以及半衰期进行详细介绍。

一、原子核稳定性原子核由质子和中子组成，稳定的原子核通常具有适当的质子-中子比例。

在原子核中，质子间的电荷排斥力相互作用力大于吸引力，因此质子间的排斥力趋向于不稳定。

中子通过强相互作用力中和了质子间的排斥力，使得原子核保持相对稳定。

原子核稳定性受到质子数和中子数的影响。

通常情况下，质子数和中子数相近的原子核更稳定。

例如，氢-1核只有一个质子和零个中子，属于最稳定的核。

而质子数和中子数相差很大的核则相对不稳定。

当原子核的质子数较大时，需要更多的中子来中和质子间的排斥力，以保持相对稳定。

二、核衰变核衰变是指原子核自发地释放能量或粒子，以达到更稳定的状态。

核衰变可以通过以下三种方式发生：α衰变、β衰变和γ衰变。

1. α衰变：在α衰变中，原子核释放一个α粒子，即两个质子和两个中子的组合。

α粒子相当于一个氦离子，带有两个正电荷。

α衰变会使原子核的质子数和中子数减少，因此原子核的质量数会减少4个单位。

2. β衰变：在β衰变中，中子转变为质子或质子转变为中子。

这一过程会伴随着释放一个带有电荷的β粒子。

电子形式的β粒子表示为β-衰变，而正电子形式的β粒子表示为β+衰变。

β衰变会改变原子核的质子数或中子数，从而改变元素的化学特性。

3. γ衰变：在α或β衰变之后，原子核可能处于激发态。

为了回到基态，原子核释放出一个光子，即γ射线。

γ衰变并不改变原子核的质子数和中子数，只是释放能量。

三、半衰期半衰期是用来描述特定核衰变过程中原子核数量减少一半所需的时间。

半衰期是一个固定的时间间隔，与某种放射性物质的特性相关。

半衰期是放射性物质的重要特征之一，它决定了放射性衰变的速率。

不同的放射性物质具有不同的半衰期，从几微秒到数亿年不等。

2放射性元素的衰变第1课时原子核的衰变半衰期[学习目标] 1.知道什么是α衰变和β衰变，能运用衰变规律写出衰变方程.2.知道半衰期的概念和半衰期的统计意义，能利用半衰期公式进行简单计算．一、原子核的衰变1．定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，而变成另一种原子核的变化．2．衰变类型(1)α衰变：原子核放出α粒子的衰变．进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2，238 92U的α衰变方程：238 92U→234 90Th＋42He.(2)β衰变：Th的β衰变方程：原子核放出β粒子的衰变．进行β 衰变时，质量数不变，电荷数加1，23490234Th→234 91Pa＋0－1e.903．衰变规律：电荷数守恒，质量数守恒．二、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．3．适用条件：半衰期描述的是统计规律，不适用于少数原子核的衰变．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)β衰变是原子核外电子的电离．(×)(3)把放射性元素放在低温处，可以减缓放射性元素的衰变．(×)(4)某原子核衰变时，放出一个β粒子后，原子核的中子数少1，原子序数少1.(×)(5)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、原子核的衰变导学探究如图1为α衰变、β衰变示意图．图1(1)当原子核发生α衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？(2)当发生β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(1)α衰变时，质子数减少2，中子数减少2.(2)β衰变时，新核的核电荷数增加1.新核在元素周期表中的位置向后移动一位．知识深化原子核衰变的理解衰变类型α衰变β衰变衰变方程A Z X→A－4Z－2Y＋42He A Z X→ A Z+1Y＋0－1e衰变实质2个质子和2个中子结合成氦核211H＋210n→42He1个中子转化为1个质子和1个电子10n→11H＋0－1e典型方程238 92U→234 90Th＋42He234 90Th→234 91Pa＋0－1e衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒命题角度1衰变规律的理解(多选)(2020·襄阳市第一中学高二月考)放射性元素238 92U衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成210 83Bi，而210 83Bi可以经一次衰变变成210a X(X代表某种元素)，也可以经一次衰变变成b 81Tl，210a X和b 81Tl最后都变成206 82Pb，衰变路径如图2所示．则()图2A．a＝82，b＝211B.210 83Bi→210a X是α衰变，210 83Bi→b 81Tl是β衰变C.210a X→206 82Pb是α衰变，b 81Tl→206 82Pb是β衰变D.b 81Tl经过一次β衰变变成206 82Pb答案CD解析21083Bi经过一次衰变变成210a X，质量数没有发生变化，为β衰变，即210 83Bi→210a X＋0－1e，解得a＝84；210 83Bi经过一次衰变变成b 81Ti，核电荷数少2，为α衰变，即210 83Bi→b81Tl＋42He，解得b＝206，故A、B错误．结合A、B可知21084X→20682Pb＋42He，是α衰变；206 81Tl→206 82Pb＋0－1e，是β衰变，故C、D正确．命题角度2衰变次数的计算(2021·新疆昌吉回族自治州高二期中)由于放射性元素237 93Np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237 93Np经过一系列α衰变和β衰变后变成209 83Bi，下列判断中正确的是()A.209 83Bi的原子核比237 93Np的原子核少28个中子B.209 83Bi的原子核比237 93Np的原子核少8个中子C．衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变D．衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变答案 C解析209 83Bi的原子核有209－83＝126个中子；237 93Np的原子核有237－93＝144个中子，则209Bi的原子核比237 93Np的原子核少18个中子，选项A、B错误；由237－209＝4x,93－2x＋y 83＝83可得x＝7，y＝4，即衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变，选项C正确，D 错误．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)方法：设放射性元素A Z X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.(2)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因为β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β衰变的次数．二、半衰期导学探究如图3为始祖鸟的化石，美国科学家维拉·黎比运用了半衰期的原理发明“碳－14计年法”，并因此荣获了1960年的诺贝尔奖．利用“碳－14计年法”可以估算出始祖鸟的年龄．图3(1)为什么能够运用半衰期来计算始祖鸟的年龄？(2)若有10个具有放射性的原子核，经过一个半衰期，则一定有5个原子核发生了衰变，这种说法是否正确，为什么？答案(1)半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．能够运用它来计算始祖鸟的年龄是因为半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关．(2)这种说法是错误的，因为半衰期描述的是大量放射性元素衰变的统计规律，不适用于少量原子核的衰变．知识深化对半衰期规律的理解半衰期定义放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间衰变规律N余＝N原12tτ⎛⎫⎪⎝⎭，m余＝m原12tτ⎛⎫⎪⎝⎭式中N原、m原分别表示衰变前的原子核数和质量，N余、m余分别表示衰变后的尚未发生衰变的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．影响因素由原子核内部因素决定，跟原子所处的外部条件、化学状态无关半衰期规律是对大量原子核衰变行为作出的统计结果，可以对大量原子核衰变行为进行预测，而单个特定原子核的衰变行为不可预测(2020·扬州市江都区大桥高级中学高二期中)下列有关半衰期的说法中正确的是( )A ．所有放射性元素都有半衰期，其半衰期的长短与元素的质量有关B ．半衰期是放射性元素有半数核子发生衰变所需要的时间C ．一块纯净的放射性元素矿石，经过一个半衰期后，它的总质量仅剩下一半D ．放射性元素在高温和高压下，半衰期变短，在与其他物质组成化合物时半衰期要变长 答案 B解析 放射性元素的半衰期由原子核内部因素决定，与所处的化学状态和外部条件无关，故A 、D 错误；半衰期是放射性元素有半数核子发生衰变所需要的时间，故B 正确；一块纯净的放射性元素矿石，经过一个半衰期后，其中该放射性元素的原子的个数剩下一半，但衰变后的产物仍然存在于矿山中，所以它的总质量要大于原来的一半，故C 错误．(2021·太原市山西大学附中高二模拟)一块铀矿石中含238 92U 的质量为m ，铀衰变后生成铅206 82Pb ，23892U 的半衰期为T .则下列说法中正确的是( )A ．一个238 92U 原子核中含有92个中子B ．加热该铀矿石能使铀核衰变速度变快C ．经过2T 时间后该矿石中238 92U 的质量还剩m 4D ．400个238 92U 原子核经半衰期T 后还剩余200个 答案 C解析 一个238 92U 原子核中含有92个质子，中子个数为238－92＝146个，故A 错误；半衰期是由放射性元素本身决定的，与环境的温度无关，故B 错误；总质量m 、衰变后238 92U 的质量m 1、衰变时间、半衰期之间关系为m 1＝m (12)n ，n 为半衰期次数，经过2T 剩余238 92U 为m 1＝m (12)2＝14m ，故C 正确；半衰期是对大量原子核的统计规律，对少数的原子核不适用，故D 错误．1．(衰变规律)放射性同位素钍232 90Th 经一系列α、β衰变后生成氡220 86Rn ，以下说法正确的是( )A ．每经过一次α衰变原子核的质量数会减少2B ．每经过一次β衰变原子核的质子数会增加1个C ．放射性元素钍232 90Th 的原子核比氡22086Rn 原子核的中子数少4个 D ．钍232 90Th 衰变成氡220 86Rn 一共经过2次α衰变和3次β衰变 答案 B解析 每经过一次α衰变，原子的核电荷数减少2，质量数减少4，故A 错误；每经过一次β衰变，原子的核电荷数增加1，质量数不变，质子数等于核电荷数，则质子数增加1个，故B 正确；元素钍232 90Th 的原子核的质量数为232，质子数为90，则中子数为142，氡22086Rn 原子核的质量数为220，质子数为86，则中子数为134，可知放射性元素钍232 90Th 的原子核比氡220 86Rn原子核的中子数多8个，故C 错误；钍232 90Th 衰变成氡22086Rn ，可知质量数减少12个，电荷数减少4个，因为经过一次α衰变，电荷数减少2个，质量数减少4个，经过一次β衰变，电荷数增加1个，质量数不变，可知经过3次α衰变，2次β衰变，故D 错误．2．(衰变次数)(2021·河北邯郸市高二期中)原子核238 92U 在天然衰变为20682Pb 的过程中，所经过的α衰变次数、质子数减少的个数、中子数减少的个数依次为( ) A ．8、10、22 B ．10、22、8 C ．22、8、10 D ．8、22、10答案 A解析 α衰变的次数x α＝238－2064＝8，β衰变的次数x β＝2x α－(Z 1－Z 2)＝6，质子数减少了y H ＝2x α－x β＝2×8－6＝10，中子数减少了y n ＝2x α＋x β＝22，故选A. 3．(半衰期的理解)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有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本身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关，故A 正确，B 、C 、D 错误．4．(半衰期公式的应用)(2020·平顶山市第一中学高二开学考试)一质量为M 的矿石中含有放射性元素钚，其中钚238的质量为m ，已知钚的半衰期为88年，那么下列说法中正确的是( ) A ．经过176年后，这块矿石中基本不再含有钚 B ．经过176年后，有14m 钚元素发生了衰变C ．经过88年后该矿石的质量为M －12mD ．经过264年后，钚元素的质量还剩18m答案 D解析 半衰期的公式为m 余＝m 原112.τ⎛⎫⎪⎝⎭半衰期表示有一半原子核发生衰变的时间，经过176年后，也就是2个半衰期，则还剩14m 的原子核没有发生衰变，故A 、B 错误；经过88年后，12m 的钚衰变为另一种元素，但衰变后变成另一种元素的物质仍然留在矿石中，故C 错误；经过264年后，也就是3个半衰期，钚元素的质量还剩18m ，故D 正确.考点一 原子核的衰变1．一个放射性原子核发生一次β衰变，则它的( ) A ．质子数减少1，中子数不变 B ．质子数增加1，中子数不变 C ．质子数增加1，中子数减少1 D ．质子数减少1，中子数增加1 答案 C解析 β衰变的实质是一个中子转化成一个质子和一个电子，故中子数减少1，而质子数增加1，A 、B 、D 错误，C 正确． 2．(多选)下列说法中正确的是( )A ．α粒子带正电，α射线是从原子核中射出的B ．β粒子带负电，所以β粒子有可能是核外电子C ．γ射线是光子，所以γ射线有可能是原子核发光产生的D ．α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的 答案 AD解析 α衰变的实质是原子核中的两个质子和两个中子结合在一起形成一个氦核发射出来，β衰变的实质是原子核内的一个中子转化成一个质子和一个电子，然后释放出电子，γ射线是伴随α衰变和β衰变产生的，所以这三种射线都是从原子核内部释放出来的，A 、D 正确． 3．(多选)有些建材中的放射性物质会释放出α、β、γ射线，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是( )A ．发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，核内质量数减少2B ．发生β衰变时，生成核与原来的原子核相比，核内中子数减少1C ．β射线是原子的核外电子电离后形成的电子流D．在这三种射线中γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱答案BD解析α衰变是两个质子与两个中子作为一个整体从原子核中辐射出来，所以发生α衰变时，核内质量数减少4，选项A错误；β衰变是原子核内一个中子转化成一个质子和一个电子，所以发生β衰变时，核内中子数减少1，核子数不变，β射线是原子核内发射的电子流，选项B正确，选项C错误；由三种射线性质可得，选项D正确．4．下列表示放射性元素碘131(131 53I)β衰变的方程是()A.131 53I→127 51Sb＋42HeB.131 53I→131 54Xe＋0－1eC.131 53I→130 53I＋10nD.131 53I→130 52Te＋11H答案 B解析β衰变是原子核自发地释放一个β粒子(即电子)产生新核的过程，原子核衰变时质量数与电荷数都守恒，结合选项分析可知，选项B正确．5．(2020·临沂市第一中学高二月考)放射性同位素钍232经多次α、β衰变，其衰变方程为232Th→220 86Rn＋xα＋yβ，其中()90A．x＝1，y＝3 B．x＝2，y＝3C．x＝3，y＝1 D．x＝3，y＝2答案 D解析由质量数和电荷数守恒可得：4x＋220＝232,2x－y＋86＝90，解得x＝3，y＝2，选D. 考点二半衰期6．(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．该元素原子核的总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作这种元素的半衰期，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，当原来的放射性元素的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．7．(2021·浙江绍兴市高二期末)某原子研究实验室发生放射性同位素泄漏事故．已知该元素的半衰期为3天，总放射量为人体最大允许量的8倍，则研究人员至少需等待几天后才能进入该实验室()A．3天B．6天C．9天D．12天答案 C解析 设放射性同位素的总量为N ，则人体最大允许量为N8，半衰期为T ＝3天，由半衰期公式可知 N 余＝12tTN ⎛⎫⎪⎝⎭故当N 余＝N 8时，可得tT ＝3故有t ＝3T ＝9天即研究人员至少需等待9天后才能进入该实验室． 故选C.8．(多选)活体生物由于需要呼吸，其体内的14C含量大致不变，死后停止呼吸，体内的14C含量开始减少．由于碳元素在自然界的各个同位素的比例一直都很稳定，人们可通过测定古木的14C 含量，来估计它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法.14C 衰变为14N的半衰期约为5 730年，某古木样品中14C 的比例约为现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是( )A ．该古木的死亡时间约为5 730年B ．14C 与14N 具有相同的中子数 C ．14C 衰变为14N 的过程中放出β射线D ．升高古木样品所处环境的温度将加速14C 的衰变 答案 AC解析 设原来14C 的质量为M 0，衰变后剩余质量为M ，则有M ＝M 0(12)n ，其中n 为发生半衰期的次数，由题意可知剩余质量为原来的12，故n ＝1，所以死亡时间为5 730年，故A 正确；14C的中子数是8个，14N 的中子数是7个，故B 错误；14C 衰变为14N 的过程中质量数没有变化，而核电荷数增加1，是14C 中的一个中子变成了一个质子和一个电子，放出β射线，故C 正确；放射元素的半衰期与物理环境以及化学环境无关，故D 错误．9．(多选)钍23490Th 具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤234 91Pa ，同时伴随有γ射线产生，其方程为234 90Th →234 91Pa ＋X ，钍的半衰期为24天，则下列说法中正确的是( ) A ．X 为质子 B ．X 为电子C ．X 是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的D ．1 g 钍234 90Th 经过120天后还剩0.312 5 g 答案 BC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，B 正确；发生β衰变时释放的电子是由钍核内一个中子转化成一个质子时产生的，故C 正确；钍的半衰期为24天，经过120天即经过5个半衰期，故1 g 钍234 90Th 经过120天后还剩0.031 25 g ，故D 错误．10．放射性同位素的衰变能转换为电能，将某种放射性元素制成“放射性同位素电池”(简称同位素电池)，带到火星上去工作，已知火星上的温度、压强等环境因素与地球有很大差别．该放射性元素到火星上之后，半衰期________(选填“变大”“变小”或“不变”)．若该放射性元素的半衰期为T 年，经过2T 年，质量为m 的该放射性元素还剩余的质量为________． 答案 不变 0.25m解析 放射性元素的半衰期与外界条件无关，则放射性元素到火星上之后，半衰期不变．经过2T 年，质量为m 的该放射性元素还剩余的质量为m 余＝m (12)2＝14m ＝0.25m .11．(2021·辽宁高二期中)核电池又叫“放射性同位素电池”，它是通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线，把热能转变为电能而制造成的．核电池已成功地用作航天器的电源、心脏起搏器电源和一些特殊军事用途．已知“嫦娥四号”上有一块备用的核燃料电池，核燃料为238 94Pu ，其半衰期为88年，238 94Pu 的衰变方程为238 94Pu →234 m X ＋n 2Y ，下列说法正确的是( )A.238 94Pu 核比X 核多4个中子 B ．该元素衰变的速度随所处环境的压强和温度的变化而发生变化 C ．任意一个238 94Pu 原子核发生衰变的时间都是88年D ．该衰变的类型为α衰变，其实质是原子核内部两个质子和两个中子结合成一个α粒子从原子核中放射出来 答案 D解析 由衰变方程质量数和电荷数守恒，可知m ＝92，n ＝4，故238 94Pu 中子数为238－94＝144，X 中子数为234－92＝142，238 94Pu 核比X 核多2个中子，A 错误；由衰变的快慢性质知，它由核本身的因素决定，而与原子所处的物理状态、温度、压强、速度、受力和化学状态无关，B 错误；衰变规律是统计规律，只适用于大量原子核，对少数的原子核不适用，不能由半衰期推算任意一个238 94Pu 的衰变时间，C 错误；是发生了α衰变，即42Y 为42He ，α粒子从原子核中射出，D 正确．12．(多选)(2021·山东滨州市高二期中)如图1所示，P 为匀强磁场中一点，某放射性元素的原子核静止在P 点，该原子核发生衰变后，放出一个氦核(42He)和一个新核，它们速度方向与磁场垂直，其轨迹均为圆弧，半径之比为45∶1，重力、阻力和氦核与新核间的库仑力均不计．下列说法正确的是( )图1A ．放射性元素原子核的电荷数是90B ．可能的衰变方程为238 92U →234 90Th ＋42HeC ．氦核和新核动量比是1∶45D ．衰变前核的质量数等于衰变后氦核和新核的总质量数答案 BD解析 放出氦核(42He)和新核的过程，系统的动量守恒，则有m 氦v 氦＝m 新v 新，所以氦核和新核动量比是1∶1，则C 错误；由于放出的氦核(42He)和新核在磁场中做匀速圆周运动，根据洛伦兹力提供向心力有Bq v ＝m v 2R ，解得R ＝m v Bq，则它们的轨道半径与它们所带的电荷量成反比，所以q 氦∶q 新＝1∶45，则新核所带的电荷数为90，由于核反应过程电荷数、质量数守恒，则放射性元素原子核的电荷数是92，所以可能的衰变方程为238 92U →234 90Th ＋42He ，所以A错误，B 、D 正确．13．(多选)(2020·修水县第五中学高二月考)如图2甲所示，国际原子能机构2007年2月15日公布了核辐射警示新标志，新标志为黑框红底三角，内有一个辐射波标记：一个骷髅头标记和一个逃跑的人形．核辐射会向外释放3种射线：α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，现有甲、乙两个原子核，原来都静止在同一匀强磁场中，其中一个核放出一个α粒子，另一个核放出一个β粒子，得出图乙所示的4条径迹，则( )图2A ．磁场的方向一定垂直于纸面向里B ．甲核放出的是α粒子，乙核放出的是β粒子C ．a 为α粒子的径迹，d 为β粒子的径迹D ．b 为α粒子的径迹，c 为β粒子的径迹答案 BD解析 根据左手定则分析，磁场的方向无论是垂直纸面向里还是垂直纸面向外，在匀强磁场中的轨迹形状一样，A 错误；衰变过程满足动量守恒，粒子与新核的动量大小相等，方向相反，根据带电粒子在磁场中运动不难分析，若轨迹为外切圆，则为α衰变，所以甲核放出的是α粒子，乙核放出的是β粒子，B 正确；由于衰变过程动量守恒，初状态总动量为零，所以末状态两粒子动量大小相等，又由R ＝m v qB知半径与电荷量成反比，所以b 为α粒子的径迹，c 为β粒子的径迹，C 错误，D 正确．14．天然放射性铀(238 92U)发生衰变后产生钍(234 90Th)和另一个原子核．(1)请写出衰变方程；(2)若衰变前铀(238 92U)核的速度为v ，衰变产生的钍(234 90Th)核的速度为v 2，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)238 92U →234 90Th ＋42He (2)1214v ，方向与铀核速度方向相同 解析 (1)由原子核衰变时电荷数和质量数都守恒可得其衰变方程为：238 92U →234 90Th ＋42He.(2)由(1)知新核为氦核，设氦核的速度为v ′，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 ，由动量守恒定律，得238m v ＝234m ·v 2＋4m v ′， 解得v ′＝1214v ，方向与铀核速度方向相同．。

物理鲁科版选择性必修第三册教案第5章原子核与核能第2节原子核衰变及半衰期【教学目标】1、知道衰变的概念及规律。

2、知道三种射线的特征，以及如何利用磁场区分它们。

3、知道原子核的组成，会正确书写原子核符号，知道核子和同位素的概念。

【教学重难点】1、天然放射现象及其规律，原子核的组成。

2、知道三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们。

【教学过程】一、原子核的衰变研究表明，原子序数大于83的所有元素都能自发的放出射线，而变成另一种元素的原子核，这种现象叫衰变。

1．概念：原子核由于放射出某种粒子而转变为新核的变化，叫做原子核的衰变。

在衰变中电荷数和质量数都守恒。

2．α衰变和β衰变原子核放出α粒子的衰变叫作α衰变；原子核放出β粒子的衰变叫作β衰变。

γ射线是伴随着α衰变或β衰变而产生的能量很高的电磁波。

3．核衰变方程某种放射性元素的原子核衰变时，放出的是α射线还是β射线，要通过实验观察来确定，而衰变过程可用核反应方程表示出来。

如，铀238核放出一个α粒子后，变成新核钍234核，这种衰变叫α衰变，这个过程可用下面的核反应方程表示出来：又如：钍234核具有放射性，它放射出一个β粒子，变成新核鏷234，这种衰变叫β衰变。

这个过程可用下面的核反应方程表示出来：说明：1、写核反应方程的基本原则：以事实为依据；质量数守恒、电荷数守恒。

2、α衰变方程和β衰变方程书写通式：3、β衰变发射出来的电子，是原子核内的中子转化为一个质子和一个电子后，把产生的电子发射出来，这就是β衰变。

二、衰变的快慢--半衰期（一）放射性元素衰变有一个重要规律：即，放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间对某种元素的原子核来说是一定的，这个时间叫半衰期。

1．概念：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫半衰期。

如，氡222经过α衰变变为钋218，如果隔一段时间测量一次剩余氡的数量就会发现，大约每经过3.8天，就有一半的氡发生了衰变。

2．公式其中N0为放射性元素原子核样品总数目，N为经时间t剩余的放射性元素的原子核数目，τ为该放射性元素的半衰期。

原子核的衰变与半衰期计算在物理学中，原子核衰变是指原子核内的粒子发生变化的过程。

原子核衰变是放射性衰变的一种形式，常见的衰变方式有α衰变、β衰变和γ衰变。

衰变过程中，原子核会释放出放射性粒子或能量，从而转变成另一种原子核。

首先，来看α衰变。

α衰变是指原子核中释放出α粒子（即氦离子），转变成质量数为4、电荷数为2的另一个原子核的过程。

在α衰变中，原子核的质量数减少4，电荷数减少2。

α衰变的过程可以用以下方程式表示：A → A-4 + 4He其中A表示质量数，4He表示氦离子。

例如，铀-238的α衰变过程如下：238U → 234Th + 4He接下来，我们来看β衰变。

β衰变有两种形式，β-衰变和β+衰变。

β-衰变是指原子核中的一个中子转变成质子，同时释放出一个电子和一个反中微子。

β+衰变则是指原子核中的一个质子转变成中子，同时释放出一个正电子和一个中微子。

β衰变的过程可以用以下方程式表示（以β-衰变为例）：n → p + e- + v其中n表示中子，p表示质子，e-表示电子，v表示反中微子。

例如，碳-14的β-衰变过程如下：14C → 14N + e- + v最后，我们来看γ衰变。

γ衰变是指原子核处于激发态时，通过释放出高能光子（即γ射线）来回到基态的过程。

γ衰变不会导致原子核的质量和电荷数发生改变。

γ衰变的过程可以用以下方程式表示：A* → A + γ其中A*表示激发态的原子核，A表示基态的原子核。

例如，铯-137的γ衰变过程如下：137Cs* → 137Cs + γ在研究和应用中，半衰期是一个重要的概念。

半衰期是指在某种衰变方式下，一组核素中一半的原子核衰变所需的时间。

半衰期可以通过衰变速率常数来计算。

对于α衰变、β衰变和γ衰变，其衰变速率常数分别用λα、λβ和λγ表示。

半衰期T可以通过以下公式计算：T = ln(2) / λ其中ln(2)约等于0.693。

需要注意的是，不同的核素在不同的衰变方式下拥有不同的半衰期。

第2节原子核衰变及半衰期学习目标：1.[物理观念]知道原子核的衰变和衰变规律． 2.[物理观念]知道什么是半衰期． 3.[科学态度与责任]了解放射性在生产和科学领域的应用． 4.[科学态度与责任]知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防护放射性的措施，建立防范意识．一、原子核的衰变、半衰期1．衰变：原子核由于放出α射线或β射线而转变为新核的变化．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Y．(1)α衰变：A Z X→42He＋A－4Z－2(2)β衰变：A Z X→0－1e＋A Z＋1Y．在衰变过程中，电荷数和质量数都守恒．4．衰变的快慢——半衰期(1)放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫作半衰期．(2)元素半衰期的长短由原子核自身因素决定，与原子所处的物理、化学状态以及周围压强、温度无关．二、放射性的应用1．放射性同位素的应用主要分为两类：一是利用射线的电离作用、穿透能力等性质；二是作为示踪原子．2．射线特性的利用(1)辐射育种、食品辐射保存、放射性治疗等．(2)放射性同位素电池：把放射性同位素衰变时释放的能量转换成电能的装置．(3)γ射线探伤：利用了γ射线穿透能力强的特点．3．作为示踪原子：用仪器探测放射性同位素放出的射线，可以查明放射性元素的行踪，好像带有“标记”一样．人们把具有这种用途的放射性同位素叫作示踪原子．三、放射性污染和防护1．放射性污染的主要来源(1)核爆炸．(2)核泄漏．(3)医疗照射．2．为了防止放射线的破坏，人们主要采取以下措施(1)密封防护．(2)距离防护．(3)时间防护．(4)屏蔽防护．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)利用放射性同位素放出的γ射线可以给金属探伤．(√)(2)利用放射性同位素放出的射线消除有害的静电积累．(√)(3)利用放射性同位素放出的射线保存食物．(√)(4)医疗照射是利用放射性，对人和环境没有影响．(×)(5)原子所处的周围环境温度越高，衰变越快．(×)2．(多选)下列关于放射性同位素的一些应用的说法正确的是()A．利用放射性消除静电是利用射线的穿透作用B．利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用C．利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异D．放射性同位素的半衰期是相同的BC[消除静电是利用射线的电离作用使空气导电，A错误；探测机器部件内部的砂眼或裂纹和改良品种分别是利用它的穿透作用和射线可使DNA发生变异，B、C正确；不同的放射性同位素的半衰期是不同的，D错误．] 3．(多选)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是()A．是放射源质量减少一半所需的时间B．是原子核半数发生衰变所需的时间C．与外界压强和温度有关D．可以用于测定地质年代、生物年代等BD [原子核的衰变是由原子核的内部因素决定的，与外界环境无关．原子核的衰变有一定的速率，每隔一定的时间即半衰期，原子核就衰变掉总数的一半．不同种类的原子核，其半衰期也不同，若开始时原子核数目为N 0，经时间t 剩下的原子核数目为N ，半衰期为T ，则N ＝N 0⎝ ⎛⎭⎪⎫12t T ．若能测出N 与N 0的比值，就可求出t ，依此公式可测定地质年代、生物年代等．故正确答案为B 、D ．]你知道考古学家靠什么推断古化石的年代吗？提示：只要测出古化石中14C 的含量，就可以根据14C 的半衰期推断古化石α衰变：原子核内两个质子和两个中子结合成一个α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α衰变．210n ＋211H→42He ． β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β粒子放射出来．10n→11H ＋ 0－1e ． 2．衰变方程通式(1)α衰变：A Z X→A －4Z －2Y ＋42He ．(2)β衰变：A Z X→ A Z ＋1Y ＋ 0－1e ． 3．确定原子核衰变次数的方法与技巧(1)方法：设放射性元素A Z X 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：A Z X→A ′Z ′Y ＋n 42He ＋m 0－1e ． 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 ． 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α衰变的次数(这是因为β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β衰变的次数．【例1】 238 92U 核经一系列的衰变后变为206 82Pb 核，问：(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？(2)206 82Pb 与238 92U 相比，质子和中子数各少多少？(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,92＝82＋2x －y ，联立解得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，中子数少1，而质子数增1，故206 82Pb 较238 92U 质子数少10，中子数少22．(3)核反应方程为238 92U→206 82Pb ＋842He ＋6 0－1e ．[答案] (1)8次α衰变，6次β衰变 (2)10 22 (3)见解析分析衰变次数的解题步骤(1)先根据已知条件，表示出初、末原子核的符号．如A Z X 、A ′Z ′Y 等．(2)根据衰变规律，写出核反应方程，衰变次数用未知数表示．如：A Z X→A ′Z ′Y ＋m 42He ＋n 0－1e ．(3)根据核反应方程遵循的规律列方程求解未知数．根据反应式得：⎩⎨⎧A ＝A ′＋4m Z ＝Z ′＋2m －n[跟进训练]1．某放射性元素的原子核M Z X 连续经过三次α衰变和两次β衰变，若最后变成另外一种元素的原子核Y ，则该新核的正确写法是( )A ．M －14 Z －2Y B ．M －14 Z －6Y C ．M －12 Z －6Y D ．M －12 Z －4YD [新核的质量数为M ′＝M －12，故A 、B 错误；电荷数Z ′＝Z －6＋2＝Z －4，故C 错误，D 正确．]晋朝初年，南昌人许逊被朝廷任命为旌阳县令，他看到很多老百姓的租税交提示：不能，衰变需要时间．1．常用公式：n ＝N ⎝ ⎛⎭⎪⎫12t T ，m ＝M ⎝ ⎛⎭⎪⎫12tT ． 式中N 、M 表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，n 、m 表示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．意义：表示放射性元素衰变的快慢．3．规律的特征：放射性元素的半衰期是稳定的，由元素的原子核内部因素决定，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．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．5．规律的用途：利用天然放射性元素的半衰期可以估测岩石、化石和文物的年代．【例2】 恒星向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应，当温度达到108 K 时，可以发生“氦燃烧”．(1)完成“氦燃烧”的核反应方程：42He ＋________→84Be ＋γ．(2)84Be 是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16 s ．一定质量的84Be ，经7.8×10－16s 后所剩84Be 占开始时的________．[解析] (1)根据核反应方程和电荷守恒定律可知，42He ＋42He→84Be ＋γ．(2)84Be 的半衰期为2.6×10－16s ，经过7.8×10－16s 后，也就是经过3个半衰期后剩余的质量为m ′＝⎝ ⎛⎭⎪⎫12n m ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫123m ，所剩84Be 占开始时的18． [答案] (1)42He (2)18或12.5%应用半衰期公式m ＝M ⎝ ⎛⎭⎪⎫12t T ，n ＝N ⎝ ⎛⎭⎪⎫12t T 的三点注意 (1)半衰期公式只对大量原子核才适用，对少数原子核是不适用的．(2)明确半衰期公式中m 、M 的含义及二者的关系；n 、N 的含义及二者的关系．(3)明确发生衰变的原子核与新产生的原子核质量之间的比例关系，每衰变一个原子核，就会产生一个新核，它们之间的质量之比等于各自原子核的质量之比．[跟进训练]2．已知A 和B 两种放射性元素的半衰期分别为T 和2T ，则相同质量的A 和B 经过2T 后，剩有的A 和B 质量之比为( )A ．1∶4B ．1∶2C ．2∶1D ．4∶1B [由半衰期含义可知，A 经过两个半衰期剩余的质量为原来的14，B 经过一个半衰期，剩余的质量为原来的12，所以剩余的A 、B 质量之比为1∶2，B 项正确．]放射性同位素的放射强度易于控制，它的半衰期比天然放射性物质短得多，(1)能用α射线来测量金属板的厚度吗？(1)放射强度容易控制．(2)可以制成各种所需的形状．(3)半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理．因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素．2．放射性同位素的主要应用(1)利用它的射线①工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性．②农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等．③医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症．(2)作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置．【例3】(多选)下列说法正确的是()A．给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好B．输油管道漏油时，可以在输的油中放一些放射性同位素探测其射线，确定漏油位置C．天然放射元素也可以作为示踪原子加以利用，只是含量较少，经济上不划算D．放射性元素被植物吸收，其放射性不会发生改变BD[放射性元素与它的同位素的化学性质相同，但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节吸收含有哪种元素的肥料．无论植物吸收含放射性元素的肥料，还是无放射性肥料，植物生长是相同的，A错误；人工放射性同位素，含量易控制，衰变周期短，不会对环境造成永久污染，而天然放射性元素，剂量不易控制、衰变周期长、会污染环境，所以不用天然放射元素，C错误；放射性是原子核的本身性质，与元素的状态、组成等无关，D正确；放射性同位素可作为示踪原子，是因为它不改变元素的化学性质，B正确．]放射性同位素的应用技巧(1)用射线来测量厚度，一般不选取α射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的．(2)给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取γ射线．(3)使用放射线时安全是第一位的．[跟进训练]3．关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是()A．利用射线可以改变布料的性质，使其不再因摩擦而生电，从而达到消除有害静电的目的B．利用γ射线的贯穿能力可以为金属探伤，也可以进行人体的透视C．利用射线照射作物种子可使其DNA发生变异，其结果一定是更优秀的品种D．利用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的伤害D[利用射线消除有害静电是利用射线的电离性，使空气分子电离，将静电中和，选项A错误；γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视，选项B错误；作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优良品种，选项C错误；利用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用，因此要科学地控制剂量，选项D正确．]射线在人们心里是一个恶魔，许多人谈“核”色变，怎样对射线进行有效的放射性物质危险警告标志后的废料，其主要成分为铀238．贫铀炸弹有很强的穿甲能力，而且铀238具有放射性，残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染．人长期生活在该环境中会受到核辐射而易患上皮肤癌和白血病．下列结论正确的是()A．铀238的衰变方程式为23892U→42He＋23490ThB．23892U和23592U互为同位素C．人患皮肤癌和白血病可能是因为核辐射导致了基因突变D．贫铀炸弹的穿甲能力很强，也是因为它的放射性ABC[铀238具有放射性，放出一个α粒子，变成钍234，选项A正确；铀238和铀235质子数相同，故互为同位素，选项B正确；核辐射能导致基因突变，是皮肤癌和白血病的诱因之一，选项C正确；贫铀炸弹的穿甲能力很强，是因为它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀合金组成，袭击目标时产生高温化学反应，所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹，选项D错．] [跟进训练]4．(1)一病人突然昏厥，医生用碘123进行诊断，通过体外跟踪，迅速查出病因这是利用碘123所放出的()A．热量B．α射线C．β射线D．γ射线(2)医生用碘123对病人进行诊断，使其很快恢复健康，碘123的特性是()A．半衰期长，并能迅速从体内清除B．半衰期长，并能缓慢从体内清除C．半衰期短，并能迅速从体内清除D．半衰期短，并能缓慢从体内清除[解析](1)原子核衰变可同时放出α、β、γ射线，α射线是氦核流，β射线是电子流，γ射线是电磁波，α射线与β射线的穿透本领都较弱，这是利用碘123所放出的γ射线．故A、B、C错误，D正确．(2)半衰期由原子核自身因素决定，与所处的状态无关，而医生用碘123进行诊断，原因是其半衰期较短，在较短的时间内可以测量到一定量的放射性，并可迅速从体内消除，避免过度放射对人体造成危害．故C符合题意．[答案](1)D(2)C1．(多选)以下说法正确的是()A．通过原子核的人工转变可以发现和制造新元素B．在人工核反应过程中，质量守恒C．利用示踪原子可以研究生物大分子的结构D．人类一直生活在放射性的环境中ACD[通过原子核的人工转变可以发现和制造新元素，A项正确；在人工核反应过程中，质量数守恒，B项错误；利用示踪原子可以研究生物大分子的结构，C项正确；人类一直生活在放射性的环境中，地球上的每个角落都有射线，D项正确．]2．由原子核的衰变规律可知()A．放射性元素一次衰变可同时产生α射线和β射线B．放射性元素发生β衰变时，新核的化学性质不变C．放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制D．放射性元素发生正电子衰变时，新核质量数不变，核电荷数增加1C[一次衰变不可能同时产生α射线和β射线，只可能同时产生α射线和γ射线或β射线和γ射线；原子核发生衰变后，核电荷数发生了变化，故新核(新的物质)的化学性质也发生改变；发生正电子衰变，新核质量数不变，核电荷数减小1．]3．某放射性原子核A，经一次α衰变成为B，再经一次β衰变成为C，则() A．原子核C的中子数比A少2B ．原子核C 的质子数比A 少1C ．原子核C 的中子数比B 少2D ．原子核C 的质子数比B 少1B [写出核反应方程如下：X Y A→42He ＋X －4Y －2B ，X －4Y －2B→ 0－1e ＋X －4Y －1C ．A 的中子数为X －Y ，B 的中子数为(X －4)－(Y －2)＝X －Y －2，C 的中子数为(X －4)－(Y －1)＝X －Y －3．故C 比A 中子数少3，C 比B 中子数少1，A 、C 均错．A 、B 、C 的质子数分别为Y 、Y －2、Y －1，故C 比A 质子数少1，C 比B 质子数多1，B 对，D 错．]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( ) A ．该古木的年代距今约5 700年B ．12C 、13C 、14C 具有相同的中子数C ．14C 衰变为14N 的过程中放出β射线D ．增加样品测量环境的压强将加速14C 的衰变AC [剩余的碳14占12，表明经过了一个半衰期，A 正确；碳14、13、12的质子数相同，质量数不同，中子数不同，碳14比碳12多两个中子，故B 错误；碳14变为氮14，质量数未变，放出的是电子流，即β射线，C 正确；半衰期不受外界环境影响，D 错误．]5．约里奥—居里夫妇因发现人工放射性同位素而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素3015P 衰变成3014Si 的同时放出另一种粒子，这种粒子是________．3215P 是3015P 的同位素，被广泛应用于生物示踪技术．1 mg 3215P 随时间衰变的关系如图所示，请估算4 mg 的3215P 经多少天的衰变后还剩0.25 mg ．[解析]由核反应过程中电荷数和质量数守恒可写出核反应方程：3015P→3014Si ＋01e，可知这种粒子是正电子．由图像可知3215P的半衰期为14天，4 mg的3215P衰变后还剩0.25 mg，经历了4个半衰期，所以为56天．[答案]正电子56天。

23.2 原子核衰变及半衰期课标要求（1）了解天然放射现象及其规律；（2）知道三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们；（3）知道放射现象的实质是原子核的衰变；（4）知道两种衰变的基本性质，并掌握原子核的衰变规律；（5）理解半衰期的概念。

引入新课本节课我们来学习新的一章：原子核。

本章主要介绍了核物理的一些初步知识，核物理研究的是原子核的组成及其变化规律，是微观世界的现象。

让我们走进微观世界，一起探索其中的奥秘！我们已经知道原子由原子核与核外电子组成。

那原子核内部又是什么结构呢？原子核是否可以再分呢？它是由什么微粒组成？用什么方法来研究原子核呢？人类认识原子核的复杂结构和它的变化规律，是从发现天然放射现象开始的，1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。

居里和居里夫人在贝克勒尔的建议下，对铀和铀的各种矿石进行了深入研究，又发现了发射性更强的新元素。

其中一种，为了纪念她的祖国波兰而命名为钋（Po），另一种命名为镭（Ra）。

一、天然放射现象1、天然放射现象物质放射出α射线、β射线、γ射线的性质，叫做放射性，具有放射性的元素叫放射性元素。

1896年法贝克勒耳首先发现天然放射现象，后居里·夫妇发现钋PO 和镭Ra。

物质发射射线的性质称为放射性(radioactivity)。

元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象，具有放射性的元素称为放射性元素。

2、放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。

3、射线种类与性质那这些射线到底是什么呢？把放射源放入由铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。

在射线经过的空间施加磁场，发现射线①射线分成三束，射线在磁场中发生偏转，是受到力的作用。

这个力是洛伦兹力，说明其中的两束射线是带电粒子。

②根据左手定则，可以判断α射线都是正电荷，β射线是负电荷。

第2节 原子核衰变及半衰期思维激活考古学中是怎样测定出土文物的年代?提示：放射性元素具有一定的衰变速率,不同元素的衰变速率不同,即半衰期是不一样的.根据衰变前后元素的剩余质量的关系:m 余=m 原(21)t/T ,可测出衰变时间t,从而确定出不同的年代.Rn 22286的衰变曲线自主整理一、天然放射现象的发现_______发现天然放射现象,揭开了人类研究原子核结构的序幕.通过对天然放射现象的研究,人们发现原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性,原子序数小于83的天然存在的元素有些也具有放射性,它们放射出来的射线共有三种. 1.α射线:速度约为光速的_______,贯穿作用_______,电离作用_______ 2.β射线:速度接近光速的_______,贯穿作用_______,电离作用_______. 3.γ射线:波长极短的电磁波,γ粒子就是光子,贯穿作用_______,电离作用_______.二、原子核的衰变1.定义:原子核自发地放出某种粒子而转变为_______的变化叫做原子核的_______.2.分类(1)α衰变:α衰变的实质是其元素的原子核同时放出由_______质子和_______中子组成的粒子(即氦核),每发生一次α衰变,新元素与原元素比较,核电荷数减少,质量数减少_______,即_______.(2)β衰变:β衰变的实质是其元素的原子核内的一个_______变成_______时放射出一个电子.每发生一次β衰变,新元素与原元素比较,核电荷数增加_______,质量数_______.即_______.(3)γ衰变:γ衰变是伴随着_______和_______同时发生的,γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数.其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变时,产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子.三、半衰期1.定义:放射性元素的_______发生衰变需要的时间.2.半衰期的大小由放射性元素的原子核_______决定,跟原子所处的_______ (如压强、温度等)或_________ (如单质或化合物)无关.高手笔记1.原子核既然是由质子和中子组成的,那么为什么还会从原子核里发射出α粒子、β粒子?实际上,发射出来的α粒子和β粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的.α粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的,β粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的.所以不能因为从原子核中发射出α粒子和β粒子就认为原子核也是由它们组成的.2.三种射线的比较板铅板对空气的电离作很强较弱很弱用在空气中的径迹粗、短、直细、较长、曲折最长通过胶片感光感光感光名师解惑1.对半衰期概念的理解剖析:半衰期是反映大量原子核衰变快慢的统计规律.当样品中的原子数目减小到统计规律不再起作用的时候,我们就不能按半衰期的公式去计算了.例如:2 g的Bi所含的原子核数目大,可按半衰期公式进行计算.而20个Bi核,就不再满足统计规律,也就无法判断有多少个Bi核发生了衰变.而且对单个Bi核,其何时衰变完全是偶然的,无法确定它将何时发生衰变.2.书写衰变方程的依据剖析:质量数守恒和电荷数守恒是书写衰变方程的重要依据,但要以衰变的事实为基础,不能仅仅根据两条守恒定律随意书写事实上不存在的衰变方程.另外,衰变方程是不可逆的,方程中只能用箭头“→”连接并指示衰变方向,而不能用等号“”连接.讲练互动【例题1】如图3-2-1,放射源放在铅块上的细孔中,铅块上方有匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向外.已知放射源放出的射线有α、β、γ三种.下列判断正确的是( )图3-2-1A.甲是α射线、乙是γ射线、丙是β射线B.甲是β射线、乙是γ射线、丙是α射线C.甲是γ射线、乙是α射线、丙是β射线D.甲是α射线、乙是β射线、丙是γ射线解析：粒子垂直进入磁场,若带电则必受洛伦兹力的作用而做圆周运动,轨迹为圆弧,而乙为直线,可判定其为不带电粒子,即乙是γ射线;再根据左手定则,即可判定甲为β射线,丙为α射线,故B 正确. 答案：B 绿色通道对衰变中放出的三种粒子不同性质及其在磁场或电场中的偏转问题进行定性分析. 变式训练1.放射性元素放出的射线,在电场中分成a 、b 、c 三束,如图3-2-2所示,其中( )图3-2-2A.c 为氦核组成的粒子B.b 为比X 射线波长更长的光子流C.b 为比X 射线波长更短的光子流D.a 为高速电子组成的电子流解析：根据射线在电场中的偏转情况,可以判断,a 射线向电场线方向偏转应为带正电的粒子组成的α射线,b 射线在电场中不偏转,所以为γ射线;c 射线受到与电场方向相反的电场力,应为带负电的粒子组成的β射线. 答案：C【例题2】铀(U 23892)经过α、β衰变形成稳定的铅(Pb 20682),问在这一变化过程中,共有多少中子转变为质子( )A.6B.14C.22D.32解析：U 23892衰变为Pb 20682,需经过8次α衰变和6次β衰变,每经过一次β衰变就会有一个中子转变为质子同时放出一个电子,所以共有6个中子转化为质子. 答案：A 绿色通道在分析有关α、β衰变的问题时,应抓住每次α衰变质量数减4、电荷数减2和每次β衰变时质量数不变、电荷数加1这一衰变规律进行分析. 变式训练2.U 23892衰变成Rn 22286共发生了__________次α衰变和__________次β衰变. 解析：根据衰变规律,Rn 的质量数比U 的质量数减少了238-222=16,而天然放射只有α衰变才能使质量数减少,且每次α衰变减少质量数为4,故发生了16÷4=4次α衰变.因每次α衰变核的电荷数减少2,故由于α衰变核的电荷数应减少4×2=8.而Rn 核的电荷数仅比U 核少了92-86=6,故说明发生了2次β衰变(即92-8+2=86). 答案：4 2【例题3】古墓中发现一古代植物,测得里面含碳14与碳12的比例是现代植物中比例的三分之一,已知碳14的半衰期为 5 730年,求这种植物生长期距今有多少年?(lg2=0.3,lg3=0.48)解析：设植物活着时碳14与碳12比值为k=1214N N ,植物死后t 年时,碳14与碳12的比值为k′=1214'N N .则:1414''N N k k =.由半衰期公式得:Tt N N k k 21''1414===31,解得: t=(lg3/lg2)T=(0.48/0.3)×5 730年=9 168年.可见该植物体的生长期距今约为9 168年. 答案：9 168年 绿色通道14C 衰变,在植物死后不能得到补充,因此它与植物体内的12C 的比例会减少.变式训练3.放射性元素的半衰期是( )A.质量减少一半需要的时间B.原子量减少一半需要的时间C.原子核全部衰变需要时间的一半D.原子核有半数发生衰变需要的时间 解析：放射性元素的半衰期是对大量的原子核而言,原子核的个数有一半发生衰变的时间叫半衰期,故D 项正确. 答案：D【例题4】如图3-2-3所示，在匀强磁场中的A 点，有一个静止的原子核，当它发生哪一种衰变时，射出的粒子以及新核的轨道才做如图所示的圆周运动,并确定它们环绕的方向.若两圆的半径之比是44∶1，这个放射性元素原子核的原子序数是多少？图3-2-3解析：原子核衰变时,遵守动量守恒定律.由原子核的初态是静止的,可以判定出衰变时射出的粒子与新核的动量大小相等、方向相反.现由图可知新核与该粒子尽管速度方向相反,但受的磁场力方向却相同,新核带正电,则该粒子带负电,这说明发生的是β衰变.设其质量为m,在磁感应强度为B 的匀强磁场中,以速度v 做匀速圆周运动,其运动半径为R=qBmv,由衰变时动量守恒知射出粒子的动量m 1v 1等于新核动量m 2v 2,而B 相同,所以R 与q 成反比,新核的q 值都比较大,可判定出衰变射出粒子的运动轨道半径大,新核半径小,知大圆是放射出的粒子的轨迹,小圆则是新核的轨迹.根据左手定则判断：在A 点发射出的粒子是负电子，它的初速度水平向左，沿圆轨道顺时针方向旋转.新核初速度水平向左，沿圆轨道逆时针旋转且有1441221==q q R R .可从发射粒子的电荷数确定新核的电荷数,由于衰变过程中电荷数守恒,可求出原来放射性元素原子核的电荷数即它的原子序数.q1=e,电荷数是1，所以q2=44e，电荷数是44.根据电荷守恒定律，原来的放射性元素原子核的原子序数是45，它发生的是β衰变，电子顺时针方向做匀速圆周运动，新核逆时针做匀速圆周运动.答案：45绿色通道原子核在衰变过程中,不仅质量数、电荷数守恒.其动量、能量也同时守恒,并兼顾带电粒子在匀强磁场中的运动规律.变式训练4.在匀强磁场中,一静止的放射性原子核发生衰变,放出一个粒子后变为另一新原子核,为此拍得如图3-2-4所示两个相切的圆形径迹的照片,则( )图3-2-4A.图甲为发生α衰变的照片,其中大圆为α粒子的径迹B.图甲为发生β衰变的照片,其中大圆为电子的径迹C.图乙为发生α衰变的照片,其中大圆为α粒子的径迹D.图乙为发生β衰变的照片,其中大圆为电子的径迹解析：图为内切圆时,原子核发生β衰变,大圆为β粒子的轨迹;图为外切圆时,原子核发生α衰变,大圆为α粒子的轨迹.答案：AD体验探究【问题】考古学家如何把放射性同位素作为“时钟”,测定土层、化石、古木年代的? 导思：不同的放射性同位素具有不同的半衰期,且不随状态、温度的改变而改变.在自然界中同位素的含量是稳定的.探究：在土层、化石、古木枯死后,其内部不再与外界进行物质交换,而内部的放射性同位素仍在进行衰变,不断减小,因此,可以根据放射性强度的大小情况算出它们的时间. 教材链接教材P 52《讨论与交流》参照α衰变规律的分析过程,通过分析Th 23490的衰变方程寻找β衰变的规律,找出新生成的核与原来的核的电荷数、质量数有什么关系,在元素周期表中的位置怎样变化,并试着用一个通式来表示.与同学交流自己的见解.答：Th 23490发生β衰变方程为Th 23490→e 01-+Pa 23491,新生核比原来的核质量数没有改变,电荷数增加1,新生核在元素周期表中的位置后移一位.其规律可表示为X A Z→e 01-+Y AZ 1+.X 为原来的原子核,Y 为新生成的原子核.。

原子核衰变与半衰期：原子核衰变过程与半衰期的计算与应用原子核衰变是指原子核自发地释放粒子或能量，以达到更稳定的状态。

它是一种自然现象，在很多放射性元素中都存在。

原子核衰变的过程中，会发生不同类型的衰变，包括α衰变、β衰变和γ衰变。

这些衰变过程与半衰期密切相关。

首先，让我们来了解一下原子核中的粒子构成。

原子核由质子和中子组成，它们分别带有正电荷和中性电荷。

质子数目决定了元素的原子序数，而中子数目则决定了同位素的性质。

有些核素对于保持稳定状态来说，质子数和中子数要相等，这样的核素就是稳定核素。

然而，有些核素的质子数或中子数不平衡，它们会通过衰变来恢复平衡。

δ衰变是一种常见的原子核衰变形式。

在α衰变中，原子核会释放出一个α粒子，这是由两个质子和两个中子组成的带2个正电荷的粒子。

α粒子释放出来后，原子核的质子数和中子数都会减少2个，从而使原子核更为稳定。

β衰变则有两种形式：β-衰变和β+衰变。

在β-衰变中，一个中子会转化为一个质子，同时释放出一个电子和一个反中微子。

而在β+衰变中，一个质子会转化为一个中子，同时释放出一个正电子和一个中微子。

半衰期是描述原子核衰变速度的一个重要概念。

它是指衰变物质的原子核数量减少到初始数量的一半所需的时间。

半衰期可以用数学公式来计算。

假设初始时刻有N0个原子核，经过时间 t 后，有 N 个原子核剩余，则半衰期T为：N = N0 * (1/2)^(t/T)通过这个公式，我们可以计算得到半衰期。

半衰期的应用非常广泛。

在医学上，半衰期可以用于放射性同位素的治疗和诊断。

例如，碘-131是一种常用的放射性同位素，它的半衰期为8.02天。

碘-131广泛应用于甲状腺癌的治疗，通过发射β粒子来杀死癌细胞。

对于甲状腺扫描，医生可以注射一定剂量的碘-131，然后通过检测衰变过程来观察甲状腺的功能和结构。

在考古学和地质学中，半衰期可以用来确定物质的年龄。

例如，放射性碳-14（C-14）的半衰期约为5730年。