新教材高中物理第五章原子核第2節(jié)放射性元素的衰變學(xué)案新人教版選擇性必修第三冊

PAGEPAGE10第2節(jié)放射性元素的衰變課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.了解衰變的概念，知道衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒。知道α衰變和β衰變的規(guī)律及實(shí)質(zhì)，并能熟練書寫衰變方程。2.知道半衰期及其統(tǒng)計(jì)意義，學(xué)會利用半衰期解決相關(guān)問題。3.知道核反應(yīng)及其遵從的規(guī)律，會正確書寫核反應(yīng)方程。4.了解放射性同位素及其應(yīng)用，知道射線的危害和防護(hù)。5.了解放射性同位素帶來的輻射與安全問題。1.物理觀念：知道衰變、半衰期及原子核衰變的規(guī)律，了解核反應(yīng)及放射性同位素應(yīng)用的基本觀念和相關(guān)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2.科學(xué)思維：理解原子核的衰變規(guī)律及半衰期的計(jì)算方法，掌握核反應(yīng)方程的寫法與放射性同位素的應(yīng)用，培養(yǎng)分析、推理能力。3.科學(xué)探究：通過學(xué)習(xí)科學(xué)家對放射性元素衰變的探究，學(xué)會觀察和思考，提高科學(xué)探究的能力。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，體驗(yàn)科學(xué)家探索科學(xué)規(guī)律的艱辛，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。自主學(xué)習(xí)·必備知識教材研習(xí)教材原句要點(diǎn)一原子核的衰變原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子，由于核電荷數(shù)變了，它在元素周期表中的位置就變了，變成另一種原子核。我們把這種變化稱為原子核的衰變①。原子核衰變時(shí)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。要點(diǎn)二半衰期放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間，叫作這種元素的半衰期②。放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。自主思考①（1）原子核發(fā)生β衰變時(shí)放出的β粒子是電子，可知原子核內(nèi)一定存在著電子，這種說法對嗎？為什么？（2）放射性元素能不能一次衰變同時(shí)產(chǎn)生α射線和β射線？γ射線又是怎樣產(chǎn)生的？答案：（1）提示不對。原子核內(nèi)并不含電子，但在一定條件下，一個(gè)中子可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，β粒子（電子）是由原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化而來。（2）提示一次衰變只能是α衰變或β衰變，不能同時(shí)發(fā)生α衰變和β衰變。放射性元素的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時(shí)產(chǎn)生的新核處于高能級，這時(shí)它要向低能級躍遷，并放出γ光子。②某放射性元素的半衰期為4天，若有10個(gè)這樣的原子核，經(jīng)過4天后還剩5個(gè)，這種說法對嗎？答案：提示半衰期是放射性元素的大量原子核衰變時(shí)所遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，不能用于少量的原子核發(fā)生衰變的情況，因此，經(jīng)過4天后，10個(gè)原子核有多少發(fā)生衰變是不能確定的，所以這種說法不對。名師點(diǎn)睛1.兩種衰變（1）α衰變：原子核放出α粒子的衰變。放出一個(gè)α粒子，質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，?92238U的α（2）β衰變：原子核放出β粒子的衰變。放出一個(gè)電子后，質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)增加1，?90234Th的β2.半衰期的理解（1）不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差別非常大。（2）放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)。（3）半衰期描述的是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，不適用于少數(shù)原子核的衰變。互動探究·關(guān)鍵能力探究點(diǎn)一原子核的衰變情境探究如圖為α衰變、β衰變示意圖（1）當(dāng)原子核發(fā)生α衰變時(shí)，原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)如何變化？（2）當(dāng)發(fā)生β衰變時(shí)，新核的核電荷數(shù)相對原來的原子核變化了多少？新核在元素周期表中的位置怎樣變化？答案：（1）提示發(fā)生一次α衰變，質(zhì)子數(shù)減少2，中子數(shù)減少2。（2）提示發(fā)生一次β衰變，核電荷數(shù)增加1。新核在元素周期表中的位置向后移動一位。探究歸納1.衰變實(shí)質(zhì)（1）α衰變：原子核內(nèi)兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)α粒子，并在一定條件下作為一個(gè)整體從較大的原子核中拋射出來，反應(yīng)方程為20（2）β衰變：原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成一個(gè)質(zhì)子留在原子核內(nèi)，同時(shí)放出一個(gè)電子，即β粒子放射出來，反應(yīng)方程為?02.衰變規(guī)律原子核發(fā)生衰變時(shí)，衰變前后的電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、動量、能量守恒。3.衰變方程通式（1）α衰變：?Z（2）β衰變：?Z4.確定原子核衰變次數(shù)的方法與技巧（1）方法：設(shè)放射性元素?ZAX經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素?Z'A'Y，則衰變方程為：?Z（2）技巧：為了確定衰變次數(shù)，一般先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)（這是因?yàn)棣滤プ兊拇螖?shù)多少對質(zhì)量數(shù)沒有影響），然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。探究應(yīng)用例（2021四川瀘縣一中月考）一個(gè)?92238U核衰變?yōu)橐粋€(gè)?82206Pb核的過程中，發(fā)生了m次α衰變和n次A.8、6B.6、8C.4、8D.8、4答案：A解析：在α衰變的過程中，每發(fā)生一次α衰變電荷數(shù)少2，質(zhì)量數(shù)少4，在β衰變的過程中，每發(fā)生一次β衰變，電荷數(shù)多1，有2m-n=10，4m=32解得m=8，n=6，故A項(xiàng)正確。解題感悟衰變次數(shù)的判斷技巧（1）衰變過程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。（2）每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)均減少2。（3）每發(fā)生一次β衰變中子數(shù)減少1，質(zhì)子數(shù)增加1。遷移應(yīng)用1.（2021陜西西安一中高三調(diào)研）?92238U（鈾核）衰變產(chǎn)生新核?90234Th（釷核），釷核具有放射性，釷核衰變后產(chǎn)生新核A.2次α衰變B.2次β衰變C.1次α衰變，1次β衰變D.2次β衰變，1次α衰變答案：C解析：原子核每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)減少2，質(zhì)量數(shù)減少4；原子核每發(fā)生一次β衰變，質(zhì)子數(shù)加1，質(zhì)量數(shù)不變。由?92238U衰變?yōu)?91234探究點(diǎn)二半衰期的理解及有關(guān)計(jì)算情境探究如圖為氡衰變剩余質(zhì)量與原有質(zhì)量比值示意圖。縱坐標(biāo)表示的是任意時(shí)刻氡的質(zhì)量m與t=0時(shí)的質(zhì)量m0（1）每經(jīng)過一個(gè)半衰期，氡原子核的質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼亩嗌?？?）從圖中可以看出，經(jīng)過兩個(gè)半衰期未衰變的原子核還有多少？（3）對于某個(gè)或選定的幾個(gè)氡原子核能根據(jù)它的半衰期預(yù)測它的衰變時(shí)間嗎？答案：（1）提示由示意圖可看出，每經(jīng)過一個(gè)半衰期，氡原子核的質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼?2（2）提示經(jīng)過兩個(gè)半衰期未衰變的原子核還有14（3）提示半衰期是某種放射性元素的大量原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所用的時(shí)間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，故無法預(yù)測單個(gè)原子核或幾個(gè)特定原子核的衰變時(shí)間。探究歸納1.半衰期的物理意義：表示放射性元素衰變的快慢。2.半衰期公式：N余?=N原?(12)tτ，m余3.適用條件：半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對于一個(gè)特定的原子核，無法確定其何時(shí)發(fā)生衰變，半衰期只適用于大量的原子核。4.應(yīng)用：利用半衰期非常穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以測算其衰變過程，推算時(shí)間等。探究應(yīng)用例（2021北京西城第四十三中學(xué)高三期中）地球的年齡到底有多大，科學(xué)家利用天然放射性元素的衰變規(guī)律，通過對目前發(fā)現(xiàn)最古老的巖石中鈾和鉛含量來推算。測得該巖石中現(xiàn)含有的鈾是巖石形成初期時(shí)（巖石形成初期時(shí)不含鉛）的一半，鈾238衰變后形成鉛206，鈾238的相對含量隨時(shí)間變化規(guī)律如圖所示，圖中N為鈾238的原子數(shù)，N0A.鈾238的半衰期為90億年B.地球的年齡大致為90億年C.被測定的巖石樣品在90億年時(shí)，鈾、鉛原子數(shù)之比約為1:3D.根據(jù)鈾半衰期可知，20個(gè)鈾原子核經(jīng)過一個(gè)半衰期后就剩下10個(gè)鈾原子核答案：C解析：由于測定出該巖石中含有的鈾是巖石形成初期時(shí)的一半，由圖像可知對應(yīng)的時(shí)間是45億年，即地球年齡大約為45億年，鈾238的半衰期為45億年，故A、B兩項(xiàng)錯(cuò)誤；由圖像知，90億年對應(yīng)的NN0=14，設(shè)鉛原子的數(shù)目為N'，則NN+N'解題感悟半衰期理解的兩個(gè)誤區(qū)（1）錯(cuò)誤地認(rèn)為半衰期就是一個(gè)放射性元素的原子核衰變到穩(wěn)定核所經(jīng)歷的時(shí)間，其實(shí)半衰期是大量的原子核發(fā)生衰變時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。（2）錯(cuò)誤地認(rèn)為放射性元素的半衰期就是元素質(zhì)量減少為原來一半所需要的時(shí)間，該觀點(diǎn)混淆了尚未發(fā)生衰變的放射性元素的質(zhì)量與衰變后元素的質(zhì)量的差別，其實(shí)衰變后的質(zhì)量包括衰變后新元素的質(zhì)量和尚未發(fā)生衰變的元素質(zhì)量兩部分。遷移應(yīng)用1.新發(fā)現(xiàn)的一種放射性元素X，它的氧化物X2O的半衰期為8天，X2O與F發(fā)生化學(xué)反應(yīng)A.2天B.4天C.8天D.16天答案：C解析：放射性元素的衰變快慢由原子核內(nèi)部的自身因素決定，與原子的化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。2.（2021陜西安康高三聯(lián)考）已知?1530P的半衰期為T=2.5?min，則32?g的?1530P經(jīng)過時(shí)間A.2.5minB.C.7.5minD.答案：D解析：根據(jù)m剩=m原(探究點(diǎn)三核反應(yīng)及核反應(yīng)方程情境探究如圖所示為α粒子轟擊氮原子核示意圖。（1）充入氮?dú)馇盁晒馄辽峡床坏介W光，而充入氮?dú)夂鬅晒馄辽峡吹搅碎W光，說明了什么問題？（2）原子核的人工轉(zhuǎn)變與原子核的衰變有什么相同規(guī)律？（3）如何實(shí)現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變？答案：（1）提示充入氮?dú)夂?，產(chǎn)生了新粒子。（2）提示質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒，動量守恒。（3）提示人為地用α粒子、質(zhì)子、中子或光子去轟擊一些原子核，可以實(shí)現(xiàn)原子核的轉(zhuǎn)變。探究歸納核反應(yīng)的理解內(nèi)容說明核反應(yīng)的條件用α粒子、質(zhì)子、中子，甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變核反應(yīng)的規(guī)律質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒原子核人工轉(zhuǎn)變的三大發(fā)現(xiàn)1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，核反應(yīng)方程為?1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子，核反應(yīng)方程為?1934年約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，核反應(yīng)方程為?1327人工轉(zhuǎn)變與衰變的比較相同點(diǎn)人工轉(zhuǎn)變與衰變過程一樣，在發(fā)生過程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒不同點(diǎn)人工轉(zhuǎn)變是其他粒子與原子核相碰撞的結(jié)果，需要一定的裝置和條件才能發(fā)生；而衰變是原子核的自發(fā)變化，它不受物理、化學(xué)條件的影響探究應(yīng)用例（2021江西玉山樟村中學(xué)高三月考）盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程?24He+?m14N→A.O、7、17、1B.C、8、17、1C.O、6、16、1D.C、7、17、2答案：A解析：氮原子核，則m=7；發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，說明s=1，由質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒得n=14+4-1=17，p=2+7-1=8，則X是氧，則盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程是?2解題感悟?qū)懞朔磻?yīng)方程時(shí)應(yīng)注意的三點(diǎn)（1）核反應(yīng)過程一般都是不可逆的，核反應(yīng)方程不能用等號連接，只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向。（2）核反應(yīng)方程應(yīng)以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，不能憑空杜撰。（3）核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過程中，一般會發(fā)生質(zhì)量的變化。遷移應(yīng)用1.中國科學(xué)院上海原子核研究所制得了一種新的鉑元素的同位素?78（1）用質(zhì)子轟擊鈹靶?4（2）用快中子轟擊汞?80①生成?78②生成?78（3）生成的?78202Pt發(fā)生兩次β寫出上述核反應(yīng)方程式。（5）號元素為B，79號元素為Au，80號元素為Hg）答案：根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，算出新核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，然后寫出核反應(yīng)方程（1）?（2）①?②?（3）??探究點(diǎn)四放射性同位素的應(yīng)用情境探究如圖所示，是利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置，假如放射源能放射出α、β、γ三種射線。（1）根據(jù)設(shè)計(jì)，該生產(chǎn)線壓制的是3?mm（2）當(dāng)探測接收器單位時(shí)間內(nèi)接收的放射性粒子的個(gè)數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，將如何調(diào)整兩個(gè)軋輥間的距離？答案：（1）提示α射線不能穿過3?mm厚的鋁板，γ射線又很容易穿過3?mm厚的鋁板，基本不受鋁板厚度的影響，而β射線剛好能穿透幾毫米厚的鋁板，因此厚度的微小變化會使穿過鋁板的β射線的強(qiáng)度發(fā)生較明顯變化，所以是（2）提示若超過標(biāo)準(zhǔn)值，說明鋁板太薄了，應(yīng)將兩個(gè)軋輥間的距離調(diào)節(jié)得大些。探究歸納1.放射性同位素的分類（1）天然放射性同位素。（2）人工放射性同位素。2.放射性同位素的主要應(yīng)用（1）利用它的射線：①射線測厚儀：利用γ射線的穿透特性。②放射治療：利用γ射線的高能量治療癌癥。③培優(yōu)、保鮮：利用γ射線使種子的遺傳基因發(fā)生變異，培育新的品種；照射食品殺死使食物腐敗的細(xì)菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長保存期。（2）作為示蹤原子：把放射性同位素原子通過物理或化學(xué)反應(yīng)的方式摻到其他物質(zhì)中，然后用探測儀進(jìn)行追蹤，確定其位置。3.輻射與安全：人類一直生活在放射性的環(huán)境中，過量的射線對人體組織有破壞作用。要防止放射性物質(zhì)對水源、空氣、用具等的污染。探究應(yīng)用例（多選）關(guān)于放射性同位素的應(yīng)用，下列說法中正確的是()A.放射線改變了布料的性質(zhì)使其不再因摩擦而生電，因此達(dá)到了消除有害靜電的目的B.利用γ射線的貫穿性可以為金屬探傷C.用放射線照射農(nóng)作物種子能使其DNA發(fā)生變異，其結(jié)果一定是成為更優(yōu)秀的品種D.用γ射線治療腫瘤時(shí)一定要嚴(yán)格控制劑量，以免對人體正常組織造成太大的傷害答案：B;D解析：利用放射線消除有害靜電是利用α射線的電離性，使空氣分子電離，將靜電泄出，A項(xiàng)錯(cuò)誤；利用γ射線的穿透性可以為金屬探傷，γ射線對人體細(xì)胞傷害太大，在用于治療腫瘤時(shí)要嚴(yán)格控制劑量，B、D兩項(xiàng)正確；DNA變異并不一定都是有益的C項(xiàng)錯(cuò)誤。解題感悟放射性同位素的應(yīng)用技巧（1）用射線來測量厚度，一般不選取α射線是因