新教材高中物理第5章原子與原子核第2節(jié)放射性元素的衰變教師用書粵教版選擇性

第二節(jié)放射性元素的衰變[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念知道放射性、放射性元素的概念，了解原子核衰變及半衰期，能解釋相關(guān)的放射性現(xiàn)象科學(xué)思維掌握三種射線的本質(zhì)，會(huì)用半衰期進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算與分析，培養(yǎng)提高思維能力科學(xué)探究體驗(yàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)放射性的歷程，與他人合作學(xué)會(huì)探究三種射線本質(zhì)的方法，體驗(yàn)科學(xué)探究的成就感，提升科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過(guò)對(duì)放射性的探索，得出原子核內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的，體會(huì)半衰期的科學(xué)利用價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)習(xí)科學(xué)的良好習(xí)慣知識(shí)點(diǎn)一放射性的發(fā)現(xiàn)1．放射性：1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)射線可使包在黑紙里的照相底片感光，這種物質(zhì)放射出射線的性質(zhì)叫作放射性．2．放射性元素：具有放射性的元素叫作放射性元素．3．天然放射性元素：能自發(fā)地放出射線的元素叫作天然放射性元素．4．意義：放射性與元素存在的狀態(tài)無(wú)關(guān)，說(shuō)明原子核是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的．原子序數(shù)大于83的所有元素都具有放射性，原子序數(shù)小于83的元素，有的也具有放射性．知識(shí)點(diǎn)二原子核衰變1．三種射線：放射性元素放出的射線常見(jiàn)的有三種：α射線、β射線和γ射線．2．三種射線的實(shí)質(zhì)(1)α射線是高速運(yùn)動(dòng)的α粒子流，實(shí)際上就是氦原子核，電荷數(shù)是2質(zhì)量數(shù)是4，可達(dá)光速的十分之一，電離本領(lǐng)強(qiáng)，貫穿物體的本領(lǐng)很?。?2)β射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，可達(dá)光速的99%，電離作用弱，貫穿本領(lǐng)較強(qiáng)．(3)γ射線不帶電，是頻率很高的電磁波，電離作用最小，貫穿本領(lǐng)卻最強(qiáng)．3．原子核的衰變：把一種元素經(jīng)放射過(guò)程變成另一種元素的現(xiàn)象，稱為原子核的衰變．4．衰變形式兩種(1)α衰變：放出α粒子的衰變稱為α衰變．(2)β衰變：放出β粒子的衰變稱為β衰變．γ射線是伴隨α射線或β射線產(chǎn)生的．知識(shí)點(diǎn)三半衰期1．半衰期：原子核數(shù)目因衰變減少到原來(lái)的一半所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，叫作半衰期，記為Teq\s\do10(eq\f(1,2)).2．衰變規(guī)律公式：m＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,Teq\s\do10(eq\f(1,2))))，其中m0表示衰變前的質(zhì)量，m表示經(jīng)過(guò)t時(shí)間后剩余的放射性元素的質(zhì)量．3．放射性元素的半衰期，描述的是大量該元素衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律．4．放射性元素衰變的速率由核本身的因素決定，與原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)．半衰期是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)少數(shù)原子核沒(méi)有意義，只適用于大量的原子核．1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)1896年，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射性． ()(2)放射性元素發(fā)出的射線可以直接觀察到． ()(3)γ射線的電離能力最差，貫穿能力最強(qiáng)，故可利用其貫穿本領(lǐng)給金屬探傷． ()(4)原子所處的周圍環(huán)境溫度越高，衰變?cè)娇欤?()[答案](1)√(2)×(3)√(4)×2．(多選)天然放射性物質(zhì)的放射線包括三種成分，下列說(shuō)法正確的是()A．一張厚的黑紙能擋住α射線，但不能擋住β射線和γ射線B．某原子核在放出γ射線后會(huì)變成另一種元素的原子核C．三種射線中對(duì)氣體電離作用最強(qiáng)的是α射線D．β粒子是電子，但不是原來(lái)繞核旋轉(zhuǎn)的核外電子ACD[由三種射線的本質(zhì)和特點(diǎn)可知，α射線穿透本領(lǐng)最弱，一張黑紙都能擋住，而擋不住β射線和γ射線，故A正確；γ射線是一種波長(zhǎng)很短的光子，不會(huì)使原子核變成新核，故B錯(cuò)誤；三種射線中α射線電離作用最強(qiáng)，故C正確；β粒子是電子，來(lái)源于原子核，故D正確．]3．(多選)關(guān)于放射性元素的半衰期，下列說(shuō)法正確的是()A．是放射源質(zhì)量減少一半所需的時(shí)間B．是原子核半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間C．與外界壓強(qiáng)和溫度有關(guān)D．可以用于測(cè)定地質(zhì)年代、生物年代等BD[原子核的衰變是由原子核的內(nèi)部因素決定的，與外界環(huán)境無(wú)關(guān)．原子核的衰變有一定的速率，每隔一定的時(shí)間即半衰期，原子核就衰變掉總數(shù)的一半．不同種類的原子核，其半衰期也不同，若開始時(shí)原子核數(shù)目為N0，經(jīng)時(shí)間t剩下的原子核數(shù)目為N，半衰期為Teq\s\do10(eq\f(1,2))，則N＝N0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,Teq\s\do10(eq\f(1,2)))).若能測(cè)出N與N0的比值，就可求出t，依此公式可測(cè)定地質(zhì)年代、生物年代等．故正確答案為BD．]考點(diǎn)1三種射線的本質(zhì)特征在放射性現(xiàn)象中放出的射線是什么呢？它們除了有能穿透黑紙使照相底片感光的性質(zhì)以外，這些射線帶不帶電呢？[提示]α射線、β射線、γ射線．α射線帶正電，β射線帶負(fù)電，γ射線不帶電．三種射線的比較如下表種類α射線β射線γ射線組成高速氦核流高速電子流光子流(高頻電磁波)帶電荷量2e－e0質(zhì)量4mpmp×10－27kgeq\f(mp,1836)靜止質(zhì)量為零速度ccc在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)與α射線反向偏轉(zhuǎn)不偏轉(zhuǎn)貫穿本領(lǐng)最弱用紙能擋住較強(qiáng)穿透幾毫米的鋁板最強(qiáng)穿透幾厘米的鉛板對(duì)空氣的電離作用很強(qiáng)較弱很弱在空氣中的徑跡粗、短、直細(xì)、較長(zhǎng)、曲折最長(zhǎng)通過(guò)膠片感光感光感光【典例1】(多選)將α、β、γ三種射線分別射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)，圖中表示射線偏轉(zhuǎn)情況正確的是()ABCD[思路點(diǎn)撥](1)α粒子帶正電、β粒子帶負(fù)電，據(jù)洛倫茲力方向和電場(chǎng)力方向來(lái)判定；(2)γ射線不帶電，在磁場(chǎng)、電場(chǎng)中都不偏轉(zhuǎn)．AD[已知α粒子帶正電，β粒子帶負(fù)電，γ射線不帶電，根據(jù)正、負(fù)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受洛倫茲力方向和正、負(fù)電荷在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力方向可知，A、B、C、D四幅圖中α、β粒子的偏轉(zhuǎn)方向都是正確的，但偏轉(zhuǎn)的程度需進(jìn)一步判斷．帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其半徑r＝eq\f(mv,Bq)，將數(shù)據(jù)代入，則α粒子與β粒子的半徑之比eq\f(rα,rβ)＝eq\f(mα,mβ)·eq\f(vα,vβ)·eq\f(qβ,qα)＝eq\f(4,\f(1,1836))×eq\c,c)×eq\f(1,2)＝371，A正確，B錯(cuò)誤；帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)，設(shè)初速度為v0，垂直電場(chǎng)線方向位移為x，沿電場(chǎng)線方向位移為y，則有x＝v0t，y＝eq\f(1,2)×eq\f(qE,m)t2，消去t可得y＝eq\f(qEx2,2mv\o\al(2,0))，對(duì)某一確定的x值，α、β粒子沿電場(chǎng)線偏轉(zhuǎn)距離之比eq\f(yα,yβ)＝eq\f(qα,qβ)·eq\f(mβ,mα)·eq\f(v\o\al(2,β),v\o\al(2,α))＝eq\f(2,1)×eq\f(\f(1,1836),4)×eq\f(c2,c2)＝eq\f(1,37.5)，C錯(cuò)誤，D正確．]判斷三種射線性質(zhì)的方法(1)射線的電性：α射線帶正電、β射線帶負(fù)電、γ射線不帶電．α、β是實(shí)物粒子，而γ射線是光子流，它是波長(zhǎng)很短的電磁波．(2)射線的偏轉(zhuǎn)：在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中，通過(guò)其受力及運(yùn)動(dòng)軌跡半徑的大小來(lái)判斷α和β射線偏轉(zhuǎn)方向，由于γ射線不帶電，故運(yùn)動(dòng)軌跡仍為直線．(3)射線的穿透能力：α粒子穿透能力較弱，β粒子穿透能力較強(qiáng)，γ射線穿透能力最強(qiáng)，而電離作用相反．eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．如圖所示，放射性元素鐳釋放出α、β、γ三種射線，分別進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其中________是α射線，________是β射線，________是γ射線．[解析]由放射現(xiàn)象中α射線帶正電，β射線帶負(fù)電，γ射線不帶電，結(jié)合在電場(chǎng)與磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)可知②⑤是γ射線，③④是α射線．[答案]③④①⑥②⑤考點(diǎn)2半衰期的理解與應(yīng)用你知道考古學(xué)家靠什么推斷古化石的年代嗎？[提示]只要測(cè)出古化石中14C的含量，就可以根據(jù)14C的半衰期推斷古化石的年齡．1．常用公式：n＝Neq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,Teq\s\do10(eq\f(1,2))))，m＝Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,Teq\s\do10(eq\f(1,2)))).式中N、M表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，n、m表示發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時(shí)間，T表示半衰期．2．意義：表示放射性元素衰變的快慢．3．規(guī)律的特征：放射性元素的半衰期是穩(wěn)定的，由元素的原子核內(nèi)部因素決定，跟原子所處的物理狀態(tài)(如壓強(qiáng)、溫度)或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無(wú)關(guān)．4．適用條件：半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，是對(duì)大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)．5．規(guī)律的用途：利用天然放射性元素的半衰期可以估測(cè)巖石、化石和文物的年代．【典例2】恒星向外輻射的能量來(lái)自于其內(nèi)部發(fā)生的各種熱核反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到108K時(shí)，可以發(fā)生“氦燃燒”．(1)eq\o\al(8,4)×10－16s．一定質(zhì)量的eq\o\al(8,4)×10－16s后所剩eq\o\al(8,4)Be占開始時(shí)的________．(2)壓強(qiáng)變大，溫度升高是否能加快eq\o\al(8,4)Be的衰變速度？[思路點(diǎn)撥](1)m＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,Teq\s\do10(eq\f(1,2))))；(2)半衰期由原子核本身決定，與壓力、溫度、化合物等無(wú)關(guān)．[解析](1)eq\o\al(8,4)×10－16×10－16s后，也就是經(jīng)過(guò)3個(gè)半衰期后剩余的質(zhì)量為m′＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(n)m＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(3)m，所剩eq\o\al(8,4)Be占開始時(shí)的eq\f(1,8).(2)半衰期由原子核本身決定，與外界因素?zé)o關(guān)．[答案](1)eq\f(1,8)或12.5%(2)不能應(yīng)用半衰期公式m＝Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,Teq\s\do10(eq\f(1,2))))，n＝Neq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,Teq\s\do10(eq\f(1,2))))的三點(diǎn)注意：(1)半衰期公式只對(duì)大量原子核才適用，對(duì)少數(shù)原子核是不適用的；(2)明確半衰期公式中m、M的含義及二者的關(guān)系，n、N的含義及二者的關(guān)系；(3)明確發(fā)生衰變的原子核與新產(chǎn)生的原子核質(zhì)量之間的比例關(guān)系，每衰變一個(gè)原子核，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新核，它們之間的質(zhì)量之比等于各自原子核的質(zhì)量之比．eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．已知A和B兩種放射性元素的半衰期分別為T和2T，則相同質(zhì)量的A和B經(jīng)過(guò)2T后，剩有的A和B質(zhì)量之比為()A．1∶4 B．1∶2C．2∶1 D．4∶1B[由半衰期含義可知，A經(jīng)過(guò)兩個(gè)半衰期剩余的質(zhì)量為原來(lái)的eq\f(1,4)，B經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期，剩余的質(zhì)量為原來(lái)的eq\f(1,2)，所以剩余的A、B質(zhì)量之比為1∶2，B項(xiàng)正確．]1．物理觀念：放射性與放射性元素，原子核衰變與半衰期．2．科學(xué)思維：對(duì)三種射線的本質(zhì)的理解，運(yùn)用半衰期規(guī)律計(jì)算．3．科學(xué)方法：實(shí)驗(yàn)法、觀察法、計(jì)算法等．1．為提出原子核式結(jié)構(gòu)模型提供依據(jù)的實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象是()A．α粒子散射實(shí)驗(yàn) B．電子的發(fā)現(xiàn)C．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) D．天然放射現(xiàn)象A[盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，故選項(xiàng)A正確；電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到原子有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的；天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到原子核有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，故選項(xiàng)BCD錯(cuò)誤．]2．關(guān)于α、β、γ三種射線，下列說(shuō)法正確的是()A．α射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波B．γ射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波C．β射線的電離能力最強(qiáng)D．γ射線的電離能力最強(qiáng)B[α射線電離本領(lǐng)最大，貫穿本領(lǐng)最小，但不屬于電磁波，故A錯(cuò)誤；γ射線是原子核在發(fā)生α衰變和β衰變時(shí)產(chǎn)生的能量以γ光子的形式釋放，是高頻電磁波，波長(zhǎng)很短，故B正確；β射線是具有放射性的元素的原子核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)子同時(shí)釋放出一個(gè)高速電子即β粒子，但電離能力沒(méi)有α射線強(qiáng)，故C錯(cuò)誤；γ射線不帶電，沒(méi)有電離能力，故D錯(cuò)誤．]3．某一放射性元素放出的射線通過(guò)電場(chǎng)后分成三束，如圖所示，下列說(shuō)法正確的是()A．射線1的電離作用在三種射線中最強(qiáng)B．射線2貫穿本領(lǐng)最弱，用一張白紙就可以將它擋住C．放出一個(gè)射線1的粒子后，形成的新核比原來(lái)的電荷數(shù)少1個(gè)D．一個(gè)原子核放出一個(gè)射線3的粒子后，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都比原來(lái)少2個(gè)D[射線3在電場(chǎng)中向負(fù)極板偏轉(zhuǎn)，射線3為α粒子，電離作用在三種射線中最強(qiáng)，故A錯(cuò)誤；射線2在電場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)，射線2為γ射線，其貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)，故B錯(cuò)誤；射線1在電場(chǎng)中向正極板偏轉(zhuǎn)，射線1是β粒子，放出一個(gè)射線1的粒子后，形成的新核比原來(lái)的電荷數(shù)多1個(gè)，故C錯(cuò)誤；射線3為α粒子，一個(gè)原子核放出一個(gè)射線3的粒子后，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都比原來(lái)少2個(gè)，故D正確．]4．(多選)14C發(fā)生放射性衰變成為14N，半衰期約5700年．已知植物存活期間，其體內(nèi)14C與12C的比例不變；生命活動(dòng)結(jié)束后，14C的比例持續(xù)減少．現(xiàn)通過(guò)測(cè)量得知，某古木樣品中14C的比例正好是現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一．下列說(shuō)法正確的是(