浙江專版2023-2024學(xué)年新教材高中物理第5章原子核2放射性元素的衰變課件新人教版選擇性必修第三冊(cè)

2放射性元素的衰變課前·基礎(chǔ)認(rèn)知課堂·重難突破素養(yǎng)·目標(biāo)定位隨堂訓(xùn)練模型方法·素養(yǎng)提升素養(yǎng)?目標(biāo)定位目標(biāo)素養(yǎng)1.知道放射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是原子核的衰變。2.知道兩種衰變的基本性質(zhì),并掌握原子核的衰變規(guī)律。3.理解半衰期的概念,并能利用半衰期公式進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。4.通過(guò)對(duì)放射性元素衰變過(guò)程的探究,熟練寫出核的衰變方程。知識(shí)概覽課前·基礎(chǔ)認(rèn)知一、原子核的衰變1.α衰變:原子核自發(fā)地放出

α粒子

,變成另一種原子核的衰變。

(1)衰變方程(以鈾238為例)。(2)衰變實(shí)質(zhì):

兩個(gè)

中子和

兩個(gè)

質(zhì)子緊密地結(jié)合在一起,作為一個(gè)整體從較大的原子核中被釋放出來(lái)。

2.β衰變:原子核自發(fā)地放出

β粒子

,變成另一種原子核的衰變。

(1)衰變方程(以釷234為例)。3.γ射線:γ射線是伴隨α射線和

β射線

產(chǎn)生的。

4.原子核衰變規(guī)律。原子核衰變時(shí)

電荷數(shù)

和質(zhì)量數(shù)都守恒。

微探究1放射性元素發(fā)生α衰變、β衰變時(shí)放出α粒子與β粒子,下圖為α衰變、β衰變示意圖。(1)當(dāng)原子核發(fā)生α衰變時(shí),新核的核電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)相對(duì)原來(lái)的原子核變化了多少?(2)當(dāng)發(fā)生β衰變時(shí),原子核的質(zhì)量數(shù)是否發(fā)生變化?新核在元素周期表中的位置怎樣變化?提示:(1)當(dāng)原子核發(fā)生α衰變時(shí),原子核的質(zhì)子數(shù)減少2,中子數(shù)減少2,因?yàn)棣了プ兊膶?shí)質(zhì)是2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合在一起從原子核中被釋放出來(lái),所以新核的核電荷數(shù)比原來(lái)的原子核減少2,質(zhì)量數(shù)減少4。(2)β粒子為電子,發(fā)生β衰變時(shí)原子核的質(zhì)量數(shù)不發(fā)生變化,但新核的核電荷數(shù)相對(duì)原來(lái)的原子核核電荷數(shù)增加1,所以原子序數(shù)增加1,元素在周期表上向原子序數(shù)增加的方向移動(dòng)1位。二、半衰期1.半衰期定義: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.影響因素:是由原子核內(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(méi)有

關(guān)系。

3.半衰期規(guī)律:是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對(duì)

個(gè)別少數(shù)

的原子核的衰變沒(méi)有意義。

變了它的半衰期,這種說(shuō)法對(duì)嗎?(2)如果不對(duì),那到底是什么原因呢?提示:(1)不對(duì)。放射性元素的半衰期由原子核本身的因素決定,與外界環(huán)境等因素?zé)o關(guān)。三、核反應(yīng)1.核反應(yīng):原子核在

其他粒子

的轟擊下產(chǎn)生新原子核或者發(fā)生狀態(tài)變化的過(guò)程,稱為核反應(yīng)。

3.核反應(yīng)規(guī)律:在核反應(yīng)中,

質(zhì)量數(shù)

守恒、電荷數(shù)守恒。

A.質(zhì)子 B.電子C.光子 D.中子答案:D解析:根據(jù)核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)守恒,有9+4=12+A,X的質(zhì)量數(shù)是1;電荷數(shù)守恒,有4+2=6+Z,X的電荷數(shù)是0,所以X是中子,選項(xiàng)D正確。四、放射性同位素及其應(yīng)用1.放射性同位素:具有

放射性

的同位素。

2.放射性同位素的應(yīng)用。(1)利用射線:射線測(cè)厚裝置,放射治療,培育新品種、延長(zhǎng)保質(zhì)期。(2)作為

示蹤原子

:棉花對(duì)磷肥的吸收、甲狀腺疾病的診斷。

微探究3用人工方法可以得到放射性同位素,放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學(xué)研究的許多方面都得到了廣泛的應(yīng)用。試探究:(1)帶電的驗(yàn)電器在放射線照射下電荷會(huì)很快消失,這是什么原因?(2)在我國(guó)首次用人工方法合成牛胰島素時(shí),需要證明人工合成的牛胰島素結(jié)晶跟天然牛胰島素結(jié)晶是同一種,為此使用的放射性同位素14C的作用是什么?提示:(1)在放射線的電離作用下,空氣中的分子會(huì)發(fā)生電離,空氣中與驗(yàn)電器所帶電荷電性相反的離子與之中和,所以使驗(yàn)電器所帶電荷消失。(2)示蹤原子。五、輻射與安全1.放射性的危害。人類一直生活在放射性的環(huán)境中,

過(guò)量的

射線對(duì)人體組織有破壞作用。

2.放射性的防止。在使用放射性同位素時(shí),必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程,注意人身安全,同時(shí),要防止放射性物質(zhì)對(duì)空氣、水源、用具等的污染。課堂·重難突破重難歸納1.α衰變和β衰變的比較。一

對(duì)原子核衰變的理解2.α衰變和β衰變的唯一性:任何一種放射性元素只有一種放射性,不能同時(shí)既有α放射性又有β放射性,而γ射線伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生。3.確定原子核衰變次數(shù)的方法與技巧。根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程A=A'+4nZ=Z'+2n-m由此可見(jiàn),確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個(gè)二元一次方程組。

(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(duì)質(zhì)量數(shù)沒(méi)有影響),然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。原子核α衰變實(shí)質(zhì)是放出一個(gè)氦原子核,β衰變實(shí)質(zhì)是放出一個(gè)電子。試探究:(1)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?(2)γ射線又是怎樣產(chǎn)生的?提示:(1)不能,一次衰變只能是α衰變或β衰變,而不能同時(shí)發(fā)生α衰變和β衰變。(2)放射性的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時(shí)產(chǎn)生的新核處于高能級(jí),這時(shí)它要向低能級(jí)躍遷,并放出γ光子。典例剖析

A.m=6、n=8 B.m=5、n=6C.m=6、n=5 D.m=8、n=6答案:D解析:設(shè)發(fā)生m次α衰變、n次β衰變,則238=206+4m,92=82+2m-n,解得m=8,n=6,故選項(xiàng)D正確,A、B、C錯(cuò)誤。規(guī)律總結(jié)衰變次數(shù)的判斷方法

1.衰變過(guò)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,質(zhì)量數(shù)不變。學(xué)以致用如果某放射性元素經(jīng)過(guò)x次α衰變和y次β衰變,變成一種新原子核,則這個(gè)新原子核的質(zhì)子數(shù)比放射性元素原子核的質(zhì)子數(shù)減少(

)A.2x+y

B.x+y C.x-y D.2x-y答案:D解析:發(fā)生一次α衰變時(shí),質(zhì)子數(shù)減小2;發(fā)生一次β衰變時(shí),質(zhì)子數(shù)增大1。所以如果某放射性元素經(jīng)過(guò)x次α衰變和y次β衰變,變成一種新原子核,則這個(gè)新原子核的質(zhì)子數(shù)比放射性元素原子核的質(zhì)子數(shù)減少2x-y,選項(xiàng)D正確。重難歸納1.核反應(yīng)與原子核人工轉(zhuǎn)變。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)變實(shí)質(zhì)用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開(kāi),而是粒子打入原子核內(nèi)部使核發(fā)生了轉(zhuǎn)變規(guī)律質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒;動(dòng)量守恒二

對(duì)核反應(yīng)的理解2.人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)與衰變的比較。(1)不同點(diǎn):原子核的人工轉(zhuǎn)變是一種核反應(yīng),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,它不受物理和化學(xué)條件的影響。(2)相同點(diǎn):人工轉(zhuǎn)變與衰變過(guò)程一樣,在發(fā)生過(guò)程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒,反應(yīng)前后粒子總動(dòng)量守恒。3.衰變方程的書寫。(1)核反應(yīng)過(guò)程一般是不可逆的,所以核反應(yīng)只能用箭頭,不能用等號(hào)。(2)核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),不能憑空只依據(jù)兩個(gè)守恒而杜撰出不符合實(shí)際的生成物來(lái)書寫核反應(yīng)方程。以下是物理學(xué)史上3個(gè)著名的核反應(yīng)方程:典例剖析完成下列核反應(yīng)方程,并指出其中

是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程,

是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程。

答案:見(jiàn)解析

其中發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程是(2),發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程是(4)。

學(xué)以致用有一種新型鎳銅長(zhǎng)效電池,它是采用半衰期長(zhǎng)達(dá)100年的放射性同位素鎳63和銅兩種金屬作為長(zhǎng)效電池的材料,利用鎳63發(fā)生β衰變時(shí)釋放電子給銅片,把鎳63和銅片作電池兩極,外接負(fù)載。下面有關(guān)該電池的說(shuō)法正確的是(

)C.外接負(fù)載時(shí)鎳63的電勢(shì)比銅片低D.該電池內(nèi)電流方向是從鎳片到銅片A解析:鎳63的衰變方程為

,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;電流方向?yàn)檎姾啥ㄏ蛞苿?dòng)方向,在電池內(nèi)部電流從銅片到鎳片,鎳片電勢(shì)高,選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。重難歸納1.人工放射性同位素的優(yōu)點(diǎn)。(1)放射強(qiáng)度容易控制。(2)半衰期比天然放射性物質(zhì)短得多,放射性廢料容易處理。三放射性同位素的應(yīng)用2.放射性同位素的主要應(yīng)用。(1)利用它的射線:①工業(yè)部門使用射線測(cè)厚度——利用γ射線的穿透特性;②農(nóng)業(yè)應(yīng)用——γ射線使種子的遺傳基因發(fā)生變異,殺死使食物腐敗的細(xì)菌,抑制蔬菜發(fā)芽,延長(zhǎng)保存期等;③醫(yī)療上——利用γ射線的高能量治療癌癥。(2)作為示蹤原子:放射性同位素與非放射性同位素有相同的化學(xué)性質(zhì),通過(guò)探測(cè)放射性同位素的射線確定其位置。下圖是LUNATM260型伽瑪射線放療機(jī)。(1)伽瑪射線放療機(jī)的工作原理是什么?(2)試舉出其他利用伽瑪射線的實(shí)例。提示:(1)利用放射性元素釋放出的γ射線殺死癌細(xì)胞。(2)利用γ射線的穿透特性測(cè)金屬板的厚度;利用γ射線殺死使食物腐敗的細(xì)菌,延長(zhǎng)保存期等。典例剖析正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET)的基本原理是將放射性同位素15O注入人體,參與人體的代謝過(guò)程,15O在人體內(nèi)衰變放出正電子,與人體內(nèi)負(fù)電子相遇而湮滅轉(zhuǎn)化為一對(duì)光子,被探測(cè)器探測(cè)到,經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生清晰的圖像。根據(jù)PET的原理,回答下列問(wèn)題。(1)寫出15O的衰變和正負(fù)電子湮滅的反應(yīng)方程。(2)將放射性同位素15O注入人體,15O的主要用途是(

)A.利用它的射線 B.作為示蹤原子C.參與人體的代謝過(guò)程 D.有氧呼吸(3)PET中應(yīng)選用半衰期

(選填“長(zhǎng)”“短”或“長(zhǎng)短均可”)的放射性同位素。

(2)B(3)短(2)將放射性同位素15O注入人體后,由于它能放出正電子,并能與人體內(nèi)的負(fù)電子產(chǎn)生一對(duì)光子,從而被探測(cè)器探測(cè)到,所以它的用途是作為示蹤原子,選項(xiàng)B正確。(3)根據(jù)同位素的用途,為了減小對(duì)人體的傷害,半衰期應(yīng)該很短。規(guī)律總結(jié)放射性同位素的兩類應(yīng)用

1.利用它的射線:α射線的電離作用,γ射線的貫穿本領(lǐng)和生物作用,β射線的貫穿本領(lǐng)。

2.作為示蹤原子:多數(shù)情況下用β射線,因?yàn)棣蒙渚€難以探測(cè)到。學(xué)以致用下圖是利用放射線自動(dòng)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,而根據(jù)設(shè)計(jì),該生產(chǎn)線軋制的是3mm厚的鋁板,那么三種射線中的何種射線對(duì)控制厚度起主要作用?當(dāng)探測(cè)接收器單位時(shí)間內(nèi)接收到的放射性粒子的個(gè)數(shù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),自動(dòng)裝置會(huì)將M、N兩個(gè)軋輥間的距離如何調(diào)節(jié)?(

)A.α;調(diào)大些 B.β;調(diào)大些C.γ;調(diào)大些 D.α;調(diào)小些B解析:α射線穿透能力很弱,不能穿透3

mm厚的鋁板,所以利用的不是α射線,故選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤;β射線恰好能穿透幾毫米厚的鋁板,即利用的是β射線,當(dāng)探測(cè)接收器單位時(shí)間內(nèi)接收到的放射性粒子的個(gè)數(shù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),說(shuō)明鋁板變薄了,所以自動(dòng)裝置將M、N兩個(gè)軋輥間的距離調(diào)大些,故選項(xiàng)B正確;γ射線穿透力太大,當(dāng)鋁板厚度變化時(shí),γ射線都能穿過(guò),穿過(guò)的粒子數(shù)不發(fā)生變化,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤。模型方法?素養(yǎng)提升半衰期的理解及應(yīng)用——科學(xué)思維培養(yǎng)方法歸納1.半衰期的物理意義:半衰期表示放射性元素的原子核衰變的快慢。前的原子數(shù)和質(zhì)量,N余、m余表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子數(shù)和質(zhì)量,t表示衰變時(shí)間,T表示半衰期。3.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),對(duì)于一個(gè)特定的原子核,無(wú)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。下圖為始祖鳥(niǎo)的化石,美國(guó)科學(xué)家維拉·黎比利用半衰期的原理發(fā)明了“碳-14計(jì)年法”,并因此榮獲了1960年的諾貝爾獎(jiǎng)。利用“碳-14計(jì)年法”可以估算出始祖鳥(niǎo)的年齡。(1)為什么能夠利用半衰期來(lái)計(jì)算始祖鳥(niǎo)的年齡?(2)若有10個(gè)具有放射性的原子核,經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期,則一定有5個(gè)原子核發(fā)生了衰變,這種說(shuō)法是否正確,為什么?提示:(1)半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。能夠運(yùn)用它來(lái)計(jì)算始祖鳥(niǎo)的年齡是因?yàn)榘胨テ谂c原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無(wú)關(guān)。(2)這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的,因?yàn)榘胨テ诿枋龅氖谴罅糠派湫栽氐脑雍怂プ兊慕y(tǒng)計(jì)規(guī)律,不適用于少量原子核的衰變。典例剖析

2T后兩種元素的核的質(zhì)量相等,則開(kāi)始時(shí)兩種核的個(gè)數(shù)之比為多少?若經(jīng)過(guò)2T后兩種核的個(gè)數(shù)相等,則開(kāi)始時(shí)兩種核的質(zhì)量之比為多少?答案:b∶4a

a∶4b規(guī)律總結(jié)1.半衰期是指放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間,而不是樣本質(zhì)量減少一半的時(shí)間。2.經(jīng)過(guò)n個(gè)半衰期,剩余核個(gè)數(shù)為N剩=N總。學(xué)以致用一瓶無(wú)害放射性同位素溶液,其半衰期為2天,測(cè)得每分鐘衰變6×107次。今將這瓶溶液倒入一水庫(kù)中,8天后認(rèn)為溶液已均勻分布在水庫(kù)中,取1m3測(cè)得每分鐘衰變20次,則該水庫(kù)蓄水量為多少?答案:1.875×105m3隨堂訓(xùn)練A.2 B.239

C.145

D.92答案:A發(fā)生一次β衰變質(zhì)子數(shù)就增加1,所以钚239可由鈾239衰變兩次得到,即n=2,選項(xiàng)A正確。2.放射性同位素電池已成功應(yīng)用于軍事衛(wèi)星、空間探測(cè)器、水下監(jiān)聽(tīng)器、航標(biāo)燈、心臟起搏器、微型電動(dòng)機(jī)械等方面。在諸多設(shè)計(jì)方案中有一種是衰變產(chǎn)生的射線作用于熒光物質(zhì)激發(fā)熒光,然后再由熒光射入光電管利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能輸出?，F(xiàn)考慮用氚

作為放射性物質(zhì),其衰變?yōu)棣滤プ?半衰期為12.43年,則下列說(shuō)法正確的是(

)A.β衰變所釋放的電子來(lái)自核外電子C.提高溫度,增大壓強(qiáng)可以改變氚的半衰期D.該衰變電池的功率可保持10年不變B解析:β衰變的實(shí)質(zhì)是原子核的一個(gè)中子變?yōu)橘|(zhì)子的同時(shí)釋放項(xiàng)B正確;半衰期與元素所處物理、化學(xué)環(huán)境無(wú)關(guān),由元素本身決定,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤;該衰變電池的功率隨著放射性物質(zhì)的衰變功率不斷減小,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。3.半衰期是指具有放射性的元素有半數(shù)發(fā)生衰變的時(shí)間,那么(

)A.隨著衰變的進(jìn)行,元素總量越來(lái)越少,半衰期也越來(lái)越短B.對(duì)于某種特定的元素,半衰期是個(gè)不變的值C.半衰期隨溫度或化學(xué)環(huán)境變化而變化D.8個(gè)氡原子經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期的時(shí)間后,剩余4個(gè)氡原子答案:B解析:放射性元素的半衰期僅僅與元素本身有關(guān),不會(huì)隨它所處的化學(xué)環(huán)境和它本身的物理狀態(tài)的變化而變化,故選項(xiàng)A、C錯(cuò)誤,B正確;半衰期具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對(duì)大量的原子核適用,對(duì)少數(shù)的原子核不適用,故選項(xiàng)