《7.2 原子核的衰變》講義

《7.2原子核的衰變》講義##一、課程引入同學(xué)們，今天咱們要進(jìn)入一個超級神秘又超級酷的物理世界——原子核的衰變。我先給大家講個事兒啊。我之前去參觀一個科學(xué)博物館，那里有個展示核能的區(qū)域，墻上掛著好多關(guān)于原子核反應(yīng)的圖片和解釋。其中有一張圖片特別吸引我，上面畫著一個原子核就像一個小小的魔法盒子，時不時地會有東西從里面跑出來，這就是咱們今天要研究的原子核衰變啦。##二、基礎(chǔ)知識###（一）原子核的結(jié)構(gòu)回顧1、**原子核的組成**咱們之前學(xué)過，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。這就好比一個小團(tuán)隊，質(zhì)子是那些積極活躍的隊員，帶著正電這個特殊的“標(biāo)記”，而中子就像是默默在旁邊支持的隊員。那原子核這個小團(tuán)隊可不得了，雖然它特別特別小，但是蘊(yùn)含著巨大的能量呢。2、**核力**那這么多質(zhì)子都帶正電，它們在原子核里為啥沒有因為同性相斥而散架呢？這就多虧了核力。核力就像一種超級膠水，把質(zhì)子和中子緊緊地粘在一起。這個核力很神奇哦，它是一種短程力，只有在原子核那么小的范圍內(nèi)才起作用。###（二）衰變的概念1、**衰變是什么**現(xiàn)在咱們正式來看看衰變。衰變就像是原子核這個小魔法盒子自己內(nèi)部發(fā)生的一些變化。在衰變過程中，原子核會自發(fā)地變成另一種原子核，同時還可能放出一些粒子。這就好比那個魔法盒子自己突然變了個樣，還可能吐出幾個小珠子啥的。2、**衰變的種類**-**α衰變**：在α衰變中，原子核會放出一個α粒子。這個α粒子其實就是由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的氦核。打個比方，就好像原子核這個小團(tuán)隊里，有兩個質(zhì)子和兩個中子突然組隊，然后一起從原子核里跑出去了。α衰變的方程式通常寫成這樣：$_{Z}^{A}X\to_{Z-2}^{A-4}Y+_{2}^{4}He$其中$_{Z}^{A}X$表示衰變前的原子核，$Z$是質(zhì)子數(shù)，$A$是質(zhì)量數(shù)；$_{Z-2}^{A-4}Y$表示衰變后的原子核；$_{2}^{4}He$就是α粒子。-**β衰變**：β衰變稍微復(fù)雜一點(diǎn)。在β衰變中，原子核里的一個中子會變成一個質(zhì)子，同時放出一個電子，這個電子就被叫做β粒子。這就像原子核里的一個默默支持的中子隊員突然變成了活躍的質(zhì)子隊員，還扔出了一個電子小珠子。β衰變的方程式是這樣的：$_{Z}^{A}X\to_{Z+1}^{A}Y+_{-1}^{0}e$這里$_{Z}^{A}X$是衰變前的原子核，$_{Z+1}^{A}Y$是衰變后的原子核，$_{-1}^{0}e$就是β粒子。-**γ衰變**：γ衰變是伴隨著α衰變或者β衰變發(fā)生的。原子核在發(fā)生α衰變或者β衰變之后，可能處于一種比較“興奮”的狀態(tài)，這時候它會通過放出γ射線來回到穩(wěn)定狀態(tài)。γ射線是一種高能電磁波，就像原子核在變身之后還釋放出一道神秘的能量光線來平靜自己。##三、衰變規(guī)律###（一）質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒1、**質(zhì)量數(shù)守恒**在任何一種衰變過程中，反應(yīng)前原子核的質(zhì)量數(shù)和反應(yīng)后所有粒子的質(zhì)量數(shù)之和是相等的。這就像是一場魔術(shù)表演，不管原子核怎么變，總質(zhì)量這個“大蛋糕”的量是不變的。比如說在α衰變中，衰變前原子核的質(zhì)量數(shù)$A$，等于衰變后新原子核的質(zhì)量數(shù)$A-4$加上α粒子的質(zhì)量數(shù)$4$。2、**電荷數(shù)守恒**同樣的，電荷數(shù)也得守恒。反應(yīng)前原子核的電荷數(shù)和反應(yīng)后所有粒子的電荷數(shù)之和必須相等。就好比在β衰變中，衰變前原子核的電荷數(shù)$Z$，等于衰變后新原子核的電荷數(shù)$Z+1$加上β粒子的電荷數(shù)$-1$。###（二）衰變的半衰期1、**半衰期的定義**半衰期可是個很重要的概念哦。半衰期就是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。我給大家舉個例子，假設(shè)我們有一堆放射性的原子核，就像一堆有特殊標(biāo)記的小珠子。過了一個半衰期之后，這堆小珠子里就有一半會發(fā)生衰變，變成其他的東西。再經(jīng)過一個半衰期，剩下的那一半里又有一半會衰變，以此類推。2、**半衰期的計算**如果我們用$N$表示初始時刻放射性原子核的個數(shù)，$N_0$表示經(jīng)過時間$t$后剩下的放射性原子核的個數(shù)，$\lambda$表示衰變常數(shù)，$T_{1/2}$表示半衰期，那么它們之間有這樣的關(guān)系：-$N=N_0e^{-\lambdat}$這個公式里，$e$是自然常數(shù)，約等于2.71828。-$T_{1/2}=\frac{\ln2}{\lambda}$這里的$\ln2$是以$e$為底2的對數(shù)，大約是0.693。3、**半衰期的特點(diǎn)**半衰期是放射性元素的一個固有屬性，就像每個人都有自己獨(dú)特的性格一樣。不同的放射性元素半衰期不一樣，有的很短，可能就幾秒甚至更短；有的很長，能達(dá)到幾億年呢。而且半衰期不受外界條件的影響，不管是溫度、壓力還是其他什么條件，半衰期該是多長還是多長。##四、衰變的應(yīng)用###（一）考古中的應(yīng)用1、**碳-14測年法**在考古學(xué)里，有一種很厲害的方法叫做碳-14測年法。大家知道，地球上的生物在活著的時候，會不斷地和外界進(jìn)行碳交換，它們體內(nèi)的碳-14的比例和大氣中的是一樣的。但是當(dāng)生物死亡后，就不再進(jìn)行這種碳交換了，體內(nèi)的碳-14就會開始衰變。碳-14的半衰期大約是5730年?？脊艑W(xué)家們通過測量古代生物遺體中碳-14的含量，再根據(jù)半衰期的規(guī)律，就能算出這個生物死亡的大概時間，從而推斷出這個文物或者遺址的年代。比如說，我們發(fā)現(xiàn)了一塊古代的骨頭，測量它里面碳-14的含量只剩下原來的四分之一了，那我們就可以算出這塊骨頭已經(jīng)經(jīng)歷了兩個半衰期，也就是大約11460年了。2、**其他放射性元素在考古中的應(yīng)用**除了碳-14，還有一些其他的放射性元素也可以用來考古。比如說鈾-238，它的半衰期特別長，有45億年左右。通過研究古代巖石或者礦物里鈾-238的衰變情況，我們可以了解地球的年齡和地質(zhì)歷史。###（二）醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用1、**放射性治療**在醫(yī)學(xué)上，我們可以利用放射性元素的衰變來治療癌癥等疾病。有一種治療方法叫做放射性粒子植入。醫(yī)生會把一些放射性粒子，像碘-125粒子，直接植入到腫瘤里面。這些粒子會不斷地衰變，放出射線，射線就像一個個小小的“子彈”，可以殺死腫瘤細(xì)胞。不過這個過程可需要非常精確的控制，因為射線如果不小心傷害到正常細(xì)胞就不好了。我有個朋友，他的家人得了腫瘤，就做了這種放射性粒子植入的治療。醫(yī)生在治療前做了很多準(zhǔn)備工作，精確地計算了粒子的數(shù)量、位置等，治療過程中也一直在監(jiān)測，最后效果還挺不錯的呢。2、**醫(yī)學(xué)成像**放射性元素還可以用來做醫(yī)學(xué)成像。比如說锝-99m，它在衰變過程中會放出γ射線。醫(yī)生可以把含有锝-99m的藥物注入到病人的身體里，然后用特殊的儀器檢測γ射線的分布情況，這樣就能看到身體內(nèi)部器官的情況，發(fā)現(xiàn)有沒有病變之類的。就像給身體內(nèi)部拍了一張?zhí)厥獾恼掌粯印?##（三）工業(yè)上的應(yīng)用1、**無損檢測**在工業(yè)上，我們可以利用放射性衰變來進(jìn)行無損檢測。比如說檢測金屬材料內(nèi)部有沒有缺陷。我們可以把一種放射性源放在金屬材料的一邊，在另一邊用探測器檢測射線的強(qiáng)度。如果金屬材料內(nèi)部有缺陷，射線穿過的時候強(qiáng)度就會發(fā)生變化，這樣我們就能發(fā)現(xiàn)問題了。就好比我們用X光透視身體一樣，不過這里是透視金屬材料。2、**放射性示蹤**還有放射性示蹤技術(shù)。比如說在石油工業(yè)中，我們可以把一種含有放射性元素的物質(zhì)加入到石油里，然后通過檢測放射性元素的行蹤來了解石油在地下的流動情況，這樣就能更好地開采石油了。##五、衰變的危害與防護(hù)###（一）衰變的危害1、**對生物的危害**放射性衰變產(chǎn)生的射線對生物有很大的危害。這些射線如果照射到人體上，會破壞人體的細(xì)胞和組織。比如說α射線，雖然它的穿透能力比較弱，但是如果被人體吸入或者攝入，就會對人體內(nèi)部的器官造成很大的傷害。β射線的穿透能力比α射線強(qiáng)一些，它能穿透皮膚表層，對皮下組織造成傷害。γ射線的穿透能力最強(qiáng)，它能穿透人體，對人體的內(nèi)臟器官、骨髓等都可能造成損害，嚴(yán)重的話可能會導(dǎo)致癌癥、基因突變等疾病。2、**對環(huán)境的危害**放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生的射線還會對環(huán)境造成危害。如果放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境中，會污染土壤、水源和空氣。比如說切爾諾貝利核事故，大量的放射性物質(zhì)泄漏出來，周圍的森林都受到了嚴(yán)重的污染，樹木都變成了紅色，被稱為“紅色森林”。而且這些污染會持續(xù)很長時間，影響動植物的生存和繁衍。###（二）衰變的防護(hù)1、**時間防護(hù)**為了減少放射性衰變的危害，我們可以采取一些防護(hù)措施。首先是時間防護(hù)，就是盡量減少在放射性環(huán)境中的暴露時間。就像我們在太陽底下曬久了會曬傷一樣，在放射性環(huán)境里待久了也會受到更多的傷害。所以如果是在有放射性的地方工作，工作人員會嚴(yán)格控制工作時間。2、**距離防護(hù)**距離防護(hù)也很重要。放射性射線的強(qiáng)度會隨著距離的增加而減弱。就好比一個燈泡，離它越遠(yuǎn)就越暗。所以在可能有放射性的地方，人們會盡量遠(yuǎn)離放射性源。3、**屏蔽防護(hù)**最后是屏蔽防護(hù)。我們可以用一些物質(zhì)來屏蔽放射性射線。比如說α射線，可以用一張紙或者幾厘米厚的空氣就能擋??；β射線需要用鋁板之類的來屏蔽；γ射線則需要用很厚的鉛板或者混凝土墻來屏蔽。在醫(yī)院的放射科，大家會看到那些厚厚的鉛門和鉛玻璃，就是為了屏蔽γ射線，保護(hù)外面的人不受到輻射。##六、課程總結(jié)1、**重點(diǎn)回顧**今天咱們學(xué)習(xí)了原子核的衰變，重點(diǎn)要記住衰變的種類，像α衰變、β衰變和γ衰變，還有衰變過程中的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒定律，以及半衰期這個重要的概念。這些可都是考試的重點(diǎn)哦，而且在實際生活中的應(yīng)用也非常廣泛。2、**難點(diǎn)解析**可能有同學(xué)覺得β衰變里中子變成質(zhì)子和電子這個過程有點(diǎn)難理解。大家可以這樣想，原子核里的中子就像一個不穩(wěn)定的小團(tuán)體，內(nèi)部發(fā)生了一些變化，