放射性元素的衰變+高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

第五章原子核核能是蘊(yùn)藏在原子核內(nèi)部的能量。核能的發(fā)現(xiàn)是人們探索微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重大成果。人類通過(guò)許多方式利用核能，主要的途徑是發(fā)電，如今，全世界大約有16%的電能是由核反應(yīng)堆生產(chǎn)的。核能的利用可以有效緩解常規(guī)能源的短缺。圖為某核電站核反應(yīng)堆的本體。它是浸沒(méi)在水下的(藍(lán)色)。其中含有鈾和钚的燃料棒被裝進(jìn)核反應(yīng)堆的堆芯，用于產(chǎn)生受控核裂變反應(yīng)，釋放出大量的能量。5.2放射性元素的衰變存在能讓一種元素變成另一種元素的過(guò)程，這就是原子核的衰變過(guò)程以及后面要學(xué)習(xí)的原子核的人工轉(zhuǎn)變.類似于“點(diǎn)石成金”的事一直就在自然界中進(jìn)行著這就是伴隨著天然放射現(xiàn)象發(fā)生的原子核“衰變”過(guò)程。?原子核的衰變衰變?cè)雍俗园l(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(decay)。鈾238放出一個(gè)α粒子后，質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，成為新核。這個(gè)新核就是釷234(圖5.2-1)。這種衰變過(guò)程叫作α衰變。這個(gè)過(guò)程可以用下面的衰變方程表示在這個(gè)衰變過(guò)程中，衰變前的質(zhì)量數(shù)等于衰變后的質(zhì)量數(shù)之和；衰變前的電荷數(shù)等于衰變后的電荷數(shù)之和。大量事實(shí)表明，原子核衰變時(shí)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。

放出β

粒子的衰變叫作β

衰變。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，β

衰變的實(shí)質(zhì)在于核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成了一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子(圖5.2-3)，其轉(zhuǎn)化方程是

這種轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電子發(fā)射到核外，就是β

粒子；與此同時(shí)，新核少了一個(gè)中子，卻增加了一個(gè)質(zhì)子。所以，新核質(zhì)量數(shù)不變，而電荷數(shù)增加1。研究還表明，在一定條件下，原子核中的兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子會(huì)結(jié)合起來(lái)形成α

粒子，并被釋放出來(lái)。此時(shí)原子核就發(fā)生了α

衰變。原子核的能量也跟原子的能量一樣，其變化是不連續(xù)的，也只能取一系列不連續(xù)的數(shù)值，因此，也存在著能級(jí)，同樣是能級(jí)越低越穩(wěn)定。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。因此，γ射線經(jīng)常是伴隨α

射線和β

射線產(chǎn)生的。當(dāng)放射性物質(zhì)連續(xù)衰變時(shí)，原子核中有的發(fā)生α

衰變，有的發(fā)生β

衰變，同時(shí)伴隨著γ

射線輻射。這時(shí)，放射性物質(zhì)發(fā)出的射線中就會(huì)同時(shí)具有α、β、γ

三種射線。?

半衰期放射性同位素衰變的快慢有一定的規(guī)律。例如222經(jīng)過(guò)α

衰變成為釙218。如圖5.2-4，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示任意時(shí)刻氨的質(zhì)量m與t＝0時(shí)的質(zhì)量m0

的比值。

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

(halflife)。不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差別非常大。例如，氡222衰變?yōu)獒?18的半衰期是3.8d，鐳226衰變?yōu)殡?22的半衰期是1620年，鈾238衰變?yōu)殁Q234的半衰期竟長(zhǎng)達(dá)4.5×109年。對(duì)于一個(gè)特定的氡原子，我們只知道它發(fā)生衰變的概率，而不知道它將何時(shí)發(fā)生衰變。一個(gè)特定的核可能在下1s就衰變，也可能在10min之內(nèi)衰變，也可能在200萬(wàn)年之后再衰變。然而，量子理論可以對(duì)大量原子核的行為作出統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)。例如，對(duì)于大量氨核，可以準(zhǔn)確地預(yù)言在1s后、10min后，或200萬(wàn)年后，各會(huì)剩下百分之幾沒(méi)有衰變。放射性元素的半衰期，描述的就是這樣的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。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(méi)有關(guān)系。例如，一種放射性元素，不管它是以單質(zhì)的形式存在，還是與其他元素形成化合物，或者對(duì)它施加壓力、提高溫度，都不能改變它的半衰期。這是因?yàn)閴毫?、溫度或與其他元素的化合等，都不會(huì)影響原子核的結(jié)構(gòu)。注意：

(1)半衰期的長(zhǎng)短由原子核內(nèi)部自身的因素決定，跟所處的化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)和外部條件(如溫度和壓強(qiáng))都沒(méi)有關(guān)系。

(2)半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只對(duì)大量的原子核才適用，對(duì)少數(shù)原子核是不適用的。典例探究例題1：關(guān)于放射性元素的半衰期，下列說(shuō)法正確的是(

)A．半衰期是原子核全部衰變所需時(shí)間的一半。B．半衰期是原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。C．半衰期是原子量減少一半所需的時(shí)間。D．半衰期是元素質(zhì)量減少一半所需的時(shí)間。B

解得：

?

核反應(yīng)

鋁箔熒光屏氮?dú)怙@微鏡衰變是原子核的自發(fā)變化，科學(xué)家更希望人工控制原子核的變化。當(dāng)初盧瑟福用α

粒子轟擊氮原子核，產(chǎn)生了氧的一種同位素——氧17和一個(gè)質(zhì)子，即

這是人類第一次實(shí)現(xiàn)的原子核的人工轉(zhuǎn)變。不僅用α

粒子用質(zhì)子、中子甚至用γ

光子去轟擊一些原子核，都可以實(shí)現(xiàn)原子核的轉(zhuǎn)變，通過(guò)這種方式可以研究原子核的結(jié)構(gòu)，還可以發(fā)現(xiàn)和制造新元素。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)

(nuclearreaction)。與衰變過(guò)程一樣，在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。核反應(yīng)說(shuō)明：1.核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒。2.核反應(yīng)是原子核的變化，化學(xué)反應(yīng)是核外電子的變化。?

放射性同位素及其應(yīng)用很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它們被稱為放射性同位素。天然放射性同位素不過(guò)40多種，而今天通過(guò)核反應(yīng)生成的人工放射性同位素已達(dá)3000多種，每種元素都有了自己的放射性同位素。豐富的放射性同位素資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。人工放射性同位素和天然放射性同位素相比的優(yōu)點(diǎn)：放射強(qiáng)度容易控制半衰期短，廢料易處理可制成各種所需形狀現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中一般使用人工放射性同位素放射性同位素的應(yīng)用：A．利用射線的穿透本領(lǐng)與物質(zhì)厚度密度的關(guān)系，來(lái)檢查各種產(chǎn)品的厚度和密封容器中液體的高度等，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。B．由于γ射線貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，可以用來(lái)γ射線檢查金屬內(nèi)部有沒(méi)有砂眼或裂紋，所用的設(shè)備叫γ射線探傷儀。C．利用射線使空氣電離而把空氣變成導(dǎo)電氣體，以消除化纖、紡織品上的靜電。D．利用射線照射植物，引起植物變異而培育良種，也可以利用它殺菌、治病等。射線測(cè)厚儀工業(yè)部門可以使用放射性同位素發(fā)出的射線來(lái)測(cè)厚度。例如，軋鋼廠的熱軋機(jī)上可以安裝射線測(cè)厚儀(圖5.2-5)，讓?duì)?/p>

射線穿過(guò)鋼板，儀器探測(cè)到的γ

射線強(qiáng)度與鋼板的厚度有關(guān)，軋出的鋼板越厚，透過(guò)的射線越弱。因此，將射線測(cè)厚儀接收到的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，就可以對(duì)鋼板的厚度進(jìn)行自動(dòng)控制。放射治療在醫(yī)療方面，患了癌癥的病人可以接受放射治療(圖5.2-6)。為什么射線能夠用于治療癌癥呢?一個(gè)很重要的原因是人體組織對(duì)射線的耐受能力是不同的細(xì)胞分裂越快的組織，它對(duì)射線的耐受能力就越弱。像癌細(xì)胞那樣，不斷迅速繁殖的、無(wú)法控制的細(xì)胞組織，在射線照射下破壞得比健康細(xì)胞快。培優(yōu)、保鮮利用γ

射線照射種子，會(huì)使種子的遺傳基因發(fā)生變異，經(jīng)過(guò)篩選，可以培育出新品種。用γ

射線照射食品可以殺死使食物腐敗的細(xì)菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長(zhǎng)保存期(圖5.2-7)。示蹤原子一種放射性元素的原子核，跟這種元素其他同位素的原子核具有相同數(shù)量的質(zhì)子，因此，核外電子的數(shù)量也相同。由此可知，一種元素的各種同位素都有相同的化學(xué)性質(zhì)。這樣，我們可以用放射性同位素代替非放射性的同位素來(lái)制成各種化合物，這種化合物的原子跟通常的化合物一樣參與所有化學(xué)反應(yīng)，但卻帶有“放射性標(biāo)記”，可以用儀器探測(cè)出來(lái)。這種原子就是示蹤原子。棉花在開花、結(jié)桃的時(shí)候需要較多的磷肥，把磷肥噴在棉花葉子上，磷肥也能被吸收。但是，什么時(shí)候的吸收率最高、磷在作物內(nèi)能存留多長(zhǎng)時(shí)間、磷在作物體內(nèi)的分布情況等，用通常的方法很難研究。如果用磷的放射性同位素制成肥料噴在棉花的葉面上，然后每隔一定時(shí)間用探測(cè)器測(cè)量棉株各部位的放射性強(qiáng)度，上面的問(wèn)題就解決了。人體甲狀腺的工作需要碘，碘被吸收后聚集在甲狀腺內(nèi)。如圖5.2-8，給人注射碘的放射性同位素碘131，在頸部底部的甲狀腺(紅色，部分被遮蔽)，被放射性示蹤劑碘131高亮著色。定時(shí)用探測(cè)器測(cè)量甲狀腺及鄰近組織的放射強(qiáng)度，有助于診斷甲狀腺的疾病。近年來(lái)，有關(guān)生物大分子的結(jié)構(gòu)及其功能的研究，幾乎都要借助于示蹤原子。?

輻射與安全人類一直生活在放射性的環(huán)境中。例如，地球上的每個(gè)角落都有來(lái)自宇宙的射線，我們周圍的巖石，其中也有放射性物質(zhì)。我們的食物和日常用品中，有的也具有放射性，例如，食鹽和有些水晶眼鏡片中含有鉀40，香煙中含有釙210，這些也是放射性同位素，不過(guò)它們輻射的強(qiáng)度都在安全劑量之內(nèi)。然而過(guò)量的射線對(duì)人體組織有破壞作用，這些破壞往往是對(duì)細(xì)胞核的破壞，有時(shí)不會(huì)馬上察覺(jué)。因此，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、用具等的污染存在射線危險(xiǎn)的地方，常能看到如圖5.2-9所示的標(biāo)志。原子彈爆炸、核電站泄露會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。在利用放射性同位素給病人做“放療”時(shí)，如果放射性的劑量過(guò)大，皮膚和肉就會(huì)潰爛不愈，導(dǎo)致病人因放射性損害而死去。有些礦石中含有過(guò)量的放射性物質(zhì)，如果不注意也會(huì)對(duì)人體造成巨大的危害。過(guò)量的放射性會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人類和自然界產(chǎn)生破壞作用。遭原子彈轟炸的廣島放射性的防護(hù)(1)在核電站的核反應(yīng)堆外層用厚厚的水泥來(lái)防止放射線的外泄。(2)用過(guò)的核廢料要放在很厚的重金屬箱內(nèi)，并埋在深海里。(3)在生活中要有防范意識(shí)，盡可能遠(yuǎn)離放射源。為了防止有害的放射線對(duì)人類和自然的破壞，人們采取了有效的防范措施：檢測(cè)輻射裝置輻射源的存放操作放射性物質(zhì)的設(shè)備在防護(hù)狀態(tài)下操作放射性物質(zhì)碳14測(cè)年技術(shù)自然界中的碳主要是碳12，也有少量的碳14。宇宙射線進(jìn)入地球大氣層時(shí)，同大氣作用產(chǎn)生中子，中子撞擊大氣中的氦引發(fā)核反應(yīng)產(chǎn)生碳14。核反應(yīng)方程為

碳14具有放射性，能夠自發(fā)地進(jìn)行β

衰變而變成氮，核反應(yīng)方程為

碳14的半衰期T1/2

為5730年。碳14不斷產(chǎn)生又不斷衰變，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，因此，它在大氣中的含量相當(dāng)穩(wěn)定，大約每1012

個(gè)碳原子中有一個(gè)碳14?；畹闹参锿ㄟ^(guò)光合作用和呼吸作用與環(huán)境交換碳元素，體內(nèi)碳14的比例與大氣中的相同。植物枯死后，遺體內(nèi)的碳14仍在衰變，不斷減少，但是不能得到補(bǔ)充。因此，根據(jù)放射性強(qiáng)度減小的情況就可以推算植物死亡的時(shí)間。

在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中也會(huì)用到碳14測(cè)定年代的方法。例如，進(jìn)行基本建設(shè)時(shí)，地質(zhì)基礎(chǔ)的力學(xué)性質(zhì)是個(gè)重要指標(biāo)。一般說(shuō)來(lái)，地層形成年代越早，固結(jié)程度越高，抗沖擊性和承壓性越好。北京飯店新樓施工時(shí)，在地面以下13m深的位置發(fā)現(xiàn)了兩棵直徑達(dá)1m的榆樹。用碳14測(cè)定，這兩棵樹距今29285±1350年。據(jù)此數(shù)據(jù)，建設(shè)部門認(rèn)為這個(gè)地層已經(jīng)足夠古老，可以作為地基，于是停止下挖，這樣就節(jié)約了資金。練習(xí)與應(yīng)用

3.已知釷234的半衰期是24d，1g釷234經(jīng)過(guò)120d后還剩多少?若已知鉍210的半衰期是5d，經(jīng)過(guò)多少天后，20g鉍210