5.2放射性元素的衰变学案-2022-2023学年高二下学期物理人教版2019选择性必修第三册(含答案)

2.放射性元素的衰变核心素养目标物理观念：半衰期、α衰变、β衰变．科学思维：衰变方程的书写、半衰期的理解．科学探究：利用14C的半衰期估算始祖鸟的年龄．科学态度与责任：根据半衰期的概念，处理实际问题，如推知古生物的年龄，推断时间、测定衰变程度等.知识点一、原子核的衰变1．定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于______数变了，它在元素周期表中的____就变了，变成另一种______．我们把这种变化称为原子核的衰变．2．衰变类型(1)α衰变：放射性元素放出α粒子的衰变过程．放出一个α粒子，核的质量数______，电荷数______，成为新核．(2)β衰变：放射性元素放出β粒子的衰变过程．放出一个β粒子后，核的质量数____，电荷数______．3．衰变规律：原子核衰变时______和______都守恒．4．衰变的实质(1)α衰变的实质：2个____和2个____结合在一起形成α粒子．(2)β衰变的实质：核内的________转化为了一个____和一个____．(3)γ射线经常的伴随α衰变和β衰变产生的．点睛：eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He——α衰变方程eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e——β衰变方程“电荷数之和”指代数和，因为发生β衰变时，电子的电荷数是－1.知识点二、半衰期1．定义：放射性元素的原子核有____发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期．2．特点：(1)不同的放射性元素，半衰期______，甚至差别非常大．(2)放射性元素衰变的快慢是由____________________决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________．3．适用条件：半衰期描述的是________，不适用于单个原子的衰变．4．半衰期的应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以通过测量衰变程度来推断________．知识点三、核反应1．定义：原子核在其他粒子的轰击下产生________或者发生状态变化的过程．2．原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→________.3．遵循规律：__________守恒，电荷数守恒．知识点四、放射性同位素的应用1．应用射线：利用γ射线的________可以测厚度等，还可以用于放射治疗、照射种子培育优良品种等．2．示踪原子：一种元素的各种同位素具有________化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置．知识点五、辐射与安全人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织________．要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染．理解：衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个微观事件不可以预测”．即半衰期只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义，某一个原子核何时发生衰变，是未知的．衰变和原子核的人工转变的不同衰变是具有放射性的不稳定核自发进行的变化，原子核的人工转变是用α粒子、质子、中子或光子轰击靶核发生的变化．拓展：放射性同位素的发现1934年，约里奥一居里夫妇用α粒子轰击铝；发现生成物中含有放射性eq\o\al(30,15)P，这是人类第一次发现放射性的同位素，而约里奥—居里夫妇由此获得1935年诺贝尔化学奖．要点一原子核的衰变规律和衰变方程式题型1衰变类型的判断【例1】(多选)下列核反应方程属于衰变的是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)eC.eq\o\al(66,29)Cu→eq\o\al(62,27)Co＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nα衰变与β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e衰变实质2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e典型实例eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e衰变规律质量数守恒，电荷数守恒题型2确定衰变的次数【例2】在一个放射性元素的原子核eq\o\al(232,90)Th衰变成一个稳定元素的原子核eq\o\al(208,82)Pb的过程中，发生α衰变和β衰变的次数分别为()A．6,4 B．3,2 C．9,5 D．1,7确定衰变次数的方法方法一：设放射性元素eq\o\al(A,Z)X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素eq\o\al(A′,Z′)Y，则衰变方程为：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A′,Z′)Y＋neq\o\al(4,2)He＋meq\o\al(0,－1)e.根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.方法二：确定衰变次数，因为β衰变对质量数无影响，先由质量数的改变确定α衰变的次数，再根据衰变规律确定β衰变的次数．题型3衰变粒子在电磁场中运动的综合问题【例3】静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核轨道半径之比为44:1，如图所示，则下列说法错误的是()A．α粒子与反冲核的动量大小相等、方向相反B．原来放射性元素的原子核电荷数为90C．反冲核的电荷数为88D．α粒子和反冲核的速度大小之比为1:88在磁场中径迹的特点α衰变β衰变eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e匀强磁场中的轨迹匀强磁场中的轨迹两圆外切，α粒子半径大两圆内切，β粒子半径大α粒子和β粒子在磁场中运动问题的求解方法①原子核在释放α粒子或β粒子的过程中系统的动量守恒．②由左手定则和轨迹的内切和外切判断释放粒子的电性．③根据洛仑兹力和牛顿第二定律以及动量守恒定律可知半径和粒子电荷量间的关系．要点二半衰期的理解及应用【例4】下列关于放射性元素半衰期的说法中，正确的是()A．温度升高半衰期缩短B．压强增大半衰期增长C．半衰期由该元素质量多少决定D．半衰期与该元素质量、压强、温度无关半衰期的理解要点(1)不同元素的半衰期不同，半衰期越大，衰变越慢，半衰期越小，衰变越快．(2)半衰期是一个统计规律，是对大量的原子核衰变规律的总结．对于一个特定的原子核，无法确定它何时发生衰变．(3)半衰期是放射性元素的性质，只与原子核本身的性质有关，与物理和化学状态无关，即一种放射性元素，不管它以单质存在还是以化合物的形式存在，或者对它加压，或者提高它的温度，都不能改变其半衰期．半衰期公式的应用要点应用半衰期公式N＝N0(12要点三核反应及核反应方程【例5】(多选)下列核反应方程中，X1、X2、X3、X4代表α粒子的有()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(1,0)n＋X1B.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(1,0)n＋X2C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3X3D.eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(6,3)Li→eq\o\al(3,1)H＋X4变式训练7下列核反应方程中，属于β衰变的是()A.eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(291,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)eB.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H点睛：(1)书写核反应方程的三条重要原则①质量数守恒和电荷数守恒；②中间用箭头，不能写成等号；③核反应必须是实验中能够发生的．(2)衰变和人工转变核反应类型的判断：①衰变是具有放射性的不稳定核自发进行的变化，两种衰变方程α衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He，β衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e.②原子核的人工转变是利用α粒子、质子、中子或γ光子轰击靶核发生的变化．要点四放射性同位素的理解与应用【例6】(多选)下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是()A．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况B．把含有放射性元素的肥料施给农作物，利用探测器的测量，找出合理的施肥规律C．利用射线探伤法检查金属中的砂眼和裂纹D．给怀疑患有甲状腺的病人注射碘131，诊断甲状腺的器质性和功能性疾病放射性同位素的理解及应用要点(1)放射性同位素的特点有些同位素具有放射性，叫作放射性同位素．放射性同位素有天然和人造两种，它们的化学性质相同．用质子、中子、α粒子轰击原子核，可以得到放射性同位素．(2)放射性同位素的应用①工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透性．②放射治疗——用γ射线照射病人肿瘤部位，杀死病变组织．③培优保鲜——用γ射线照射种子，使基因变异．用γ射线照射食品，杀死细菌，抑制发芽．④作为示踪原子——利用了放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质．【随堂演练】1．下面列出的是一些核反应方程，eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋X，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(10,5)B＋Y，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(7,3)Li＋Z，其中()A．X是质子，Y是中子，Z是正电子B．X是正电子，Y是质子，Z是中子C．X是中子，Y是正电子，Z是质子D．X是正电子，Y是中子，Z是质子2．2020年3月20日，电影《放射性物质》在伦敦首映，该片的主角——居里夫人是放射性元素钋(eq\o\al(210,84)Po)的发现者．已知钋(eq\o\al(210,84)Po)发生衰变时，会产生α粒子和原子核X，并放出γ射线．下列分析正确的是()A．原子核X的质子数为82，中子数为206B．γ射线具有很强的穿透能力，可用来消除有害静电C．由α粒子所组成的射线具有很强的电离能力D．地磁场能使γ射线发生偏转3．碘131(eq\o\al(131,53)I)治疗是临床上常用的一种冶疗甲亢的方法，它是通过含有β射线的碘被甲状腺吸收，来破坏甲状腺组织，使甲状腺合成和分泌甲状腺激素水平减少来达到治愈甲亢的目的．已知碘131发生β衰变的半衰期为8天，则以下说法正确的是()A．碘131的衰变方程为eq\o\al(131,53)I→eq\o\al(131,54)Xe＋eq\o\al(0,－1)eB.eq\o\al(131,54)Xe核比eq\o\al(131,53)I核多一个中子C．32g碘131样品，经16天后大约有8g样品发生了β衰变D．升高温度可能会缩短碘131的半衰期4．匀强电场里有一个原来速度几乎为零的放射性碳14原子核，它所放射的粒子与反冲核经过相等的时间所形成的径迹如图所示(a、b均表示长度)，那么碳14的衰变方程可能是()A.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(10,4)BeB.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,5)BC.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,7)ND.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(12,5)B5．(多选)如图所示，匀强磁场的O点有一静止的原子核eq\o\al(234,90)Th发生了某种衰变，衰变方程为eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(A,Z)Y＋eq\o\al(0,－1)e，反应生成的粒子中eq\o\al(0,－1)e的速度方向垂直于磁场方向．关于该衰变，下列说法正确的是()A.eq\o\al(234,90)Th发生的是α衰变B.eq\o\al(234,90)Th发生的是β衰变C．A＝234，Z＝91D．新核eq\o\al(A,Z)Y和粒子eq\o\al(0,－1)e在磁场中的轨迹外切于O点2．放射性元素的衰变基础导学研读教材一、1.核电荷位置原子核2．(1)减少4减少2(2)不变增加13．质量数电荷数4．(1)质子中子(2)一个中子质子电子二、1.半数2．(1)不同(2)核内部自身的因素没有关系3．统计规律4．时间三、1.新原子核2.eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H3．质量数四、1.穿透本领2．相同的五、有破坏作用课堂互动合作探究要点一【例1】【解析】B、C对：衰变是指生成物中有α、β、γ三种射线，且反应物只有一种核，反应是自发发生的．D错：此方程为裂变反应，是重核分裂为几个质量较小的核．A错：此方程为聚变反应，是两个轻核结合成质量较大的核．【答案】BC【例2】【解析】由eq\o\al(232,90)Th变为eq\o\al(208,82)Pb，先由质量数的变化确定α衰交次数，再根据α衰变对电荷数的改变确定β衰变的次数．解法一：由于β衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定α衰变的次数，因为每进行一次α衰变，质量数减少4，所以α衰变的次数为：x＝eq\f(232－208,4)次＝6次．再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判断β衰变的次数.6次α衰变，电荷数应减少2×6＝12个，而每进行一次β衰变；电荷数增加1，所以β衰变的次数为y＝[12－(90－82)]次＝4次，选项A正确．解法二：设经过x次α衰变、y次β衰变，根据质量数和电荷数守恒得：232＝208＋4x,90＝82＋2x－y，两式联立得x＝6，y＝4，选项A正确．【答案】A【例3】【解析】A对：微粒之间相互作用的过程遵循动量守恒，由于初始总动量为0，则末动量也为0，即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反．B对：由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场方向的平面内，且在洛伦兹力作用下做圆周运动，由Bqv＝meq\f(v2,R)得R＝eq\f(mv,qB).若原来放射性元素的原子核电荷数为Q，则对α粒子，R1＝eq\f(p1,B·2e)，对反冲核，R2＝eq\f(p2,BQ－2e).由于p1＝p2，R1:R2＝44:1，得Q＝90.C对：反冲核的电荷数为90－2＝88.D错：α粒子和反冲核的速度大小与质量成反比．【答案】D变式训练4解析：A对，B错：若是α衰变，则新核和α粒子向相反的方向射出，新核和α粒子偏转方向相反，做匀速圆周运动的轨迹外切，由题意知，两圆内切，所以该核衰变是β衰变，于是根据质量数守恒和电荷数守恒可知，衰变方程为eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,7)N.C对，D错：由洛伦兹力提供向心力，可求得半径r＝eq\f(mv,qB)，又由于衰变前后动量守恒，即m1v1＝m2v2，所以半径之比等于电荷量的反比，从而求出半径之比为R1:R2＝7:1.答案：AC答案：C要点二【例4】【解析】A、B错，D对：半衰期是对大量放射性元素的统计规律，是由元素自身的结构决定的，与原子核所处物理环境(如温度、压强)、化学状态(单质、化合物)无关，即温度升高、压强增大时半衰期均不变．C错：对于同一种元素的原子核，其半衰期是固定的，与原子核现在的质量多少无关．【答案】D要点三【例5】【解析】A错：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(3,2)He.B对：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(4,2)He.C错：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.D对：eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(6,3)Li→eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(4,2)He.【答案】BD要点四【例6】【解析】利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况，是利用碘131的放射性，即将碘131作为示踪原子，选项A正确；把含有放射性元素的肥料施给农作物，利用探测器的测量，找出合理的施肥规律，是示踪原子的运用，选项B正确；利用射线探伤法检查金属中的砂眼和裂纹，是利用γ射线穿透能力强，不是示踪原子的运用，选项C错误；给怀疑患有甲状腺的病人注射碘131，诊断甲状腺的器质性和功能性疾病，是将碘131作为示踪原子，选项D正确．【答案】ABD随堂演练达标检测1．解析：根据质量数和电荷数守恒可得eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)X，所以X为正电子eq\o\al(0,1)e，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(10,5