第十九章2放射性元素的衰变

第十九章原子核2放射性元素的衰变学习目标重点难点1.知道放射现象的实质是原子核的衰变．2．知道两种衰变的基本性质，掌握原子核的衰变规律及实质．3．理解半衰期的概念及影响因素．4．会利用半衰期解决相关问题.重点1.原子核衰变的规律及实质．2．半衰期的概念及影响因素.难点1.衰变的实质．2．半衰期的概念.知识点一原子核的衰变提炼知识1．原子核的衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核，这种变化称为原子核的衰变．2．原子核衰变的种类和规律：种类方程规律α衰变：放出α粒子的衰变例如：23892U→23490Th＋42Heβ衰变：放出β粒子的衰变例如：23490Th→23491Pa＋0－1e电荷数守恒γ射线：伴随α衰变和β衰变产生判断正误1．原子核发生衰变，变成了一种新的原子核．(√)2．原子核衰变时质量是守恒的．(×)3．β衰变时放出的电子就是核外电子．(×)小试身手1．(多选)对天然放射现象，下列说法中正确的是()A．α粒子带正电，所以α射线一定是从原子核中射出的B．β粒子带负电，所以β射线有可能是核外电子C．γ粒子是光子，所以γ射线有可能是由原子发光产生的D．α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的解析：α衰变的实质是原子核中的两个质子和两个中子结合成一个氦核放出的，β衰变的实质是一个中子变成一个质子和一个电子，然后释放出电子，γ射线伴随α衰变和β衰变的产生而产生．所以这三种射线都是从原子核内部释放出来的．答案：AD知识点二半衰期提炼知识1．半衰期的定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．2．半衰期的特点：(1)不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大．(2)放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系．3．半衰期的应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以通过测量其衰变方程来推断时间．判断正误1．半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢．(√)2．半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律．(√)3．对放射性元素加热时，其半衰期缩短．(×)小试身手2．下列有关半衰期的说法正确的是()A．放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需要的时间越短，衰变速度越快B．放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素的半衰期也变短C．把放射性元素放在密闭的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度D．降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减缓衰变的速度解析：元素的半衰期是由原子核内部的因素决定的，与处于单质状态还是化合物状态无关，与外部物理条件也无关．答案：A拓展一原子核的衰变规律及衰变方程1．衰变种类．(1)α衰变：放射性元素放出α粒子的衰变叫作α衰变．(2)β衰变：放射性元素放出β粒子的衰变叫作β衰变．2．(1)衰变规律：原子核衰变时，衰变前后的电荷数和质量数都守恒．(2)衰变方程：α衰变：AZX→A－4Z－2Y＋42He；β衰变：AZX→AZ＋1Y＋0－1e.注：①核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能．②当放射性物质连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴有γ射线，这时可连续放出三种射线．③核反应过程一般是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接．3．衰变实质．α衰变：原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子，并在一定条件下作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，产生α衰变．即210n＋211H→42He.β衰变：原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内，同时放出一个电子，即β粒子放射出来．即10n→11H＋0－1e.4．确定原子核衰变次数的方法与技巧．(1)方法：设放射性元素AZX经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素A′Z′Y，则衰变方程为：AZX→A′Z′Y＋n42He＋m0－1e.根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程，得A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.联立以上两式，解得：n＝A－A′4，m＝A－A′2＋Z′－Z.由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组．(2)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因为β衰变的次数多少对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定β衰变的次数．【典例1】原子核发生β衰变时，此β粒子是()A．原子核外的最外层电子B．原子核外的电子跃迁时放出的光子C．原子核外存在着的电子D．原子核内的一个中子变成一个质子时，放射出的一个电子解析：因原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的，原子核内并不含电子，但在一定条件下，一个中子可以转化成一个质子和一个负电子，一个质子可以转化成一个中子和一个正电子，其转化可用下式表示10n→11H＋0－1e(β),11H→10n＋01e.由上式可看出β粒子(负电子)是原子核内的中子转化而来，正电子是由原子核内的质子转化而来．答案：D名师点评本题考查β衰变的机理．解答此题首先要明确：不论是α衰变还是β衰变，它们都是原子核发生转变，当然，α粒子和β粒子的来源一定跟原子核内部结构有关，而与原子核外的电子无关，因此A、B两选项就可排除．由于原子核带正电荷，所以核内不可能有带负电的电子存在，这样也就可排除C选项．最终可以确定出D选项．这种利用排除法来选出正确答案的方法，对于某些对β衰变理解不深刻的同学来说，不失为一种解题好方法．1．一个静止的铀核，放射一个α粒子而变为钍核，在匀强磁场中的径迹如图所示，则正确的说法是()A．1是α，2是钍B．1是钍，2是αC．3是α，4是钍D．3是钍，4是α解析：发生α衰变后变为钍核.α粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周运动，根据动量守恒定律知，两粒子的速度方向相反，都为正电，根据左手定则，为两个外切圆.根据粒子运动的轨道半径：r＝mvqB，电量大的轨道半径小，知1是钍核的径迹，2是α粒子的径迹，故B正确，ACD错误.答案：B拓展二半衰期的理解及应用1．意义．描述放射性元素衰变的快慢．2．公式．N余＝N原12tT，m余＝m原12tT.式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数或质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数或质量，t表示衰变时间，T表示半衰期．注：半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度、环境)或化学状态(如单质、化合物)无关．半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，个别原子核经多长时间衰变无法预测，对个别或极少数原子核，无半衰期可言．3．适用条件：半衰期是一个统计概念，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，无法确定其何时发生衰变，半衰期只适用于大量的原子核．4．应用：利用半衰期非常稳定的特点，可以测算其衰变过程，推算时间等．【典例2】放射性同位素14C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代，此项研究获得1960年诺贝尔化学奖．(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成不稳定的146C，它很容易发生衰变，放出β射线变成一个新核，其半衰期为5730年，试写出14C的衰变方程．(2)若测得一古生物遗骸中的146C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？解析：(1)146C的β衰变方程为：146C→0－1e＋147N.(2)146C的半衰期T＝5730年．生物死亡后，遗骸中的146C按其半衰期变化，设活体中146C的含量为N0，遗骸中的146C含量为N，则N＝12tTN0，即0.25N0＝12t5730N0，即t5730＝2，t＝11460年．答案：(1)146C→0－1e＋147N(2)11460年名师点评该题的第(1)问，根据质量数守恒和电荷数守恒很容易书写衰变方程．该题的第(2)问是重点，考查了半衰期公式的应用．关键条件是14C的剩余含量是活体的25%，也就是经过了2个半衰期，从而求出遗骸距今多少年．2．铀234的半衰期为2.7×105年，发生α衰变后变为钍230，设一块铀矿石中原来没有钍，在54万年后，这块矿石中铀、钍含量之比为()A．1∶1B．1∶3C．117∶345D．92∶90解析：由公式m＝M12tr可知，经过54万年后，该矿石中的铀的质量剩余原来的14，所以铀、钍原子数之比为1∶3，所以这块矿石中铀、钍含量之比为：234×1∶230×3＝117∶345，故C正确，ABD错误.答案：C典型问题——衰变次数的计算方法【典例】23592U经过m次α衰变和n次β衰变，变成20782Pb，则()A．m＝7，n＝3B．m＝7，n＝4C．m＝14，n＝9D．m＝14，n＝18解析：原子核经过一次α衰变，放出一个42He，其质子数减小2，质量数减小4，经过一次β衰变，放出一个电子，质子数增加1，质量数不变．由23592U变为20782Pb，质子数减小了10，质量数减少了28，故可列方程－2m＋n＝－10，－4m＝－28，解得m＝7，n＝4.答案：B由于放射性元素23793Np的半衰期很短，所以在自然界一直未被发现，在使用人工的方法制造后才被发现.已知23793Np经过一系列α衰变和β衰变后变成20983Bi，下列论述中正确的是()A．核20983Bi比核23793Np少28个中子B．衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变C．发生β衰变时，核内中子数不变D．衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变解析：20983Bi的原子核比23793Np少93－83＝10个质子，质子数和中子数总共少237－209＝28，故20983Bi的原子核比23793Np少18个中子，故A错误；设20983Bi变为23793Np需要经过x次α衰变和y次β衰变，根据质量数和电荷数守恒则有：93＝2x－y＋83，4x＝237－209，所以解得：x＝7，y＝4，故B正确，D错误；β衰变是原子核内的中子转化为质子释放一个电子，所以中子数减少，故C错误.故选B.答案：B