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第四章原子核第二节放射性元素的衰变[学习目标]1.知道三种射线的本质和特点.2.理解原子核的衰变及核反应规律．(重点、难点)3.知道半衰期的概念，会应用半衰期解决有关问题．(重点)自主预习探新知一、原子核的衰变1．放射性物体放出的射线常见的有三种：α射线、β射线、γ射线，其实质分别是高速流、高速流、频率很高的电子电磁波．α粒子一、原子核的衰变2．三种射线的特点(1)α射线：速度可达光速的，电离作用，贯穿本领(2)β射线：速度可达光速的，电离作用，贯穿本领(3)γ射线：是频率很高的，波长，电离作用，贯穿本领99%很小．最强．最小很短电磁波较强．较弱强110一、原子核的衰变3．原子核的衰变(1)衰变定义：一种元素经过程，变成另一种的现象，称为原子核的衰变．(2)衰变分类①α衰变：放出α粒子的衰变．②β衰变：放出β粒子的衰变．放射元素一、原子核的衰变(3)衰变方程23892U→23490Th＋23490Th→23491Pa＋(4)衰变规律①原子核衰变时和都守恒．②任何一种放射性元素只有一种放射性，不能同时既有α放射性又有β放射性，而γ射线伴随α衰变或β衰变产生．电荷数质量数0－1e42He一、原子核的衰变4．γ射线的产生：放射性的原子核在发生α衰变或者β衰变后，产生的新核往往处于，它要向跃迁，并辐射，故γ射线是伴随或产生的．高能级低能级γ光子α射线β射线二、半衰期1．定义：原子核数目因减少到原来的所经过的时间，叫做半衰期．记为T1/2.2．衰变规律m＝(其中m0为衰变前的质量，m为t时间后剩余的放射性元素的质量)．3．放射性元素的平均时间称为平均寿命．衰变存活一半m012tT1/21．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)三种射线都是从原子外层电子激发出来的．()(2)原子核发生α衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4.()(3)原子核发生衰变时，质量数和电荷数都守恒．()(4)半衰期的大小反映了放射性元素衰变的快慢．()(5)放射性元素衰变的速率，与原子所处的物理状态和化学状态有关．()××√√√2．如图所示为研究某未知元素放射性的实验装置，实验开始时在薄铝片和荧光屏之间有图示方向的匀强电场E，通过显微镜可以观察到，在荧光屏的某一位置上每分钟闪烁的亮点数．若撤去电场后继续观察，发现每分钟闪烁的亮点数没有变化；如果再将薄铝片移开，观察到每分钟闪烁的亮点数大大增加，由此可以判断，放射源发出的射线可能为()A．β射线和γ射线B．α射线和β射线C．β射线和X射线D．α射线和γ射线D[α射线本质是高速氦核流，β射线是高速电子流，γ射线是电磁波，三者通过电场时，发生偏转的是α射线和β射线，不偏转的是γ射线，撤去电场后，发现每分钟闪烁的亮点数没有变化，则射线中含有γ射线；γ射线的穿透能力最强，α射线穿透能力最弱，薄铝片可以挡住α射线，不能挡住β射线和γ射线，由此判断，放射源发出的射线可能为α射线和γ射线，D选项正确．]3．(多选)已知钚的一种同位素的半衰期为24100年，其衰变方程为23994Pu→X＋42He＋γ，下列有关说法正确的是()A．X原子核中含有92个质子B．100个23994Pu经过24100年后一定还剩余50个C．由于衰变时释放巨大能量，衰变过程质量数不再守恒D．衰变发出的γ放射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力AD[根据电荷数守恒和质量数守恒可知，质量数等于质子数和中子数之和，X的电荷数为92，质量数为235，质子数是92，中子数为143，A选项正确；半衰期是统计规律，对大量的原子核适用，对个别的原子核没有意义，B选项错误；由于衰变时释放巨大能量，衰变过程总质量减小，但质量数仍旧守恒，C选项错误；衰变发出的γ放射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力，D选项正确．]合作探究攻重难三种放射线的衰变1.α、β、γ三种射线的性质、特征的比较种类α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2e－e0质量4mpmp＝1.67×10－27kgmp1840静止质量为零速度0.1c0.99cc贯穿本领最弱用一张纸就能挡住较强穿透几毫米的铝板最强穿透几厘米的铅板电离作用很强较弱很弱2.在电场、磁场中偏转情况的比较(1)不论在电场还是磁场中，γ射线总是做匀速直线运动，不发生偏转．(2)在匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，β粒子的偏移较大．如图所示．(3)在匀强磁场中，在同样的条件下，α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径较小，偏转较大．如图所示．【例1】如图所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的()选项磁场方向到达O点的射线到达P点的射线A竖直向上βαB竖直向下αβC垂直纸面向里γβD垂直纸面向外γα思路点拨：解答此题应注意以下两点：(1)能够穿过厚纸板的只有β和γ射线，α射线无法穿过．(2)γ射线不偏转，β射线在磁场中的偏转情况符合左手定则．C[R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里．]三种射线的比较方法(1)知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种．(2)在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线．(3)α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强．训练角度1：三种射线特性比较1．如图所示，x为未知的放射源，L为薄铝片，若在放射源和计数器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则x可能是()A．α和β的混合放射源B．纯α放射源C．α和γ的混合放射源D．纯γ放射源C[在放射源和计数器之间加上铝片后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即α粒子；在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，说明穿过铝片的粒子中无带电粒子，故只有γ射线．因此放射源可能是α和γ的混合放射源．]训练角度2：三种射线在电、磁场中的偏转2．(多选)如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法正确的有()A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线B．α射线和β射线的轨迹是抛物线C．α射线和β射线的轨迹是圆弧D．如果在铅盒和荧光屏间再加一个竖直向下的场强适当的匀强电场，可能使屏上的亮斑只剩下bAC[由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上，β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧．由于α粒子速度约是光速的110，而β粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动．]原子核衰变的实质及衰变方程1.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，210n＋211H→42Heβ衰变：原子核内的一个中子变成质子，同时放出一个电子，10n→11H＋0－1e2．衰变方程通式(1)α衰变：AZX→A－4Z－2Y＋42He(2)β衰变：AZX→AZ＋1Y＋0－1e3．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：A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.以上两式联立解得：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．【例2】23892U经一系列的衰变后变为20682Pb.(1)求一共经过几次α衰变和几次β衰变？(2)20682Pb与23892U相比，求质子数和中子数各少多少？(3)写出这一衰变过程的方程．思路点拨：可依据衰变过程中质量数和电荷数守恒求解衰变次数，再根据α衰变、β衰变的实质推算质子数、中子数的变化．[解析](1)设23892U衰变为20682Pb经过x次α衰变和y次β衰变．由质量数和电荷数守恒可得238＝206＋4x①92＝82＋2x－y②联立①②解得x＝8，y＝6，即一共经过8次α衰变和6次β衰变．(2)由于每发生一次α衰变，质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变，中子数减少1，而质子数增加1，故20682Pb较23892U质子数少10，中子数少22.(3)核反应方程为23892U→20682Pb＋842He＋60－1e.[答案](1)86(2)1022(3)23892U→20682Pb＋842He＋60－1e放射性元素衰变的三条规律1．遵循质量数守恒和电荷数守恒．2．一次α衰变使原子核中质子数、中子数均减少2个，即核子数减少4个．3．一次β衰变使原子核中中子数减少1，质子数增加1，核子数(质量数)不变．训练角度1：衰变的实质3．关于天然放射现象，下列说法正确的是()A．α射线是由氦原子核衰变产生B．β射线是由原子核外电子电离产生C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D．通过化学反应不能改变物质的放射性D[α、β射线是放射性的原子核衰变时产生的．放射性的原子核发生α衰变和β衰变时蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来，形成γ射线，故A、B、C三项错误．放射性是核本身的一种性质，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，故D项正确．]训练角度2：衰变次数的计算4．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，只是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，下列说法中正确的是()A.20983Bi的原子核比23793Np的原子核少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．衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变D．衰变前比衰变后所有物质的质量数少B[23793Np与20983Bi的中子数分别为237－93＝144,209－83＝126，故中子数之差为144－126＝18，即20983Bi的原子核比23793Np的原子核少18个中子，A错误.23793Np衰变成20983Bi的衰变方程为23793Np→20983Bi＋x42He＋y0－1e，式中x、y分别为α和β的衰变次数，由质量数守恒和电荷数守恒得4x＋209＝237,2x－y＋83＝93，解得x＝7，y＝4.即衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变，选项B正确，C错误．根据衰变规律可知，反应前后质量数守恒，D错误．]对半衰期的理解1.意义：半衰期表示放射性元素衰变的快慢．2．决定因素：半衰期的长短由原子核自身因素决定，与原子核所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关．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．【例3】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→0－1