搜索
第3章原子核与放射性第2节原子核衰变及半衰期第3章原子核与放射性1.了解天然放射现象及其规律．(重点)2.知道三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们．(重点)3．知道放射现象的实质是原子核的衰变．4.知道两种衰变的基本性质，并掌握原子核的衰变规律．(重点)5．理解半衰期的概念．(重点＋难点)一、天然放射现象1.定义：物质能_______放出射线的现象．2.物质放出射线的性质，叫做_______．3.具有放射性的元素，叫做_______元素．4.天然放射现象最先是由_________于1896年发现的．人类对原子核变化规律的认识，是从_____________的发现开始的．自发地放射性放射性贝克勒尔天然放射现象天然放射性现象的发现有何意义？提示：天然放射现象使人们认识到原子核具有复杂的内部结构．二、放射线的本质1.α射线是高速运动的_______________．速度约为光速的____倍，电离作用_____，穿透能力_____．2.β射线是高速运动的_______，速度约为光速的____倍，电离作用_____，穿透本领_____．3.γ射线是波长很短的_______，它的电离作用_____，穿透能力_____．氦原子核粒子流0.1很强很弱电子流0.9较弱较强电磁波很弱很强1．(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力．()(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．()(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强．()×√×三、原子核的衰变种类方程规律原子核的衰变α衰变：放出α粒子的衰变23892U→23490Th＋42He质量数、核电荷数守恒β衰变：放出β粒子的衰变23490Th→23491Pa＋0－1eγ衰变2．(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．()√××四、半衰期1.定义：放射性元素的原子核有_____发生衰变需要的时间．2.公式：m＝______．m为该元素剩余的质量，M为该元素原来的质量，t为经过的时间，τ为半衰期．3.影响因素：元素半衰期的长短由原子核_____因素决定，跟原子所处的_____状态(如温度、压强)或_____状态(如单质、化合物)无关．半数M12t/τ自身物理化学4.适用条件：半衰期描述的是_____原子核的统计行为，说明在_____原子核群体中，经过一定时间将有一定比例的原子核发生衰变．大量大量3．(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．()√√×对三种射线的认识1.三种射线的比较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α射线β射线γ射线速度0.1c0.9cc在电场或磁场中偏转与α射线反向偏转不偏转贯穿本领最弱用纸能挡住较强穿透几毫米的铝板最强穿透几厘米的铅板α射线β射线γ射线对空气的电离作用很强较弱很弱在空气中的径迹粗、短、直细、较长、曲折最长通过胶片感光感光感光2.三种射线产生的机理α射线核内两个中子和两个质子结合得比较紧密，有时会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来．原子核发生一次α衰变，质子数和中子数分别减少2β射线核中的中子可以转化为一个质子和一个电子，产生的电子从核中发射出来，这就是β射线，由于该电子来源于原子核，它的速度远大于阴极射线中的电子和核外绕核旋转的电子γ射线原子核的能量也是不连续的，同样存在着能级，能级越低越稳定．放射性原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于高能级，当它向低能级跃迁时，辐射γ光子．由于原子核中的能级跃迁辐射出的光子能量非常大，故γ光子的频率很大将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，如图表示射线偏转情况中正确的是()A．①③B．①④C．②③D．②④[思路点拨]求解本题应把握以下两点：(1)α粒子、β粒子在磁场中偏转，求半径再比较．(2)α粒子、β粒子在电场中做平抛运动，求偏向位移再比较．[解析]已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向，可知①、②、③、④四幅图中，α、β粒子的偏转方向都是正确的，偏转的程度如下：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径r＝mvBq，将其数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比为：rαrβ＝mαmβ·vαvβ·qβqα＝411840×0.1c0.99c×12≈3711.由此可见①正确，②错误．带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为v0，垂直电场线方向位移为x，沿电场方向位移为y，则有：x＝v0t，y＝qE2mt2，消去t可得：y＝qEx22mv20.对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比为yαyβ＝qαqβ·mβmα·v2βv2α＝21×118404×（0.99c）2（0.1c）2≈138.由此可见③错误，④正确．[答案]B求解此类题目要熟知以下两点(1)三种射线的带电性质．(2)正、负电荷在电场或磁场中的运动规律及解题方法．1.如图，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是()A．①表示γ射线，③表示α射线B．②表示β射线，③表示α射线C．④表示α射线，⑤表示γ射线D．⑤表示β射线，⑥表示α射线解析：选C.γ射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故②和⑤表示γ射线，A、B、D项错；α射线中的α粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故③表示α射线，由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏，故④表示α射线，C项对．正确理解原子核的衰变天然放射现象说明原子核具有复杂的结构．原子核放出α粒子或β粒子(并不表明原子核内有α粒子或β粒子，原子核内不可能有α粒子或电子)后变成新的原子核，这种变化称为原子核的衰变．1.衰变规律：原子核衰变前后的核电荷数和质量数都守恒．2.衰变方程(1)原子核放出一个α粒子就说明它发生了一次α衰变，新核的质量数比原来的核减少了4，而核电荷数减少2，用通式表示为：α衰变：AZX―→A－4Z－2Y＋42He.(2)原子核放出一个β粒子就说明它发生了一次β衰变，新核的质量数不变，而核电荷数增加了1，用通式表示为：β衰变：AZX―→AZ＋1Y＋0－1e.(3)γ射线经常是伴随α衰变和β衰变而产生，往往是衰变后的新核向低能级跃迁时辐射出来的一份能量，原子核放出一个γ光子不会改变它的质量数和核电荷数．3.两个重要的衰变23892U―→23490Th＋42He，23490Th―→23491Pa＋0－1e.4.对核反应过程的说明(1)核反应过程一般都是不可逆的，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．(2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒求出生成物来写核反应方程．(3)核反应中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．(4)当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射，这时可连续放出三种射线．23892U放射性衰变有多种可能途径，其中一途径是先变成21083Bi，而21083Bi可以经一次衰变变成210aX(X代表某一种元素)，也可以经一次衰变变成b81Ti，210aX和b81Ti最后都变成20682Pb，衰变路径如图所示，则图中()A．a＝82，b＝211B．①是β衰变，②是α衰变C．①是α衰变，②是β衰变D.b81Ti经过一次α衰变变成20682Pb[思路点拨]求解本题应注意以下两点：(1)发生一次α衰变，质量数减少4，核电荷数减少2，根据质量数变化求α衰变的次数．(2)发生一次β衰变，质量数不变，核电荷数增加1，再根据电荷数变化确定β衰变的次数．[解析]21083Bi经一次衰变变成210aX，由于质量数不变，所以只发生了一次β衰变，核电荷数增加1即a＝83＋1＝84，①是β衰变.21083Bi经一次衰变变成b81Ti，由于核电荷数减少2，所以只发生了一次α衰变，质量数减少4，即b＝210－4＝206，②是α衰变，故A、C项均错误，B项正确；20681Ti变成20682Pb，质量数不变，核电荷数增加1，所以只能经过一次β衰变，故D项错误．[答案]B有关连续衰变确定衰变次数的问题应注意的两点(1)由于β衰变不改变质量数，可先根据质量数守恒，确定α衰变次数．(2)再根据总核电荷数守恒，确定β衰变次数．2.原子核23892U经放射性衰变①变为原子核23490Th，继而经放射性衰变②变为原子核23491Pa，再经放射性衰变③变为原子核23492U，放射性衰变①、②和③依次为()A．α衰变、β衰变和β衰变B．β衰变、α衰变和β衰变C．β衰变、β衰变和α衰变D．α衰变、β衰变和α衰变解析：选A.23892U――→①23490Th，质量数少4，电荷数少2，说明①为α衰变.23490Th――→②23491Pa，质子数加1，质量数不变，说明②为β衰变，中子转化成质子.23491Pa――→③23492U，质子数加1，质量数不变，说明③为β衰变，中子转化成质子．故选A.对半衰期的理解1.常用公式：N余＝N原12tτ，m＝M12tτ.式中N原、M表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．2.规律的特征：放射性元素的半衰期是稳定的，是由元素的原子核内部因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度)或化学状态(如单质、化合物)无关．3.规律的用途：利用天然放射性元素的半衰期可以估测岩石、化石和文物的年代．半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核有意义，对少数原子核是没有意义的．某一个原子核何时发生衰变，是不可知的，当原子核数目特别少时，公式不再成立，如10个原子核经过半衰期剩几个？这样的问题无法处理．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？[思路点拨](1)根据质量数守恒和电荷数守恒写出衰变方程．(2)由古生物14C的含量与活体14C的含量对比可确定其半衰期数，即可计算出古生物的年代．[解析](1)146C的β衰变方程为：146C―→0－1e＋147N.(2)146C的半衰期τ＝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＝12tτN0≠N0，即0.25N0＝12t5730N0，故t5730＝2，t＝11460年．[答案](1)146C―→0－1e＋147N(2)11460年3.放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时，往往会同时伴随________辐射．已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2，经过t＝T1·T2时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比mA∶mB＝________．解析：由半衰期公式m＝m012tT结合题意可得mA·12T1T2T1＝mB·12T1T2T2，所以mAmB＝2T22T1.答案：γ2T2∶2T1α衰变、β衰变在磁场中的轨迹分析设有一个质量为M0的原子核，原来处于静止状态．当发生一次α(或β)衰变后，释放的粒子的质量为m，速度为v，产生的反冲核的质量为M，速度为v′.1．动量守恒关系：0＝mv＋Mv′或mv＝－Mv′.2．在磁场中径迹的特点：当粒子和反冲核垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场时，将在洛伦兹力的作用下做匀速圆