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4.2　原子核的衰變 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.知道天然放射現(xiàn)象，了解放射性及放射性元素的概念.(重點(diǎn)) 2.掌握天然放射線中的“三劍客”的本質(zhì)和特點(diǎn).(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 3.掌握原子核衰變的規(guī)律，知道α衰變、β衰變的本質(zhì).(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 4.理解半衰期的概念，會(huì)應(yīng)用半衰期公式解決相關(guān)問題.(重點(diǎn)) 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及放射線的本質(zhì) [先填空] 1.天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) (1)天然放射現(xiàn)象：物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象. (2)放射性：物質(zhì)放出射線的性質(zhì)，叫做放射性. (3)放射性元素：具有放射性的元素，叫做放射性元素. (4)天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1896年，法國物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象. 2.天然放射線中的“三劍客” (1)本質(zhì)：①α射線：在磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度較小，是帶正電的高速運(yùn)動(dòng)的α粒子流，電荷數(shù)為2，質(zhì)量數(shù)為4，本質(zhì)是氦原子核. ②β射線：在磁場(chǎng)作用下與α射線“分道揚(yáng)鑣”，朝另一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度較大，是帶負(fù)電的高速運(yùn)動(dòng)的電子流. ③γ射線：在磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)，是不帶電的波長很短的電磁波. 如圖421為三劍客在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況. “三劍客” 圖421 (2)本領(lǐng) ①α射線：α粒子射出時(shí)的速度大約是光速的十分之一，有很強(qiáng)的電離作用，很容易使空氣電離，使照相底片感光，但穿透本領(lǐng)很小.一張紙就能擋住. ②β射線：β射線的速度接近光速，對(duì)物質(zhì)的穿透本領(lǐng)較強(qiáng)，能穿透幾毫米厚的鋁板，但電離作用較弱. ③γ射線：電離作用很小，穿透本領(lǐng)很強(qiáng)，能穿透幾厘米厚的鉛板. [再判斷] 1.放射性元素發(fā)出的射線可以直接觀察到.() 2.放射性元素發(fā)出的射線的強(qiáng)度可以人工控制.() 3.α射線的穿透本領(lǐng)最強(qiáng)，電離作用很弱.() 4.原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都具有放射性.(√) [后思考] 天然放射現(xiàn)象說明了什么？ 【提示】　天然放射現(xiàn)象說明了原子核具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu). [核心點(diǎn)擊] 1.三種射線的比較如下表 種類 α射線 β射線 γ射線 組成 高速氦核流 高速電子流 光子流 (高頻電磁波) 帶電荷量 2e －e 0 質(zhì)量 4mp mp＝1.67 10－27 kg 靜止質(zhì) 量為零 速度 0.1c 0.99c c 在電場(chǎng)或 磁場(chǎng)中 偏轉(zhuǎn) 與α射線 反向偏轉(zhuǎn) 不偏轉(zhuǎn) 貫穿本領(lǐng) 最弱 用紙能 擋住 較強(qiáng) 穿透幾毫 米的鋁板 最強(qiáng) 穿透幾厘 米的鉛板 對(duì)空氣的 電離作用 很強(qiáng) 較弱 很弱 在空氣中 的徑跡 粗、短、直 細(xì)、較長、曲折 最長 通過膠片 感光 感光 感光 2.三種射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn) (1)在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，γ射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，α粒子和β粒子沿相反方向做類平拋運(yùn)動(dòng)，在同樣的條件下，β粒子的偏移大，如圖422所示. 圖422 位移x可表示為x＝at2＝2∝ 所以，在同樣條件下β粒子與α粒子偏移之比為＝＝37. (2)在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中：γ射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仍做勻速直線運(yùn)動(dòng)，α粒子和β粒子沿相反方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且在同樣條件下，β粒子的軌道半徑小，如圖423所示. 圖423 根據(jù)qvB＝得　R＝∝ 所以，在同樣條件下β粒子與α粒子的軌道半徑之比為＝＝. 1.關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A.α射線是由氦原子核組成的 B.β射線是由原子核外電子電離產(chǎn)生 C.γ射線是由原子核外的內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生 D.通過化學(xué)反應(yīng)不能改變物質(zhì)的放射性 E.β射線本質(zhì)是高速電子流 【解析】　α射線是在α衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是氦核，A正確；β射線是在β衰變中產(chǎn)生的，本質(zhì)是高速電子流，B錯(cuò)誤，E正確；γ射線是發(fā)生α衰變和β衰變時(shí)原子核發(fā)生能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的電磁波，C錯(cuò)誤；物質(zhì)的放射性由原子核內(nèi)部自身的因素決定，與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)，D正確. 【答案】　ADE 2.一置于鉛盒中的放射源發(fā)射出的α、β和γ射線，由鉛盒的小孔射出，在小孔外放一鋁箔，鋁箔后的空間有一勻強(qiáng)電場(chǎng).進(jìn)入電場(chǎng)后，射線變?yōu)閍、b兩束，射線a沿原來方向行進(jìn)，射線b發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，如圖424所示，則圖中的射線a為________射線，射線b為________射線. 圖424 【解析】　在三種射線中，α射線帶正電，穿透能力最弱，γ射線不帶電，穿透能力最強(qiáng)，β射線帶負(fù)電，穿透能力一般，綜上所述，結(jié)合題意可知，a射線應(yīng)為γ射線，b射線應(yīng)為β射線. 【答案】　γ　β 3.將α、β、γ三種射線分別射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)，圖中表示射線偏轉(zhuǎn)情況正確的是(　　) 【解析】　已知α粒子帶正電，β粒子帶負(fù)電，γ射線不帶電，根據(jù)正、負(fù)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受洛倫茲力方向和正、負(fù)電荷在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力方向可知，A、B、C、D四幅圖中α、β粒子的偏轉(zhuǎn)方向都是正確的，但偏轉(zhuǎn)的程度需進(jìn)一步判斷.帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其半徑r＝， 將數(shù)據(jù)代入，則α粒子與β粒子的半徑之比 ＝＝＝371，A對(duì)，B錯(cuò)；帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)，設(shè)初速度為v0，垂直電場(chǎng)線方向位移為x，沿電場(chǎng)線方向位移為y，則有x＝v0t，y＝t2，消去t可得y＝ 對(duì)某一確定的x值，α、β粒子沿電場(chǎng)線偏轉(zhuǎn)距離之比 ＝＝＝，C錯(cuò)，D對(duì).選項(xiàng)E中，若α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則有Bvαq＝Eq，此時(shí)因β粒子的速度大些，有Bvβq>Eq，電子將向右偏轉(zhuǎn)，故E正確. 【答案】　ADE 判斷三種射線性質(zhì)的方法 (1)射線的電性：α射線帶正電、β射線帶負(fù)電、γ射線不帶電.α、β是實(shí)物粒子，而γ射線是光子流，它是波長很短的電磁波. (2)射線的偏轉(zhuǎn)：在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中，通過其受力及運(yùn)動(dòng)軌跡半徑的大小來判斷α和β射線偏轉(zhuǎn)方向，由于γ射線不帶電，故運(yùn)動(dòng)軌跡仍為直線. (3)射線的穿透能力：α粒子穿透能力較弱，β粒子穿透能力較強(qiáng)，γ射線穿透能力最強(qiáng)，而電離作用相反. 放射性元素的衰變和半衰期 [先填空] 1.衰變 原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓? 2.衰變形式：常見的衰變有兩種，放出α粒子的衰變?yōu)棣了プ?，放出β粒子的衰變?yōu)棣滤プ?，而γ射線是伴隨α射線或β射線產(chǎn)生的. 3.衰變規(guī)律 (1)α衰變：X→He＋Y. (2)β衰變：X→e＋Y. 在衰變過程中，電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒. 4.放射性元素的半衰期 (1)概念 放射性元素每經(jīng)過一段時(shí)間，就有一半的核發(fā)生衰變，這段時(shí)間叫做放射性元素的半衰期. (2)放射性元素的半衰期是由其原子核本身決定的，一種放射性元素，不論它是以單質(zhì)的形式存在，還是與其他元素形成化合物，也不論所處的環(huán)境如何，它的半衰期都不會(huì)改變. [再判斷] 1.原子核的衰變有α衰變、β衰變和γ衰變?nèi)N形式.() 2.在衰變過程中，電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒.(√) 3.原子所處的周圍環(huán)境溫度越高，衰變?cè)娇?() [后思考] 有10個(gè)鐳226原子核，經(jīng)過一個(gè)半衰期有5個(gè)發(fā)生衰變，這樣理解對(duì)嗎？ 【提示】　不對(duì).10個(gè)原子核數(shù)目太少，它們何時(shí)衰變是不可預(yù)測(cè)的，因?yàn)樗プ円?guī)律是大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律. [核心點(diǎn)擊] 1.衰變實(shí)質(zhì) α衰變：原子核內(nèi)兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)α粒子，并在一定條件下作為一個(gè)整體從較大的原子核中拋射出來，產(chǎn)生α衰變.2n＋2H―→He. β衰變：原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成一個(gè)質(zhì)子留在原子核內(nèi)，同時(shí)放出一個(gè)電子，即β粒子放射出來. n―→H＋e. 2.確定原子核衰變次數(shù)的方法與技巧 (1)方法：設(shè)放射性元素X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則衰變方程為： X―→Y＋nHe＋me 根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程： A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m. 以上兩式聯(lián)立解得：n＝，m＝＋Z′－Z. 由此可見，確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個(gè)二元一次方程組. (2)技巧：為了確定衰變次數(shù)，一般先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)(這是因?yàn)棣滤プ兊拇螖?shù)多少對(duì)質(zhì)量數(shù)沒有影響)，然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù). 3.對(duì)半衰期的理解 (1)意義：表示放射性元素衰變的快慢. (2)半衰期公式：n＝N，m＝M 式中N、M表示衰變前的原子數(shù)和質(zhì)量，n、m表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時(shí)間，T表示半衰期. 4.適用條件：半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，是對(duì)大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對(duì)于一個(gè)特定的原子核，無法確定其何時(shí)發(fā)生衰變，半衰期只適用于大量的原子核. 5.應(yīng)用：利用半衰期非常穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以測(cè)算其衰變過程，推算時(shí)間等. 4.某原子核的衰變過程ABC，下列說法正確的是(　　) A.核C比核A的質(zhì)子數(shù)少1 B.核C比核A的質(zhì)量數(shù)少5 C.原子核為A的中性原子的電子數(shù)比原子核為B的中性原子的電子數(shù)多2 D.核C比核B的中子數(shù)少2 E.核C比核A的中子數(shù)少3 【解析】　原子核A經(jīng)過一次β衰變和一次α衰變變?yōu)樵雍薈的衰變方程為：ABC，由此可知核C比核A的質(zhì)子數(shù)少1，質(zhì)量數(shù)少4，A正確，B錯(cuò)誤；原子核為A的中性原子的電子數(shù)比原子核為B的中性原子的電子數(shù)少1，C錯(cuò)誤；核C比核B的中子數(shù)少2，核C比核A的中子數(shù)少3，D、E均正確. 【答案】　ADE 5.由于放射性元素Np的半衰期很短，所以在自然界一直未被發(fā)現(xiàn)，只是在使用人工的方法制造后才被發(fā)現(xiàn).已知Np經(jīng)過一系列α衰變和β衰變后變成Bi，下列論斷中正確的是(　　) A.Bi的原子核比Np的原子核少28個(gè)中子 B.Bi的原子核比Np的原子核少18個(gè)中子 C.衰變過程中共發(fā)生了7次α衰變和4次β衰變 D.衰變過程中共發(fā)生了4次α衰變和7次β衰變 E.衰變過程中共有4個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子 【解析】　Bi的中子數(shù)為209－83＝126，Np的中子數(shù)為237－93＝144，Bi的原子核比Np的原子核少18個(gè)中子，A錯(cuò)、B對(duì)；衰變過程中共發(fā)生了α衰變的次數(shù)為＝7次，β衰變的次數(shù)是27－(93－83)＝4次，C對(duì)、D錯(cuò)；此過程中共發(fā)生了4次β衰變，因此共有4個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，E正確. 【答案】　BCE 6.放射性同位素14C被考古學(xué)家稱為“碳鐘”，它可以用來判定古生物體的年代，此項(xiàng)研究獲得1960年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng). 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：67080036】 (1)宇宙射線中高能量的中子碰到空氣中的氮原子后，會(huì)形成不穩(wěn)定的C，它很容易發(fā)生衰變，放出β射線變成一個(gè)新核，其半衰期為5 730年，試寫出14C的衰變方程； (2)若測(cè)得一古生物遺骸中的C含量只有活體中的25%，則此遺骸距今約有多少年？ 【解析】　(1)C的β衰變方程為： C―→e＋N. (2)C的半衰期T＝5 730年. 生物死亡后，遺骸中的C按其半衰期變化，設(shè)活體中C的含量為N0，遺骸中的C含量為N，則 N＝N0≠N0， 即0.25N0＝N0，故＝2，t＝11 460年. 【答案】　(1)C―→e＋N (2)11 460年 (1)衰變過程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒. ①每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)均減少2，質(zhì)量數(shù)減少4. ②每發(fā)生一次β衰變中子數(shù)減少1，質(zhì)子數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變. (2)利用半衰期公式解決實(shí)際問題，首先要理解半衰期的統(tǒng)計(jì)意義，其次要知道公式建立的是剩余核的質(zhì)量與總質(zhì)量間的關(guān)系.