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2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 二、天然放射現(xiàn)象、衰變(第一課時(shí)) ●本節(jié)教材分析 本節(jié)教材是在認(rèn)識(shí)和了解原子核式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過天然放射現(xiàn)象的研究，使學(xué)生認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)也存在著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，原子核是可以變化的，并知道原子核衰變的規(guī)律.講清天然放射現(xiàn)象，是認(rèn)識(shí)原子核結(jié)構(gòu)的第一步.天然放射現(xiàn)象的教學(xué)，既要注意講清放射線的本質(zhì)及核衰變的規(guī)律，又要注意講清思路，特別要使學(xué)生理解放射性是原子核的性質(zhì)而不是原子的性質(zhì)，放射現(xiàn)象的本質(zhì)是原子核發(fā)生了衰變. 首先讓學(xué)生了解，某些元素具有天然的放射射線的性質(zhì)，這些天然放射線有三種：α、β和γ射線，然后分別介紹它們的性質(zhì).接著通過分析放射現(xiàn)象的特點(diǎn)向?qū)W生說明，天然放射性現(xiàn)象是原子核的性質(zhì)而不是原子的性質(zhì)，進(jìn)而說明原子核是可以變化的，也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，放射現(xiàn)象打開了人們認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部世界的大門，揭開了原子核物理的新篇章.這樣先介紹放射線的性質(zhì)，使學(xué)生對(duì)射線有了較具體的了解后，再說明放射性的本質(zhì)和意義，可能效果會(huì)好一些. 放射性元素的衰變除了使學(xué)生了解一般的原子核的衰變概念外，應(yīng)著重使學(xué)生了解α衰變和β衰變及其規(guī)律，以及衰變中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律.可讓學(xué)生通過作相應(yīng)的練習(xí)來逐步掌握α衰變和β衰變的規(guī)律以及兩個(gè)守恒定律.有關(guān)核反應(yīng)的練習(xí)要注意從可靠的資料上選擇實(shí)際發(fā)生的核反應(yīng)，不能隨意編造核反應(yīng)方程來讓學(xué)生練習(xí). 半衰期是了解原子核衰變規(guī)律的一個(gè)重要概念，也是學(xué)生比較難理解和掌握的問題.學(xué)生常犯的錯(cuò)誤是，放射性元素經(jīng)半衰期后衰變一半，再經(jīng)半衰期后衰變完畢.教學(xué)中除應(yīng)注意結(jié)合具體問題讓學(xué)生清楚半衰期的物理含義外，還應(yīng)讓學(xué)生清楚：半衰期只對(duì)大量原子核衰變才有意義，因?yàn)榉派湫栽氐乃プ円?guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，當(dāng)放射性原子核數(shù)少到統(tǒng)計(jì)規(guī)律不再起作用時(shí)，就無法判斷原子核的衰變情況了.相應(yīng)地，一些學(xué)生認(rèn)為可以由半衰期推算出放射性樣品完全衰變的壽命的想法也是錯(cuò)誤的. ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) 1.了解“天然放射現(xiàn)象”，知道放射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是原子核的衰變； 2.知道三種天然放射線的基本性質(zhì)； 3.掌握原子核衰變規(guī)律，理解半衰期概念. 二、能力目標(biāo) 1.能夠熟練運(yùn)用核衰變的規(guī)律寫出核衰變的核反應(yīng)方程； 2.能夠利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)分離和鑒別三種天然放射線. 三、德育目標(biāo) 通過介紹天然放射性的發(fā)現(xiàn)過程，以及有關(guān)科學(xué)家的業(yè)績(jī)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)精神與唯物史觀的教育. ●教學(xué)重點(diǎn) 三種射線的性質(zhì)及原子核的衰變規(guī)律. ●教學(xué)難點(diǎn) 半衰期的概念. ●教學(xué)方法 本節(jié)采用學(xué)生自學(xué)與教師點(diǎn)撥相結(jié)合的教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生的閱讀理解、歸納總結(jié)能力，進(jìn)而提高學(xué)生的自學(xué)能力. ●教學(xué)用具 投影儀及投影片. ●課時(shí)安排 1課時(shí) ●教學(xué)過程 一、引入新課 既然原子是可分的，是由原子核和核外電子組成.那么原子核呢？它能否再分呢？人們是如何認(rèn)識(shí)它的？ 這就是本節(jié)課要研究的問題——天然放射現(xiàn)象原子核的衰變 二、新課教學(xué) （一）天然放射現(xiàn)象 ［教師點(diǎn)撥］請(qǐng)同學(xué)們帶著以下問題，自學(xué)本節(jié)教材的第一部分. （1）什么是天然放射現(xiàn)象？天然放射線有哪幾種？其性質(zhì)如何？ （2）利用什么方法可以將天然放射線分離開來，并加以鑒別？你還能想出與課本上不同的方法嗎？ （3）試列表比較各種放射線的質(zhì)量、電荷、貫穿本領(lǐng)和電離本領(lǐng). （4）元素的放射性是原子的性質(zhì)還是原子核的性質(zhì)？放射性的發(fā)現(xiàn)有何重要意義? ［學(xué)生活動(dòng)］閱讀教材（5分鐘）并回答以上問題. ［教師歸納］ 1.天然放射現(xiàn)象：某些物質(zhì)自發(fā)地放射出看不見的射線的現(xiàn)象. 說明： （1）物質(zhì)自發(fā)放射射線的性質(zhì)，叫放射性. （2）放射性是某些物質(zhì)的天然存在的客觀屬性，與任何外界因素?zé)o關(guān). （3）具有放射性的元素叫放射性元素. （4）放射線是直接用肉眼看不見的，必須借助于專門的儀器來觀察（第三節(jié)專門學(xué)習(xí)） . 2.天然放射線的分離及其鑒別 方法一： 利用磁場(chǎng)（圖22—5） 方法二：利用電場(chǎng)（圖22—6） 圖22—6 3.天然放射線的性質(zhì)及其比較.（投影） 名稱 構(gòu)成 電量(e) 質(zhì)量(u) 射出速度 電離能力 貫穿本領(lǐng) α 氦核 +2 4 0.1c 最強(qiáng) 最弱 β 電子 -1 0() 0.9c 較強(qiáng) 較強(qiáng) γ 光子 0 0 c 最弱 最強(qiáng) 說明電離本領(lǐng)和貫穿本領(lǐng)之間的關(guān)系： α粒子是氦原子核，所以有很強(qiáng)的奪取其他原子的核外電子的能力，但以損失動(dòng)能為代價(jià)換得原子電離，所以電離能力最強(qiáng)的α粒子，貫穿本領(lǐng)最弱；而γ光子不帶電，只有激發(fā)核外電子躍遷時(shí)才會(huì)將原子電離，所以電離能力最弱而貫穿本領(lǐng)最強(qiáng). 介紹或讓學(xué)生上網(wǎng)查閱法國物理學(xué)家貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象的經(jīng)歷，以及貝克勒耳為了試驗(yàn)放射線的性質(zhì)，用試管裝入含鈾礦物插在上衣口袋中被射線灼傷，早期核物理學(xué)家多死于白血病(放射病)的故事.從而學(xué)習(xí)科學(xué)家為科學(xué)而獻(xiàn)身的精神. 4.放射性的特點(diǎn)、本質(zhì)及其意義 特點(diǎn)：與元素所處的化學(xué)狀態(tài)無關(guān) 本質(zhì)：是原子核的性質(zhì)，而不是原子的性質(zhì) 意義：表明原子核是可以變化的，原子核也有其內(nèi)部結(jié)構(gòu) （二）原子核的衰變 ［教師點(diǎn)撥］請(qǐng)同學(xué)們帶著以下問題，自學(xué)本節(jié)教材的第二部分. (1)放射性元素的原子核在放出α或β射線后，其自身發(fā)生什么樣的變化？舉例說明. (2)什么叫原子核的衰變？原子核的衰變有哪幾種情況？原子核衰變過程遵循什么規(guī)律？ (3)原子核在放出γ射線的過程中是否會(huì)發(fā)生衰變？為什么？ ［學(xué)生活動(dòng)］閱讀教材（5分鐘），然后回答以上問題 ［教師歸納］ 1.原子核的衰變：某種元素原子核自發(fā)地放出射線粒子后，轉(zhuǎn)變成新的元素原子核的現(xiàn)象. 例：α衰變：23892U→23490Th+42He β衰變：23490Th→23491Pa+0-1e 2.衰變規(guī)律：電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量和動(dòng)量都守恒 α衰變規(guī)律： MZX→M-4Z-2Y+42He（衰變產(chǎn)生的新核質(zhì)量數(shù)減4，電荷數(shù)減2） 說明：在放射性元素的原子核中，由于兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合的比較緊密，往往會(huì)作為一個(gè)整體從較大的原子核中被放射出來而形成α衰變. β衰變規(guī)律： MZX→MZ+1Y+0-1e （衰變產(chǎn)生的新核質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)加1） 說明：原子核內(nèi)雖然沒有電子，但核內(nèi)的的質(zhì)子和中子是可以相互轉(zhuǎn)化的.當(dāng)核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時(shí)同時(shí)要產(chǎn)生一個(gè)電子（10n→11H＋0-1e），這個(gè)電子從核內(nèi)釋放出來，就形成了β衰變. 3.γ輻射不引起原子核衰變 說明：γ射線是由于原子核在發(fā)生α衰變和β衰變時(shí)原子核受激發(fā)而產(chǎn)生的光（能量）輻射，通常是伴隨α射線和β射線而產(chǎn)生. （三）半衰期 ［教師點(diǎn)撥］放射性元素的衰變的快慢有什么規(guī)律？用什么物理量描述？ ［學(xué)生活動(dòng)］閱讀教材第三部分 ［教師點(diǎn)撥］由大量原子構(gòu)成的放射性物質(zhì)，其原子核的衰變應(yīng)遵從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律.實(shí)驗(yàn)表明放射性元素衰變的速率（即單位時(shí)間發(fā)生衰變的核數(shù)目）與其核的總數(shù)目成正比.隨著放射性元素的衰變，其衰變速率越來越慢，但對(duì)某一種放射性元素來說，從某一時(shí)刻開始其原子核衰變掉一半所用的時(shí)間是一定的，物理學(xué)上把這個(gè)時(shí)間叫放射性元素的“半衰期”，用它來表示放射性元素衰變的快慢. 1.定義：放射性元素的原子核衰變掉一半所用時(shí)間，叫放射性元素的半衰期. 2.衰變規(guī)律： 圖22—7 m0－放射性元素的原有質(zhì)量；m－經(jīng)過n個(gè)半衰期的時(shí)間后剩余的放射性元素的質(zhì)量 則有m＝(1/2)nm0或m/m0＝(1/2)n 如：氡222（α衰變）→釙218的半衰期為3.8天，即大約每過3.8天就有一半的氡發(fā)生了衰變，經(jīng)過第一個(gè)半衰期（3.8天）剩有一半的氡，經(jīng)過第二個(gè)半衰期（3.8天），剩有1/4的氡，再經(jīng)過第三個(gè)半衰期（3.8天）剩有1/8的氡……如圖22—7所示 3.決定半衰期的因素：由原子核內(nèi)部的因素決定，只與元素的種類有關(guān)，跟元素所處的物理或化學(xué)狀態(tài)無關(guān). 如： 鐳226→氡222的半衰期為1620年 鈾238→釷234的半衰期為4.5億年 (四)課堂鞏固訓(xùn)練 ［例1］平衡下列衰變方程： 23492U→23090Th+( ) 23490U→23491Pa+( ) 答案：42He,0-1e ［例2］釷232（23490Th）經(jīng)過________次α衰變和________次β衰變，最后成為鉛208（20882Pb）. 分析：因?yàn)棣了プ兏淖冊(cè)雍说馁|(zhì)量數(shù)而β衰變不能，所以應(yīng)先從判斷α衰變次數(shù)入手： α衰變次數(shù)==6. 每經(jīng)過1次α衰變，原子核失去2個(gè)基本電荷，那么，釷核經(jīng)過6次α衰變后剩余的電荷數(shù)與鉛核實(shí)際的電荷數(shù)之差，決定了β衰變次數(shù)： β衰變次數(shù)==4. 答案：6，4 三、小結(jié) 本節(jié)研究了天然放射現(xiàn)象及其本質(zhì)，放射性是物質(zhì)的一種天然屬性，其實(shí)質(zhì)是原子核發(fā)生衰變.天然放射線有三種：α射線、β射線和γ射線.其性質(zhì)分別是高速運(yùn)動(dòng)的氦核流、電子流和光子流.原子核衰變的快慢用半衰期表示，它是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所用的時(shí)間，完全由原子核自身的性質(zhì)決定. 四、布置作業(yè) 練習(xí)二3，5 五、板書設(shè)計(jì) （一）天然放射現(xiàn)象 1.天然放射現(xiàn)象：某些物質(zhì)自發(fā)地放射出看不見的射線的現(xiàn)象. 2.天然放射線的分離及其鑒別. 方法一：利用磁場(chǎng) 方法二：利用電場(chǎng) 3.三種放射線的性質(zhì)及其比較. α射線：氦核（42He），電離本領(lǐng)最強(qiáng)，貫穿本領(lǐng)最弱； β射線：電子（0-1e），電離本領(lǐng)較強(qiáng)，貫穿本領(lǐng)較強(qiáng) γ射線：光子，電離本領(lǐng)最弱，貫穿本領(lǐng)最強(qiáng) 4.放射性的特點(diǎn)、本質(zhì)及其意義 特點(diǎn)：與元素所處的化學(xué)狀態(tài)無關(guān) 本質(zhì)：是原子核的性質(zhì)，而不是原子的性質(zhì) 意義：表明原子核是可以變化的，原子核也有其內(nèi)部結(jié)構(gòu). （二）原子核的衰變 1.定義：某種元素原子核自發(fā)地放出射線粒子后，轉(zhuǎn)變成新的元素原子核的現(xiàn)象. 2.衰變規(guī)律：（電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量和動(dòng)量都守恒） α衰變規(guī)律：MZX→M-4Z-2Y+42He β衰變規(guī)律：MZX→MZ+1Y+0-1e 3.γ輻射伴隨α衰變和β衰變，不引起原子核衰變. （三）半衰期 1.定義：放射性元素的原子核衰變掉一半所用時(shí)間，叫放射性元素的半衰期. 2.衰變規(guī)律：m＝(1/2)nm0或m/m0＝(1/2)n 3.決定半衰期的因素：由原子核內(nèi)部的因素決定，只與元素的種類有關(guān)，跟元素所處的物理或化學(xué)狀態(tài)無關(guān). 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì) 1.能夠表明原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的事實(shí)是 A.天然放射現(xiàn)象 B. α粒子散射實(shí)驗(yàn) C.陰極射線 D.光電效應(yīng) 2.放射性元素鐳放出三種射線α、β、γ,正確的說法是 A.β射線的穿透能力最強(qiáng) B.γ射線是高速光子組成,不帶電 C.β粒子帶負(fù)電荷 D.α射線的電離本領(lǐng)最強(qiáng) 3.下面對(duì)某原子核衰變的描述，哪個(gè)是不對(duì)的 A.放出一個(gè)β粒子后，原子核的中子數(shù)減1，原子序數(shù)少1 B.放出一個(gè)α粒子后，原子核的質(zhì)量數(shù)少4，核電荷數(shù)少2 C.放出一個(gè)β粒子后，原子核的質(zhì)量數(shù)不變，核電荷數(shù)加1 D.22686Ra經(jīng)過5次α衰變和4次β衰變后變成20686Pb 4.一個(gè)原子核abX進(jìn)行一次α衰變后成為原子核cdY,然后又進(jìn)行一次β衰變,成為原子核fgZ:abXcdYfgZ它們的質(zhì)量數(shù)a、c、f及電荷數(shù)b、d、g之間應(yīng)有的關(guān)系是 A.a=f+4 B.c=f C.d=g-1 D.b=g+1 5.已知鉍210的半衰期是5天,則 A.有2 g鉍,經(jīng)過5天后還剩1 g B.有2 mol鉍,經(jīng)過5天后還剩1 mol C. 有21020個(gè)鉍核,經(jīng)過5天后還剩11020個(gè) D.有2個(gè)鉍核,經(jīng)過5天后還剩一個(gè) 6.某放射性元素經(jīng)過m次α衰變和n次β衰變,變成一種新原子核,新原子核比原來的原子核的質(zhì)子減少了 A. 2m+n B. 2m－n C. m+n D. m－n 7.23290Th經(jīng)過6次α衰變和4次β衰變后變成一種穩(wěn)定的新元素,這新元素原子核的質(zhì)量數(shù)是________,新元素的原子核中有________個(gè)質(zhì)子, ________個(gè)中子 8.兩個(gè)放射性元素的樣品A和B，當(dāng)A有15 /16的原子核發(fā)生了衰變時(shí)，B恰好有63/64 的原子核發(fā)生了衰變，可知A和B的半衰期之比τA∶τB=________. 參考答案：1.A 2.BCD 3.A 4.ABCD 5.ABC 6.B 7.208 82 126 8.3∶2