山东省专用2019_2020学年高中物理第十九章原子核第2节放射性元素的衰变讲义含解析新人教版选修3_5.pdf
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1、第 2 节放射性元素的衰变第 2 节放射性元素的衰变 1原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。 2 衰变:UTh He 23892234904 2 3 衰变:ThPae 234902349101 4放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做这 种 元素的半衰期。 一、原子核的衰变 1定义 原子核放出 粒子或 粒子,则核电荷数变了,变成另一种原子核,这种变化称为原 子核的衰变。 2衰变分类 (1) 衰变:放出 粒子的衰变。 (2) 衰变:放出 粒子的衰变。 3衰变方程 UTh He 23892234904 2 ThPae。 234902349101 4衰变规律 (1)原子核衰变时电荷数和质量数都
2、守恒。 (2)当放射性物质连续衰变时,原子核中有的发生 衰变,有的发生 衰变,同时伴随 着 辐射。这时,放射性物质发出的射线中就会同时具有 、 和 三种射线。 二、半衰期 1定义 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。 2决定因素 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。不同的放射性元素,半衰期不同。 3应用 利用半衰期非常稳定这一特点,可以测量其衰变程度、推断时间。 1自主思考判一判 (1)原子核发生 衰变时,核的质子数减少 2,而质量数减少 4。() (2)原子核发生 衰变时,原子核的质量不变。() (3)原子核发生衰变时,质量数和电
3、荷数都守恒。() (4)半衰期就是放射性元素全部衰变所用时间的一半。() (5)半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律。() (6)半衰期可以通过人工进行控制。() 2合作探究议一议 (1)发生 衰变时,新核的电荷数变化多少?新核在元素周期表中的位置怎样变化? 提示:根据 衰变方程ThPae 知道,新核核电荷数增加了 1 个,原子序数增 234902349101 加 1 个,故在元素周期表上向后移了 1 位。 (2)放射性元素衰变有一定的速率。 镭 226 衰变为氡 222 的半衰期为 1 620 年, 有人说 : 10 g 镭 226 经过 1 620 年有一半发生衰变,镭 226 还
4、有 5 g,再经过 1 620 年另一半镭 226 也发生 了衰变,镭 226 就没有了。这种说法对吗?为什么? 提示:不对。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做这种元素的半衰期。 经过第二个 1 620 年后镭 226 还剩 2.5 g。 (3)放射性元素的半衰期是否就是该种元素的核子有半数发生变化的时间? 提示:不是。经过一个半衰期,该种元素的原子核有半数发生变化,转变成其他元素, 但核内的核子(质子和中子)并没有这么明显的变化。 原子核的衰变规律及衰变方程 1衰变实质 (1) 衰变:原子核内两个质子和两个中子结合成一个 粒子,2 n2 H He。 1 01 14 2 (2) 衰
5、变:原子核内的一个中子变成质子,同时放出一个电子, n He。 1 01 101 2衰变方程通式 (1) 衰变: XY He A ZA4Z24 2 (2) 衰变: X Ye A ZAZ101 3确定原子核衰变次数的方法与技巧 (1)方法:设放射性元素ZX 经过n次 衰变和m次 衰变后,变成稳定的新元素 AA ZY,则衰变方程为: XYnHeme A ZAZ4 201 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程: AA4n,ZZ2nm。 以上两式联立解得:n,mZZ。 AA 4 AA 2 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 衰变的
6、次数(这是因为 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 衰变的次数。 典例 原子核 U 经放射性衰变变为原子核Th, 继而经放射性衰变变为原子核 238922349023491 Pa,再经放射性衰变变为原子核U。放射性衰变依次为( ) 23492 A 衰变、 衰变和 衰变 B 衰变、 衰变和 衰变 C 衰变、 衰变和 衰变 D 衰变、 衰变和 衰变 思路点拨 (1)放射性元素发生衰变时,质量数和电荷数均守恒。 (2)先确定衰变时放出的粒子,再确定衰变的种类。 解析 UTh, 质量数少 4, 电荷数少 2, 说明为 衰变。Th, 23892 2349023490 234 91Pa
7、 质子数加 1,质量数不变,说明为 衰变,中子转化成质子。 91Pa,质子 234 234 92U 数加 1,质量数不变,说明为 衰变,中子转化成质子。故 A 正确。 答案 A 放射性元素衰变的三大规律 (1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。 (2)每发生一次 衰变,质子数、中子数均减少 2。 (3)每发生一次 衰变,中子数减少 1,质子数增加 1。 1原子核发生 衰变时,此 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原子核内存在着的电子 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 : 选 D 因原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的,
8、 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: n He(), H n e。 1 01 1011 11 00 1 由上式可看出 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。 2朝鲜的“核危机”引起了全球的瞩目,其焦点问题就是朝鲜的核电站用轻水堆还是重 水堆,重水堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚 239(Pu),这种Pu 2399423994 可由铀 239(U)经过n次 衰变而产生,则n为( ) 23992 A2 B239 C145 D92 解析:选
9、 A 其衰变方程为:UPune, 衰变时质量数不变,由电荷数守恒可 239922399401 以判断出发生 衰变的次数为 2 次。 3某放射性元素的原子核发生两次 衰变和六次 衰变,关于它的原子核的变化,下 列说法中正确的是( ) A质子数减小 2 B质子数增加 2 C中子数减小 8 D核子数减小 10 解析:选 B 设该原子核的质量数(核子数)为m,电荷数(质子数)为n,衰变后的质量数 为x,电荷数为y,则有: m8x,n46y,由此可知衰变后核子数减少 8,质子数增加 2,中子数减小 10, 故 A、C、D 错误,B 正确。 对半衰期的理解 1意义:表示放射性元素衰变的快慢。 2半衰期公式
10、:N余N原,m余m0 ( 1 2) t ( 1 2) t 式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量,N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数 和质量,t表示衰变时间,表示半衰期。 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 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C, 它很容易
11、发生 14 6 衰变,放出 射线变成一个新核,其半衰期为 5 730 年,试写出 14C 的衰变方程。 (2)若测得一古生物遗骸中的C 含量只有活体中的 25%,则此遗骸距今约有多少年? 14 6 解析 (1) C 的 衰变方程为: 14 6 Ce N。 14 60114 7 (2) C 的半衰期5 730 年。 14 6 生物死亡后,遗骸中的C 按其半衰期变化,设活体中C 的含量为N0,遗骸中的C 含 14 614 614 6 量为N,则 NN0, ( 1 2) t 即 0.25N0N0,故2,t11 460 年。 ( 1 2) t 5 730 t 5 730 答案 (1) Ce N (2)
12、11 460 年 14 60114 7 (1)半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间而不是样本质量减少一 半的时间。 (2)经过n个半衰期,剩余核N剩N原。 1 2n 1多选目前,在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料,这些材料都不同程 度地含有放射性元素,下列有关放射性元素的说法正确的是( ) A 射线与 射线一样都是电磁波,但穿透本领远比 射线弱 B氡的半衰期为 3.8 天,4 个氡原子核经过 7.6 天后就一定只剩下 1 个氡原子核 CU 衰变成Pb 要经过 8 次 衰变和 6 次 衰变 2389220682 D放射性元素发生 衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为
13、质子时产生的 解析:选 CD 射线的实质是电子流, 射线的实质是电磁波, 射线的穿透本领比 较强,故 A 错误;半衰期对大量的原子核适用,对少量的原子核不适用,故 B 错误;因为 衰变的质量数不变, 所以 衰变的次数n8, 在 衰变的过程中电荷数总共少 16, 238206 4 则 衰变的次数m6,所以选项 C 正确; 衰变时,原子核中的一个中子,转变 1610 1 为一个质子和一个电子,电子以 射线的形式释放出来,所以选项 D 正确。 2若元素 A 的半衰期为 4 天,元素 B 的半衰期为 5 天,则相同质量的 A 和 B,经过 20 天 后,剩下的质量之比mAmB为( ) A12 B21
14、C54 D45 解析 : 选 A 元素 A 的半衰期为 4 天,经过 20 天后剩余原来的 5,元素 B 的半衰期为 5 ( 1 2) 天,经过 20 天后剩余原来的 4,剩下的质量之比mAmB12,A 正确。 ( 1 2) 3 多选14C 发生放射性衰变成为 14N, 半衰期约 5 700 年。 已知植物存活期间, 其体内14C 与 12C 的比例不变 ; 生命活动结束后,14C 的比例持续减小。 现通过测量得知, 某古木样品中14C 的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。下列说法正确的是( ) A该古木的年代距今约 5 700 年 B12C、13C、14C 具有相同的中子数 C14C 衰
15、变为 14N 的过程中放出 射线 D增加样品测量环境的压强将加速 14C 的衰变 解析 : 选 AC 古木样品中 14C 的比例是现代植物所制样品的二分之一,根据半衰期的定义 知该古木的年代距今约 5 700 年,选项 A 正确。同位素具有相同的质子数,不同的中子数,选 项 B 错误。14C 的衰变方程为C Ne,所以此衰变过程放出 射线,选项 C 正确。放 14 614 701 射性元素的半衰期与核内部自身因素有关,与原子所处的化学状态和外部条件无关,选项 D 错误。 原子核衰变的综合问题 典例 多选静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核放出一 个粒子,其速度方向与磁场方向垂直。测得 粒子与
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