第五章原子核5.2放射性元素的衰變新人教版普通高中教科書物理選擇性必修三

通過學(xué)習(xí)科學(xué)家對放射性元素衰變的探究，學(xué)會觀察和思考，提升科學(xué)探究的能力。科學(xué)探究學(xué)會堅持實事求是的科學(xué)態(tài)度，體驗科學(xué)家探索科學(xué)規(guī)律的艱辛和科學(xué)研究的價值，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任會正確書寫衰變方程，根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒寫出核反應(yīng)方程?？茖W(xué)思維學(xué)科素養(yǎng)目標(biāo)知道合力與分力的概念；形成初步的共點(diǎn)力、力的合成、力的分解、矢量、標(biāo)量的概念。物理觀念知道衰變、半衰期及原子核衰變的規(guī)律，了解核反應(yīng)及放射性同位素應(yīng)用的基本觀念和相關(guān)實驗證據(jù)。物理觀念2022年諾貝爾獎物理學(xué)獎頒給法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（AlainAspect）、美國物理學(xué)家

約翰·弗朗西斯·克勞澤（JohnF.Clauser）和奧地利物理學(xué)家

安東·塞林格（AntonZeilinger）以表彰“用糾纏光子驗證了量子不遵循貝爾不等式，開創(chuàng)了量子信息學(xué)”。百科：量子糾纏百科：量子糾纏

天然放射現(xiàn)象中原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子，由于核電荷數(shù)變了，它在元素周期表中的位置就變了，就變成另一種原子核。我們把這種變化稱為原子核的衰變。

一、原子核的衰變一、原子核的衰變α衰變原子核自發(fā)放出α粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说倪^程叫α衰變。

ɑ粒子核核

在α衰變中，新核的質(zhì)量數(shù)與原來的核的質(zhì)量數(shù)有什么關(guān)系？相對于原來的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置應(yīng)當(dāng)向前移還是向后移？要移動幾位？你能概括出α衰變的質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)變化的一般規(guī)律嗎？α衰變的一般方程：

在這個衰變過程中，衰變前的質(zhì)量數(shù)等于衰變后的質(zhì)量數(shù)之和；衰變前的電荷數(shù)等于衰變后的電荷數(shù)之和。發(fā)生一次α衰變，困為原子序數(shù)減小2，所以相對于原來的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置應(yīng)當(dāng)向前移2位。α衰變過程中質(zhì)量數(shù)守恒，核電荷數(shù)守恒。思考與討論β衰變原子核自發(fā)放出β粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说倪^程叫β衰變。核β粒子核一、原子核的衰變比如

發(fā)生α衰變后產(chǎn)生的

也具有放射性，它放出一個β

粒子后質(zhì)量數(shù)沒有改變，但電荷數(shù)增加了1

，就變成鏷

。

“電荷數(shù)之和”指代數(shù)和，因為發(fā)生β衰變時，電子的電荷數(shù)是－1。

在β衰變中，質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)有什么變化規(guī)律？

β衰變的一般方程：β衰變過程中質(zhì)量數(shù)守恒，核電荷數(shù)守恒。

β衰變過程中，衰變前的質(zhì)量數(shù)等于衰變后的質(zhì)量數(shù)之和；衰變前的電荷數(shù)等于衰變后的電荷數(shù)之和。思考與討論一、原子核的衰變

說明：1.中間用單箭頭，不用等號；2.是質(zhì)量數(shù)守恒，不是質(zhì)量守恒;3.方程及生成物要以實驗為基礎(chǔ),不能杜撰。

原子核里沒有電子，β衰變中的電子來自哪里？思考與討論

β衰變的本質(zhì)β衰變實質(zhì)是核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成了一個質(zhì)子和一個電子。

類比于β衰變中的電子來自哪里的分析過程，α衰變的本質(zhì)什么？思考與討論α衰變的本質(zhì)

事實表明，兩個中子和兩個質(zhì)子能十分緊密地結(jié)合在一起，因此，在一定條件下它們會作為一個整體從較大的原子核中被拋射出來，即發(fā)生了α衰變。

放射性的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時產(chǎn)生的新核處于高能級，這時它要向低能級躍遷，并放出γ光子。γ射線經(jīng)常是伴隨α射線和β射線產(chǎn)生的。原子核的能量也跟原子的能量一樣，其變化是不連續(xù)的，也只能取一系列不連續(xù)的數(shù)值，因此，也存在著能級，同樣是能級越低越穩(wěn)定。一、原子核的衰變

當(dāng)放射性物質(zhì)連續(xù)衰變時，原子核中有的發(fā)生α衰變、有的發(fā)生β衰變，同時伴隨著γ射線輻射。這時放射性物質(zhì)發(fā)出的射線中就會同時具有α、β、γ三種射線。【思考】設(shè)放射性元素經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素，試分析：（1）衰變方程（2）衰變次數(shù)n和m

電荷數(shù)守恒：質(zhì)量數(shù)守恒：解得：

【注意】為了確定衰變次數(shù)，一般是由質(zhì)量數(shù)的改變先確定α衰變的次數(shù)，這是因為β衰變的次數(shù)的多少對質(zhì)量數(shù)沒有影響，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。小試牛刀——衰變次數(shù)的計算思考：一個氡原子核過多久會發(fā)生衰變呢？1s10min200萬年單個微觀事件不可以預(yù)測（大量）3.8天+3.8天

放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變，所需要的時間是固定的，稱為半衰期。衰變未衰變二、半衰期補(bǔ)充幾點(diǎn)：半衰期必須是大量原子核滿足的統(tǒng)計規(guī)律不同元素的原子核半衰期差別非常大。放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。二、半衰期氡222衰變?yōu)獒?18的半衰期是3.8d鐳226衰變?yōu)殡?22的半衰期是1620年鈾238衰變?yōu)殁Q234的半衰期竟長達(dá)4.5x109年。二、半衰期——計算11.47.63.8m/m0t/天0若放射性元素原來的質(zhì)量為m0

、原子數(shù)為N0；剩余的質(zhì)量m，剩余的原子數(shù)為N，半衰期為??，半衰期個數(shù)為n，經(jīng)過時間t，則：【思考】：已知釷234的半衰期是24天，1g釷經(jīng)過120天后還剩多少?解：根據(jù)半衰期的定義，τ=24d，t=120d剩下的釷為小試牛刀——半衰期的計算1、定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核或發(fā)生狀態(tài)變化的過程。3、規(guī)律：質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒2、條件：用α粒子、質(zhì)子、中子，甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變。三、核反應(yīng)（人類第一次實現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變）1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)。很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它們被稱為放射性同位素。四、放射性同位素及其應(yīng)用1、放射性同位素的分類天然放射性同位素。人工放射性同位素。不過40多種已達(dá)3000多種2、人工放射性同位素的優(yōu)勢放射強(qiáng)度容易控制。半衰期短，廢料易處理。射線測厚儀在鋼板一面，放置γ射線源，另一面放著接收裝置。那么鋼板越厚，接收到了射線信號越弱，根據(jù)信號強(qiáng)度就可以測量金屬板的厚度?！忙蒙渚€具有很強(qiáng)的穿透性四、放射性同位素及其應(yīng)用放射治療——γ射線對癌細(xì)胞有很強(qiáng)的殺傷力四、放射性同位素及其應(yīng)用四、放射性同位素及其應(yīng)用——γ射線遺傳基因發(fā)生變異，培育優(yōu)良品種培優(yōu)保鮮——γ射線可以殺死細(xì)菌醫(yī)學(xué)方面：給人注射碘的放射性同位素碘131,在頸部底部的甲狀腺(紅色，部分被遮蔽)，被放射性示蹤劑碘131高亮著色。定時用探測器測量甲狀腺及鄰近組織的放射強(qiáng)度，有助于診斷甲狀腺的疾病。示蹤原子——同位素化學(xué)性質(zhì)相同，這樣就可以用放射性同位素了解各元素的流向。農(nóng)業(yè)方面：棉花在開花、結(jié)桃的時候需要較多的磷肥，把磷肥噴在棉花葉子.上，磷肥也能被吸收。但是，什么時候的吸收率最高、磷在作物內(nèi)能存留多長時間、磷在作物體內(nèi)的分布情況等，用通常的方法很難研究。如果用磷的放射性同位素制成肥料噴在棉花的葉面上，然后每隔一定時間用探測器測量棉株各部位的放射性強(qiáng)度，上面的問題就解決了。四、放射性同位素及其應(yīng)用人類一直生活在放射性的環(huán)境中。例如，地球上的每個角落都有來自宇宙的射線，我們周圍的巖石，其中也有放射性物質(zhì)。我們的食物和日常用品中，有的也具有放射性。不過這些輻射的強(qiáng)度都在安全劑量之內(nèi)，對我們沒有傷害。五、輻射與安全過量的射線對人體組織有破壞作用，這種破壞往往是對細(xì)胞核的破壞，有時不會馬上察覺。所以使用放射性同位素質(zhì)，都必須嚴(yán)格遵