（浙江专版）2019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.doc

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1、- 1 -放射性元素的衰变原子核的衰变探新知基础练1衰变定义原子核放出 粒子或 粒子，由于核电荷数变了，它在周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。2衰变的类型一种是 衰变，另一种是 衰变，而 射线是伴随 衰变或 衰变产生的。3衰变方程 衰变： U Th He；23892 23490 42 衰变： Th Pa e。23490 23491 0 14衰变规律电荷数守恒，质量数守恒。辨是非(对的划“” ，错的划“”)1原子核发生 衰变时放出一个电子，说明原子核内有电子。() 2原子核发生 衰变时，新核的质量数减少 4。()释疑难对点练1 衰变和 衰变的实质及规律(1) 衰变的实质：在放射性元素的原子

2、核中，2 个质子和 2 个中子结合得比较紧密，在一定条件下会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，这就是放射性元素发生的 衰变，其反应式为 2 H2 n He。1 10 42(2) 衰变的实质：原子核里虽然没有电子，但是核内的中子可以转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是 衰变，其反应式为 n H e。10 1 0 1(3) 射线是伴随 衰变或 衰变产生的， 射线不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生 衰变或 衰变时，产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出 光子。(4)原子核衰变时质量数守恒，但并非质量守恒，核反应过程前、后质量发生变化(质量亏损

3、)而释放出核能，质量与能量相联系。(5)在发生 衰变时，释放的电子具有很大的能量，一定来自于原子核，它是由中子和质子的转化产生的，这表明质子(或中子)也是变化的。2衰变次数的计算方法设放射性元素 X 经过 n 次 衰变和 m 次 衰变后，变成稳定的新元素 Y，则衰变AZ AZ- 2 -方程为：X Y n He m e。AZ AZ 42 0 1根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：A A4 n， Z Z2 n m。以上两式联立解得： n ， m Z Z。A A4 A A2试身手1原子序数大于或等于 83 的所有元素，都能自发地放出射线。这些射线共有三种：射线、 射线和 射线。下列说法中正确的是(

4、)A原子核每放出一个 粒子，原子序数减少 4B原子核每放出一个 粒子，原子序数增加 4C原子核每放出一个 粒子，原子序数减少 1D原子核每放出一个 粒子，原子序数增加 1解析：选 D 发生一次 衰变，核电荷数减少 2，质量数减少 4，原子序数减少 2；发生一次 衰变，核电荷数、原子序数增加 1。故 D 正确。半衰期探新知基础练1半衰期定义大量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。辨是非(对的划“”

5、，错的划“”)1温度升高，放射性元素的半衰期会减小。()2氡的半衰期为 3.8 天，若取 4 g 氡原子核，经 7.6 天后只剩下 1 g 氡原子核。()释疑难对点练1对半衰期的理解半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素具有的衰变速率一定，不同元素半衰期不同，有的差别很大。2半衰期公式- 3 -N 余 N 原 ( )t/T， m 余 m0( )t/T。式中 N 原 、 m0表示衰变前的原子数和质量， N 余 、 m 余 表12 12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， T 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

6、特定的原子核，无法确定何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核。试身手2关于半衰期，下面各种说法中正确的是( )A所有放射性元素都有一定的半衰期，半衰期的长短与元素的质量有关B半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间C一块纯净的放射性元素的矿石，经过一个半衰期以后，它的总质量仅剩下一半D放射性元素在高温和高压的情况下，半衰期要变短，但它与其他物质化合后，半衰期要变长解析：选 B 半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，是表明放射性元素原子衰变快慢的物理量，与元素的质量、物理、化学状态，均无关，因为衰变产物大部分仍

7、留在矿石中，所以矿石总质量没有太大的改变，故正确答案为 B。对 衰变和 衰变的实质的正确理解典例 1 U 核经一系列的衰变后变为 Pb 核，问：23892 20682(1)一共经过几次 衰变或几次 衰变？(2)写出这一衰变过程的方程。思路点拨 由题可知开始原子核为 U，最终的原子核为 Pb，根据电荷数和质量23892 20682数守恒可求得衰变次数从而写出衰变方程。解析 (1)设 U 衰变为 Pb 经过 x 次 衰变和 y 次 衰变。由质量数守恒和电23892 20682荷数守恒，可得2382064 x92822 x y联立解得 x8， y6即一共经过 8 次 衰变和 6 次 衰变。(2)核反

8、应方程为： U Pb8 He6 e。23892 20682 42 0 1答案 (1)8 6 (2) U Pb8 He6 e23892 20682 42 0 1- 4 -(1)写衰变方程的基本原则是质量数守恒和电荷数守恒，依据这两个原则列方程就可确定 衰变和 衰变的次数。(2)计算衰变前后核的质子数和中子数的差值，除了可根据衰变的实质分析外，也可根据质量数、质子数、中子数的关系进行计算。典例 2 “朝核危机”引起全球瞩目，其焦点就是朝鲜核电站采用轻水堆还是重水堆。重水堆核电站在发电的同时，可以生产出可供研制核武器的钚 239( Pu)，这种钚 239 可由23994铀 239( U)经过 n 次

9、 衰变而产生，则 n 为( )23992A2 B239 C145 D92解析选 A 衰变的规律是质量数不变，质子数增加 1。 Pu 比 U 质子数增加23994 239922，所以发生 2 次 衰变，A 对。对半衰期的理解和计算典例 3 碘 131 核不稳定，会发生 衰变，其半衰期为 8 天。(1)碘 131 核的衰变方程： I _(衰变后的元素用 X 表示)。1315(2)经过_天 75%的碘 131 核发生了衰变。思路点拨 (1)写衰变方程的依据是质量数守恒，电荷数守恒。(2)m m0 ， m 指衰变后剩余的质量，而不是已衰变的质量。(12)tT解析 (1) I X e1315 13154

10、 0 1(2)75%的碘发生了衰变，即 25%的未衰变。即 25% 2，共经历了两个半衰期即 16 天。mm0 14 (12)答案 (1) I X e (2)161315 13154 0 1典例 4 14C 是碳的一种半衰期为 5 730 年的放射性同位素，科学家已发现了曹操墓，若考古工作者探测到其棺木中 14C 的含量约为原来的 ，则该古木死亡的时间距今大约为45( )(12)13 0.8A22 900 年 B11 400 年C5 700 年 D1 900 年解析选 D 假设古木死亡时 14C 的质量为 m0，现在的质量为 m，从古木死亡到现在所含14C 经过了 n 个半衰期，由题意可知：

11、( )n ，所以 n ，即古木死亡的时间距今约为mm0 12 45 13- 5 -5 730 年1 900 年，D 正确。13课堂对点巩固1一个原子核发生衰变时，下列说法中错误的是( )A总质量数保持不变 B核子数保持不变C变化前后质子数保持不变 D总能量保持不变解析：选 C 衰变过程中质量数守恒，又质量数等于核子数，故衰变过程中核子数不变，A、B 正确；发生 衰变时，质子数增加，C 错误；根据能量守恒定律知 D 正确。 2某放射性元素经过 11.4 天有 的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为( )78A11.4 天 B7.6 天C5.7 天 D3.8 天解析：选 D 半衰期是指有半数原子核发

12、生衰变的时间，根据 ， 3，因为(12)tT 18 tTt11.4 天，所以 T 天3.8 天。D 正确。11.433(多选)三个原子核 X、Y、Z，X 核放出一个正电子后变为 Y 核，Y 核与质子发生核反应后生成 Z 核并放出一个氦核( He)，则下面说法正确的是( )42AX 核比 Z 核多一个质子BX 核比 Z 核少一个中子CX 核的质量数比 Z 核质量数多 3 个DX 核与 Z 核的总电荷数是 Y 核电荷数的 2 倍解析：选 CD 设原子核 X 的质量数为 x，电荷数为 y，依题意写出核反应方程XY e，Y HZ He。根据质量数守恒和电荷数守恒，可得原子核 Y 的质量数为 x，xy

13、01 1 42电荷数为 y1，原子核 Z 的质量数为 x3，电荷数为 y2。X 核的质子数( y)比 Z 核的质子数( y2)多 2 个，选项 A 错；X 核的中子数( x y)比 Z 核的中子数( x y1)多 1 个，选项 B错；X 核的质量数( x)比 Z 核的质量数( x3)多 3 个，选项 C 对；X 核与 Z 核的总电荷数(2y2)是 Y 核的电荷数( y1)的 2 倍，选项 D 对。4放射性元素氡( Rn)经 衰变成为钋( Po)，半衰期约为 3.8 天；但勘测表明，22286 21884经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素 Rn 的矿石，其原因是22286

14、( )A目前地壳中的 Rn 主要来自于其他放射性元素的衰变22286- 6 -B在地球形成的初期，地壳中元素 Rn 的含量足够高22286C当衰变产物 Po 积累到一定量以后， Po 的增加会减慢 Rn 的衰变进程21884 21884 22286D. Rn 主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期22286解析：选 A 地壳中 Rn 主要来自其他放射性元素的衰变，才会在经过漫长的地质年22286代后继续存在，则 A 正确，B 错误；放射性元素的半衰期与外界环境等因素无关，则 C、D 错误。课堂小结 课时跟踪检测十四一、单项选择题1 衰变中放出的电子来自( )A组成原子核的电子B

15、核内质子转化为中子C核内中子转化为质子D原子核外轨道中的电子解析：选 C 组成原子核的核子只有中子及质子，没有电子，故 A 错；B 项违背了电荷数守恒，故 B 错； 衰变是原子核的中子转化为质子时释放电子，而与核外电子无关，D 错，C 对。2在存放放射性元素时，若把放射性元素置于大量水中；密封于铅盒中；与轻核元素结合成化合物。则( )A措施可减缓放射性元素衰变B措施可减缓放射性元素衰变C措施可减缓放射性元素衰变D上述措施均无法减缓放射性元素衰变解析：选 D 放射性元素的衰变快慢由其原子核内部结构决定，与外界因素无关，所以A、B、C 错误，D 正确。3原子核 U 经放射性衰变变为原子核 Th，继

16、而经放射性衰变变为原子核23892 23490Pa，再经放射性衰变变为原子核 U。放射性衰变、和依次为( )23491 23492A 衰变、 衰变、 衰变B 衰变、 衰变、 衰变C 衰变、 衰变、 衰变- 7 -D 衰变、 衰变、 衰变解析：选 A U Th，质量数少 4，电荷数少 2，说明为 衰变； Th23892 23490 23490Pa， Pa U，质子数分别加 1，质量数不变，说明为 衰变。A 正 23491 23491 23492确。4科研人员正在研制一种新型镍铜长效电池，它是采用半衰期长达 100 年的放射性同位素镍 63( Ni)和铜两种金属作为长寿命电池的材料，利用镍 63

17、发生 衰变时释放电子给6328铜片，把镍 63 和铜片作电池两极，外接负载为负载提供电能。下面有关该电池的说法正确的是( )A镍 63 的衰变方程是 Ni e Cu6328 0 1 6327B镍 63 的衰变方程是 Ni e Cu6328 0 1 6429C外接负载时镍 63 的电势比铜片高D该电池内电流方向是从镍 63 到铜片解析：选 C Ni 的衰变方程为 Ni e Cu，选项 A、B 错；电流方向为正电荷6328 6328 0 1 6329定向移动方向，在电池内部电流从铜片到镍 63，镍 63 电势高，选项 C 对，D 错。5 14C 测年法是利用 14C 衰变规律对古生物进行年代测定的

18、方法。若以横坐标 t 表示时间，纵坐标 m 表示任意时刻 14C 的质量， m0为 t0 时 14C 的质量。下面选项图中能正确反映14C 衰变规律的是( )解析：选 C 由公式 m m0 及数学知识，可知能正确反映 14C 的衰变规律的应为(12)tTC。6将半衰期为 5 天的质量为 64 g 的铋分成四份分别投入：(1)开口容器中；(2)100 atm 的密封容器中；(3)100 的沸水中；(4)与别的元素形成化合物。经 10 天后，四种情况下剩下的铋的质量分别为 m1、 m2、 m3、 m4。则( )A m1 m2 m3 m44 gB m1 m2 m34 g， m4m2m3m4， m14

19、 gD m14 g，其余无法知道解析：选 A 放射性元素的半衰期是一定的，与放射性元素所处的物理环境和化学环境无关，故四种情况下铋剩余的质量相等，又剩余的铋的质量为 16 g4 g，所以 A 正确。(12)105- 8 -二、多项选择题7(海南高考)原子核 Th 具有天然放射性，它经过若干次 衰变和 衰变后会变23290成新的原子核。下列原子核中，有三种是 Th 衰变过程中可以产生的，它们是( )23290A. Pb B. Pb C. Po D. Ra E. Ra20482 20382 21684 22488 22688解析：选 ACD 发生 衰变时放出 He，发生 衰变时放出电子 e，根据质

20、量数和42 0 1电荷数守恒有，每发生一次 衰变质量数减少 4，电荷数减少 2，每发生一次 衰变质量数不变化，电荷数增加 1，由质量数的变化可确定 衰变的次数(必须是整数)，进而可知 衰变的次数。逐一判断可知 A、C、D 符合要求。8对天然放射现象，下列说法中正确的是( )A 粒子带正电，所以 射线一定是从原子核中射出的B 粒子带负电，所以 射线有可能是核外电子C 射线是光子流，所以 射线有可能是原子发光产生的D 射线、 射线、 射线都是从原子核内部释放出来的解析：选 AD 衰变的实质是原子核中的两个质子和两个中子结合在一起形成一个氦核发射出来的， 衰变的实质是原子核内的一个中子变成一个质子和

21、一个电子，然后释放出电子， 射线伴随 衰变和 衰变的产生而产生。所以这三种射线都是从原子核内部释放出来的。A、D 正确。9. 92U 衰变成 82Pb 的过程中( )238 206A经历了 8 次 衰变和 6 次 衰变B铅核比铀核中子数少 22 个C铅核比铀核质子数少 32 个D衰变中有 6 个中子变成质子解析：选 ABD 衰变过程中，每次 衰变放出一个 粒子，核电荷数少 2，质量数少4，而每次 衰变一个中子变成一个质子并释放出一个电子，核电荷数增 1，质量数不变。从铀核与铅核的质量数变化，可知经历了 8 次 衰变，8 次 衰变后新核的核电荷数应为76，比铅核的核电荷数少 6，要经过 6 次

22、衰变才能成为铅核，A、D 选项正确；原子核由质子、中子组成，铀核中中子数为 23892146，铅核中中子数为 20682124，相差22，B 选项正确；铀核质子数为 92，铅核质子数为 82，相差 10，C 选项错误。三、非选择题10.在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个 粒 子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图所示)，今测得两个相切圆 半径之比 r1 r2441。求：(1)这个原子核原来所含的质子数是多少？(2)图中哪一个圆是 粒子的径迹？(说明理由)- 9 -解析：(1)设衰变后 粒子的电荷量为 q12 e，新生核的电荷量为 q2，它们的质量分别为 m1和 m2，衰变后的

23、速度分别为 v1和 v2，则原来原子核的电荷量 q q1 q2，根据轨道半径公式有： ，r1r2m1v1Bq1m2v2Bq2 m1v1q2m2v2q1又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则 m1v1 m2v2以上三式联立解得 q90 e。即这个原子核原来所含的质子数为 90。(2)由于动量大小相等，因此轨道半径与粒子的电荷量成反比。所以圆轨道 1 是 粒子的径迹，圆轨道 2 是新生核的径迹，两者电性相同，运动方向相反。答案：(1)90 (2)圆轨道 1 理由见解析11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

24、线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成很不稳定的 C，它很容易146发生衰变，放出 射线变成一个新核，其半衰期为 5 730 年。试写出 6C 衰变的核反应方14程。(2)若测得一古生物遗骸中的 C 含量只有活体中的 12.5%，则此遗骸距今约有多少年？146解析：(1) C 衰变的核反应方程：146C N e。146 147 0 1(2)活体中的 C 含量不变，生物死亡后，遗骸中的 C 按其半衰期变化，设活体中146 146C 的含量为 N0，遗骸中的 C 含量为 N，由半衰期的定义得：146 146N N0，即 0.125 c 。(12)tT(12) tT所以 3， T5 730 年，tTt17 190 年。答案：(1) C N e146 147 0 1(2)17 190 年- 10 -