資源簡(jiǎn)介

5.2放射性元素的衰變
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】(2min)
1.知道放射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是原子核的衰變．
2．知道α衰變、β衰變的規(guī)律、實(shí)質(zhì)，會(huì)寫衰變方程．
3．理解半衰期的概念，會(huì)利用半衰期解決相關(guān)問(wèn)題．
4．知道人工放射性同位素及其應(yīng)用．
5．知道核反應(yīng)及其遵循的規(guī)律，會(huì)正確書寫核反應(yīng)方程.
【任務(wù)1】 課前預(yù)習(xí)（10min）
一、原子核的衰變
1．定義：原子核自發(fā)地放出 或 ，而變成另一種原子核的變化。
2．衰變類型
(1)α衰變：
原子核放出α粒子的衰變。進(jìn)行α衰變時(shí)，新核相對(duì)原來(lái)的核：質(zhì)量數(shù) ，電荷數(shù) ，
U的α衰變方程：U→Th＋ 。
(2)β衰變：
原子核放出β粒子的衰變．進(jìn)行β衰變時(shí)，新核相對(duì)原來(lái)的核：質(zhì)量數(shù) ，電荷數(shù) ，
Th的β衰變方程：Th→Pa＋ 。
衰變規(guī)律： 守恒， 守恒。
4.衰變的實(shí)質(zhì)
(1)α衰變的實(shí)質(zhì)：2個(gè) 和2個(gè) 結(jié)合在一起形成α粒子，并被釋放出來(lái)。
(2)β衰變的實(shí)質(zhì)：核內(nèi)的 轉(zhuǎn)化為了一個(gè) 和一個(gè) 。
(3)γ射線：放射性的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時(shí)產(chǎn)生的 處于高能級(jí)，這時(shí)它要向低能級(jí)躍遷，并放出γ光子。
二、半衰期
1．定義：放射性元素的原子核有 發(fā)生衰變所需的時(shí)間。
2．特點(diǎn)
(1)不同的放射性元素，半衰期 ，甚至差別非常大。
(2)半衰期描述的是 ，不適用于少數(shù)原子核的衰變。
(3)放射性元素衰變的快慢是由 決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件 。
三、核反應(yīng)
1．定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生 或者發(fā)生狀態(tài)變化的過(guò)程。
2．原子核的人工轉(zhuǎn)變：盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，核反應(yīng)方程N(yùn)＋He→ ＋ 。
3．遵循規(guī)律： 守恒， 守恒。
四、放射性同位素及其應(yīng)用
1．放射性同位素：具有 的同位素。
2．應(yīng)用：(1)射線測(cè)厚儀：工業(yè)部門使用放射性同位素發(fā)出的射線來(lái)測(cè)厚度。
(2)放射治療 (3)培優(yōu)、保鮮。
(4)示蹤原子：一種元素的各種同位素具有 化學(xué)性質(zhì)，用放射性同位素代替非放射性的同位素后可以探測(cè)出原子到達(dá)的位置。
【任務(wù)2】 探究一、原子核的衰變規(guī)律與衰變方程(10min)
原子核α衰變實(shí)質(zhì)是放出一個(gè)氦原子核，β衰變實(shí)質(zhì)是放出一個(gè)電子．如圖所示為α衰變、β衰變示意圖．試探究：
(1)放射性元素能不能一次衰變同時(shí)產(chǎn)生α射線和β射線？
(2)γ射線又是怎樣產(chǎn)生的？
[例1]U核經(jīng)一系列的衰變后變?yōu)镻b核，問(wèn)：
(1)一共經(jīng)過(guò)幾次α衰變和幾次β衰變？
(2)Pb與U相比，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)各少了多少？
(3)綜合寫出這一衰變過(guò)程的方程．
【任務(wù)3】 探究二、放射性元素的半衰期及其應(yīng)用(10min)
如圖所示為始祖鳥的化石，美國(guó)科學(xué)家維拉·黎比運(yùn)用了半衰期的原理發(fā)明“碳 14計(jì)年法”，并因此榮獲了1960 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)．利用“碳 14計(jì)年法”可以估算出始祖鳥的年齡．為什么能夠運(yùn)用半衰期來(lái)計(jì)算始祖鳥的年齡？
[例2]　放射性同位素14C被考古學(xué)家稱為“碳鐘”，它可以用來(lái)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)．
(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？
【任務(wù)3】 探究三、原子核的人工轉(zhuǎn)變及核反應(yīng)方程的書寫(5min)
如圖所示是某著名物理實(shí)驗(yàn)裝置圖，科學(xué)家利用該裝置第一次實(shí)現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變．
(1)請(qǐng)寫出該核反應(yīng)方程；
(2)請(qǐng)寫出這位科學(xué)家的名字及他發(fā)現(xiàn)了什么？
[例3]中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所制得了一種新的鉑元素的同位素Pt.制取過(guò)程如下：
(1)用質(zhì)子轟擊鈹靶Be產(chǎn)生快中子；
(2)用快中子轟擊汞Hg，反應(yīng)過(guò)程可能有兩種：
①生成Pt，放出氦原子核；
②生成Pt，放出質(zhì)子、中子；
(3)生成的Pt發(fā)生兩次β衰變，變成穩(wěn)定的原子核汞Hg.
寫出上述核反應(yīng)方程式．
【任務(wù)4】 探究四、放射性同位素的應(yīng)用(2min)
在軋制鋼板時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)地監(jiān)測(cè)鋼板厚度，其監(jiān)測(cè)裝置由放射源、探測(cè)器等構(gòu)成，如圖所示．請(qǐng)思考：
(1)該裝置中探測(cè)器接收到的是哪種射線？
(2)如果鋼板變厚了，會(huì)有什么變化？
達(dá)標(biāo)檢測(cè)(15min)
1．一個(gè)放射性原子核發(fā)生一次β衰變，則它的(　　)
A．質(zhì)子數(shù)減少1，中子數(shù)不變 B．質(zhì)子數(shù)增加1，中子數(shù)不變
C．質(zhì)子數(shù)增加1，中子數(shù)減少1 D．質(zhì)子數(shù)減少1，中子數(shù)增加1
2．下列表示放射性元素碘131(I)β衰變的方程是(　　)
A．I→Sb＋He B．I→Xe＋e
C．I→I＋n D．I→Te＋H
3. 放射性同位素釷232經(jīng)多次α、β衰變，其衰變方程為Th→Rn＋xα＋yβ，其中(　　)
A．x＝1，y＝3 B．x＝2，y＝3 C．x＝3，y＝1 D．x＝3，y＝2
4．(多選)釷Th具有放射性，它能放出一個(gè)新的粒子而變?yōu)殓hPa，同時(shí)伴隨有γ射線產(chǎn)生，其方程為Th→Pa＋X，釷的半衰期為24天，則下列說(shuō)法中正確的是(　　)
A．X為電子
B．X為質(zhì)子
C．X是釷核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的
D．1g釷Th經(jīng)過(guò)120天后有0.96875gTh發(fā)生衰變
5．2019年是世界上首次實(shí)現(xiàn)元素人工轉(zhuǎn)變100周年。1919年，盧瑟福用氦核轟擊氮原子核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了另一種元素，該核反應(yīng)方程可寫為：He＋N→X＋Y，以下判斷正確的是(　　)
A．m＝16，n＝1 B．m＝17，n＝1 C．m＝16，n＝0 D．m＝17，n＝0
6．(多選)關(guān)于人工放射性同位素，下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．人工放射性同位素的半衰期比天然放射性物質(zhì)的半衰期長(zhǎng)很多
B．人工放射性同位素的放射強(qiáng)度容易控制
C．人工放射性同位素的γ射線能進(jìn)行金屬探傷
D．使用人工放射性同位素也要遵守操作規(guī)程，防止放射性同位素對(duì)空氣、水源、用具等的污染
7．(多選)在放射性同位素的應(yīng)用中，下列做法正確的是(　　)
A．應(yīng)該用α射線探測(cè)物體的厚度
B．細(xì)胞分裂越快的組織對(duì)射線的耐受能力就越弱，所以可以用射線治療癌癥
C．放射育種利用γ射線照射種子使遺傳基因發(fā)生變異
D．在研究農(nóng)作物合理施肥中可以用放射性同位素作為示蹤原子
8. 寫出下列原子核人工轉(zhuǎn)變的核反應(yīng)方程。幾種元素的原子序數(shù)(N：7 ； Mg：12 ； P：15 )
(1)Na(鈉核)俘獲1個(gè)α粒子后放出1個(gè)質(zhì)子：
(2)Al(鋁核)俘獲1個(gè)α粒子后放出1個(gè)中子：
(3)O(氧核)俘獲1個(gè)中子后放出1個(gè)質(zhì)子：
(4)Si(硅核)俘獲1個(gè)質(zhì)子后放出1個(gè)中子：
9. 放射性同位素C被考古學(xué)家稱為“碳鐘”，它可以用來(lái)判定古生物的年代。宇宙射線中高能量中子碰撞空氣中的氮原子后，就會(huì)形成很不穩(wěn)定的C，它很容易發(fā)生β衰變，變成一個(gè)新核，其半衰期為5730年。該衰變的核反應(yīng)方程式為 。C的生成和衰變通常是平衡的，即生物活體中C的含量是不變的。當(dāng)生物體死亡后，機(jī)體內(nèi)C的含量會(huì)不斷減少。若測(cè)得一具古生物遺骸中C含量只有活體中的12.5%，則這具遺骸距今約有________年。
答案
課前預(yù)習(xí)
一、1．α粒子 β粒子
2．(1)減少4 減少2 He
(2)不變 加1 e
3．電荷數(shù) 質(zhì)量數(shù)
4.(1)中子 質(zhì)子
(2)中子 質(zhì)子 電子
(3)新核
二、1．半數(shù)
2．(1)不同
(2)統(tǒng)計(jì)規(guī)律
(3)核內(nèi)部自身的因素 沒(méi)有關(guān)系
三、1．新原子核 2． O＋H 3．質(zhì)量數(shù)
四、1．放射性
(4)相同的
探究一提示：(1)不能，一次衰變只能是α衰變或β衰變，而不能同時(shí)發(fā)生α衰變和β衰變．
(2)放射性的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時(shí)產(chǎn)生的新核處于高能級(jí)，這時(shí)它要向低能級(jí)躍遷，并放出γ光子．
[例1]　解析：(1)設(shè)U衰變?yōu)镻b經(jīng)過(guò)x次α衰變和y次β衰變，由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得
238＝206＋4x①
92＝82＋2x－y②
聯(lián)立①②解得x＝8，y＝6
即一共經(jīng)過(guò)8次α衰變和6次β衰變．
(2)由于每發(fā)生一次α衰變質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均減少2，每發(fā)生一次β衰變中子數(shù)減少1，而質(zhì)子數(shù)增加1，故Pb較U質(zhì)子數(shù)少10，中子數(shù)少22.
(3)衰變方程為U→Pb＋8He＋6e.
答案：(1)8次　6次
(2)10　22
(3)U→Pb＋8He＋6e
探究二．提示：半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間．能夠運(yùn)用它來(lái)計(jì)算始祖鳥的年齡是因?yàn)榘胨テ谂c原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無(wú)關(guān)．
[例2](1)根據(jù)衰變規(guī)律書寫衰變方程；
(2) C含量只有活體中的25%說(shuō)明經(jīng)過(guò)2個(gè)半衰期，再應(yīng)用半衰期公式計(jì)算時(shí)間．
[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，
即0.25N0＝ N0，即＝2，t＝11 460年．
[答案] (1)C→e＋N
(2)11 460年
探究三提示：(1)核反應(yīng)方程是：He＋N→O＋H.
(2)盧瑟福第一次完成了原子核的人工轉(zhuǎn)變并發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子．
[例3]解析：根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，算出新核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，然后寫出核反應(yīng)方程．
(1)Be＋H→B＋n.
(2)①Hg＋n→Pt＋He；
②Hg＋n→Pt＋2H＋n.
(3)Pt→Au＋e；
Au→Hg＋e.
探究四提示：(1)三種射線中，α射線用一張紙就能將其擋住，β射線能穿透幾毫米厚的鉛板，γ射線能穿透幾厘米厚的鉛板，這里是鋼板，只能用γ射線．
(2)鋼板變厚，穿過(guò)的γ粒子數(shù)會(huì)減少．
達(dá)標(biāo)檢測(cè)
1. 答案　C 解析　β衰變的實(shí)質(zhì)是一個(gè)中子轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，故中子數(shù)減少1，而質(zhì)子數(shù)增加1，A、B、D錯(cuò)誤，C正確。
2. 答案　B 解析　β衰變是原子核自發(fā)地釋放一個(gè)β粒子(即電子)產(chǎn)生新核的過(guò)程，原子核衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒，結(jié)合選項(xiàng)分析可知，選項(xiàng)B正確。
3. 答案　D 解析　由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得：
4x＋220＝232,2x－y＋86＝90，解得x＝3，y＝2，選D。
4. 答案　ACD 解析　根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒知，釷核衰變過(guò)程中放出了一個(gè)電子，即X為電子，故A正確，B錯(cuò)誤；發(fā)生β衰變時(shí)釋放的電子是由釷核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的，故C正確；釷的半衰期為24天，經(jīng)過(guò)120天即經(jīng)過(guò)5個(gè)半衰期，故1 g釷Th經(jīng)過(guò)120天后還剩0.03125 g，有0.96875 g Th發(fā)生衰變，故D正確。
5. 答案　B
解析　根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得：4＋14＝m＋1,2＋7＝8＋n，解得m＝17，n＝1，故B正確。
6. 答案　BCD 解析　人工放射性同位素的半衰期比天然放射性物質(zhì)的短，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；人工放射性同位素的放射強(qiáng)度容易控制，故選項(xiàng)B正確；人工放射性同位素的γ射線能進(jìn)行金屬探傷，故選項(xiàng)C正確；使用人工放射性同位素也要遵守操作規(guī)程，防止對(duì)空氣、水源、用具等的污染，故選項(xiàng)D正確。
7. 答案　BCD 解析　γ光子的貫穿能力最強(qiáng)，應(yīng)該用γ射線探測(cè)物體的厚度，故A錯(cuò)誤；細(xì)胞分裂越快的組織對(duì)射線的耐受能力就越弱，所以可以用射線治療癌癥，故B正確；γ光子的貫穿能力最強(qiáng)，從而使DNA發(fā)生變異，所以放射育種利用γ射線照射種子使遺傳基因發(fā)生變異，故C正確；在研究農(nóng)作物合理施肥中是以放射性同位素作為示蹤原子，故D正確。
8. 解析　根據(jù)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，有
(1)Na＋He→Mg＋H；(2)Al＋He→P＋n；
(3)O＋n→N＋H；(4)Si＋H→P＋n。
9. 答案　C→N＋e　17190
解析　發(fā)生β衰變，釋放電子，根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒可知C→N＋e.
測(cè)得一具古生物遺骸中C含量只有活體中的12.5%，即，經(jīng)過(guò)了3個(gè)半衰期，故這具遺骸距今約有5 730×3＝17 190年。

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