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第五章 原子核
第二節(jié) 放射性元素的衰變
放射性元素放出射線后，它們的原子核還是原來的元素嗎？
舊核
釋放某粒子
新核
通過上一節(jié)課的學(xué)習(xí)我們知道，在天然放射現(xiàn)象中原子核會放出 α 粒子或 β 粒子，這樣由于核電荷數(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。
思考與討論
1. 定義：
原子核自發(fā)地放出α或β粒子后，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓?br/>2. 分類：
α衰變
β衰變
思考1：有γ衰變嗎？
一、原子核的衰變
γ射線產(chǎn)生的原因：
原子核的能量與原子的能量一樣，其變化是不連續(xù)的，因此也存在能級。放射性的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時(shí)，蘊(yùn)藏在核內(nèi)的能量會釋放出來，使產(chǎn)生的新核處于高能級，高能級不穩(wěn)定，這時(shí)它要向低能級躍遷，能量以γ光子的形式輻射出來。因此，γ射線經(jīng)常是伴隨α射線和β射線產(chǎn)生的。
注意：單個(gè)原子一次只能發(fā)生一種衰變；當(dāng)一塊放射性物質(zhì)連續(xù)衰變時(shí)，原子核中有的發(fā)生α衰變，有的發(fā)生β衰變，同時(shí)伴隨著γ射線輻射。這時(shí)，放射性物質(zhì)發(fā)出的射線中就會同時(shí)具有α、β、γ三種射線。
一、原子核的衰變
思考2：這些衰變方程的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)有什么規(guī)律嗎？
質(zhì)量數(shù)守恒
電荷數(shù)守恒
3. 衰變的規(guī)律
動(dòng)量守恒
一、原子核的衰變
思考3：在α衰變中，新核的質(zhì)量數(shù)與原來核的質(zhì)量數(shù)有什么關(guān)系？相對于原來的核在周期表中的位置，新核在周期表中的位置應(yīng)該前移還是后移？要移動(dòng)幾位？
α衰變的通式：
每發(fā)生一次α衰變，新核的質(zhì)量數(shù)要減少4，電荷數(shù)要減少2，即原子序數(shù)減少2，這樣新核在周期表中的位置要向前移動(dòng)2位。
一、原子核的衰變
思考4：在β衰變中，新核的質(zhì)量數(shù)與原來核的質(zhì)量數(shù)有什么關(guān)系？相對于原來的核在周期表中的位置，新核在周期表中的位置應(yīng)該前移還是后移？要移動(dòng)幾位？
β衰變的通式：
每發(fā)生一次β衰變，新核的質(zhì)量數(shù)不改變，電荷數(shù)要增加1，即原子序數(shù)增加1，這樣新核在周期表中的位置要向后移動(dòng)1位。
一、原子核的衰變
思考、討論：
(1)原子核是由哪兩部分粒子組成的
(2)原子核內(nèi)有沒有單獨(dú)存在的α粒子和電子？
(3)衰變產(chǎn)生的α粒子和電子是怎么產(chǎn)生的？
一、原子核的衰變
4. 衰變的本質(zhì)：
α 粒子
γ 光子
α衰變：原子核內(nèi)的2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)整體(α粒子)從核中拋射出來。
β衰變：原子核內(nèi)的1個(gè)中子轉(zhuǎn)化成1個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子。
4. 衰變的本質(zhì)：
課堂小練：
1、寫出下列放射性元素的α衰變方程：
（1）釷核 （2）銅核
2、寫出下列放射性元素的β衰變方程：
（1）鉍核 （2）釙核
說明：1. 中間用單箭頭，不用等號；
2. 質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒;
3. 方程及生成物要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ).
例3： 核經(jīng)一系列的衰變后變?yōu)? 核，問：
(1)一共經(jīng)過幾次α衰變和幾次β衰變？
(2) 與 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程的方程。
本題中，U核的質(zhì)子數(shù)=92，中子數(shù)=238-92=146；Pb核的質(zhì)子數(shù)=82，中子數(shù)=206-82=124。所以Pb核的質(zhì)子數(shù)少10，中子數(shù)少22。
238=206+4x
92=82+2x-y
x=8，y=6
對點(diǎn)訓(xùn)練
BD　
【2021·全國甲卷】 如圖-所示,一個(gè)原子核X經(jīng)圖中所示的一系列α、β衰變后,生成穩(wěn)定的原子核Y,在此過程中放射出電子的總個(gè)數(shù)為(　　)
A.6
B.8
C.10
D.14
A
m/m0
t /天
3.8
1/2
2×3.8
1/4
3×3.8
1/8
1/16
4×3.8
…
…
觀察思考：
①放射性元素衰變的快慢有規(guī)律嗎？可以用什么物理量來定量描述？
②根據(jù)氡的衰變，如何用公式表示剩余質(zhì)量與衰變時(shí)間之間的關(guān)系？
放射性元素氡的剩余質(zhì)量與原有質(zhì)量的比值隨時(shí)間的變化關(guān)系圖
每經(jīng)過3.8天氡222的剩余質(zhì)量就是原來的一半
二、半衰期
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(gè)數(shù)為n，經(jīng)過時(shí)間t，則：
剩余的質(zhì)量為：
剩余的個(gè)數(shù)為：
2.意義：表示放射性元素衰變快慢的物理量。
1.定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。
不同的放射性元素其半衰期不同。
經(jīng)過n個(gè)半衰期(T)其剩余的質(zhì)量為：
3.公式：
質(zhì)量與原子個(gè)數(shù)相對應(yīng)，故經(jīng)過n個(gè)半衰期后剩余的粒子數(shù)為：
二、半衰期
4. 注意：
①元素的半衰期由原子核內(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)。不同元素半衰期不同。
②半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只對大量的原子核才適用，對少數(shù)原子核是不適用的。
二、半衰期
例4：2014年5月7日南京發(fā)生放射源銥－192丟失事件，銥－192化學(xué)符號是Ir，原子序數(shù)是77，半衰期為74天。銥－192通過β衰變放出γ射線，γ射線可以穿透10～100 mm厚的鋼板。設(shè)衰變產(chǎn)生的新核用X表示，寫出銥－192的衰變方程 ；若現(xiàn)有1 g銥－192，經(jīng)過148天有 g銥－192發(fā)生衰變。
故有0.75g發(fā)生了衰變
例5:如圖所示，兩個(gè)相切的圓表示一個(gè)靜止原子核發(fā)生某種衰變后，放出的帶電粒子和反沖核在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)軌跡，可能是（ ）
A.原子核發(fā)生了α衰變；
B.原子核發(fā)生了β衰變
C.大圓為粒子軌跡；
D.小圓為粒子軌跡；
由動(dòng)量守恒知，新核與粒子動(dòng)量大小相等，速度反向。由洛倫茲力充當(dāng)向心力可知：α衰變外切圓，β衰變內(nèi)切圓。
AC
大圓為粒子軌跡
【菜鳥進(jìn)擊—】在勻強(qiáng)磁場中，一個(gè)原來靜止的原子核，由于放出一個(gè)α粒子，結(jié)果得到一張兩個(gè)相切圓的徑跡照片(如圖2所示)，今測得兩個(gè)相切圓半徑之比r1∶r2＝44∶1。求：
(1)圖中哪一個(gè)圓是α粒子的徑跡？(說明理由)
(2)這個(gè)原子核原來所含的質(zhì)子數(shù)是多少？
圓軌道1
設(shè)有一個(gè)質(zhì)量為M0的原子核，原來處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)發(fā)生一次α(或β)衰變后，釋放的粒子的質(zhì)量為m，速度為v1，產(chǎn)生的反沖核的質(zhì)量為M，速度為V2 ．
1．動(dòng)量守恒關(guān)系：0＝mv1＋MV2或mv1＝－MV2
2．在磁場中徑跡的特點(diǎn)
α衰變和β衰變在磁場中的軌跡分析
1．(原子核的組成)以下說法正確的是(　　)
A. 為釷核，由此可知，釷核的質(zhì)量數(shù)為90，釷核的質(zhì)子數(shù)為234
B. 為鈹核，由此可知，鈹核的質(zhì)量數(shù)為9，鈹核的中子數(shù)為4
C．同一元素的兩種同位素具有相同的質(zhì)量數(shù)
D．同一元素的兩種同位素具有不同的中子數(shù)
D
例2.(多選)A、B是兩種放射性元素，原來都靜止在同一勻強(qiáng)磁場，其中一個(gè)放出α粒子，另一個(gè)放出β粒子，運(yùn)動(dòng)方向都與磁場方向垂直。圖中a、b與c、d分別表示各粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，下列說法中正確的是 (　 　)
A．磁場方向一定為垂直紙面向里
B．A放出的是α粒子，B放出的是β粒子
C．b為α粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，c為β粒子運(yùn)動(dòng)軌跡
D．a(chǎn)軌跡中粒子比b軌跡中的粒子動(dòng)量大
BC　
2．(對衰變的理解)(多選)天然放射性元素 經(jīng)過一系列α衰變和β衰變之后，變成 。下列論斷中正確的是(　　)
A．鉛核比釷核少24個(gè)中子
B．鉛核比釷核少8個(gè)質(zhì)子
C．衰變過程中共有4次α衰變和8次β衰變
D．衰變過程中共有6次α衰變和4次β衰變
釷核：質(zhì)子數(shù)90，中子數(shù)142
鉛核：質(zhì)子數(shù)82，中子數(shù)126
BD
232=208+4x
90=82+2x-y
4．(半衰期)(2018·江蘇單科) 已知A和B兩種放射性元素的半衰期分別為T和2T，則相同質(zhì)量的A和B經(jīng)過2T后，剩有的A和B質(zhì)量之比為(　　)
A．1∶4 B．1∶2 C．2∶1 D．4∶1
經(jīng)過2T后，A還剩m/4，B還剩m/2，故選擇B
B
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。
⑴1919 年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)。
⑵1932 年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)。
⑶1934 年約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)。
4、原子核人工轉(zhuǎn)變的三大發(fā)現(xiàn)
三、核反應(yīng)
1.射線測厚儀
利用γ射線的穿透特性
四、放射性同位素及其應(yīng)用
2.放射治療
利用γ射線高能量治療癌癥
四、放射性同位素及其應(yīng)用
3.培優(yōu)、保鮮
經(jīng)照射 未經(jīng)照射
培優(yōu)育種
四、放射性同位素及其應(yīng)用
4.示蹤原子
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(gè)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，例如，食鹽和有些水晶眼鏡片中含有鉀40，香煙中含有釙210，這些也是放射性同位素，不過它們輻射的強(qiáng)度都在安全劑量之內(nèi)。
五、輻射與安全
然而過量的射線對人體組織有破壞作用，這些破壞往往是對細(xì)胞核的破壞，有時(shí)不會馬上察覺。因此，在使用放射性同位素時(shí)，必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，注意人身安全，同時(shí)，要防止放射性物質(zhì)對空氣、水源、用具等的污染。
五、輻射與安全
存在射線危險(xiǎn)的地方，常能看到如圖所示的標(biāo)志。
五、輻射與安全
1．我國科研人員對“嫦娥五號”月球樣品富鈾礦物進(jìn)行分析，確定月球直到 20億年前仍存在巖漿活動(dòng)。
已知鈾的一種衰變方程為 ， 則（ ）
A．m=8，n=3
B．m=7，n=2
C．m=7，n=4
D．m=8，n=1
C
2．1898 年12 月居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)百萬倍的鐳226，鐳226 的半衰期為 1620年，鐳226 衰變?yōu)殡?22的方程 。下列說法正確的是（　?。?br/>A．該衰變?yōu)棣了プ?br/>B．該衰變?yōu)棣滤プ?br/>C．增加環(huán)境溫度可以使鐳226 的半衰期變?yōu)?10年
D．經(jīng)過3240年，100 個(gè)鐳226 中將有75 個(gè)鐳226 發(fā)生衰變
A

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