高中物理选修3-5放射性元素的衰变课件

第二节放射性元素的衰变学习目标思维导图1.理解α衰变和β衰变的规律及实质,并能熟练书写衰变方程2.理解半衰期的概念,学会利用半衰期解决相关问题一、原子核的衰变阅读教材第71页“原子核的衰变”,理解衰变。1.衰变的定义是什么?2.衰变有几种类型?答案：α衰变、β衰变、γ衰变答案:原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核的过程。对原子核衰变的正确理解下图为α衰变、β衰变示意图。(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数如何变化?为什么?(2)当发生β衰变时,新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少?新核在元素周期表中的位置怎样变化?（2）α衰变:𝑍𝐴X→𝑍-2𝐴-4Y+24He(新核的质量数减少4,电荷数减少2)。举例:92238U→90234Th+24He。实质是核内的两个中子和两个质子结合在一起发射出来的。α衰变要点提示:(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数各减少2个。因为α粒子是原子核内2个质子和2个中子结合在一起发射出来的。衰变规律原子核衰变时,电荷数和质量数都守恒。β衰变要点提示：(1)当原子核发生β衰变时,新核的核电荷数相对于原来增加了1个。新核在元素周期表中的位置向后移动了1个位次。(2)β衰变:𝑍𝐴X→𝑍+1𝐴Y+-10e(新核的质量数不变,电荷数增加1)。举例:90234Th→91234Pa+-10e。实质是核内的一个中子转化成一个质子和一个电子,其转化方程为:01n→11H+-10e。(3)γ辐射:①α衰变或β衰变后产生的新核往往处于高能级,不稳定,要向低能级跃迁,放出γ光子。②γ射线是伴随着α射线和β射线产生的,γ辐射并不能独立发生,所以,只要有γ射线必有α衰变或β衰变发生。③γ粒子不是带电粒子,因此γ射线并不影响原子核的核电荷数,故γ射线不会改变元素在周期表中的位置。关于衰变，特别提醒(1)衰变方程的书写:衰变方程用“→”表示,而不用“=”表示。(2)衰变方程表示的变化:衰变方程表示的是原子核的变化,而不是原子的变化。(3)衰变过程遵循动量守恒和能量守恒。原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。知识点一辨一辨·议一议1.思考辨析。(1)由原子核发生β衰变时放出的β粒子是电子,可知原子核内一定存在着电子。()解析: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电子,β粒子(电子)是由原子核内的中子转化而来。答案:×(2)γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生。()解析:γ射线是原子核衰变过程中,产生的新核具有过多的能量,这些能量以γ光子的形式释放出来。答案:×返回2．一个原子核发生衰变时，下列说法中正确的是()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．总动量保持不变解析：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β衰变时，质子数增加，C错；由动量守恒的条件知D正确。答案：ABD返回3．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：α射线、β射线和γ射线。下列说法中正确的是()A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1D．原子核每放出一个β粒子，原子序数增加1解析：发生一次α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β衰变，核电荷数、原子序数增加1。答案：D探究一典例剖析【例题1】92238U核经一系列的衰变后变为82206Pb核,问:(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变?(2)82206Pb与92238U相比,质子数和中子数各少了多少?(3)写出这一衰变过程的方程。【思考问题】原子核衰变时遵循什么规律?提示:原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。解析:(1)设92238U衰变为82206Pb经过x次α衰变和y次β衰变。由质量数守恒和电荷数守恒可得238=206+4x①92=82+2x-y②联立①②解得x=8,y=6即一共经过8次α衰变和6次β衰变。(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2,每发生一次β衰变中子数减少1,而质子数增加1,故82206Pb较92238U质子数少10,中子数少22。(3)衰变方程为92238U→82206Pb+824He+6-10e。答案:(1)8次α衰变和6次β衰变(2)1022(3)92238U→82206Pb+824He+6-10e返回2．衰变次数的计算方法(1)计算依据：确定衰变次数的依据是两个守恒规律，即质量数守恒和核电荷数守恒。(2)计算方法：设放射性元素AZX经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素A′Z′Y，则表示该核反应的方程为AZX→A′Z′Y＋n42He＋m0－1e。知识点二返回根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m。以上两式联立解得n＝A－A′4，m＝A－A′2＋Z′－Z。由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。归纳总结衰变次数的判断方法(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。(2)每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2。(3)每发生一次β衰变中子数减少1,质子数增加1。返回1．(2012·大纲全国卷)U经过m次α衰变和n次β衰变，变成Pb，则()A．m＝7，n＝3B．m＝7，n＝4C．m＝14，n＝9D．m＝14，n＝18[思路点拨]通过α、β两种衰变过程中核电荷数和质量数的变化规律进行分析计算。9223582207[答案]B二、半衰期阅读教材第72页“半衰期”部分,理解半衰期的概念。1.半衰期的定义是什么?2.半衰期有什么特点?3.写出半衰期公式1.半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。不同的放射性元素,半衰期不同，甚至差别非常大。N余＝N原(12)t/T，m余＝m0(12)t/T2、半衰期特点：(1)每经过一个半衰期，原来的原子核只剩下半数。(2)半衰期是一种统计规律。对于大量的原子核发生衰变才具有实际意义,而对于少量的原子核发生衰变,该统计规律不再适用。而发生衰变时有的核快一点有的慢一点。并不是一个核的质量变成一半。(3)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。对于同一种元素,其半衰期是一定的,无论是加温、加压,或是处于单质、化合物状态均不影响元素的半衰期,3.半衰期公式（T表示半衰期时间）对半衰期的理解及有关计算右图为氡衰变剩余质量与原有质量比值示意图。纵坐标表示的是任意时刻氡的质量m与t=0时的质量m0的比值。(1)每经过一个半衰期,氡原子核的质量变为原来的多少倍?(2)从图中可以看出,经过两个半衰期未衰变的原子核还有多少?2.探究讨论。(1)元素的半衰期有哪些方面的应用?答案:利用半衰期非常稳定这一特点,可以通过测量其衰变程度来推断时间。(2)如何确定元素的衰变次数?答案:方法一：根据半衰期衰变公式求解N余＝N原(12)t/T，m余＝m0(12)t/T方法二：根据衰变方程求解设放射性元素𝑍𝐴X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素𝑍'𝐴'Y,则衰变方程为𝑍𝐴X→𝑍'𝐴'Y+n24He+𝑚-10e根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A=A'+4n,Z=Z'+2n-m。辨一辨·议一议1、对于不同的放射性元素,尽管其半衰期不同,但对于同一种元素的每一个原子来说其半衰期是固定的,非常稳定。()解析: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。答案:×返回2．关于放射性元素的半衰期，下列说法中正确的是()A．半衰期是原子核质量减少一半所需的时间B．半衰期是原子核有半数发生衰变所需的时间C．半衰期与外界压强和温度有关，与原子的化学状态无关D．半衰期可以用于测定地质年代、生物年代等解析：原子核的衰变是由原子核内部因素决定的，与外界环境无关，C错误；原子核的衰变有一定的速率，每隔一定的时间(即半衰期)，原子核就衰变掉总数的一半，A错误，B正确；利用铀238可测定地质年代，利用碳14可测定生物年代，D正确。答案：BD【例题2】放射性元素氡(86222Rn)经α衰变成为钋(84218Po),半衰期约为3.8天,但勘测表明,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86222Rn的矿石,其原因是()A.目前地壳中的86222Rn主要来自于其他放射性元素的衰变B.在地球形成的初期,地壳中元素86222Rn的含量足够高C.当衰变产物84218Po积累到一定量以后,84218Po的增加会减慢86222Rn的衰变进程D.86222Rn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答案:A变式训练2碘131核不稳定,会发生β衰变,其半衰期为8天。(1)碘131核的衰变方程:53131I→(衰变后的元素用X表示)。(2)大量碘131原子经过天75%的碘131核发生了衰变。解析:(1)根据衰变过程电荷数守恒与质量数守恒可得衰变方程:53131I→54131X+-10e;(2)每经1个半衰期,有半数原子核发生衰变,经2个半衰期将剩余14,即有75%的原子核发生衰变,故经过的时间为16天。答案:(1)54131X+-10e(2)16返回4．某放射性元素经过11.4天有7/8的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为________天。解析：有78的原子核发生衰变，说明还剩下18的原子核没有衰变，因每经过一个半衰期原子核减少一半，所以经过的时间是3个半衰期，半衰期为11.43天＝3.8天。答案：3.8返回5．为测定某水库的存水量，现将一小瓶放射性同位素溶液倒入水库中，已知这瓶溶液每分钟衰变8×107次，这种同位素的半衰期为2天，10天之后从水库中取出1m3的水，并测得每分钟衰变10次，求（1）假设水库的存水量为Qm3，求10天后的水库中该溶液衰变的总次数是多少？（2）总溶液每分钟衰变的次数和该元素的质量有什么关系？（3）该同位素经历10天后，质量为原来的多少？（4）求出水库的存水量返回[解析]设放射性同位素原有质量为m0,10天后其剩余质量为m，水库存水量为Qm3，由放射性同位素1min的衰变次数与其质量成正比可得10Q8×107＝mm0，由半衰期公式得，m＝m0(12)tT，以上两式联立并代入数据，得，10Q8×107＝(12)102＝(12)5，解得Q＝(12)5×8×106m3＝2.5×105m3。[答案]2.5×105m3