2017高中物理选修3-5 19.2 放射性元素的衰变 课件.ppt

2放射性元素的衰变课前预习导学目标导航学习目标重点难点1.能说出什么是原子核衰变。2.会用半衰期描述原子核衰变的速度,知道半衰期的统计意义。3.能记住两种衰变的规律,并能够熟练写出衰变方程。重点:两种衰变的规律的应用。难点:对衰变本质的认识。预习导引一、原子核的衰变1.衰变原子核放出α粒子或β粒子,变成了一种新的原子核,这种变化叫做原子核的衰变。2.衰变的类型原子核的自发衰变有两种,一种是α衰变,一种是β衰变。而γ射线是伴随着α衰变或β衰变时产生的。3.衰变方程α衰变:92238𝑈→90234Th+24He+γβ衰变:90234Th→91234Pa+-10e+γ4.衰变的规律(1)遵守三个守恒:原子核衰变时遵守电荷数守恒,质量数守恒,动量守恒。(2)任何一种放射性元素只有一种放射性,不能同时既有α放射性又有β放射性(伴随的γ射线除外)。预习交流1有人说:“γ射线是电磁波,对人类有害,手机、微波炉等用电器都能产生电磁波,因而不能使用!”这种说法对吗?答案:手机和微波炉等确实能产生电磁波,γ射线也是电磁波,但两者在能量上有较大的区别,手机等放出的电磁波属于微波范围,波长与γ射线相比较大,频率较小,因而穿透本领及电离本领都很弱,对人体危害很小。但γ射线频率很大,能量很高,因而使用不当时,对人体危害较大。二、半衰期1.定义放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间,叫做这种元素的半衰期。2.公式用希腊字母τ表示半衰期,剩余原子核数目:N余=N原(12)tτ,剩余元素质量m余=m原(12)tτ。3.说明统计规律,对大量原子核成立。4.有关因素半衰期由放射性元素的核内部自身的因素决定,跟原子所处的物理状态(如压强、温度等)或化学状态(如单质或化合物)无关。5.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。预习交流2半衰期就是原子核衰变了一半的时间,所以两个原子核经过一个半衰期后就会有一个核发生了衰变,而另一个核完好并不发生衰变,对不对,为什么?答案:不对,半衰期是一个统计规律,只对大量原子核适用,对于少数个别的原子核,其衰变毫无规律,何时衰变、何时衰变一半,都是不可预知的。课堂合作探究问题导学一、原子核的衰变活动与探究11.从原子核中放出了α粒子,是不是原子核内本来就存在这些粒子?答案:不是的。原子核内只有质子和中子,2个质子和2个中子结合比较牢固,所以它们会作为一个整体被抛出。2.每种元素只存在一种放射性,为什么将放射性物质放出的射线在磁场或电场中探测时会出现三束呢?答案:一种元素放射出一种射线后就衰变成另一种元素,这种新元素会具有新的放射性。3.发生β衰变时,新核的电荷数变化多少?新核在元素周期表中的位置怎样变化?答案:根据β衰变方程90234ThPa+-10e可知,新核核电荷数增加了1,原子序数增加1,故在元素周期表上向后移了1位。迁移与应用192238U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多少?(3)写出这一衰变过程的方程。答案:(1)8次α衰变6次β衰变(2)1022(3)92238𝑈→82206Pb+824He+6-10e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,质子数增加1,故82206Pb比92238U质子数少10,中子数少22。(3)核衰变方程为:92238𝑈→82206Pb+824He+6-10e。1.衰变时,电荷数和质量数都守恒,这也是书写衰变方程的依据。2.衰变过程(1)α衰变:ZA𝑋→Z-2A-4𝑌+24He(2)β衰变:ZA𝑋→Z+1A𝑌+-10e3.α衰变和β衰变的实质(1)α衰变:201n+211𝐻→24He(2)β衰变:01𝑛→11𝐻+-10e4.衰变次数的计算方法(1)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。以上两式联立解得:n=A-A'4,m=A-A'2+Z'-Z。(2)也可以根据衰变中质量数的变化只由α衰变引起,且α衰变一次质量数减少4,先由质量数的变化求α衰变的次数,再结合电荷数变化及α衰变次数求β衰变次数。5.γ射线往往是伴随α射线和β射线而产生:因为在发生α衰变或β衰变的过程中,新核处于不稳定状态,它要通过辐射光子而达到稳定的状态,辐射的光子即γ射线。二、半衰期及相关计算活动与探究21.你知道考古学家靠什么推断古化石的年代吗?答案:利用614C和612C的比值来推断古化石的年代。2.自然界中原子序数大于等于83的元素都具有放射性,通过衰变,最终将要衰变成稳定的铅206,由此推测,最终地球上就不存在原子序数大于等于83的元素了,是这样吗?答案:理论上讲是这样的,但这个最终结果不知要经历多少年。放射性元素的衰变都有一个半衰期,比如像铀238的半衰期是4.5×109年,即45亿年。迁移与应用2放射性在技术上有很多应用,不同的放射源有不同的用途。下表列出了一些放射性元素的半衰期和可供利用的射线。元素射线半衰期元素射线半衰期钋210α138天锶90β28年氡222β3.8天铀238α、β、γ4.5×103年某塑料公司生产聚乙烯薄膜,方法是让厚的聚乙烯膜通过轧辊把聚乙烯膜轧薄,利用适当的放射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀,可利用的元素是()A.钋210B.氡222C.锶90D.铀238答案:C解析:本题中测定聚乙烯薄膜的厚度,也就是要求射线可以穿透薄膜,因此α射线就不合适了,射线穿透作用还要受薄膜厚度影响,γ射线穿透作用最强,薄膜厚度不会影响γ射线穿透,所以只能选用β射线,而氡222半衰期太小,铀238半衰期太长,所以只有选项C较合适。1.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:N余=N原(12)tτ,m余=m0(12)tτ。式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量,N余、m余表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,τ表示半衰期。3.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。4.原子核有半数发生衰变所需要的时间为半衰期,并不是余下的一半再经过一个半衰期就衰变结束,事实是再经过一个半衰期减少了一半的一半,这就是规律。当堂检测1.关于放射性元素发生衰变放射的三种射线,下列说法中正确的是()A.三种射线一定同时产生B.三种射线的速度都等于光速C.γ射线是处于激发态的原子核发射的D.原子核衰变不能同时放射α射线和γ射线答案:C解析:γ射线是在α衰变或β衰变后原子核不稳定而辐射出光子形成。2.新发现的一种放射性元素X,它的氧化物X2O半衰期为8天,X2O与F2能发生如下反应:2X2O+2F24XF+O2,XF的半衰期为()A.2天B.4天C.8天D.16天答案:C解析:根据半衰期由原子核内部因素决定,而跟其所处的物理状态和化学状态无关,所以X2O、XF、X的半衰期相同,均为8天。正确选项为C。3.放射性同位素1124Na的样品经过6小时还剩下18没有衰变,它的半衰期是()A.2小时B.1.5小时C.1.17小时D.0.75小时答案:A解析:由m余m原=(12)tτ得18=(12)6τ所以τ=2小时,即选项A正确。4.下列有关半衰期的说法正确的是()A.放射性元素的半衰期越短,表明有半数原子核发生衰变所需要的时间越短,衰变速度越快B.放射性元素的样品不断衰变,随着剩下未衰变的原子核的减少,元素的半衰期也变短C.把放射性元素放在密闭的容器中,可以减慢放射性元素的衰变速度D.降低温度或增大压强,让该元素与其他物质形成化合物,均可减缓衰变的速度答案:A解析:元素的半衰期是由原子核内部的因素决定的,与处于单质状态还是化合状态无关,与外部物理条件也无关。5.一小瓶含有放射性同位素的液体,它每分钟衰变6000次。若将它注射到一位病人的血管中,15h后从该病人身上抽取10mL血液,测得此血样每分钟衰变2次。已知这种同位素的半衰期为5h,求此病人全身血液总量。答案:3.75L解析:设衰变前原子核的个数为N0,15h后剩余的原子核个数为N,则N=N0×(12)tτ=(12)3N0=18N0,①设血液的总体积为V,衰变的次数跟原子核的个数成正比,即NN0=2×V106000,②由①②得V=3750mL=3.75L。