高中物理选修35第四章《走进原子核 放射性元素的衰变》word学案.docx
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高中物理选修35第四章《走进原子核放射性元素的衰变》word学案
2019-2020年高中物理选修(3-5)第四章《走进原子核放射性元素的衰变》word学案
[学习目标定位]1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象.2.知道原子核的组成,会正确书写原子核符号.3.知道原子核的衰变及两种衰变的规律,能熟练写出衰变方程.4.会用半衰期描述衰变的速度,知道半衰期的统计意义.
1.原子核半径的数量级为10-15m,原子半径的数量级为10-10_m.
2.带电粒子以垂直于电场线的方向进入匀强电场,将做类平抛运动,电场力的方向:
正电荷受力方向与电场线方向相同,负电荷受力方向与电场线方向相反.
3.带电粒子以垂直于磁感线的方向进入匀强磁场,将做匀速圆周运动,洛伦兹力的方向可用左手定则判定.
4.放射性的发现
(1)放射性
1896年法国物理学家享利·贝克勒尔发现,铀及含铀的矿物都能够发出看不见的射线,物质放射出射线的性质叫做放射性.
(2)放射性元素
具有放射性的元素叫放射性元素.
(3)天然放射性元素
能自发地放出射线的元素叫做天然放射性元素.原子序数大于83的所有元素,都有放射性.原子序数小于等于83的元素,有的也具有放射性.
(4)放射性发现的意义
放射性的发现揭示了原子核结构的复杂性.
5.原子核的组成
(1)质子的发现
1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮核时,发现了一种新粒子,这种粒子带有一个单位的正电荷,其质量与氢原子的质量相近,人们把这种粒子命名为质子.并由此可以断定,质子是原子核的组成部分.
(2)中子的发现
卢瑟福发现质子后,预言核内应该还存在着质量跟质子差不多的不带电的中性粒子,卢瑟福把他预言的这种粒子称为中子.后来他的学生查德威克在研究用射线轰击铍而产生的一种能量较高、贯穿能力很强的中性粒子时,证实了这就是卢瑟福所预言的中子.
(3)原子核的组成
原子核是由中子和质子组成的,一个质量数为A、电荷数为Z的原子核包含Z个质子和A-Z个中子.组成原子核的中子和质子统称为核子.原子核常用符号为X表示,其中X为元素符号.
6.原子核的衰变
(1)衰变
一种元素经放射过程变成另一种元素的现象,称为原子核的衰变.
(2)衰变中的守恒定律
原子核在发生衰变时,电荷数和质量数总是守恒的.
7.半衰期
(1)原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间,叫做半衰期,记为T1/2.
(2)衰变规律
如果用m0表示放射性元素衰变前的质量,经过t时间后剩余的放射性元素的质量为m,则衰变规律可以写为:
m=m0().
(3)平均寿命
放射性核素的平均存活时间称为平均寿命,记为τ,半衰期与平均寿命之间的关系为:
T1/2=0.693τ.
(4)影响因素
放射性元素衰变的速率由核本身的因素决定,与原子所处的物理状态或化学状态无关.
一、原子核的组成
[问题设计]
天然放射现象揭示了原子核还可以再分,那么原子核是由什么粒子组成的?
答案 见[要点提炼]
[要点提炼]
1.质子的发现
1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,从氮核中打出了一种新的粒子,测定了它的电荷和质量,确定它是氢原子核,叫做质子,用p或H表示,其质量为mp=1.67×10-27kg,质子是原子核的组成部分.
2.中子的发现
(1)卢瑟福的预言:
核内还有一种不带电的粒子,名字叫“中子”.
(2)查德威克的发现:
实验证明了中子的存在,用n表示,中子的质量非常接近于质子的质量,中子是原子核的组成部分.
3.原子核的组成
(1)原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的.
(2)原子核中的三个数字
①核子数:
质子和中子质量差别非常微小,二者统称为核子,所以质子数和中子数之和叫核子数.
②电荷数(Z):
原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍,通常用这个整数表示原子核的电荷量,叫做原子核的电荷数.
③质量数(A):
原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和,而质子与中子的质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,这个倍数叫做原子核的质量数.
(3)原子核表示符号
二、三种射线的特性
[问题设计]
1.
图1
如图1所示,放射源放在铅块上的细孔中,铅块上方有垂直于纸面向外的匀强磁场.其放出的射线在磁场的作用下分成a、b、c三束.a、b、c三条射线哪个是α射线、哪个是β射线、哪个是γ射线?
答案 由左手定则知a带负电,应为β射线;c带正电,应为α射线;b不偏转,说明不带电,应为γ射线.
2.如图2所示P为放在匀强电场中的天然放射源,其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束.则a、b、c三束中哪个是α射线、哪个是β射线、哪个是γ射线?
图2
答案 a带负电,应为β射线;c带正电,应为α射线;b不带电,应为γ射线.
[要点提炼]
三种射线及其特征
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
①高速氦核流
②高速电子流
③光子流(高频
电磁波)
带电量
④2e
⑤-e
⑥0
质量
⑦4mp
mp=1.67×
10-27kg
静止质量为零
速度
0.1c
0.99c
⑧c
在电场或
磁场中
偏转
与α射线反向
偏转
不偏转
三、原子核的衰变
1.原子核放出α粒子或β粒子后,变为另一种原子核,这种现象称为原子核的衰变.
2.α衰变:
X→Y+He
原子核进行α衰变时,质量数减少4,电荷数减少2.
α衰变的实质:
在放射性元素的原子核中,2个中子和2个质子结合得比较牢固,有时会作为一个整体从较大的原子核中释放出来,这就是放射性元素发生的α衰变现象.
3.β衰变:
X→__AZ+1Y+e
原子核进行β衰变时,质量数不变,电荷数增加1.
β衰变的实质:
原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即β粒子,使核电荷数增加1,但β衰变不改变原子核的质量数,其转化方程为:
n→H+e.
4.衰变规律:
衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒.
5.γ射线是在发生α或β衰变过程中伴随而生的,且γ粒子是不带电的粒子,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.
6.确定衰变次数的方法
设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素Y,则衰变方程为
X→Y+nHe+m 0-1e.
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程
A=A′+4n,Z=Z′+2n-m.
四、半衰期
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.
半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,不同的放射性元素,半衰期不同.
2.对于衰变及半衰期的理解要注意以下两点:
(1)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,但不同元素的半衰期不同,有的差别很大.
(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.
3.半衰期公式
N=N0(),m=m0().
一、三种射线的性质
图3
例1 图3中P为放在匀强电场中的天然放射源,其发射的射线在电场的作用下分成a、b、c三束,以下判断正确的是( )
A.a为α射线、b为β射线
B.a为β射线、b为γ射线
C.b为γ射线、c为α射线
D.b为α射线、c为γ射线
解析 由题图可知电场线方向向右,α射线带正电所受电场力方向与电场线方向一致,故α射线向右偏转,即c为α射线.β射线带负电所受电场力方向与电场线方向相反,故β射线向左偏转,即a为β射线.γ射线不带电不发生偏转,即b为γ射线.故选项B、C正确.
答案 BC
二、原子核的组成
例2 已知镭的原子序数是88,原子核的质量数是226.试问:
(1)镭核中有几个质子?
几个中子?
(2)镭核所带电荷量是多少?
(3)若镭原子呈现中性,它核外有几个电子?
(4)88Ra是镭的一种同位素,让88Ra和88Ra以相同速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中,它们运动的轨迹半径之比是多少?
解析 因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的,原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和.由此可得:
(1)镭核中的质子数等于其原子序数,故质子数为88,中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差,即N=A-Z=226-88=138.
(2)镭核所带电荷量
Q=Ze=88×1.6×10-19C≈1.41×10-17C.
(3)镭原子呈中性,则核外电子数等于质子数,故核外电子数为88.
(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力为洛伦兹力,故有Bqv=m,两种同位素具有相同的核电荷数,但质量数不同,故==.
答案
(1)88 138
(2)1.41×10-17C (3)88
(4)113∶114
三、对衰变的理解
例3 U核经一系列的衰变后变为Pb核,问:
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变?
(2)Pb与U相比,质子数和中子数各少了多少?
(3)综合写出这一衰变过程的方程.
解析
(1)设U衰变为Pb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+4x①
92=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Pb较U质子数少10,中子数少22.
(3)衰变方程为U→Pb+8He+6e
答案
(1)8次α衰变和6次β衰变
(2)10 22
(3)U→Pb+8He+6e
四、对半衰期的理解及有关计算
例4 放射性元素的原子核在发生α衰变或β衰变生成新原子核时,往往会同时伴随________辐射.已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为τ1和τ2,经过t=τ1·τ2时间后测得这两种放射性元素的质量相等,那么它们原来的质量之比mA:
mB=________.
解析 放射性元素的原子核在发生α衰变或β衰变生成新原子核时,往往以γ光子的形式释放能量,即伴随γ辐射;根据半衰期的定义,A、B两种放射性元素经过t=τ1·τ2时间后剩下的质量相等,则=,故mA:
mB=2τ2:
2τ1.
答案 γ 2τ2:
2τ1
1.(2014·福建·30
(1))如图4所示,放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,下列说法正确的是________(填选项前的字母).
图4
A.①表示γ射线,③表示α射线
B.②表示β射线,③表示α射线
C.④表示α射线,⑤表示γ射线
D.⑤表示β射线,⑥表示α射线
答案 C
解析 根据三种射线的偏转轨迹可知①⑥表示β射线,②⑤表示γ射线,③④表示α射线.选项C正确.
2.(单选)原子核发生β衰变时,此β粒子是( )
A.原子核外的最外层电子
B.原子核外的电子跃迁时放出的光子
C.原子核内存在着电子
D.原子核内的一个中子变成一个质子时,放射出一个电子
答案 D
解析 因原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的,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负电子,一个质子可以转化成一个中子和一个正电子,其转化可用下式表示:
n→H+e,H→n+01e.
由上式可看出β粒子(负电子)是由原子核内的中子转化而来,正电子是由原子核内的质子转化而来.
3.(双选)2011年3月11日,日本发生九级大地震,造成福岛核电站的核泄漏事故.在泄露的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素,它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射.在下列四个式子中,有两个能分别反映131I和137Cs衰变过程,它们分别是________和________(填入正确选项前的
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