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第2节 原子核衰变及半衰期
[目标定位] 1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象，能记住三种射线的特性.2.知道什么是原子核的衰变及衰变实质.3.理解半衰期的统计意义，学会利用半衰期解决相关问题．
一、天然放射现象的发现
1．1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性．
2．物质放出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，物质能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象．
3．皮埃尔·居里夫妇发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)． 二、放射线的本质
1．三种射线：如图1中1是β射线，2是γ射线，3是α射线．
图1
(1)α射线是高速氦原子核粒子流． (2)β射线是高速运动的电子流． (3)γ射线是波长很短的电磁波． 2．三种射线的特点
(1)α射线：α粒子容易使空气电离，但穿透能力很弱． (2)β射线：β粒子穿透能力较强，但电离作用较弱． (3)γ射线：γ射线电离作用很弱，但穿透能力很强． 三、原子核的衰变
1．原子核的衰变：原子核放出α射线或β射线，而转变为新原子核的变化．原子核衰变时电荷数和质量数都守恒．
2．α衰变：原子核进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2.例： 92U的α衰变方程为 92U→ 90Th＋2He.
3．β衰变：原子核进行β衰变时，质量数不变，电荷数增加1，例： 90Th的β衰变方程为 90Th→ 91Pa＋－1e. 四、衰变的快慢——半衰期
1．放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫半衰期．
2．元素半衰期的长短是由原子核自身的因素决定的，跟原子所处的物理、化学状态和周围环境、温度没有关系． 一、三种射线的本质及特点
1．α、β、γ三种射线的性质、特征比较
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种 类 组 成 带电荷量 α射线 高速氦核流 2e 4mp 质 量 (mp＝1.67× 10速 率 －27β射线 高速电子流 －e γ射线 光子流 (高频电磁波) 0 0.9c 较强 能穿透几毫 米厚的铝板 较弱 静止质量为零 kg) 0.1c 最弱 c 最强 能穿透几厘 米厚的铅板 很弱 贯穿本领 用一张纸 就能挡住 电离作用 很强 2．在电场、磁场中偏转情况的比较 (1)在匀强电场中，α射线偏转较小，β射线偏转较大，γ射线不偏转，如图2甲所示．
图2
(2)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图乙所示．
【例1】 一置于铅盒中的放射源发射出的α、β和γ射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔，铝箔后的空间有一匀强电场．进入电场后，射线变为a、b两束，射线a沿原来方向行进，射线b发生了偏转，如图3所示，则图中的射线a为________射线，射线b为________射线．
图3
答案 γ β
解析 在三种射线中，α射线带正电，穿透能力最弱，γ射线不带电，穿透能力最强；β射线带负电，穿透能力一般，综上所述，结合题意可知，a射线应为γ射线，b射线应为β射线．
借题发挥 三种射线的比较方法
(1)α射线是α、β、γ三种射线中贯穿本领最弱的一种，它穿不过白纸． (2)要知道三种射线的成分，贯穿本领和电离本领的强弱．
(3)要知道α、β、γ三种射线的本质，α、β射线是实物粒子，γ射线是光子． 针对训练1 如图4，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( )
图4
A．①表示γ射线，③表示α射线
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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 由三种射线的带电性质可以判断出①⑥表示β射线，②⑤表示γ射线，③④表示α射线，故C对． 二、原子核的衰变 1．α衰变：
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． 2．β衰变：
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：原子核中的一个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：0n―→1H＋－1e. 3．衰变规律
衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒．
【例2】 原子核 92U经放射性衰变①变为原子核 90 Th，继而经放射性衰变②变为原子核 91Pa，再经放射性衰变③变为原子核 92U.放射性衰变①、②和③依次为( ) A．α衰变、β衰变和β衰变 C．β衰变、β衰变和α衰变 答案 A
解析 根据衰变反应前后的质量数守恒和电荷数守恒特点， 92U核与 90Th核比较可知，衰变①的另一产物为2He，所以衰变①为α衰变，选项B、C错误； 91Pa核与 92U核比较可知，衰变③的另一产物为－1e，所以衰变③为β衰变，选项A正确，D错误． 【例3】
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B．β衰变、α衰变和β衰变 D．α衰变、β衰变和α衰变
U核经一系列的衰变后变为 82Pb核，问：
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(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？ (2) 82Pb与 92U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．
答案 (1)8次α衰变，6次β衰变 (2)10 22 (3)见解析
解析 (1)设 92U衰变为 82Pb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
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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衰变中子数少1，而质子数增加1，故 82Pb较 92U质子数少10，中子数少22. (3)核反应方程为 92U→ 82Pb＋82He＋6－1e. 借题发挥 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. 三、对半衰期的理解
1．对半衰期的理解：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，不同元素的半衰期不同，有的差别很大． 2．半衰期公式
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，T1/2表示半衰期．
3．适用条件：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，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时刻衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核．
【例4】 氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤．它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一．其衰变方程是 86Rn―→ 84Po＋________.已知 86Rn的半衰期约为3.8天， 则约经过________天，16 g的 86Rn衰变后还剩1 g. 答案 2He 15.2
解析 根据质量数、电荷数守恒得衰变方程为 86Rn→ 84Po＋2He.根据衰变规律m＝代入数值解得t＝15.2天．
针对训练2 放射性元素( 86Rn)经α衰变成为钋( 84Po)，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 86Rn的矿石，其原因是( )
A．目前地壳中的 86Rn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 86Rn的含量足够高
C．当衰变产物 84Po积累到一定量以后， 84Po的增加会减慢 86Rn的衰变进程 D. 86Rn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
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解析 元素半衰期的长短由原子核自身因素决定，一般与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关，C、D错；即使元素氡的含量足够高，经过漫长的地质年代，地壳中也几乎没有氡了，一定是来自于其他放射性元素的衰变，故A对，B错.
三种射线的特性
1. (多选)图5中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，以下判断正确的是( )
图5
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 答案 BC
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．
原子核的衰变
2．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：→1H＋－1e，→0n＋0＋1e.由以上两式可看出β粒子(电0n―1H―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．贝克勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用．下列属于放射性衰变的是( ) A. 6C→ 7N＋－1e C.1H＋1H→2He＋0n 答案 A
解析 A属于β衰变，B属于裂变，C是聚变，D是原子核的人工转变，故选A项．
对半衰期的理解及计算
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B. 92U＋0n→ 53I＋39Y＋20n D.2He＋13Al→15P＋0n
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高中物理第3章原子核与放射性2原子核衰变及半衰期学案鲁科版选修3-5
