1、第2节 放射性 衰变第2节放射性衰变学习目标核心提炼1.了解放射性的发现，知道什么是放射性和天然放射性。3个概念天然放射性、原子核的衰变、半衰期1个规律电荷数和质量数守恒2.知道三种射线的种类和性质。3.知道衰变及两种衰变的规律，能熟练写出衰变方程。4.了解半衰期的概念及有关计算。一、天然放射现象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.物质发射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，放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象。3.原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数较小的元素，有的也能放出射线。思考判断(1)1896年，法国的玛丽
2、居里首先发现了天然放射现象。()(2)原子序数大于83的元素都是放射性元素。()(3)原子序数小于83的元素都不能放出射线。()答案(1)(2)(3)二、衰变1.放射性衰变：放射性元素是不稳定的，它们会自发地蜕变为另一种元素，同时放出射线的现象。2.衰变形式：常见的衰变有两种，放出粒子的衰变为衰变，放出粒子的衰变叫衰变，而射线是伴随射线或射线产生的。3.三种射线的性质种类射线射线射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2ee0速率0.1c0.99cc贯穿本领最弱，用一张纸就能挡住较强，不能穿过几毫米厚的铝片极强，能穿过厚的铅板和混凝土电离作用很强较弱很弱4.衰变规律：原子核衰变
3、时电荷数和质量数都守恒。思考判断(1)射线实际上就是氦原子核，射线具有较强的穿透能力。()(2)射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。()(3)射线是能量很高的电磁波，电离作用很强。()(4)原子核在衰变时，它在元素周期表中的位置不变。()(5)发生衰变是原子核中的电子发射到核外。()答案(1)(2)(3)(4)(5)三、半衰期1.定义：放射性元素衰变减少至原有数目一半所需的时间。2.影响因素：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。3.半衰期的意义：半衰期是对大量原子核衰变的统计规律，对单个原子核，半衰期是没有意义的。思考判
4、断(1)同种放射性元素，在化合物中的半衰期比在单质中长。()(2)把放射性元素放在低温处，可以减缓放射性元素的衰变。()(3)放射性元素的半衰期与元素所处的物理和化学状态无关，它是一个统计规律，只对大量的原子核才适用。()(4)氡的半衰期是3.8天，若有4个氡原子核，则经过7.6天后只剩下一个氡原子核。()答案(1)(2)(3)(4)天然放射现象和三种射线要点归纳1.三种射线的实质及性质射线：高速氦核流，带2e的正电荷，穿透能力弱。射线：高速电子流，带e的负电荷，穿透能力较强。射线：光子流(高频电磁波)，不带电，穿透能力极强。2.三种射线在电场中和磁场中的偏转(1)在匀强电场中，射线不发生偏转
5、，做匀速直线运动，粒子和粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，粒子的偏移大，如图1所示。图1(2)在匀强磁场中，射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，粒子和粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，粒子的轨道半径小，如图2所示。图23.元素的放射性(1)一种元素的放射性与是单质还是化合物无关，这就说明射线跟原子核外电子无关。(2)射线来自于原子核说明原子核内部是有结构的。特别提醒天然放射现象说明原子核具有复杂的结构。原子核放出粒子或粒子，并不表明原子核内有粒子或粒子；原子核发生衰变后“就变成新的原子核”。精典示例例1 关于天然放射现象，下列说法正确的是()A.射线是由氦原子核衰变产生B.
6、射线是由原子核外电子电离产生C.射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D.通过化学反应不能改变物质的放射性解析射线是在衰变中产生的，本质是氦核，选项A错误；射线是在衰变中产生的，本质是高速电子流，选项B错误；射线是发生衰变和衰变时原子核发生能级跃迁而产生的电磁波，选项C错误；物质的放射性由原子核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，选项D正确。答案D1.明确原子核衰变的三种射线实质射线是氦核，射线是电子流。射线是不带电的电磁波，穿透能力依次增强。2.出现天然放射现象的原因(1)、射线均是从原子核中放出的带电粒子。(2)射线是处于激发态的原子核放出的高频电磁波。(3)元素的放射性由
7、元素的原子核决定，与外界因素及物质所处的状态无关。针对训练1 如图3所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL是厚纸板，MM是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的()图3选项磁场方向到达O点的射线到达P点的射线A竖直向上B竖直向下C垂直纸面向里D垂直纸面向外解析R放射出来的射线共有、三种，其中、射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用而偏转，射线不偏转，故打在O点的应为射线；由于射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是射线；依据射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里。答案C
8、原子核的衰变规律与衰变方程要点归纳1.衰变种类及实质(1)衰变：XYHe实质：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被释放出来，这就是放射性元素发生的衰变现象。(2)衰变：XYe。实质：原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即粒子，使电荷数增加1，衰变不改变原子核的质量数，其转化方程为：nHe，不是原子核内有单独存在的电子，更不是由核外电子运动形成的。(3)射线是在发生衰变或衰变时产生的新原子核处于不稳定的高能级(激发态)向低能级跃迁时放出的光子。2.确定原子核衰变次数的方法与技巧(1)方法：设放射性元素X经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素Y
9、，则衰变方程为：XYnHeme根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：AA4n，ZZ2nm。以上两式联立解得：n，mZZ。由此可见，确定衰变次数可归结为解二元一次方程组。(2)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定衰变的次数(这是因为衰变的次数多少对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定衰变的次数。精典示例 例2 原子核发生衰变时，此粒子是()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.原子核内存在着的电子D.原子核内的一个中子变成一个质子时，放射出一个电子解析粒子是原子核内的中子转化为质子时发射出来的，其转化方程为nH01 e。它不是原子核外的电子跃迁或电离产生的，也
10、不是原子核中存在的电子，故只有选项D正确。答案D例3 U核经一系列的衰变后变为Pb核，问：(1)一共经过几次衰变和几次衰变？(2)Pb与U相比，质子数和中子数各少多少？(3)综合写出这一衰变过程的方程。审题指导(1)衰变过程中质量数守恒和电荷数守恒。(2)根据每发生一次衰变原子核的质子数和中子数均减少2，每发生一次衰变原子核的中子数减少1，质子数增加1。解析(1)设U衰变为Pb经过x次衰变和y次衰变，由质量数守恒和电荷数守恒可得2382064x92822xy联立解得x8，y6，即一共经过8次衰变和6次衰变。(2)由于每发生一次衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次衰变中子数减少1，而质子数增加
11、1，故Pb较U质子数少10，中子数少22。(3)核反应方程为UPb8He6e。答案(1)8次6次(2)10个22个(3)见解析针对训练2 原子核92U经放射性衰变变为原子核Th，继而经放射性衰变变为原子核91Pa，再经放射性衰变变为原子核92U，放射性衰变、和依次为()A.衰变、衰变和衰变B.衰变、衰变和衰变C.衰变、衰变和衰变D.衰变、衰变和衰变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Th核比较可知，衰变的另一产物为He，所以衰变为衰变，选项B、C错误；Pa核与U核比较可知，衰变的另一产物为e，所以衰变为衰变，选项A正确，D错误。答案A对半衰期的理解及相关计算要点归纳1.
12、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N余N原或m余m0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。特别提醒每一种元素的半衰期都只能反映原子核内部的性质，与所处的外部条件无关，即不能通过采用改变压强、温度及化学反
13、应来影响元素的半衰期。精典示例 例4 (多选)地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算。测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化规律如图4所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数。由此可以判断出()图4A.铀238的半衰期为90亿年B.地球的年龄大致为45亿年C.被测定的岩石样品在90亿年时铀、铅原子数之比约为14D.被测定的岩石样品在90亿年时铀、铅原子数之比约为13审题指导解答本题时应注意以下三点：(1)根据图像和半衰期的定义确定
14、半衰期。(2)根据半衰期确定90亿年衰变的铀核。(3)根据衰变规律确定铀核和铅核的个数比。解析半衰期是有半数原子核发生衰变所需要的时间，根据图像可知半数衰变的时间是45亿年，选项A错误，B正确；90亿年是铀核的两个半衰期，有的铀原子核发生衰变，还有的铀原子核没有发生衰变，根据衰变方程可知一个铀核衰变时产生一个铅核，故衰变后的铀、铅原子数之比约为13，选项C错误，D正确。答案BD(1)半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间而不是样本质量减少一半的时间。(2)注意区分两个质量已发生衰变的质量m，未发生衰变的质量m针对训练3 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，
15、表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，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，元素半衰期也变长C.把放射性元素放在密封的容器中，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，均可减小衰变速度解析放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映了放射性元素衰变的快慢，半衰期越短，则衰变越快，故选项A正确；某种元素的半衰期长短由其本身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关，选项B、C、D错误。答案A1.(三种射线的特性)天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图5所示，由此可推知()图5A.来自于原
16、子核外的电子B.的电离作用最强，是一种电磁波C.的电离作用较强，是一种电磁波D.的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子解析在三种射线中，穿透能力由弱到强依次是射线、射线、射线。即为射线，为射线，为射线。三种射线均来自于原子核，选项A错误；射线电离作用最强，不是电磁波，选项B错误；射线电离作用最弱，它是原子核内释放的光子或者说是电磁波，选项C错误，D正确。答案D2.(原子核的衰变)(多选)U是一种放射性元素，能够自发地进行一系列放射性衰变，如图6所示，可以判断下列说法正确的是()UBi,XPoY,ZTlPb图6A.图中a是84，b是206B.Y是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的C.
17、Y和Z是同一种衰变D.从X衰变中放出的射线电离能力最强解析Bi衰变成Po，质量数不变，可知发生的是衰变，则电荷数多1，可知a84，Bi衰变成Tl，知电荷数少2，发生的是衰变，质量数少4，则b206，故选项A正确，B错误；Z衰变，质量数少4，发生的是衰变，Y和Z是同一种衰变，故选项C正确；从X衰变中放出的射线是射线，电离能力不是最强，故选项D错误。答案AC3.(原子核的衰变)放射性同位素钍232经、衰变会生成氡，其衰变方程为90Th86Rnxy，则()A.x1，y3 B.x2，y3C.x3，y1 D.x3，y2解析由衰变规律可知，衰变不影响质量数，所以质量数的变化由衰变的次数决定，由Th变为Rn
18、，质量数减少了23222012，每一次衰变质量数减少4，因此衰变次数为3次；3次衰变电荷数减少了326个，而现在只减少了90864个，所以有2次衰变(每次衰变增加了一个电荷数)，故x3，y2，故选项D正确。答案D4.(对半衰期的应用)(2019成都高二检测)为测定水库的存水量，将一瓶放射性溶液倒入水库中，已知这瓶溶液每分钟衰变8107次，这种同位素半衰期为2天，10天以后从水库取出1 m3的水，并测得每分钟衰变10次，求水库的存水量为多少？解析设放射性同位素原有质量为m0，10天后的剩余质量为m，水库存水量为Q m3，由每分钟衰变次数与其质量成正比可得，由半衰期公式得mm0，由以上两式联立代入
19、数据得，解得水库存水量为Q2.5105 m3。答案2.5105 m31.在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是()A.射线的贯穿作用 B.射线的电离作用C.射线的贯穿作用 D.射线的中和作用解析由于粒子电离作用较强，能使空气分子电离，电离产生的电荷与带电体的电荷中和，使带电体所带的电荷很快消失。答案B2.以下关于天然放射现象，叙述正确的是()A.若使某放射性物质的温度升高，其半衰期将变短B.衰变所释放的电子是原子核外的电子电离形成的C.射线是原子核衰变产生的，它有很强的穿透作用D.射线是原子核产生的，它是能量很大的光子流解析半衰期与元素的物理状态无关，若使某放射
20、性物质的温度升高，半衰期不变，故选项A错误；衰变所释放的电子是从原子核内释放出的电子，故选项B错误；射线是原子核衰变产生的，是氦的原子核，它有很强的电离作用，穿透能力很弱，选项C错误；射线是原子核发生或衰变时产生的，它是能量很大的光子流，选项D正确。答案D3.由原子核的衰变可知()A.放射性元素一次衰变就同时产生射线和射线B.放射性元素发生衰变，产生的新核的化学性质不变C.衰变说明原子核内部存在氦核D.放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出射线解析原子核发生衰变时，一次衰变只能是衰变或衰变，而不能同时发生衰变和衰变，发生衰变后产生的新核往往处于高能级，要向外以射线的形
21、式辐射能量，故一次衰变只可能同时产生射线和射线，或射线和射线，选项A错误，D正确；原子核发生衰变后，核电荷数发生了变化，变成了新核，故化学性质发生了变化，选项B错误；原子核内的2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起，因此在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，于是放射性元素发生了衰变，选项C错误。答案D4.科学家们在观察某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现所生成的超重元素的核X经过6次衰变后成为Fm，由此可以判定该超重元素的原子序数和质量数依次是()A.124，259 B.124，265C.112，265 D.112，277解析每次衰变质量数减少4，电荷数减少2，因此该
22、超重元素的质量数应是277，电荷数应是112，因此选项A、B、C错误，D正确。答案D5.新发现的一种放射性元素X，它的氧化物X2O的半衰期为8天，X2O与F2发生化学反应2X2O2F2=4XFO2之后，XF的半衰期为()A.2天 B.4天C.8天 D.16天解析放射性元素的衰变快慢由原子核内部的自身因素决定，与原子核的化学状态无关，故半衰期不变，仍为8天，选项A、B、D错误，C正确。答案C6. (多选)在匀强磁场中，一个原来静止的原子核发生了衰变，得到两条如图1所示的径迹，图中箭头表示衰变后粒子的运动方向。不计放出的光子的能量，则下列说法正确的是()图1A.发生的是衰变，b为粒子的径迹B.发生
23、的是衰变，b为粒子的径迹C.磁场方向垂直于纸面向外D.磁场方向垂直于纸面向内解析由动量守恒定律，原子核发生衰变后两粒子运动方向相反，由左手定则知两粒子电性相反，故发生的是衰变，且磁场方向垂直纸面向内，选项A、D正确。答案AD7.一块氡222放在天平的左盘时，需要天平的右盘加444 g砝码，天平才能处于平衡，氡222发生衰变，经过一个半衰期以后，欲使天平再次平衡，应从右盘中取出的砝码为()A.222 g B.8 g C.2 g D.4 g解析原有氡222共444 g，经过一个半衰期后有222 g氡发生衰变，其衰变方程为RnPoHe，但是衰变后生成的钋218还在左盘，也就是说，经过一个半衰期只有4
24、 g 的粒子从左盘放射出去，因此欲使天平再次平衡，右盘中只需取出4 g砝码，故选项A、B、C错误，D正确。答案D8.(多选)关于天然放射性，下列说法正确的是()A.所有元素都可能发生衰变B.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性C.、和三种射线中，射线的穿透能力最强D.一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线解析原子序数大于83的元素，都可以发生衰变，选项A错误；放射性、半衰期都与元素所处的物理、化学状态无关，选项B正确；三种射线、穿透能力依次增强，选项C正确；原子核发生或衰变时常常伴随光子，但同一原子核不会同时发生、衰变，选项D错误。答案BC9.(多选)天然放射性元素90Th(钍)
25、经过一系列衰变和衰变之后，变成82Pb(铅)。下列说法正确的是()A.衰变的过程共有6次衰变和4次衰变B.铅核比钍核少8个质子C.衰变所放出的电子来自原子核核外轨道D.钍核比铅核多24个中子解析由于衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定衰变的次数为：x6，再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定衰变的次数应满足：2xy90828，y2x84。钍232核中的中子数为23290142，铅208核中的中子数为20882126，所以钍核比铅核多16个中子，铅核比钍核少8个质子。由于物质的衰变与元素的化学状态无关，所以衰变所放出的电子来自原子核内，所以选项A、B正确。答案AB10.(多选)
26、放射性元素钋(Po)发生衰变，其半衰期是138天，衰变方程为PoXHe，则下列说法正确的是()A.X原子核含有124个中子B.X原子核含有206个核子C.射线是由处于激发态的钋核从较高能级向较低能级跃迁时发出的D.100 g的Po经276天，已衰变的质量为75 g解析根据电荷数守恒和质量数守恒得，X的电荷数为82，质量数为206，则中子数为20682124。故选项A、B正确；衰变发出的射线是伴随着衰变产生的，是处于激发态的新核X核从高能级向低能级跃迁时发出的。故选项C错误；根据mm0知100 g的84Po经276天，已衰变的质量为75 g，故选项D正确。答案ABD11.在匀强磁场中，一个原来静
27、止的原子核，由于放出一个粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图2所示)，今测得两个相切圆半径之比r1r2144。求：图2 (1)这个原子核原来所含的质子数是多少？(2)图中哪一个圆是粒子的径迹？(说明理由)解析(1)设衰变后新生核的电荷量为q1，粒子的电荷量为q22e，它们的质量分别为m1和m2，衰变后的速度分别为v1和v2，所以原来原子核的电荷量qq1q2。根据轨道半径公式有，又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则m1v1m2v2，以上三式联立解得q90e。即这个原子核原来所含的质子数为90。(2)因为动量大小相等，所以轨道半径与粒子的电荷量成反比，所以圆轨道2是粒子的径迹，圆轨道1是新
28、生核的径迹。答案(1)90(2)见解析12.放射性同位素14C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代，此项研究获得1960年诺贝尔化学奖。(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成不稳定的6C，它很容易发生衰变，放出射线变成一个新核，其半衰期为5 730年，试写出14C的衰变方程；(2)若测得一古生物遗骸中的6C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？解析(1)6C的衰变方程为6C01e7N(2)6C的半衰期T5 730年。生物死亡后，遗骸中的6C按其半衰期变化，设活体中6C的含量为N0，遗骸中的6C含量为N，则NN0，即0.25N0N0，故2，t11 460年。答案(1)6C01e7N(2)11 460年13.天然放射性铀(92U)发生衰变后产生钍(90Th)和另一个原子核。(1)请写出衰变方程；(2)若衰变前铀(92U)核的速度为v，衰变产生的钍(Th)核的速度为，且与铀核速度方向相同，试估算产生的另一种新核的速度。解析(1
