思易學(xué)教育選修35原子核的組成;放射性元素的衰變;探測射線的方法;放射性的應(yīng)用與防護(hù)

1、年 級高三學(xué) 科物理版 本人教實(shí)驗(yàn)版內(nèi)容標(biāo)題第十九章 原子核 第14節(jié) 編稿老師楊義【本講教育信息】一. 教學(xué)內(nèi)容：第十九章 原子核 第一節(jié) 原子核的組成第二節(jié) 放射性元素的衰變第三節(jié) 探測射線的方法第四節(jié) 放射性的應(yīng)用與防護(hù)知識內(nèi)容（一）原子核的組成1. 天然放射現(xiàn)象（1）放射性：物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)，叫放射性。（2）放射性元素：具有放射性的元素，原子序數(shù)大于或等于83的元素，都能自發(fā)地發(fā)出射線；原子序數(shù)小于83的元素，有的也能放出射線。（3）天然放射現(xiàn)象：放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象叫做天然放射現(xiàn)象。2. 三種射線（1）射線：射線實(shí)際上是氦原子核，電離作用較強(qiáng)，但穿透本領(lǐng)較差。（2）射線：

2、射線是高速電子流，它的電離作用較弱，但穿透本領(lǐng)較強(qiáng)。（3）射線：射線是能量很高的電磁波，波長很短，它的電離作用更小。但穿透本領(lǐng)更強(qiáng)。3. 原子核的組成原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電，質(zhì)子、中子統(tǒng)稱為核子，原子核常用符號表示。1. 原子核的衰變：（1）定義：原子核放出粒子或粒子，變成另一種原子核，我們把這種變化稱為原子核的衰變。 （2）分類： 放射性元素的原子核放出一個粒子后，成為新核，這種衰變過程叫做衰變。 放射性元素的原子核放出粒子的衰變叫做衰變。說明：原子核衰變時電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。 （3）衰變方程： （4）實(shí)質(zhì)： 衰變：2個中子和2個質(zhì)子在一定條件下作為一個整體從較大的

3、原子核中被拋射出來，于是放射性元素就發(fā)生了衰變，即。 衰變：衰變的實(shí)質(zhì)在于核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成了一個質(zhì)子和一個電子，其轉(zhuǎn)化方程是（5）射線的產(chǎn)生：放射性的原子核在發(fā)生衰變、衰變時，往往蘊(yùn)藏在核內(nèi)的能量會釋放出來，使產(chǎn)生的新核處于高能級，這時，它要向低能級躍遷，能量以光子的形式輻射出來。因此，射線經(jīng)常是伴隨射線和射線產(chǎn)生的。2. 半衰期：（1）定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間，叫做這種元素的半衰期。 （2）影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件都沒有關(guān)系1. 威爾遜云室：（1）原理：粒子在云室內(nèi)氣體中飛過，使沿途的氣體分子電離，過飽和

4、酒精蒸氣就會以這些離子為核心凝結(jié)成霧滴。于是顯示出射線的徑跡。（2）粒子徑跡： 粒子：由于粒子的質(zhì)量比較大，在氣體中飛行時不易改變方向，由于它的電離本領(lǐng)大，沿途產(chǎn)生的離子多，所以它在云室中的徑跡直而粗。 粒子：粒子的質(zhì)量小，跟氣體碰撞時容易改變方向，并且電離本領(lǐng)小，沿途產(chǎn)生的離子少，所以它在云室中的徑跡比較細(xì)，而且常常彎曲。 粒子：離子的電離本領(lǐng)更小，在云室中一般看不到它的徑跡。2. 氣泡室：氣泡室的原理同云室的原理類似，所不同的是氣泡室里裝的是液體。3. 蓋革一米勒計數(shù)器：G-M計數(shù)器非常靈敏，用它探測射線十分方便，但是不同射線在計數(shù)器中產(chǎn)生的脈沖現(xiàn)象相同，因此只能用來計數(shù)，不能區(qū)分射線的種

5、類。（四）放射性的應(yīng)用與防護(hù)1. 核反應(yīng)：（1）定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng)。在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。（2）原子核人工轉(zhuǎn)變的三大發(fā)現(xiàn)： 1919年盧瑟夫發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)： N+HeO+H 1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)：Be+HeC+n 1934年約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)： Al+He P+n PSi+e2. 放射性同位素：放射性同位素有人造放射性同位素和天然放射性同位素兩種。人造放射性同位素的半衰期比天然放射性同位素的短得多，因此廢料容易處理。由于這些優(yōu)點(diǎn)，凡是用到射線時，用的都是人造放射性同位素，而不是天然放

6、射性物質(zhì)。3. 放射性的應(yīng)用： 利用放出的射線檢查金屬部件是否存在裂痕等，用射線探傷。 利用射線的穿透本領(lǐng)與物質(zhì)厚度和密度的關(guān)系來檢查各種產(chǎn)品的厚度和密封容器中液體的高度等，從而實(shí)現(xiàn)自動控制。 利用射線使空氣電離把空氣變成導(dǎo)電氣體，以消除化纖、紡織品上的靜電等。 利用射線照射植物，引起植物變異而培育良種，也可以利用它殺菌治病等。4. 放射性污染和防護(hù)：對生物體的危害主要表現(xiàn)在穿透力、基因突變；對環(huán)境的危害表現(xiàn)在廢料污染、對生物體組織的破壞、對空氣、水源的污染等方面。防護(hù)措施：封存、深埋等。三. 三種射線在勻強(qiáng)磁場、勻強(qiáng)電場、正交電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況比較：如、圖所示，在勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場中都是

7、比的偏轉(zhuǎn)大，不偏轉(zhuǎn)；區(qū)別是：在磁場中偏轉(zhuǎn)軌跡是圓弧，在電場中偏轉(zhuǎn)軌跡是拋物線。圖中肯定打在O點(diǎn)；如果也打在O點(diǎn)，則必打在O點(diǎn)下方；如果也打在O點(diǎn)，則必打在O點(diǎn)下方。2. 核反應(yīng)方程的配平及確定、衰變次數(shù)的方法：（1）核反應(yīng)方程中有兩個守恒規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒，核電荷數(shù)守恒。 （2）確定衰變次數(shù)的原理是兩個守恒規(guī)律。方法是：設(shè)放射性元素X經(jīng)過n次衰變m次衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則表示核反應(yīng)的方程為：XY+nHe +me。根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程 兩式聯(lián)立得： 由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個二元一次方程組。（3）技巧上，為了確定衰變次數(shù)，一般是由質(zhì)量數(shù)的改變先確定衰變的次數(shù)，這是因?yàn)?/p>

8、衰變的次數(shù)的多少對質(zhì)量數(shù)沒有影響，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù)。（4）幾點(diǎn)說明： 核反應(yīng)過程一般都不是可逆的，所以核反應(yīng)方程式只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向，不能用等號連接。 核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，不能憑空只依據(jù)兩個守恒杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程。 核反應(yīng)中遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過程中反應(yīng)前后的總質(zhì)量一般會發(fā)生變化（質(zhì)量虧損）而釋放出核能。當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生連續(xù)衰變時，原子核中有的發(fā)生衰變，有的發(fā)生衰變，同時伴隨著輻射?！镜湫屠}】例1 解析：答案：例2 關(guān)于天然放射現(xiàn)象，以下敘述正確的是（ ）A. 若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將減小B. 衰變所釋放的電子是原子核

9、內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時所產(chǎn)生的C. 在、這三種射線中，射線的穿透能力最強(qiáng)， 射線的電離能力最強(qiáng)D. 射線一定是由、衰變產(chǎn)生的解析：半衰期是由放射性元素原子核的內(nèi)部因素所決定，跟元素的化學(xué)狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)等因素?zé)o關(guān)，A錯；衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時所產(chǎn)生的，B對；根據(jù)三種射線的物理性質(zhì)，C對；處于激發(fā)態(tài)的原子核在發(fā)生躍遷時，也會放出射線，因此射線不一定是由、衰變產(chǎn)生的，D錯。答案：B、C點(diǎn)評：要明確、三種射線及其產(chǎn)生的機(jī)理， 衰變放出的電子并不是由核外電子躍遷出來的，而是從核中衰變產(chǎn)生的。例3 U衰變后Rn共發(fā)生了 次衰變和 次衰變。解析：根據(jù)衰變規(guī)律，Rn的質(zhì)量數(shù)比U的質(zhì)量數(shù)減

10、少了23822216，而天然放射只有衰變才能使質(zhì)量數(shù)減少，且每次衰變減少質(zhì)量數(shù)為4，故發(fā)生了16÷44次衰變，因每次衰變核的電荷數(shù)減少2，故由于衰變核的電荷數(shù)應(yīng)減少4×28。而Rn核的電荷數(shù)僅比U核少了92-866，故說明發(fā)生了2次衰變（即92-8+286）。答案：發(fā)生了4次衰變，2次衰變。點(diǎn)評：在分析有關(guān)、衰變的問題時，應(yīng)抓住每次衰變質(zhì)量數(shù)減4，電荷數(shù)減2和每次衰變時質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)加1這一衰變規(guī)律進(jìn)行分析。例4 解析：答案：C例5 解析：例6 解析：利用放射線消除有害靜電是利用放射線的電離性，使空氣分子電離成為導(dǎo)體，將靜電泄出。射線對人體細(xì)胞傷害太大，不能用來進(jìn)行人體

11、透視。作物種子發(fā)生的DNA突變不一定都是有益的，還要經(jīng)過篩選才能培育出優(yōu)秀品種。用射線治療腫瘤對人體肯定有副作用，因此要科學(xué)地嚴(yán)格控制劑量。答案：D 例7 如圖工廠利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置示意圖。（1）請你簡述自動控制的原理；（2）如果工廠生產(chǎn)的是厚度為1毫米的鋁板，在、和三種射線中，你認(rèn)為哪一種射線在鋁板的厚度控制中起主要作用，為什么？解析：（1）放射線具有穿透本領(lǐng)，如果向前運(yùn)動的鋁板的厚度有變化，則探測器接收到的放射線的強(qiáng)度就會隨之變化，這種變化被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氲较鄳?yīng)的裝置，進(jìn)而自動控制如上圖中右側(cè)的兩個輪間的距離，使鋁板的厚度恢復(fù)正常。（2）射線起主要作用，因?yàn)樯渚€的貫穿本領(lǐng)很

12、小，一張薄紙就能把它擋住，更穿不過1毫米的鋁板；射線的貫穿本領(lǐng)非常強(qiáng)，能穿過幾厘米的鉛板，1毫米左右的鋁板厚度發(fā)生變化時，透過鋁板的射線強(qiáng)度變化不大；射線的貫穿本領(lǐng)較強(qiáng)，能穿過幾毫米的鋁板，當(dāng)鋁板的厚度發(fā)生變化時，透過鋁板的射線強(qiáng)度變化較大，使自動化系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)。 例8 如圖K-介子衰變的方程為：，其中K-介子和-介子帶負(fù)的基元電荷，0介子不帶電。一個K-介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的-介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)相切，它們的半徑RK-與R-之比為21。0介子的軌跡未畫出。由此可知-介子的動量大小與0介子的動量大小之比為（ ）A. 11 B.

13、12 C. 13 D. 16解析：根據(jù)題意，分別計算出帶電粒子在磁場中作圓周運(yùn)動的軌道半徑。根據(jù)動量的定義，分別求出兩個介子的動量大小，再從圖中確定兩個介子動量的方向，最后運(yùn)用動量守恒，計算出粒子的動量大小。由qvKB=mK，得：RK=，所以由動量守恒：pK=-p+p ，所以p。答案：C點(diǎn)評：這題以基本粒子的衰變?yōu)榍榫?，涉及帶電粒子在磁場中運(yùn)動規(guī)律和動量守恒等知識點(diǎn)，是一道綜合性題目。帶電粒子在磁場中受到洛倫磁力作用，該力的方向與粒子的速度方向垂直，因此，帶電粒子作圓周運(yùn)動。根據(jù)動量守恒，基本粒子衰變前后的總動量不變，但計算過程要注意動量的方向問題。【模擬試題】（答題時間：45分鐘）1. 某原

14、子核的衰變過程是ABC，下述說法中正確的是（ ）A. 核C比核B的中子數(shù)少2 B. 核C比核A的質(zhì)量數(shù)少5C. 原子核為A的中性原子的電子數(shù)比原子核為B的中性原子的電子數(shù)多2D. 核C比核A的質(zhì)子數(shù)少1 2. 3. 地球的年齡到底有多大，科學(xué)家利用天然放射性元素的衰變規(guī)律，。測得該巖石中現(xiàn)含有的鈾是巖石形成初期時（巖石形成初期時不含鉛）的一半，鈾238衰變后形成鉛206，鈾238的相對含量隨時間變化規(guī)律如圖所示，圖中N為鈾238的原子數(shù)，N0為鈾和鉛的總原子數(shù)，由此可以判斷出（ ） A. 鈾238的半衰期為90億年 B. 地球的年齡大致為45億年 C. 被測定的古老巖石樣品在90億年時的鈾、鉛

15、原子數(shù)之比約為14 D. 被測定的古老巖石樣品在90億年時鈾、鉛原子數(shù)之比約為134. 其中正確的是5.D. 同位素具有相同的中子數(shù)6. 由原子核的衰變規(guī)律可知（ ）7. 三種射線的放射性元素. 下列關(guān)于放射線的說法中不正確的是（ ）A. 放射線可以用來進(jìn)行工業(yè)探傷 B. 放射線可以使細(xì)胞發(fā)生變異C. 放射同位素可以用來做示蹤原子 D. 放射線對人體無害用“刀”進(jìn)行手術(shù)，可以使病人在清醒狀態(tài)下經(jīng)過較短的時間內(nèi)完成手術(shù)，在此過程中，主要利用： 射線具有較強(qiáng)的穿透本領(lǐng)； 射線很容易繞障礙物到達(dá)病灶區(qū)域； 射線具有很強(qiáng)的電離能力，從而使癌細(xì)胞電離而被破壞； 射線具有很高的能量。上述描述中正確的是（ ）A. B. C. D. 下列應(yīng)用中，把放射性同位素作為示蹤原子的是（ ）A. 射線探傷儀B. 利用鈷60治