第二课时 天然放射现象 衰变
【要求】
1．了解天然放射现象，知道三种射线的本质和特性，掌握核衰变的特点和规律；
2．知道原子核人工转变的原理，了解质子、中子和放射性同位素的发现过程。
【知识再现】
一、天然放射现象
1．天然放射现象：某些元素能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。这些元素称为放射性元素。
2．种类和性质
α射线――高速的α粒子流，α粒子是氦原子核，速度约为光速1/10，贯穿能力最弱，电离能力最强。
β射线――高速的电子流，β粒子是速度接近光速的负电子，贯穿能力稍强，电离能力稍弱。
γ射线――能量很高的电磁波，γ粒子是波长极短的光子, 贯穿能力最强,电离能力最弱。
二、原子核的衰变
1．衰变：原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化．
2．衰变规律：α衰变 X→ Y+ He ；
β衰变 X→ Y+ e
3．α衰变的实质：某元素的原子核同时发出由两个质子和两个中子组成的粒子（即氦核） 2 H+2 n→ He
β衰变的实质：某元素的原子核内的一个中子变成质子发射出一个电子。即 n → H+ e+ （ 为反中微子）
4．γ射线：总是伴随α衰变或β衰变产生的，不能单独放出γ射线．γ射线不改变原子核的电荷数和质量数．实质是元素在发生α衰变或β衰变时产生的某些新核由于具有过多的能量（核处于激发态），向低能级跃迁而辐射出光子．
三、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。它是大量原子核衰变的统计结果，不是一个原子发生衰变所需经历的时间。
2．决定因素：由原子核内部的因素决定，与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．
四、原子核的人工转变
1．质子的发现： N+ He→ O+ H
2．中子的发现： Be+ He→ C+ n
3．放射性同位素和正电子的发现：
Al+ He→ P+ n P→ Si+ e
4．放射性同位素的应用
（1）利用它的射线；
（2）做示踪原子。
知识点一三种射线的特性
人们通过对天然放射现象的研究，发现了原子序数大于83的所有天然存在的元素，都有放射性。原子序数小于83的天然存在的元素，有的也有放射性。放射出来的射线共有三种：α射线、β射线和γ射线。三种射线的本质和特性对比如下：
【应用1】如图 ，放射源放在铅块上的细孔中，铅块上方有匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向外。已知放射源放出的射线有α、β、γ三种。下列判断正确的是（ ）
A．甲是α射线，乙是γ射线，丙是β射线
B．甲是β射线，乙是γ射线，丙是α射线
C．甲是γ射线，乙是α射线，丙是β射线
D. 甲是α射线，乙是β射线，丙是γ射线
导示: 天然放射现象发出的射线有三种：α射线、β射线和γ射线。他们分别带正电、负电、不带电。再结合左手定则，可知：甲是β射线，乙是γ射线，丙是α射线。故答案应选B。
知识点二半衰期的理解
放射性元素经n个半衰期未发生衰变的原子核数N和原有原子核数N0间关系为：N＝N0（1/2）n，对应的质量关系为：m=m0（1/2）n
【应用2】14C是一种半衰期为5730年的放射性同位素。若考古工作者探测到某古木中14C的含量为原来的1/4，则该古树死亡时间距今大约（ ）
A．22920年 B．11460
C．5730年 D．2865年
导示:生物体内的14C在正常生活状况下应与大气中14C含量保持一致。但当生物死亡后，新陈代谢停止，体内14C不再更新，加之14C由于不断地衰变其含量逐渐减少，据半衰期含义可推知：该生物化石已经历了2个半衰期，从而可知该生物死后至今经历了大约5730×2=11460年。
故答案应选B。
对半衰期两种典型错误的认识：
1、N0个某种放射性元素的核，经过一个半衰期T，衰变一半，再经过一个半衰期T，全部衰变了；2、8个某种放射性元素核，经过一个半衰期T，衰变了4个，再经过一个半衰期T，又衰变了2个．事实上，半衰期是对大量放射性原子核的一个统计规律，而对于少量的核，并不适用。
类型一衰变次数的计算
【例1】（2007年上海卷） 衰变为 要经过m次a衰变和n次b衰变，则m，n分别为（ ）
A．2，4 B．4，2
C．4，6 D．16，6
导示:假设 变为 的过程中，发生了m次α衰变和n次β衰变．则其核反应方程为
根据电荷数守恒和质量数守恒列出方程
92=82+2m-n 238=222+4m
以上两式联立解得：m=4， n=2
故应选B
求解衰变次数的方法除了上述解法之外，还可以利用两种衰变的特点来求解．每发生一次β衰变原子核的质量数不变．而每发生一次α衰变质量数减少4．因由 变成 质量数减少16，所以可以确定α衰变次数，然后再利用电荷数守恒确定β衰变的次数。
类型二磁场中的衰变问题
粒子的衰变问题经常与磁场结合出现。
【例2】（07届南京市第一次调研测试）在匀强磁场中有一个静止的氡原子核 （ ），由于衰变它放出一个粒子，此粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相互外切的圆，大圆与小圆的直径之比为42∶1，如图所示。那么氡核的衰变方程应是下列方程的哪一个（ ）
A． B．
C． D．
导示:根据左手定则，如果是α衰变，α粒子与新核均带正电，而运动方向相反，则轨迹圆应外切。如果是β粒子，则应该内切。放射性元素的衰变过程中动量守恒．根据动量守恒定律可得mv1+mv2=0．所以产生的新核与衰变粒子(α粒子或β粒子)的动量大小相等方向相反；带电粒子在磁场中运动时由洛伦兹力提供向心力，根据牛顿第二定律有 ．可见放射性元素衰变时，产生的新核和放出的粒子在同一磁场中做圆周运动的半径与电荷量成反比。故选B。
衰变原子核是在匀强磁场中衰变且衰变方向与磁场垂直，其运动轨迹圆的特点：
α衰变：外切，转向相同
β衰变：内切，转向相反
注意：当衰变原子核静止时，由 知，半径之比等于电量的反比。
1．（2007年上海卷）一置于铅盒中的放射源发射的a、b和g射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔后，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，如图所示，则图中的射线a为_______射线，射线b为______射线。
2．铀裂变的产物之一氪90（ Kr）是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90（ Zr），这些衰变是（ ）
A．1次α衰变，6次β衰变 B．4 次β衰变
C．2次α衰变 D．2次α衰变，2次β衰变
3．下列说法正确的是（ ）
A．α射线与γ射线都是电磁波
B．β射线为原子的核外电子电离后形成的电子流
C．用加温、加压或改变其化学状态的方法都不能改变原子核衰变的半衰期
D．原子核经过衰变生成新核，则新核的质量总等于原核的质量
4．（2007年广东卷）⑴放射性物质 和 的核衰变方程为：
方程中的X1代表的是______________，X2代表的是______________。
⑵如图所示，铅盒内装有能释放α、β和γ射线的放射性物质，在靠近铅盒的顶部加上电场E或磁场B，在图（a）、（b）中分别画出射线运动轨迹的示意图。（在所画的轨迹上须标明是α、β和γ中的哪种射线）
答案：1．g、b；2．B；3．C；
4．（1）X1代表的是 （或α），X2代表的是 （或β）、（2）如图所示
【要求】
1．了解天然放射现象，知道三种射线的本质和特性，掌握核衰变的特点和规律；
2．知道原子核人工转变的原理，了解质子、中子和放射性同位素的发现过程。
【知识再现】
一、天然放射现象
1．天然放射现象：某些元素能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。这些元素称为放射性元素。
2．种类和性质
α射线――高速的α粒子流，α粒子是氦原子核，速度约为光速1/10，贯穿能力最弱，电离能力最强。
β射线――高速的电子流，β粒子是速度接近光速的负电子，贯穿能力稍强，电离能力稍弱。
γ射线――能量很高的电磁波，γ粒子是波长极短的光子, 贯穿能力最强,电离能力最弱。
二、原子核的衰变
1．衰变：原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化．
2．衰变规律：α衰变 X→ Y+ He ；
β衰变 X→ Y+ e
3．α衰变的实质：某元素的原子核同时发出由两个质子和两个中子组成的粒子（即氦核） 2 H+2 n→ He
β衰变的实质：某元素的原子核内的一个中子变成质子发射出一个电子。即 n → H+ e+ （ 为反中微子）
4．γ射线：总是伴随α衰变或β衰变产生的，不能单独放出γ射线．γ射线不改变原子核的电荷数和质量数．实质是元素在发生α衰变或β衰变时产生的某些新核由于具有过多的能量（核处于激发态），向低能级跃迁而辐射出光子．
三、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。它是大量原子核衰变的统计结果，不是一个原子发生衰变所需经历的时间。
2．决定因素：由原子核内部的因素决定，与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．
四、原子核的人工转变
1．质子的发现： N+ He→ O+ H
2．中子的发现： Be+ He→ C+ n
3．放射性同位素和正电子的发现：
Al+ He→ P+ n P→ Si+ e
4．放射性同位素的应用
（1）利用它的射线；
（2）做示踪原子。
知识点一三种射线的特性
人们通过对天然放射现象的研究，发现了原子序数大于83的所有天然存在的元素，都有放射性。原子序数小于83的天然存在的元素，有的也有放射性。放射出来的射线共有三种：α射线、β射线和γ射线。三种射线的本质和特性对比如下：
【应用1】如图 ，放射源放在铅块上的细孔中，铅块上方有匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向外。已知放射源放出的射线有α、β、γ三种。下列判断正确的是（ ）
A．甲是α射线，乙是γ射线，丙是β射线
B．甲是β射线，乙是γ射线，丙是α射线
C．甲是γ射线，乙是α射线，丙是β射线
D. 甲是α射线，乙是β射线，丙是γ射线
导示: 天然放射现象发出的射线有三种：α射线、β射线和γ射线。他们分别带正电、负电、不带电。再结合左手定则，可知：甲是β射线，乙是γ射线，丙是α射线。故答案应选B。
知识点二半衰期的理解
放射性元素经n个半衰期未发生衰变的原子核数N和原有原子核数N0间关系为：N＝N0（1/2）n，对应的质量关系为：m=m0（1/2）n
【应用2】14C是一种半衰期为5730年的放射性同位素。若考古工作者探测到某古木中14C的含量为原来的1/4，则该古树死亡时间距今大约（ ）
A．22920年 B．11460
C．5730年 D．2865年
导示:生物体内的14C在正常生活状况下应与大气中14C含量保持一致。但当生物死亡后，新陈代谢停止，体内14C不再更新，加之14C由于不断地衰变其含量逐渐减少，据半衰期含义可推知：该生物化石已经历了2个半衰期，从而可知该生物死后至今经历了大约5730×2=11460年。
故答案应选B。
对半衰期两种典型错误的认识：
1、N0个某种放射性元素的核，经过一个半衰期T，衰变一半，再经过一个半衰期T，全部衰变了；2、8个某种放射性元素核，经过一个半衰期T，衰变了4个，再经过一个半衰期T，又衰变了2个．事实上，半衰期是对大量放射性原子核的一个统计规律，而对于少量的核，并不适用。
类型一衰变次数的计算
【例1】（2007年上海卷） 衰变为 要经过m次a衰变和n次b衰变，则m，n分别为（ ）
A．2，4 B．4，2
C．4，6 D．16，6
导示:假设 变为 的过程中，发生了m次α衰变和n次β衰变．则其核反应方程为
根据电荷数守恒和质量数守恒列出方程
92=82+2m-n 238=222+4m
以上两式联立解得：m=4， n=2
故应选B
求解衰变次数的方法除了上述解法之外，还可以利用两种衰变的特点来求解．每发生一次β衰变原子核的质量数不变．而每发生一次α衰变质量数减少4．因由 变成 质量数减少16，所以可以确定α衰变次数，然后再利用电荷数守恒确定β衰变的次数。
类型二磁场中的衰变问题
粒子的衰变问题经常与磁场结合出现。
【例2】（07届南京市第一次调研测试）在匀强磁场中有一个静止的氡原子核 （ ），由于衰变它放出一个粒子，此粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相互外切的圆，大圆与小圆的直径之比为42∶1，如图所示。那么氡核的衰变方程应是下列方程的哪一个（ ）
A． B．
C． D．
导示:根据左手定则，如果是α衰变，α粒子与新核均带正电，而运动方向相反，则轨迹圆应外切。如果是β粒子，则应该内切。放射性元素的衰变过程中动量守恒．根据动量守恒定律可得mv1+mv2=0．所以产生的新核与衰变粒子(α粒子或β粒子)的动量大小相等方向相反；带电粒子在磁场中运动时由洛伦兹力提供向心力，根据牛顿第二定律有 ．可见放射性元素衰变时，产生的新核和放出的粒子在同一磁场中做圆周运动的半径与电荷量成反比。故选B。
衰变原子核是在匀强磁场中衰变且衰变方向与磁场垂直，其运动轨迹圆的特点：
α衰变：外切，转向相同
β衰变：内切，转向相反
注意：当衰变原子核静止时，由 知，半径之比等于电量的反比。
1．（2007年上海卷）一置于铅盒中的放射源发射的a、b和g射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔后，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，如图所示，则图中的射线a为_______射线，射线b为______射线。
2．铀裂变的产物之一氪90（ Kr）是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90（ Zr），这些衰变是（ ）
A．1次α衰变，6次β衰变 B．4 次β衰变
C．2次α衰变 D．2次α衰变，2次β衰变
3．下列说法正确的是（ ）
A．α射线与γ射线都是电磁波
B．β射线为原子的核外电子电离后形成的电子流
C．用加温、加压或改变其化学状态的方法都不能改变原子核衰变的半衰期
D．原子核经过衰变生成新核，则新核的质量总等于原核的质量
4．（2007年广东卷）⑴放射性物质 和 的核衰变方程为：
方程中的X1代表的是______________，X2代表的是______________。
⑵如图所示，铅盒内装有能释放α、β和γ射线的放射性物质，在靠近铅盒的顶部加上电场E或磁场B，在图（a）、（b）中分别画出射线运动轨迹的示意图。（在所画的轨迹上须标明是α、β和γ中的哪种射线）
答案：1．g、b；2．B；3．C；
4．（1）X1代表的是 （或α），X2代表的是 （或β）、（2）如图所示
