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天然放射现象半衰期-高考物理二轮复习专题讲义

天然放射现象 半衰期
一、原子模型 1.汤姆生模型(枣糕模型) 汤姆生发现了电子,使人们认识到原子有复杂结构。 2.卢瑟福的核式结构模型(行星式模型) α 粒子散射实验是用α 粒子轰击金箔,结果是绝大多数α 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的 方向前进,但是有少数α 粒子发生了较大的偏转。这说明原子的正电荷和质量一定集中在一 个很小的核上。 卢瑟福由α 粒子散射实验提出:在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子的全部正电 荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间运动。 由α 粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是 10-15m。 原子核的大小:原子半径数量级为 10-10m, 原子核大小数量级为 10-14m 3.玻尔模型(见原子的能级跃迁)
二、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。天然放射现象的发现,使人们认识到原子核也有复杂结构。 2、射线的种类和性质 (1)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。 (2)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。 (3)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。 3.三种射线的来源: 3、三种射线的来源: α 粒子是核内两个质子和两个中子抱成团一起射出。 β 粒子是原子核内的中子转化成质子时放出的。 γ 射线经常是伴随α 射线和β 射线产生的。 4、三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较:

αγ β B


βγ α
E ⑵

B O
E ⑶

如⑴、⑵图所示,在匀强磁场和匀强电场中都是β 比α 的偏转大,γ 不偏转;区别是:在磁

场中偏转轨迹是圆弧,在电场中偏转轨迹是抛物线。⑶图中γ 肯定打在 O 点;如果α 也打

在 O 点,则β 必打在 O 点下方;如果β 也打在 O 点,则α 必打在 O 点下方。

5、三种射线的性质和实质比较

带电 质量

电离





符号 性

穿透性

实质





α 射 +2e 4 线

4 2

He

很强

(p)

很小 (一张普通 纸)

高速的氦核流 v≈0.1c

两个中子和两个质子结合 成团从原子核中放出

β 射 -e

0

线

0 ?1

e



很强 (几毫米铝 板)

高速的电子流 v≈c

原子核中的中子转换成质 子时从原子核中放出

更强

γ射 0 线

0

γ

很小 (几厘米铅

波长极短的电磁 波

原子核受激发产生的

板)

6、探测射线的方法 ⑴威耳逊云室

在云室看到的只是成串的小液滴,它描述的是射线粒子运动的径迹,而不是射线本身.

α 粒子的质量比较大,在气体中飞行不易改变方向,并且电离本领大,沿途产生的离子多, 所以它在云室中的径迹直而粗.β 粒子的质量小,跟气体碰撞时容易改变方向,并且电离本 领小,沿途产生的离子少,所以它在云室中的径迹比较细,且常常发生弯曲.γ 粒子的电离 本领更小,一般看不到它的径迹.

⑵气泡室

⑶盖革— 弥勒计数器

盖革管的原理是某种射线粒子进入管内时,它使管内的气体电离,产生的电子在电场中被加

速,能量越来越大,电子跟管中的气体分子碰撞时,又使气体分子电离,产生电子……这样,

一个射线粒子进入管中后可以产生大量电子.这些电子到达阳极,阳离子到达阴极,在外电

路中就产生一次脉冲放电,利用电子仪器可以把放电次数记录下来.

①G-M 计数器放大倍数很大,非常灵敏,用它来检测放射性是很方便的. ②G-M 计数器只能用来计数,而不能区分射线的种类. ③G-M 计数器不适合于极快速的计数. ④G-M 计数器较适合于对β 、γ 粒子进行计数. 另外,还有如闪烁计数器、乳胶照相、火花室和半导体探测器等探测器装置

三、天然衰变中核的变化规律 1、衰变规律 在核的天然衰变中,衰变方程式遵守的规律是质量数守恒和电荷数守恒。 (1)a 衰变:随着 a 衰变,新核在元素周期表中位置向前移 2 位,即质量数-4,电荷数-2

M Z

X

?

Y M ?4
Z ?2

?

24He

(2) ? 衰变:随着 ? 衰变,新核在元素周期表中位置向后移 1 位,即质量数不变,电荷数

+1

M Z

X

?

Y M
Z ?1

?

0 ?1

e



(3)? 衰变:γ 射线是由于原子核在发生α 衰变和β 衰变时原子核受激发而产生的光(能
量)辐射,通常是伴随α 射线和β 射线而产生。 2、半衰期 (1)定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的 时间。

(2)意义:反映了核衰变过程的统计快慢程度。半衰期短 的元素衰变得快,放射性较强。(3)特征:半衰期只与元素 本身有关,与所处的物理、化学状态及周围环境、温度等都 无关。

(4)两种错.误.认识: 第一种错误认识是:N0(大量)个放射性元素的核,经过一个半衰期 T,衰变了一半,再经 过一个半衰期 T,全部衰变完。 第二种错误认识是:若有 4 个放射性元素的核,经过一个半衰期 T,将衰变 2 个。 事实上,N0(大量)个某种放射性元素的核,经过时间 t 后剩下的这种核的个数为

N

?

N0 ?1

?t
2T

而对于少量的核(如 4 个),是无法确定其衰变所需要的时间的。这实质上就是“半衰期反映 了核衰变过程的统计快慢程度”的含义。 12. C.(10 分)(模块 3-5 试题) (1)美国科研人员正在研制一种新型镍铜长效电池,它是采用铜和半衰期长达 100 年的放

射性同位素镍

63(

63 28

Ni

)两种金属作为长寿命电池的材料,利用镍

63

发生一次??

衰变变

成铜(Cu),同时释放电子给铜片,把镍 63 和铜片做电池两极.则镍 63 的衰变方程



,铜片是该电池的 (选填“正极”或“负极”).

答:

63 28

Ni

?

0 -1

e

?

63 29

Cu

,负极

2.据调查每年有

280

万人直接或者间接死于装修污染,装修

污染已经被列为“危害群众最大的五种环境污染”之一。目前,在居室装修中经常用到的花岗 岩、大理石等装修材料,都不同程度地含有放射性元素,比如,含有铀、钍的花岗岩等岩石 会释放出放射性气体氡,而氡会发生放射性衰变,放出 α、β、γ 射线,这些射线会导致细胞 发生癌变及呼吸道等方面的疾病,根据有关放射性知识可知,下列说法正确的是:
(B) A.氡的半衰期为 3.8 天,若取 4 个氡核,经过 7.6 天就只剩下一个氡原子核了 B.β 衰变所释放的电子是原子核中的中子转化为质子和电子所产生的

C.γ 射线一般伴随着 α 或 β 射线产生,在这三种射线中,γ 射线的穿透能力最强,电离能力 也最强 D.发生 α 衰变时,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了 4 3A.1911 年卢瑟福依据?粒子散射实验中?粒子发生了___________(选填“大”或“小”) 角度散射现象,提出了原子的核式结构模型。若用动能为 1 MeV 的?粒子轰击金箔,其速度 约为_____________m/s。(质子和中子的质量均为 1.67?10-27 kg,1 MeV=106eV) 答:大,6.9?106,解析:卢瑟福在 α 粒子散射实验中发现了大多数 α 粒子没有大的偏转, 少数发生了较大的偏转,卢瑟福抓住了这个现象进行分析,提出了原子的核式结构模型;
1MeV=1×106×1.6×10-19= 21mv2,解得 v=6.9×106m/s 。
4.如图甲是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图,图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金 属内部的伤痕的示意图,请问图乙中的检查是利用了哪种射线? ( C ) A. α射线 B. β射线 C. γ射线 D. 三种射线都可以 33、⑴(6 分)[物理─选修 3 -5]

天然放射性元素

239 94

Pu

经过





次 α 衰变和

次 β 衰变,最后变成铅的同位素

.(填入铅的三种同位素

206 82

Pb



207 82

Pb



208 82

Pb

中的一种)

答:8

4

207 82

Pb

12.C⑶(选修模块3—5)约里奥·居里夫妇因发现人工放射性而

获得了1935年的诺贝尔化学奖,他们发现的放射性元素

30 15

P



变成

30 14

Si

的同时放出另一种粒子,这种粒子



.3125

P



30 15

P

的同位素,被广泛应用于生物示

m/mg
1.0 0.8
0.6
0.4

踪技术.1 mg

32 15

P

随时间衰变的关系如图所示,请估算4

mg的

0.2

32 15

P

经多少天的衰变后还剩0.25

mg?

0.0 0 10 20 30 40 50 60
t/day

答:正电子;t=56天(54~58)

解析:由核反应过程中电荷数和质量数守恒可写出核反应方程:

30 15

P

?1340

Si?

0 1

e

,可知这种

粒子是正电子。由图象可知

32 15

P

的半衰期为

14

天,4mg



32 15

P

衰变后还剩

0.25mg

32 15

P

,经

历了 4 个半衰期,所以为 56 天。

15.一个氡核

222 86

Rn

衰变成钋核

218 84

Po

并放出一个粒子,其半衰期为3.8天。1g氡经过7.6天

衰变掉氡的质量以及

222 86

Rn

衰变成

218 84

Po

的过程放出的粒子是

(B)

A.0.25g,a粒子 B.0.75g,a粒子 C.0.25g,β粒子 D.0.75g,β粒子 【解析】经过了两个半衰期,1g 的氡剩下了 0.25g,衰变了 0.75g,根据核反应方程的规律, 在反应前后的质量数和荷电荷数不变,可得出是 a 粒子,所以 B 正确。 19、⑴模块 3-5 试题

(4 分)某考古队发现一古生物骸骨.考古专家根据骸骨中164C 的含量推断出了该生物死亡

的年代.已知此骸骨中164C 的含量为活着的生物体中164C 的 1/4,164C 的半衰期为 5730 年.该

生物死亡时距今约

年.

答:⑴1.1×104 (11460 或 1.0×104~1.2×104 均可)

【解析】:该核剩下 1/4,说明正好经过两个半衰期时间,故该生物死亡时距今约 2×5730 年

=11460 年。

2B.放射性元素的原子核在 ? 衰变或 ? 衰变生成新原子核时,往往会同时伴随着 ___________辐射。已知 A、B 两种放射性元素的半衰期分别为 T1 和 T2,t=T1·T2 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 mAmB=_________。 答:?, 2T2:2T1, 解析:放射性元素的原子核在 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,经过 t=T1·T2 时间后剩下的放射性元素的质量相

同,则 mA ? mB

2 2 T2

T1

,故 mA:mB=2T2 : 2T1

12--2.(8

分)一静止的质量为

M

的铀核(

U 238
92

)发生

α

衰变转变成钍核(Th),放出的

α

粒子速度为 v0、质量为 m.假设铀核发生衰变时,释放的能量全部转化为 α 粒子和钍核的 动能. (1)写出衰变方程; (2)求出衰变过程中释放的核能。

解:(1)

U 238
92

?

23940Th

?

24He

(3 分)

(2)设钍核的反冲速度大小为 v,由动量守恒定律,得:

0=mv0-(M-m)v

(1 分)

v ? mv0 M ?m

(1 分)

?E

?

1 2

mv02

?

1 2

(M

?

m)v 2

(1 分)

?E ? M m02 v 2(M ? m)

(2 分)

12-3.(2)镭(Ra)是历史上第一个被分离出来的放射性元素,已知

226 88

Ra

能自发地放出

α

粒子而变成新核

Rn,已知

226 88

Ra

的质量为

M1=3.7533×10-25kg,新核

Rn

的质量为

M2=3.6867×10-25kg,α 粒子的质量



m=6.6466×10-27kg,现有一个静止的

226 88

Ra

核发生α

衰变,衰变后α

粒子的速度为

3.68

×105m/s。则:(计算结果保留两位有效数字) ①写出该核反应的方程式。 ②此反应过程中放出的能量是多少? ③反应后新核 Rn 的速度是多大?

解:(2)



226 88

Ra

?

4 2

He

?

28262Rn

(3 分)

② ?E ? ?mc 2 ? ( M1 ? M 2 ? m )c2 ? 1.2 ?10 ?12 J (2 分)
③ (2 分) m/s (1 分)


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