高中物理 第3章 原子核与放射性章末分层突破教师用书 鲁科版选修3-5

第3章 原子核与放射性[自我校对]①氮 ②17 8O ＋11H ③查德威克 ④12 6C ＋10n⑤质子 ⑥N ⎝ ⎛⎭⎪⎫12 ⑦M ⎝ ⎛⎭⎪⎫12⑧42He ⑨0－1e___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________原子核的衰变及半衰期1.放射性元素的原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变．2．衰变规律电荷数和质量数都守恒．3．衰变的分类(1)α衰变的一般方程：A Z X→A－4Z－2Y＋42He，每发生一次α衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数减小2，质量数减少4.α衰变的实质：是某元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)．(核内211H＋210n→42He)(2)β衰变的一般方程：A Z X→A Z ＋1Y ＋0－1e.每发生一次β衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数增加1，质量数不变．β衰变的实质：是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子(核内10n→11H＋0－1e)．＋β衰变：3015P→3014Si ＋01e.(3)γ射线是伴随α衰变或β衰变同时产生的，γ射线不改变原子核的电荷数和质量数． γ射线实质：是放射性原子核在发生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)而辐射出的光子．4．半衰期不同元素的半衰期是不一样的，其差别可以很大．例如，有的半衰期可以达到几千年甚至上万年，也有的半衰期不到1秒．在一个半衰期T 1/2内，将有一半的原子核发生衰变，经过时间t 后，则剩余没有衰变的原子核个数N ＝N 0⎝ ⎛⎭⎪⎫12，或没有衰变的原子核质量m ＝M ⎝ ⎛⎭⎪⎫12，公式适用于大量的原子核，该规律是宏观统计规律，对个别原子核无意义．238 92U 放射性衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成210 83Bi ，而210 83Bi 可以经一次衰变变成210 a X(X 代表某一种元素)，也可以经一次衰变变成 b 81Ti ，210 a X 和 b 81Ti最后都变成206 82Pb ，衰变路径如图3­1所示，则图中( )A ．a ＝84，b ＝206B ．①是β衰变，②是α衰变C ．①是α衰变，②是β衰变D. b 81Ti 经过一次α衰变变成206 82PbE.b81Ti经过一次β衰变变成206 82Pb【解析】210 83Bi经一次衰变变成210a X，由于质量数不变，所以只能发生了一次β衰变，电荷数增加1即a＝83＋1＝84，①是β衰变，210 83Bi经一次衰变变成b81Ti，由于电荷数减少2，所以只能发生了一次α衰变，质量数减少4，即b＝210－4＝206，②是α衰变，故A、B正确，C错误；206 81Ti变成206 82Pb，质量数不变，电荷数增加1，所以只能经过一次β衰变，故D项错误，E项正确．【答案】ABE关于核反应方程1.2.核反应遵守两个守恒：核电荷数守恒，质量数守恒．3．核反应方程用“→”表示核反应的方向，不能用等号；熟记常见粒子的符号，如：4．确定衰变次数的方法根据质量数、核电荷数守恒得Z＝Z′＋2n－m A＝A′＋4n二式联立求解得α衰变次数n，β衰变次数m.一个质子以1.0×107 m/s的速度撞一个静止的铝原子核后被俘获，铝原子核变成硅原子核．已知铝原子核的质量是质子的27倍，硅原子核的质量是质子的28倍，则下列说法正确的是( )【导学号：18850046】A．核反应方程为2713Al＋11H→2814SiB．核反应方程为2713Al＋10n→2814SiC．硅原子核速度的数量级为107 m/s，方向跟质子的初速度方向一致D．硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向跟质子的初速度方向一致E．质子撞击铝原子核变成硅原子核的过程属于原子核的人工转变反应【解析】由核反应中电荷数和质量数守恒可知A选项正确，B选项错误；由动量守恒定律求得硅原子速度的数量级为105m/s，即D选项正确，C选项错误；用质子撞击铝原子核变成硅原子核的过程属于原子核的人工转变反应，E正确．【答案】ADEα射线和β射线在磁场中的运动轨迹(1)衰变过程中，质量数守恒、电荷数守恒．(2)衰变过程中动量守恒．(3)带电粒子垂直于磁场方向做匀速圆周运动时洛伦兹力提供向心力．(4)当静止的原子核在匀强磁场中发生衰变且衰变后粒子运动方向与磁场方向垂直时，大圆一定是α粒子或β粒子的轨迹，小圆一定是反冲核的轨迹．α衰变时两圆外切(如图3­2甲所示)，β衰变时两圆内切(如图乙所示)．如果已知磁场方向，还可根据左手定则判断绕行方向是顺时针还是逆时针．图3­2静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核的轨道半径之比为R 1∶R 2＝44∶1，如图3­3所示，则( )图3­3A ．α粒子与反冲核的动量大小相等，方向相反B ．原来放射性元素的原子核电荷数为88C ．反冲核的核电荷数为88D ．α粒子和反冲核的速度之比为1∶88E ．原来放射性元素的原子核电荷数为90【解析】 微粒之间相互作用的过程遵循动量守恒定律，由于初始总动量为零，则末动量也为零，即α粒子和反冲核的动量大小相等，方向相反，选项A 正确．放出的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动．由Bqv ＝m v 2R 得R ＝mv Bq若原来放射性元素的原子核电荷数为Q ，则对α粒子：R 1＝p 1B ·2e对反冲核：R 2＝p 2B Q －2e由于p 1＝p 2，且R 1∶R 2＝44∶1，解得Q ＝90，故选项C 、E 正确，B 错误．它们的速度大小与质量成反比，故选项D 错误．【答案】 ACE(1)根据衰变后粒子在磁场中的运动轨迹是外切圆还是内切圆判断是α衰变还是β衰变．(2)无论是哪种核反应，反应过程中一定满足质量数守恒和核电荷数守恒．1.用大写字母代表原子核，E 经α衰变成为F ，再经β衰变成为G ，再经α衰变成为H .上述系列衰变可记为下式：E ――→αF ――→βG ――→αH ，另一系列衰变如下：P ――→βQ ――→βR ――→αS .已知P 和F 是同位素，则( )A ．Q 和G 是同位素，R 和E 是同位素B ．R 和E 是同位素，S 和F 是同位素C ．R 和G 是同位素，S 和H 是同位素D ．Q 和E 是同位素，R 和F 是同位素E ．P 和S 是同位素，Q 和G 是同位素【解析】 由于P 和F 是同位素，设它们的质子数为n ，则其他各原子核的质子数可分别表示如下：n ＋2E ――→αn F ――→βn ＋1G ――→αn －1H ，n P ――→βn ＋1Q ――→βn ＋2R ――→αn S ，由此可以看出R 和E 是同位素，S 、P 和F 是同位素，Q 和G 是同位素．故选项A 、B 、E 均正确．【答案】 ABE2．一个静止的放射性同位素的原子核3015P 衰变为3014Si ，另一个静止的天然放射性元素的原子核234 90Th 衰变为234 91Pa ，在同一磁场中，得到衰变后粒子的运动径迹1、2、3、4，如图3­4所示，则这四条径迹依次是( )【导学号：18850047】图3­4A ．图中1、2为234 90Th 衰变产生的234 91Pa 和 0－1e 的轨迹，其中2是电子 0－1e 的轨迹B ．图中1、2为3015P 衰变产生的3014Si 和01e 的轨迹，其中2是正电子01e 的轨迹C ．图中3、4是3015P 衰变产生的3014Si 和01e 的轨迹，其中3是正电子01e 的轨迹 D ．图中3、4是3015P 衰变产生的3014Si 和01e 的轨迹，其中4是正电子01e 的轨迹E ．图中3、4轨迹中两粒子在磁场中旋转方向相同【解析】 3015P→3014Si ＋01e(正电子)，产生的两个粒子，都带正电，应是外切圆，由R ＝mv qB ，电荷量大的半径小，故3是正电子，4是3014Si.234 90Th→234 91Pa ＋ 0－1e ，产生的两个粒子，一个带正电，一个带负电，应是内切圆，由R ＝mv qB 知，电荷量大的半径小，故1是234 91Pa,2是电子，故A 、C 项正确；由动量守恒定律可知，静止的3015P 核发生衰变时生成的3014Si 和正电子01e 速度方向相反，但在磁场中旋转的方向相同，同为逆时针方向或同为顺时针方向，E 正确．【答案】 ACE3．放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时，往往会同时伴随________辐射．已知A 、B 两种放射性元素的半衰期分别为T 1和T 2，经过t ＝T 1·T 2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m A ∶m B ＝________.【解析】 放射性元素的原子核在α衰变或β衰变时，多余的能量将以γ光子的形式释放，因此伴随γ辐射．放射性元素经过一段时间t 后的剩余质量m ＝m 02t T (其中T 为该放射性元素的半衰期)．可得m A2T 1T 2T 1＝m B 2T 1T 2T 2，得m A ∶m B ＝2T 2∶2T 1.【答案】γ2T2∶2T14．1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用6027Co的衰变来验证，其核反应方程是6027Co→A Z Ni＋0－1e＋νe.其中νe是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零.【导学号：18850048】(1)在上述衰变方程中，衰变产物A Z Ni的质量数A是________，核电荷数Z是________．(2)在衰变前6027Co核静止，根据云室照片可以看出，衰变产物Ni和0－1e的运动径迹不在一条直线上，如果认为衰变产物只有Ni和0－1e，那么衰变过程将违背_____守恒定律．(3)6027Co是典型的γ放射源，可用于作物诱变育种．我国应用该方法培育出了许多农作物新品种，如棉花高产品种“鲁棉1号”，年种植面积曾达到3 000多万亩，在我国自己培育的棉花品种中栽培面积最大．γ射线处理作物后主要引起________，从而产生可遗传的变异．【解析】(1)根据质量数和电荷数守恒，核反应方程为：6027Co→6028Ni＋0－1e＋νe，由此得出两空分别为60和28.(2)衰变过程遵循动量守恒定律．原来静止的核动量为零，分裂成两个粒子后，这两个粒子的动量和应还是零，则两粒子径迹必在同一直线上．现在发现Ni和0－1e的运动径迹不在同一直线上，如果认为衰变产物只有Ni和0－1e，就一定会违背动量守恒守律．(3)用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生突变，从而培育出优良品种．【答案】(1)60 28 (2)动量(3)基因突变5．1934年，约里奥—居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时，除了测到预料中的中子外，还探测到了正电子．正电子的质量跟电子的质量相同，带一个单位的正电荷，跟电子的电性正好相反，是电子的反粒子．更意外的是，拿走α放射源以后，铝箔虽不再发射中子，但仍然继续发射正电子，而且这种放射性也有一定的半衰期．原来，铝箔被α粒子击中后发生了如下反应：2713Al＋42He→3015P＋10n，这里的3015P就是一种人工放射性同位素，正电子就是它衰变过程中放射出来的．(1)写出放射性同位素3015P放出正电子的核反应方程；(2)放射性同位素3015P放出正电子的衰变称为正β衰变，我们知道原子核内只有中子和质子，那么正β衰变中的正电子从何而来？【解析】(1)核反应方程为3015P→3014Si＋0＋1e.(2)原子核内只有质子和中子，没有电子，也没有正电子，正β衰变是原子核内的一个质子转换成一个中子，同时放出正电子，核反应方程为11H→10n＋0＋1e.【答案】(1)3015P→3014Si＋0＋1e (2)原子核内的一个质子转换成一个中子放出正电子我还有这些不足：(1)_________________________________________________________(2)_________________________________________________________我的课下提升方案：(1)_________________________________________________________(2)_________________________________________________________。