高二物理原子核的衰变、原子核的人工转变.pdf

复习题1．当用具有1.87eV 能量的光子照射n＝ 3 激发态的氢原子时，氢原子( )A. 不会吸收这个光子B. 吸收该光子后被电离，电离后的动能为0.36eV C. 吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零D. 吸收该光子后不会被电离2．光子能量为E 的一束光照射容器中的氢（设氢原子处于n=3 的能级），氢原子吸收光子后，能发出频率 γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6六种光谱线，且γ1＜γ2＜γ3＜γ4＜γ5＜γ6，则 E 等于（）A.hγ1 B.hγ6 C.h（γ6-γ1）D.h（γ1+γ2+γ3+γ4+γ5+γ6）. 3．现有 1200 个氢原子被激发到量子数为4 的能级上， 若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是（）（假定处在量子数为n 的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的总数的 11n）A．2200 B． 2000 C．1200 D．24 00 4．氢原子的能级如图4 所示，已知可见光的光子能量范围约为1. 62eV—3. 11eV，下列说法错误的是 ( ) A．处于 n＝3 能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离B．大量氢原子从高能级向n＝3 能级跃迁时， 发出的光 具有显著的热效应C．大量处于n＝ 4 能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出 6 种不同频率的光D．大量处于n＝ 4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出 3 种不同频率的可见光参考答案： 1. B 2. A 3. A 4. D n=1 n=3 n=4 n=2 图 3 原子核的衰变、原子核的人工转变一、天然放射现象 1、天然放射现象 物质放射出 α射线、β射线、γ射线的性质，叫做放射性，具有放射性的元素叫放射 性元素。

1896年法 贝克勒耳首先发现天然放射现象，后居里·夫妇发现钋PO和镭 Ra 物质发射射线的性质称为放射性(radioactivity) 元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象， 具有放射性的元素称为放射性元素 2、放射性 不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82 的所有元素，都能 自发的放出射线，原子序数小于83 的元素，有的也具有放射性 3、射线种类与性质 那这些射线到底是什么呢？把放射源放入由铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔 射出，成为细细的一束在射线经过的空间施加磁场，发现射线 ①射线分成三束，射线在磁场中发生偏转，是受到力的作用这个力是洛伦兹力，说 明其中的两束射线是带电粒子②根据左手定则，可以判断射线都是正电荷，射线是负电荷③带电粒子在电场中要受电场力作用，可以加一偏转电场，也能判断三种射线的带电 性质 α射线：氦核流速度约为光速的 1/10 贯穿本领最小，但有很强的电离作用，很容 易使空气电离，使照相底片感光的作用也很强； β射线: 高速运动的电子流速度接近光速，贯穿本领很强很容易穿透黑纸，甚至 能穿透几毫米厚的铝板，但它的电离作用比较弱 γ射线：为波长极短的电磁波。

性质非常象Ｘ射线，只是它的贯穿本领比Ｘ射线大的 多，甚至能穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用却很小 电离本领和贯穿本领之间的关系：α粒子是氦原子核，所以有很强的夺取其它原 子的核外电子的能力，但以损失动能为代价换得原子电离，所以电离能力最强的α粒 子，贯穿本领最弱；而 γ光子不带电，只有激发核外电子跃迁时才会将原子电离，所 以电离能力最弱而贯穿本领最强. 带电量质量数符号电离性穿透性实质来源α射线+2e 4 （p）很强很小（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射线-e 0 弱很强（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γ射线0 0 γ很小更强（几厘米铅板）波长极短的电磁波原子核受激发产生的小结： ①实验发现：元素具有放射性是由原子核本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化 学状态无关不管该元素是以单质的形式存在，还是和其他元素形成化合物，或者对它施 加压力，或者升高它的温度，它都具有放射性 ②天然放射现象：表明原子核存在精细结构，是可以再分的He4 2e0 1三种射线都是高速运动的粒子，能量很高，都来自于原子核内部，这也使我们认识到 原子核蕴藏有巨大的核能，原子核内也有其复杂的结构。

二、放射性元素的衰变 1、原子核的衰变 原子核的衰变： 原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变 常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变叫 α衰变，放出 β粒子的衰变叫 β衰变， γ射 线是随着 α射线或 β射线的放出而产生的 2、α衰变 铀 238 核放出一个 α粒子后，核的质量数减少4，核电荷数减少 2，变成新核 --钍 234 核那这种放出 α粒子的衰变叫做 α衰变 这个过程可以用衰变方程式来表示： 238 92U→234 90Th+4 2He 3、β衰变 钍 234 核也具有放射性， 它能放出一个 β粒子而变成234 91Pa （镤） ，那它进行的是 β衰 变，请同学们写出钍234 核的衰变方程式？ β粒子用0 -1e表示 钍 234 核的衰变方程式：234 90Th→234 91Pa+0 -1e 衰变前后核电荷数、质量数都守恒，新核的质量数不会改变但核电荷数应加1 提问：β衰变如果按衰变方程式的规律来写的话应该没有问题，但并不象α衰变那样容易 理解，因为核电荷数要增加，学生会问为什么会增加？哪来的电子？ 原子核内虽然没有电子，但核内的的质子和中子是可以相互转化的。

当核内的中子转 化为质子时同时要产生一个电子：1 0n→1 1H＋0 -1e 这个电子从核内释放出来，就形成了 β衰变可以看出新核少了一个中子，却增加了一个质子，并放出一个电子 4、γ辐射 原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续的数 值，因此也存在着能级，同样是能级越低越稳定 放射性的原子核在发生 α衰变、 β衰变时，往往蕴藏在核内的能量会释放出来，使产 生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来，因此，γ 射线经常是伴随 α射线和β射线产生的，当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的 发生α衰变，有的发生 β衰变，同时就会伴随着γ辐射（没有 γ衰变） 这时，放射性物 质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线 注意： 一种元素只能发生一种衰变，但在一块放射性物质中可以同时放出α、β和γ三种射 线 5、衰变方程式遵守的规律α衰变：eM ZM ZHYX4 24 2α衰变规律：A ZX→A-4 Z-2Y+4 2Heβ衰变：eYXM ZM Z0 11β衰变规律：A ZX→A Z+1Y+0 -1e （1）核反应遵从的规律①质量数守恒 ②电荷数守恒 ③动量守恒； ④能量守恒 . （2）半衰期： 说明： 1. 中间用单箭头，不用等号； 2. 是质量数守恒，不是质量守恒; 3. 方程及生成物要以实验为基础，不能杜撰。

类型衰变方程规律衰变新核电荷数减少质量数减少24衰变新核电荷数增加质量数不变1三、半衰期 1.意义： 表示放射性元素衰变快慢的物理量 2.定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 不同的放射性元素其半衰期不同． 3.公式：经过 n 个半衰期 (T)其剩余的质量为：τtmm 21 0剩质量与原子个数相对应，故经过n 个半衰期后剩余的粒子数为：τtNN21 0剩 ——衰变剩下的原子核数注意：(1)半衰期的长短是由核的内部因素（自身的因素）决定与物理状态（温度、压强等）化学状态（单质、化合物）无关2)半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的．如镭 226 变为氡 222 的半衰期为1620 年；铀 238 变为钍 234 的半衰期为 4.5×109年．氡 222 经α衰变变为钋218，每经过 3.8 天就有一半的氡发生衰变，即经过3.8 天后剩下一半的氡，再经过3.8 天，剩下的氡又有一半发生衰变，只剩下四分之一氡，再经3.8 天剩下八分之一氡，再经3.8 天剩下十六分之一氡， ,, ．氡的衰变图的投影：m/m0＝(1/2)n α粒子只能是从原子核内放出来的； β粒子所具有的能量是核外电子不可能达到的，只能是从原子核内放出来的； γ射线是能量很高的光子，核外电子能级跃迁辐射光子的能量不可能达到γ光子所具 有的能量， γ光子只能是原子核内部放出来。

可见原子核是有着复杂的结构的，是可以再分的 考古学家确定古木年代的方法是用放射性同位素作为“ 时钟” ，来测量漫长的时间，这 叫做放射性同位素鉴年法． 4、确定衰变次数的方法 ：021mmn021mmTt002121NNNTtn设放射性元素A ZX经过 n 次α衰变 m次β衰变后，变成稳定的新元素A ZY，则表示核反应的方程为：A ZX→A ZY+n4 2He +m0 1e. 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程mnZZnAA24 ，两式联立得：ZZAAmAAn24由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组. 一放射性元素，测得质量为m,半衰期为 T，经时间 t 后，剩余未衰变的放射性元素的质量为 m mmtTo 2/四、原子核的人工转变1、质子的发现：早在 1915 年，卢瑟福的学生马斯登就观察到了用α粒子轰击氮气时会产生长射程粒子，一种可能的解释是这种粒子是氢核，因为这里是用α 粒子轰击氮时常常出现的现象卢瑟福没有轻易作出结论，而是耐心地进行实验研究，以便弄清那些粒子到底是氮核、氦核还是氢核， 实验要在荧光屏前观察和设计微弱的闪烁，条件是相当艰苦的，经过了三年多的时间，在1919 年夏，他才总结了α粒子与氮原子的碰撞现象，对氮原子核的人工转变作了无可置疑的结论。

其核反应方程是：N+He →O+ H 2、中子的发现：1920 年，卢瑟福预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把这种粒子叫中子在中子发现之前，摆在物理学家们面前的问题是：要么α粒子轰击铍发出的是γ光子，它在跟质子的碰撞中能量和动量不再守恒；要么 α粒子轰击铍发出的射线不是γ光子而是一种新粒子在约里奥 · 居里夫妇的实验中，中子已经出现了，但他们不能识别它查德威克运用了能量和动量守恒定律，科学地分析了实验结果，终于发现了中子发现中子的核反应方程是：Be+He →C+n 中子不带电荷，它与各种物质粒子不发生静电作用，很容易接近甚至打进原子核3、原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称核子，质子带一个单位的正电荷，中子不带电，质子和中子的质量几乎相等，都等于一个质量单位，所以原子核的电荷数就等于它的质子数，原子核的质量数就等于它的质子数和中子数之和具有相同质子数的原子，它们核外的电子数也相同，因而有相同的化学性质，属于同一种元素，但它们的中子数可以是不同的，这些具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称为同位素注意：①质子数相同而中子数不同的原子互称同位素：②同种元素的不同的同位素在元素周期表上具有相同的位置（原子序数相同），他们的核电荷数相同，具有相同的化学性质：③同一种元素的多种同位素中，有稳定的，也有不稳定的，不稳定的同位素会自发地放出α粒子、 β粒子而衰变为别种元素，这种不稳定的同位素就叫放射性同位素，四十多种元素具有天然放射性同位素，各种元素都有人工放射性同位素。

三）、放射性同位素及其应用1、用中子、质子、氚核、α粒子或 γ 光子轰击原子核都可制取放射性同位素，氚核裂变的产物也有放射性同位素例：用α粒子轰击铝27：Al+He →P+n得到的磷30 具有放射性P→Si+e 放出正电子2、应用①利用放射性同位素的射线A、γ射线探伤仪B、电离空气消除机器中的有害静电C、治虫育种、医疗②把放射性同位素做为示踪原子进行监测3、放射性污染和防护污染：原子弹爆炸、核电站泄露、放疗剂量过大防护：厚水泥层很厚的重金属箱、远离放射源1、下列说法中正确的是（）A.射线比射线更容易使气体电离B.核反应堆产生的能量来自轻核的聚变C.射线。