普通高中物理选择性必修三 第五章第2节 放射性元素的衰变

这是一篇关于“放射性元素的衰变”的竖屏思维导图，主要内容包括：原子核的衰变、半衰期、核反应、放射性同位素及其应用、辐射与安全。作为备课参考。

• 普通高中物理选择性必修三 第五章第2节 放射性元素的衰变
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 在古代，不论是东方还是西方，都有一批人追求“点石成金”之术，他们试图利用化学方法将一些普通的矿石变成黄金。当然，这些炼金术士的希望都破灭了。那么，真的存在能让一种元素变成另一种元素的过程吗？
  • 类似于“点石万金”的事一直就在自然界中进行着，这就是伴随着天然放射现象发生的原子核“衰变”过程。
• 原子核的衰变
• 衰变
  • 原子核自发地放出a粒子或b粒子，由于 核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核，这种变化称为原子核的衰变。
    • b衰变
      • 钍234也具有放射性，它能放出一个b粒子而变成镤234。放出b粒子的衰变叫作b衰变。
      • 衰变方程
    • a衰变
      • 铀238放出一个a粒子后，质量数减少4，电荷数减少2，成为新核，这个新核就是钍234。这种衰变过程叫作a衰变。
      • 衰变方程
  • 原子核衰变时电荷数和质量数都守恒，即衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和；衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和。
    • ”电荷数之和“指代数和，因为发生b衰变时，电子的电荷数是-1。
• 思考与讨论 在a衰变中，新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系？相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移还是向后移？要移动几位？能否概括出a衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律？
• 思考与讨论 在b衰变中，质量数、核电荷数有什么变化规律？原子核里没有电子，b衰变中的电子来自哪里？
• 衰变
  • 衰变的实质
    • b衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子。
      • 转化方程
      • 转化产生的电子发射到核外就是b粒子。
      • 新核少了一个中子，增加了一个质子，新核的质量数不变，而电荷数增加1。
    • a衰变：两个中子和两个质子能十分紧密地结合在一起，在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，放射性元素就发生了a衰变。
  • 放出的射线
    • 放射性的原子核在发生a衰变、b衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出g光子。
      • 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。
    • g射线经常是伴随a射线和b射线产生的。
    • 当放射性物质连续衰变时，原子核中有的发生a衰变，有的发生b衰变，同时伴随着g射线辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有a、b、g三种射线。
• 半衰期
• 半衰期
  • 用来表示放射性元素衰变的快慢。
    • 氡的衰变
      • 氡222经过a衰变变为钋218。横坐标表示时间，纵坐标表示任意时刻氡的质量m与t=0时的质量m0的比值。
      • 每经过3.8d就有一半的氡发生了衰变。经过第一个3.8d，剩下一半的氡；经过第二个3.8d，剩有1/4的氡；再经过3.8d，剩有1/8的氡。
    • 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰期。
    • 不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。
      • 氡222衰变为钋218的半衰期是3.8d。
      • 镭226衰变为氡222的半衰期是1620年。
      • 铀238衰变为钍234的半衰期长达4.5´109年。
  • 放射性元素的半衰期是统计规律
    • 对于一个特定的氡原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变。
      • 衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于”单个微观事件不可以预测“。
    • 量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测。放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律。
  • 放射性元素的半衰期的影响因素
    • 放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
    • 一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度或与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构。
• 核反应
• 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。
  • 衰变是原子核的自发变化，科学家更希望人工控制原子核的变化。
  • 人类第一次实现的原子核的人工转变
    • 卢瑟福用a粒子轰击原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子。
    • 核反应方程
  • 不仅用a粒子，用质子、中子甚至用g光子去轰击一些原子核，都可以实现原子核的转变，通过这种方式可以研究原子核的结构，还可以发现和制造新元素。
  • 在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。
• 放射性同位素及其应用
• 放射性 同位素
  • 很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。
  • 天然放射性同位素不过40多种，而今天通过核反应生成的人工放射性同位素已达1000多种，每种元素都有了自己的放射性同位素。
  • 与天然放射性物质相比，人工放射性同位素的放射强度容易控制，半衰期比较短，因此放射性废料容易处理，获得了广泛的应用。
• 放射性同位素的应用
  • 射线测厚仪
    • 工业部门使用放射性同位素发出的射线来测厚度。
      • • 轧钢厂的热轧机上安装射线测厚仪。
        • 让g射线穿过钢板，仪器探测到的g射线强度与钢板的厚度有关，轧出的钢板越厚，透过的射线越弱。
        • 将射线测厚仪接收到的信号输入计算机，就可以对钢板的厚度进行自动控制。
  • 放射治疗
    • 患了癌症的病人可以接受钴60的放射治疗。
      • • 人体组织对射线的耐受能力是不同，细胞分裂越快的组织，它对射线的耐受能力就越弱。
        • 像癌细胞那样，不断迅速繁殖的、无法控制的细胞组织，在射线照射下破坏得比健康细胞快。
  • 培优、保鲜
    • 用g射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异。
      • • 用g射线照射种子，经过筛选，可以培育出新品种。
        • 用g射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期。
  • 示踪原子
    • 用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成化合物，这种化合物的原子带有“放射性标记”可以用仪器探测出来，这种原子就是示踪原子。
      • 碘131用于甲状腺疾病的诊断
        • 人体甲状腺的工作需要碘，碘吸收后聚集在甲状腺内。
        • 给人注射碘的放射性同位素碘131，定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，用助于诊断甲状腺的疾病。
      • 棉花对磷肥的吸收情况
        • 棉花在开花、结桃的时候需要较多的磷肥。
        • 用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花的叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射强度，即可了解磷在作物内的情况。
    • 近年来，有关生物大分子的结构及其功能的研究，几乎都要借助于示踪原子。
• 辐射与安全
  • 人类一直生活在放射性的环境中。
    • 地球上的每个角落都有来自宇宙的射线。
    • 周围的岩石，其中也有放射性物质。
    • 食物和日常用品中，有的也具有放射性。例如：食盐和有些水晶眼镜片中含有钾40，香烟中含有钋210，这些也是放射性同位素。
    • 它们的辐射强度都在安全剂量之内。
  • 过量的射线对人体组织有破坏作用，这些破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉。
    • 在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意人身安全。
    • 要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
• 科学漫步 碳14测年技术
• 碳14
  • 自然界中的碳主要是碳12，也有少量的碳14。
  • 宇宙射线进入地球大气层时，同大气作用产生中子，中子撞击大气中的氮引发核反应产生碳14.
    • 核反应方程
  • 碳14具有放射性，能够自发地进行b衰变而成为氮，核反应方程为
    • 碳14的半衰期T1/2为5730年。
  • 碳14不断产生又不断衰变，达到动态平衡，因此，它在大气中的含量相当稳定，大约每1012个碳原子中有一个碳14.
• 碳14测年技术
  • 活的植物通过光合作用和呼吸作用与环境交换碳元素，体内碳14的比例与大气中相同。
  • 植物枯死后，遗体内的碳14仍在衰变，不断减少，但是不能得到补充。因此，根据放射性强度减小的情况可以推算植物死亡的时间。
    • 要推断一块古木的年代，可以从中取出一些样品，测量样品中的碳14含量。如果含量是现代植物的1/2，则说明这块古木的历史大概有碳14的一个半衰期，即5730年。
  • 在经济建设中会用到碳14测定年代的方法。例如，进行基建时，地质基础的力学性质是个重要指标。一般说，地层形成年代越早，固结程度越高，抗冲击性和承压性越好。
    • 北京饭店新楼施工时，在地面以下13m深的位置发现了两棵直径达1m的榆树。用碳14测定，这两棵树距今29285±1350年。据此数据，建设部门认为这个地层已经足够古老，可以作为地基，于是停止下挖。
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