a衰变

放射性__衰变

一、天然放射现象的发现

1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现，铀和含铀矿物能够发出看不见的射线，这种

射线可以穿透黑纸使照相底片感光。物质放出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称

为放射性元素。

2．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)、

镭(Ra)。

二、三种射线的本质

1．α射线实际上就是氦原子核，速度可达到光速的

1

10

，其电离能力强，穿透能力较差。

在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。

2．β射线是高速电子流，它的速度更大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离

能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。

3．γ射线呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下，它的电离作用

更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。

三、原子核的衰变

1．放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新原子核的变化叫衰变。

2．能放出α粒子的衰变叫α衰变，产生的新核，质量数减少4，电荷数减少2，新核在

元素周期表中的位置向前移动两位，其衰变规律是A

Z

X―→A－4

Z－2

Y＋4

2

He。

3．能放出β粒子的衰变叫β衰变，产生的新核，质量数不变，电荷数加1，新核在元

素周期表中的位置向后移动一位，其衰变规律A

Z

X―→A

Z＋1

Y＋__0－1

e。

4．γ射线是伴随α衰变、β衰变同时产生的。

β衰变是原子核中的中子转化成一个电子，同时还生成一个质子留在核内，使核电荷数

增加1。

四、半衰期

1．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，叫做这种元素的半衰期。

2．放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的。

3．跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。

4．半衰期是大量原子核衰变的统计规律。

衰变公式：N＝N

0

(

1

2

)

t

τ

，τ为半衰期，反映放射性元素衰变的快慢。

1．判断：

(1)放射性元素发生α衰变时，新核的化学性质不变。()

(2)半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢。()

(3)半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律。()

(4)半衰期可以通过人工进行控制。()

(5)对放射性元素加热时，其半衰期缩短。()

答案：(1)×(2)√(3)√(4)×(5)×

2．思考：发生β衰变时，新核的核电荷数变化多少？新核在元素周期表中的位置怎样

变化？

提示：根据β衰变方程234

90Th―→234

91Pa＋0

-1

e知道，新核核电荷数增加了1，原子序数增加

1，故在元素周期表上向后移了1位。

原子核的衰变

1.衰变规律

原子核衰变时，电荷数和质量数都守恒。

2．衰变方程示例

α衰变：A

Z

X→A－4

Z－2

Y＋4

2

He，

β衰变：A

Z

X→A

Z＋1

Y＋0

-1e。

3．对α衰变和β衰变的理解

(1)α衰变：在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较牢固，有时会作

为一个整体从较大的原子核中抛射出来，这就是放射性元素发生的α衰变现象。

(2)β衰变：原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即β粒子，使核电荷数增加

1.但β衰变不改变原子核的质量数。

(3)原子核放出一个α粒子就说明它发生了一次α衰变，同理放出一个β粒子就说明它

发生了一次β衰变。

(1)原子核衰变时质量数守恒，但并非质量守恒，核反应过程前、后质量发生变化(质量

亏损)而释放出能量，质量与能量相联系。

(2)在β衰变中，释放出具有很大的能量的电子，该电子来自于原子核，它是由中子和

质子的转化产生的，这表明质子(或中子)也是变化的。

(3)天然放射现象说明原子核具有复杂的结构。原子核放出α粒子或β粒子，并不表明

原子核内有α粒子或β粒子；原子核发生衰变后“就变成新的原子核”。

1．一个原子核发生衰变时，下列说法中正确的是()

A．总质量数保持不变B．总核子数保持不变

C．总能量保持不变D．总动量改变

解析：选ABC衰变过程中质量数守恒，又因为质量数等于核子数，故衰变过程中核

子数不变。

三种射线的比较

1.α、β、γ三种射线性质、特征的比较

种类α射线β射线γ射线

组成高速氦核流高速电子流

光子流(高

频电磁波)

带电荷量2e－e0

质量

4m

p

(m

p

＝

1.67×10－27kg)

m

p

1836

静止质量为零

速率0.1c0.9cc

在电场或

磁场中

偏转偏转不偏转

贯穿本领

最弱用一张纸就

能挡住

较强穿透几

毫米的铝板

最强穿透几厘

米的铅板

电离作用很强较弱很弱

2．研究放射性的意义

如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式

存在，放射性都不受影响。也就是说，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有

关。因此，原子核不是组成物质的最小微粒，原子核也存在一定的结构。

β射线中的电子是从原子核内放出的(本质是一个质子转化为一个中子，放出一个电子)，

并不是原子核外的电子。

2．关于α、β、γ三种射线，下列说法中正确的是()

A．α射线是原子核自发发射出的氦核，它的穿透能力最强

B．β射线是原子核外电子电离形成的电子流，它具有中等的穿透力

C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，它的穿透力最强

D．γ射线是电磁波，它的穿透力最弱

解析：选Cα射线是不稳定原子核放出的由两个中子和两个质子组成的粒子流，它的

电离本领最大，穿透力最弱。β射线是原子核内一个中子转化为一个质子时放出的高速电子

流，其穿透力和电离能力都居中，γ射线是跃迁时放出的光子，它的穿透力最强，故正确答

案为C.

对半衰期的理解

1.计算公式

根据半衰期的概念，可总结出公式如下：

N余＝N原(

1

2

)t/τ，m余＝M(

1

2

)t/τ

式中N原、M表示衰变前的放射性元素的原子核数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发

生衰变的放射性元素的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期。

2．影响因素

放射性元素的半衰期是由原子核内部自身的因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温

度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关。

3．适用条件

半衰期是一个统计概念，是大量原子核衰变时的统计规律。对于某一个特定的原子核，

无法确定何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此，

半衰期只适用于大量的原子核。

4．衰变次数的计算

(1)对象：一个放射性元素的原子核发生α衰变(或β衰变)变成新的原子核，而新原子核

仍有放射性，可能又会发生某种衰变。经过若干次变化，最终变为某一稳定的原子核。在此

过程中共发生了多少次α衰变和β衰变，是经常面临的问题。

(2)依据：电荷数和质量数守恒。

(3)方法：根据β衰变不改变质量数的特点，可依据反应原子核与最终原子核的质量数

改变确定α衰变的次数，然后计算出电荷数的改变，由其差值可确定β衰变的次数。其中每

发生一次α衰变，质量数减少4，电荷数减少2，每发生一次β衰变，电荷数增加1，质量

数不变。

3．(重庆高考)碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m的碘131，经过32天

后，该药物中碘131的含量大约还有()

A.

m

4

B.

m

8

C.

m

16

D.

m

32

解析：选C经过32天即4个半衰期，碘131的含量变为m′＝

m

24＝

m

16

，C项正确。

对三种射线的理解

[例1](福建高考)如图3-2-1，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分

别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是________。(填选项前的字母)

图3-2-1

A．①表示γ射线，③表示α射线

B．②表示β射线，③表示α射线

C．④表示α射线，⑤表示γ射线

D．⑤表示β射线，⑥表示α射线

[解析]由于在放射现象中放出组成α射线的α粒子带正电，β射线的β粒子带负电，γ

射线不带电，根据电场力的方向与左手定则，可判断三种射线在电磁场中受力的方向，即③

④表示α射线，①⑥表示β射线，②⑤表示γ射线，所以C正确，A、B、D错误。

[答案]C

(1)因为α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，所以α、β会在电场或磁场中偏

转，γ射线不偏转。

(2)α、β粒子在电场中做类平抛，用平抛的规律研究，在磁场中做圆周运动，利用洛伦

兹力提供向心力进行研究。

衰变次数的分析与计算

[例2]232

90

Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变，变成208

82

Pb(铅)。以下说法正确的是()

A．铅核比钍核少8个质子

B．铅核比钍核少16个中子

C．共经过4次α衰变和6次β衰变

D．共经过6次α衰变和4次β衰变

[解析]设α衰变次数为x，β衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得232＝208

＋4x,90＝82＋2x－y，解得x＝6，y＝4，C错，D对。

铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A对。

铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B对。

[答案]ABD

确定α和β衰变次数的具体方法如下：

(1)首先确定开始的原子核和最终的原子核；

(2)确定质量数的变化，并由此得出α衰变的次数；

(3)由α衰变得出核电荷数的改变，根据实际电荷数再确定β衰变的次数。

半衰期的理解

[例3](江苏高考)氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成

辐射损伤。它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。其衰变方程是222

86

Rn―→218

84

Po

＋________。已知222

86

Rn的半衰期约为3.8天，则约经过________天，16g的222

86

Rn衰变后

还剩1g。

[解析]根据衰变过程中，质量数与电荷数守恒可知，该衰变过程中，所释放的粒子的

质量数为A＝222－218＝4，电荷数为Z＝86－84＝2，所以该粒子为4

2

He。根据半衰期公式

有：m＝(

1

2

)

t

τ

m

0

，代入数据解得：t＝4τ＝15.2天。

[答案]4

2

He15.2

(1)半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间而不是样本质量减少一

半的时间。

(2)注意区分两个质量：

已发生衰变的质量：m[1－(

1

2

)

t

τ

]，

未发生衰变的质量：m(

1

2

)

t

τ

。

1．以下实验能说明原子核内有复杂结构的是()

A．X射线的发现

B．原子发光产生明线光谱

C．α粒子散射实验

D．天然放射现象

解析：选D原子发光产生明线光谱说明原子只能处于一系列不连续的能量状态中；α

粒子散射实验说明原子具有核式结构；天然放射现象中放射出的粒子是从原子核中放出的，

说明原子核内有复杂结构。故正确答案为D。

2．关于天然放射现象，下列说法正确的是()

A．α射线是由氦原子核衰变产生

B．β射线是由原子核外电子电离产生

C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生

D．通过化学反应不能改变物质的放射性

解析：选Dα射线是原子核同时放出两个质子和两个中子产生的，选项A错；β射线

是原子核内中子转化为质子而放出的电子，选项B错；γ射线是衰变后的原子核从高能级向

低能级跃迁产生的，选项C错；放射性是原子核的固有属性，选项D正确。

3．原子核238

92

U经放射性衰变①变为原子核234

90

Th，继而经放射性衰变②变为原子核234

91

Pa，

再经放射性衰变③变为原子核234

92

U。放射性衰变①、②和③依次为()

A．α衰变、β衰变和β衰变

B．β衰变、α衰变和β衰变

C．β衰变、β衰变和α衰变

D．α衰变、β衰变和α衰变

解析：选A根据核反应过程中的质量数守恒和电荷数守恒特点，238

92

U核与234

90

Th核比

较可知，核反应的另一产物为4

2

He，所以衰变①为α衰变，B、C项排除；234

91

Pa核与234

90

Th核

比较可知，核反应的另一产物为0

－1

e，所以衰变③为β衰变，A项正确。

4．2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器，通过48

20

Ca(钙48)轰击249

98

Cf(锎249)

发生核反应，成功合成第118号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的

元素。实验表明，该元素的原子核先放出3个相同的粒子x，再连续经过3次α衰变后，变

成质量数为282的第112号元素的原子核，则上述过程中粒子x是()

A．中子B．质子

C．电子D．α粒子

解析：选A由于最终经3次α衰变变成原子核282

112

X，由此可知原来的核应为294

118

X，而

该核是由某原子核放出了3个粒子x形成的。而48

20

Ca和24998Cf的总质子数为118，质量数为

297，由此可知48

20

Ca＋249

98

Cf―→297

118

X，297

118

X―→294

118

X＋31

0

n，故A正确。

5.如图3-2-2所示，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()

图3-2-2

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

解析：选Bγ射线不带电，故乙是γ射线；α射线带正电，由左手定则可判断丙是α

射线；同理判断甲是β射线。

6.如图3-2-3所示，目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩

石都不同程度地含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰

性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放射出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()

图3-2-3

A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经过7.6天后就一定剩下一个原子核了

B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成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

离能力最弱

D．发生α衰变时，生成核与原来的核相比，中子数减少了4个

解析：选BC半衰期是对于大量原子核的统计规律，对个别原子核不适用，所以4个

氡原子核经过7.6天(2个半衰期)发生衰变的个数是随机的，具有不确定性，所以选项A错

误。β衰变所释放的电子实质上是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的，所以选项B

正确。在α衰变和β衰变过程中要伴随着γ射线的产生，γ射线的穿透能力最强，电离能力

最弱，所以选项C正确。发生α衰变时，生成核与原来的核相比，质子数和中子数都减少

了2个，所以选项D错误。

7．表示放射性元素碘131(131

53

I)β衰变的方程是()

A.131

53

I→127

51

Sb＋1

2

He

B.131

53

I→131

54

Xe＋0

－1

e

C.131

53

I→130

53

I＋1

0

n

D.131

53

I→130

52

Te＋1

1

H

解析：选B碘(131

53

I)的原子核内一个中子放出一个电子，变成一个质子，质量数没有发

生变化，核电荷数增加1，所以生成54号元素131

54

Xe，放出一个电子。

8.如图3-2-4所示，R是一种放射性物质，虚线方框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MN

是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O

点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的()

图3-2-4

选项磁场方向到达O点的射线到达P点的射线

A竖直向上βα

B

竖直向下

αβ

C垂直纸面向里γβ

D

垂直纸面向外

γα

解析：选CR放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进

入磁场区域时将受到洛伦兹力作用，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线

贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手

定则可知磁场方向垂直纸面向里。

9．(新课标全国卷Ⅰ)关于天然放射性，下列说法正确的是()

A．所有元素都可能发生衰变

B．放射性元素的半衰期与外界的温度无关

C．放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性

D．α、β和γ三种射线中，γ射线的穿透能力最强

E．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线

解析：选BCD并不是所有的元素都可能发生衰变，原子序数越大，越易发生，A错

误；放射性元素的半衰期与元素本身内部结构有关，与外界的温度无关，B正确；放射性元

素无论单质还是化合物都具有放射性，C正确；在α、β、γ射线中，γ射线的穿透能力最强，

D正确；一个原子核在一次衰变过程中，可以是α衰变或β衰变，同时伴随γ射线放出，E

错误。

10．放射性同位素14

6

C被考古学家称为“碳钟”，它可用来断定古生物的年代，此项研

究获得1960年诺贝尔化学奖。

(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成14

6

C，14

6

C不稳定，易发生

衰变，放出射线，其半衰期为5730年。试写出有关的核反应方程。

(2)若测得一古生物遗骸中14

6

C的含量只有活体中的12.5%，则此遗骸的年代约有多少

年？

解析：(1)14

7

N＋1

0

n―→14

6

C＋1

1

H，14

6

C―→14

7

N＋0

－1

e。

(2)活体中14

6

C含量不变，生物死亡后，14

6

C开始衰变，设活体中14

6

C的含量为ρ

0

，遗骸中

14

6

C的含量为ρ，则由半衰期的定义得ρ＝ρ

0

·(

1

2

)

t

τ

，即：0.125＝(

1

2

)

t

τ

，

t

τ

＝3，所以t＝3τ＝17190

年。

答案：(1)见解析(2)17190年

11．地球的年龄到底有多大，科学家们是利用天然放射性元素的衰变规律来推测的。通

过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定，测定出该岩石中含有的铀是岩石形成初

期时(岩石形成初期不含铅)的一半。铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间的

变化规律如图3-2-5所示。图中N为铀238的原子数，N

0

为铀和铅的总原子数，则由此可以

断定：

图3-2-5

(1)地球年龄大约为多少年？

(2)被测定的古老岩石样品在90亿年后的铀、铅原子数之比是多少？

解析：(1)由于目前研究的岩石中铀的含量是岩石形成初期的一半，由图可知对应的时

间是45亿年，即地球年龄大约为45亿年。

(2)由图知，90亿年对应的

N

N

0

＝

1

4

，设铅原子的数目为N′，则有：

N

N＋N′

＝

1

4

，

所以：

N

N′

＝

1

3

，即90亿年时的铀、铅原子数之比是1∶3。

答案：(1)45亿年(2)1∶3