18.3天然放射现象
同学们好，我是有着50多年高中物理教学经验的老师，今天我们系统、深入地讲解《天然放射现象》这一节内容。这一节是原子核物理的入门核心，是人类揭开原子核内部结构的里程碑，我会从发现历程→核心现象→本质规律→定量描述→探测手段五个维度，把知识点讲透、易错点讲清，最后用表格完成全节核心内容的归纳总结。
一、天然放射现象的发现与基础概念
1. 发现历程
1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究荧光物质时，意外发现：铀和含铀的矿物，能自发地发出一种看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸，使包裹在黑纸内的照相底片感光。这是人类第一次观察到来自原子核内部的信号，是天然放射现象的首次发现。
在贝克勒尔的建议下，玛丽·居里（居里夫人）与丈夫皮埃尔·居里对铀矿开展深入研究，最终发现了两种放射性远强于铀的新元素：一种命名为钋（Po），纪念居里夫人的祖国波兰；另一种命名为镭（Ra）。
2. 核心定义
- 天然放射现象：物质自发地放出射线的现象。
核心关键词是「自发」：射线的发射不需要外界加热、加压、光照、化学反应等任何激发条件，完全是原子核自身的行为，这是它与X射线等人为产生射线的本质区别。 - 放射性：物质发射射线的性质，是原子核的固有属性。
- 放射性元素：具有放射性的元素。
补充结论：原子序数大于83的所有天然存在的元素，都具有放射性；原子序数≤83的元素，部分同位素也具有放射性（如考古用的碳14）。
3. 核心物理意义
天然放射现象的重大价值，是直接证明了原子核是可分的，原子核内部具有复杂的结构。在此之前，汤姆孙发现电子证明了「原子可分」；而天然放射现象，让人类第一次意识到，原子核不是不可分割的实心粒子，它有内部结构，会自发发生变化。
二、三种射线的本质与核心特性
射线看不见、摸不着，物理学家通过经典实验：将放射源置于强电场中，发现射线分为三束，偏转特性完全不同，由此命名为α射线、β射线、γ射线。
我们从本质、带电特性、运动特性、核心作用能力四个维度，逐一拆解三种射线：
1. α射线
- 本质：高速运动的α粒子流，α粒子就是氦原子核（₂⁴He），该结论由卢瑟福1909年通过实验严格证明。
- 带电与质量：带正电，电荷量为2倍元电荷（+2e），质量是氢原子质量的4倍，质量数为4。
- 运动速度：约为光速的1/10，属于低速运动，相对论效应可忽略。
- 核心特性：
- 电离能力极强（三种射线中最强）：质量大、带电量多，与气体分子碰撞时极易使原子电离，使底片感光的能力极强。
- 穿透能力极弱：与物质相互作用强，能量损失快，空气中仅能飞行几厘米，一张薄纸、薄铝箔即可完全挡住。
2. β射线
- 本质：高速运动的电子流（₋₁⁰e），贝克勒尔通过电场/磁场偏转实验测定比荷，证明其为高速电子。
- 带电与质量：带负电，电荷量为-1倍元电荷（-e），质量极小，仅为质子质量的1/1836。
- 运动速度：接近光速（可达光速的99%），相对论效应显著。
- 核心特性：
- 电离能力较弱：质量小、带电量少，电离能力远弱于α射线。
- 穿透能力较强：与物质相互作用弱，能量损失慢，可穿透黑纸、几毫米厚的铝板。
3. γ射线
- 本质：波长极短的电磁波（高能光子流），波长数量级在10⁻¹⁰m以下，比X射线波长更短、能量更高。
- 带电与速度：不带电，在电场/磁场中不偏转，运动速度恒为光速c。
- 核心特性：
- 电离能力极弱（三种射线中最弱）：不带电，很难使气体分子电离。
- 穿透能力极强：与物质相互作用最弱，能量损失最慢，可穿透几厘米厚的铅板、几十厘米厚的混凝土。
关键易错点补充
- γ射线不会单独产生：它是原子核发生α/β衰变后，新核处于高能激发态，向基态跃迁时辐射的高能光子，因此γ射线永远伴随α/β射线产生，不存在单独的「γ衰变」。
- 三种射线均来自原子核内部：α、β粒子是原子核衰变时直接从核内释放，γ射线是核的能量跃迁产物，均与核外电子无关，这也是天然放射现象能证明原子核有复杂结构的核心原因。
三、原子核的衰变规律
射线的本质来源，是原子核的自发衰变，这是本节的核心规律，也是考试高频考点。
1. 衰变的定义与守恒规律
- 定义：原子核由于放出某种粒子，转变为新核的变化，叫做原子核的衰变。
- 核心守恒规律：衰变过程中，质量数守恒、电荷数守恒。
易错提醒：是「质量数守恒」，不是「质量守恒」。衰变存在质量亏损，亏损的质量以能量形式释放（符合质能方程）；但原子核的核子总数（质子+中子）不变，因此质量数守恒，总质子数（总电荷数）也守恒。所有核反应方程的书写，都必须满足这两个守恒。
2. 两种核心衰变类型
（1）α衰变
- 定义：原子核放出α粒子（₂⁴He）的衰变。
- 衰变规律：新核质量数比母核减少4，电荷数减少2，在元素周期表中位置向前移动2位。
- 衰变通式：\(\ce{_{Z}^{A}X -> _{Z-2}^{A-4}Y + _{2}^{4}He}\)（X为母核，Y为子核，A为质量数，Z为电荷数）
- 典型实例：铀238的α衰变 \(\ce{_{92}^{238}U -> _{90}^{234}Th + _{2}^{4}He}\)
- 衰变本质：原子核内2个质子和2个中子结合成一个整体，被释放出核。衰变后，母核质子数减少2，中子数减少2，总核子数减少4。
（2）β衰变
- 定义：原子核放出β粒子（₋₁⁰e，高速电子）的衰变。
- 衰变规律：新核质量数与母核完全相同，电荷数增加1，在元素周期表中位置向后移动1位。
- 衰变通式：\(\ce{_{Z}^{A}X -> _{Z+1}^{A}Y + _{-1}^{0}e}\)
- 典型实例：钍234的β衰变 \(\ce{_{90}^{234}Th -> _{91}^{234}Pa + _{-1}^{0}e}\)
- 【重点难点·高频易错点】β衰变的本质：
90%的同学会误解「原子核内存在电子，β衰变是释放核内电子」，这个结论完全错误。
β衰变的本质是：原子核内的1个中子，转变为1个质子和1个电子，核反应方程为 \(\ce{_{0}^{1}n -> _{1}^{1}H + _{-1}^{0}e}\)，转变产生的电子被高速发射到核外，就是β粒子。
因此β衰变后，母核中子数减少1，质子数增加1，总核子数（质量数）不变，电荷数增加1。原子核内不存在自由电子，电子是中子衰变的产物，这个结论必须记牢。
四、半衰期——衰变快慢的定量描述
不同放射性元素的衰变快慢差异极大，有的不足一秒衰变完成，有的与地球年龄相当，我们用半衰期描述元素衰变的快慢。
1. 半衰期的定义
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，常用符号\(T_{1/2}\)（或\(T\)）表示。
举例：氡222的半衰期为3.8天，即100万个氡222原子核，经过3.8天，有50万个发生衰变，剩余50万个；再经过3.8天，剩余的50万个中又有25万个衰变，剩余25万个，以此类推。
2. 半衰期的核心要点（高频考点）
- 唯一性：每一种放射性元素，都有唯一确定的半衰期，不同元素半衰期差异极大。
举例：氡222→钋218，半衰期3.8天；镭226→氡222，半衰期1620年；铀238→钍234，半衰期\(4.5×10^9\)年（与地球年龄相当）。 - 决定因素：半衰期仅由原子核内部自身的结构决定，与原子所处的物理状态（温度、压强、运动状态等）、化学状态（单质、化合物、离子等）完全无关。
原理：外界的物理、化学变化仅能影响核外电子，无法改变原子核的内部结构，因此无法影响衰变快慢。 - 统计规律：半衰期是统计学规律，仅对大量的原子核有意义，对单个、少数原子核无意义。
微观上，单个原子核的衰变时间是完全随机、不可预测的；但对于大量原子核，衰变的比例是确定的，是统计平均的结果。
举例：若只有2个氡原子核，经过3.8天（1个半衰期），无法确定一定剩余1个，可能2个都衰变，也可能都未衰变。
3. 衰变的定量公式
设初始时刻（\(t=0\)），放射性元素的原子核数为\(N_0\)，总质量为\(m_0\)；经过时间\(t\)，剩余未衰变的原子核数为\(N\)，剩余质量为\(m\)；元素半衰期为\(T\)，则：
易错提醒：公式中的\(N\)、\(m\)是剩余未衰变的量，不是已经衰变的量，已衰变的量为\(N_0-N\)、\(m_0-m\)。
五、射线的探测方法
射线不可见、不可触摸，所有探测方法的核心原理，都是利用射线与物质相互作用的可观测效应（最核心的是电离作用），教材中介绍了两种经典探测装置：
1. 威尔逊云室
- 发明者：英国物理学家威尔逊，1911年发明。
- 核心原理：利用射线的电离作用，过饱和的酒精/乙醚蒸气，会以射线电离产生的离子为凝结核，凝结成雾珠，从而显示射线的径迹。
- 工作过程：密闭云室底部有可快速移动的活塞，内部充满酒精饱和蒸气；活塞迅速下移，气体膨胀降温，酒精蒸气达到过饱和状态；射线穿过时使气体电离，过饱和蒸气以离子为核心凝结成雾珠，光照下即可看到射线的径迹。
- 特点：可直观看到射线的径迹，α射线径迹粗、直、短；β射线径迹细、弯、长；γ射线电离极弱，无清晰径迹，可区分射线种类。
2. 盖革计数器
- 核心部件：盖革-米勒计数管（G-M管）。
- 核心原理：利用射线的电离作用，通过气体雪崩电离，将单个射线粒子的信号放大为可记录的电脉冲。
- 工作过程：计数管为玻璃管结构，内部有圆筒形铜阴极、轴心金属丝阳极，管内充低压惰性气体+少量淬灭气体；两极加800~1500V直流高压（略低于气体击穿电压）；射线进入管内使气体电离，电子在电场加速下发生雪崩电离，产生瞬时脉冲电流，被电子设备记录，一个脉冲对应一个射线粒子。
- 特点：灵敏度极高，可探测单个粒子，结构简单、使用方便；缺点是只能计数，无法区分射线种类、无法测量粒子能量。
全节核心知识点归纳总结表格
表1 三种射线核心特性对比
| 射线类型 | 本质 | 带电情况 | 运动速度 | 电离能力 | 穿透能力 | 核心特点 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| α射线 | 高速氦原子核（\(\ce{_{2}^{4}He}\)）流 | +2e（正电） | 约为光速的1/10 | 极强（三者最强） | 极弱（薄纸可挡住） | 质量大、电离强、穿透弱 |
| β射线 | 高速电子（\(\ce{_{-1}^{0}e}\)）流 | -e（负电） | 接近光速（99%c） | 较弱 | 较强（可穿几毫米铝板） | 质量小、电离弱、穿透较强 |
| γ射线 | 波长极短的电磁波（高能光子流） | 不带电 | 光速c | 极弱（三者最弱） | 极强（可穿几厘米铅板） | 不带电、电离极弱、穿透极强 |
表2 α衰变与β衰变核心规律对比
| 衰变类型 | 放出粒子 | 质量数变化 | 电荷数变化 | 周期表位置变化 | 衰变通式 | 衰变本质 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| α衰变 | α粒子（\(\ce{_{2}^{4}He}\)） | 减少4 | 减少2 | 向前移2位 | \(\ce{_{Z}^{A}X -> _{Z-2}^{A-4}Y + _{2}^{4}He}\) | 核内2个质子+2个中子结合成整体释放 |
| β衰变 | β粒子（\(\ce{_{-1}^{0}e}\)） | 不变 | 增加1 | 向后移1位 | \(\ce{_{Z}^{A}X -> _{Z+1}^{A}Y + _{-1}^{0}e}\) | 核内1个中子转变为1个质子+1个电子，电子被释放 |
表3 半衰期核心要点总结
| 项目 | 核心内容 | 高频易错提醒 |
|---|---|---|
| 定义 | 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 | 是「半数衰变」的时间，不是「全部衰变的一半时间」 |
| 决定因素 | 仅由原子核内部结构决定，与外界物理、化学状态完全无关 | 任何外界条件都无法改变半衰期 |
| 适用范围 | 统计学规律，仅对大量原子核有意义 | 对单个、少数原子核无意义，无法预测单个核的衰变时间 |
| 定量公式 | 剩余核数：\(N = N_0·\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{t}{T}}\) 剩余质量：\(m = m_0·\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{t}{T}}\) |
公式中\(N\)、\(m\)是剩余未衰变的量，不是已衰变的量 |
表4 两种射线探测方法对比
| 探测装置 | 核心原理 | 核心特点 |
|---|---|---|
| 威尔逊云室 | 利用射线的电离作用，过饱和蒸气以离子为凝结核形成雾珠，显示射线径迹 | 可直观看到射线径迹，能区分不同种类的射线 |
| 盖革计数器 | 利用射线的电离作用，通过雪崩电离将射线信号转化为可记录的电脉冲 | 灵敏度极高，可探测单个粒子，使用方便；无法区分射线种类、无法测粒子能量 |
本节核心考点总结
- 三种射线的本质、特性对比，是选择题高频考点；
- α、β衰变的规律，核反应方程的书写（满足质量数、电荷数守恒），是填空、计算题必考点；
- 半衰期的定义、决定因素、定量计算，是高频易错考点；
- 天然放射现象的物理意义——证明原子核可分、内部有复杂结构，是概念题核心考点。
例1 解题详解
解题核心原理
原子核衰变过程严格遵循质量数守恒、电荷数守恒，两种衰变的核心规律：
- 1次α衰变：原子核质量数减少4，电荷数减少2；
- 1次β衰变：原子核质量数不变，电荷数增加1。
由于只有α衰变会改变质量数，因此解题的核心逻辑是：先通过质量数变化计算α衰变次数，再通过电荷数变化计算β衰变次数。
解题步骤
设\(\ce{_{92}^{238}U}\)衰变为\(\ce{_{86}^{222}Rn}\)的过程中，发生了\(x\)次α衰变，\(y\)次β衰变。
- 计算α衰变次数（质量数守恒）
衰变前后总质量数守恒，列方程：
解得：\(4x=238-222=16\)，即 \(\boldsymbol{x=4}\)，共发生4次α衰变。
- 计算β衰变次数（电荷数守恒）
衰变前后总电荷数守恒，列方程：
将\(x=4\)代入方程：
解得：\(\boldsymbol{y=2}\)，共发生2次β衰变。
结果验证
4次α衰变+2次β衰变，总质量数变化：\(4×(-4) = -16\)，\(238-16=222\)，与子核质量数一致；
总电荷数变化：\(4×(-2) + 2×(+1) = -6\)，\(92-6=86\)，与子核电荷数一致，结果正确。
高频易错提醒
- 不可先通过电荷数计算衰变次数：β衰变会改变电荷数，先算电荷数无法区分α、β衰变的贡献，必然出错；
- 核反应方程的电荷数守恒，要注意β粒子的电荷数为-1，不要写反符号。
例2 解题详解
解题核心原理
半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变的时间，剩余未衰变的质量满足衰变公式：
其中：\(m_0\)为初始质量，\(m\)为剩余未衰变的质量，\(t\)为衰变时间，\(T\)为半衰期。
核心易错点：公式中\(m\)是剩余质量，不是已经衰变的质量，这是本题最常见的错误点。
解题步骤
- 计算该元素的半衰期\(T\)
已知：初始质量\(m_0=8\ \text{g}\)，经过\(t=6\ \text{天}\)，已衰变质量为\(6\ \text{g}\)，因此剩余未衰变的质量：
将已知量代入衰变公式：
化简得：\(\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{6}{T}} = \frac{1}{4} = \left(\frac{1}{2}\right)^2\)
指数相等可得：\(\frac{6}{T}=2\)，解得 \(\boldsymbol{T=3\ \text{天}}\)，即该元素的半衰期为3天。
- 计算再衰变1g所需的时间
“此后再衰变掉1g”，即当前剩余质量为\(2\ \text{g}\)，衰变1g后，剩余未衰变的质量为：
设所需时间为\(t'\)，再次代入衰变公式：
化简得：\(\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{t'}{3}} = \frac{1}{2} = \left(\frac{1}{2}\right)^1\)
指数相等可得：\(\frac{t'}{3}=1\)，解得 \(\boldsymbol{t'=3\ \text{天}}\)。
结果验证
半衰期3天，衰变过程完全符合题意：
\(8\ \text{g} \xrightarrow{3天} 4\ \text{g}\)（衰变4g）\(\xrightarrow{再3天} 2\ \text{g}\)（累计衰变6g，对应题目6天的状态）\(\xrightarrow{再3天} 1\ \text{g}\)（6天后再衰变1g），结果正确。
高频易错提醒
- 绝对不能把“已衰变的质量”代入公式：直接将6g代入公式计算，是完全错误的，公式的核心是「剩余未衰变的质量」；
- 第二问要注意“此后”的初始质量是2g，而非8g，避免逻辑错误。
posted on 2026-02-20 21:59 Indian_Mysore 阅读(0) 评论(0) 收藏 举报
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