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3.2 衰变规律

原子核的结构、衰变与核能 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 放射性元素原子核自发衰变,剩余原子核数目随时间呈指数规律减少的统计规律。

从哪来 基于1.3 原子核式结构与1.2 卢瑟福模型(核式结构模型),理解原子核内部存在不稳定的核子组合,且衰变是原子核内部自发过程,不受外界物理化学状态影响。

为什么 单个原子核的衰变是随机事件,无法预测具体时刻;但大量原子核的衰变服从统计规律。由于衰变概率恒定(衰变常数 $\lambda$),单位时间内衰变的原子核数与当前剩余原子核数成正比($dN = -\lambda N dt$),积分后得到指数衰减规律 $N = N_0 e^{-\lambda t}$。

半衰期直观法
将半衰期 $T_{1/2}$ 定义为“一半原子核衰变所需时间”。通过折纸模拟:一张纸对折一次剩一半,两次剩四分之一,三次剩八分之一。强调这是统计结果,不是每个原子核都活这么久。适合形象思维强、对抽象公式恐惧的学生。
微元推导法
从衰变率定义出发,$\frac{dN}{dt} = -\lambda N$,分离变量积分得 $\ln N = -\lambda t + C$,从而导出 $N = N_0 e^{-\lambda t}$。再推导 $T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$。适合数学基础好、喜欢逻辑推导的学生。
生活类比法
类比“抛硬币”。抛1枚硬币,正面概率50%,但无法预测结果;抛1000枚,正面约500枚,偏差很小。原子核衰变就像抛硬币,单个不可测,大量才显规律。半衰期就是“抛掉一半硬币”的时间。适合对概率统计概念模糊、需要建立宏观微观联系的学生。
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练一道
基础题
某放射性同位素半衰期为 10 天,初始有 1000 个原子核。求 30 天后剩余原子核数。
变式
已知某放射性元素衰变后,剩余原子核数为初始的 $\frac{1}{16}$,若其半衰期为 4 天,求经过的时间。
试试手自己判
检测题
一个放射性原子核的半衰期为 1 天。请问:这个原子核在第二天结束时一定已经衰变了吗?为什么?
看答案和判分标准
答案:不一定。
判对标准:
- 答“不一定”得 1 分;
- 能指出“半衰期是统计规律,适用于大量原子核”得 1 分;
- 能指出“单个原子核衰变是随机事件,可能衰变也可能未衰变”得 1 分。
- 若答“一定”或“概率50%所以一定”则不得分。
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