高中物理 第四章 原子核 第三节 放射性同位素教学案 粤教版选修3-5

第三节 放射性同位素1利用天然放射性的高速粒子或利用人工加速的粒子去轰击原子核，以产生新的原子核，这个过程叫做核反应。在此过程中所放出或吸收的能量叫做反应能。2具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素。具有放射性的同位素，叫做放射性同位素。3工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕，即所谓无损的探伤。4利用射线的电离本领使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电。5由于放射性元素能放出某种射线，可用探测仪器对它们进行追踪，因而可利用它们进行踪迹显示。人们把作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。6辐射防护的基本方法有时间防护，距离防护，屏蔽防护。要防止放射性物质对水源、空气、用具、工作场所的污染，要防止射线过多地长时间地照射人体。同位素的概念及核反应1.同位素具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素。2放射性同位素(1)定义：具有放射性的同位素，叫做放射性同位素(2)分类：可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素。(3)人工放射性同位素的优点：种类多：天然放射性同位素只有40多种，而人工放射性同位素有1000多种。放射强度容易控制。可制成各种所需的形状。半衰期短，废料易处理。因而放射性同位素的应用，一般都用人工放射性同位素。(4)放射性同位素与放射性元素的同位素区别某些非放射性元素比较稳定，但在人工转变的条件下，会使有些原子核发生变化，形成这种非放射性元素的同位素，但这种同位素可能不稳定，会发生衰变，因此称这种同位素为放射性同位素。由此可以看出，放射性同位素并不表示放射性元素的同位素，而是指这种同位素具有放射性。如磷是稳定的，不具有放射性。若用粒子轰击铝核，会生成P，它是磷的同位素，但它具有放射性，因此称P为磷的放射性同位素。3核反应核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能。(1)同位素的核外电子数相同，故化学性质相同，由于它们的中子数不同，因而它们的物理性质不同。(2)人类第一次得到的人工放射性物质是磷30，其原子核的数字符号为P，其核反应方程为：AlHePn。1(双选)氢有三种同位素，分别是氕(H)，氘(H)，氚(H)，则()A它们的质子数相等B它们的核外电子数相等C它们的核子数相等D它们的中子数相等解析：它们的质子数均为1，核外电子数与质子数相同，也均为1，故A、B对。它们的核子数分别为1,2,3，中子数分别为0,1,2，故C、D错。答案：AB放射性同位素的应用及放射线的危害1.放射性同位素的应用(1)射线的应用利用放出的射线的穿透本领检查金属内部是否存在砂眼裂痕等，即所谓无损的探伤。利用射线的穿透本领与物质厚度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制。利用射线的电离本领使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电。利用射线的物理化学作用照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病(如放疗)等。利用射线的化学效应可以促进高分子化合物的聚合反应，以制造各种塑料或改善塑料的性能。此外，还可以利用射线使石油裂解，增加汽油的产品。(2)示踪原子的应用由于放射性元素能放出某种射线，可用探测仪器对它们进行跟踪，因而可利用它们进行踪迹显示。人们把作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。农业上探测农作物对肥料的吸收情况。工业上检测机件的磨损情况。医学上提供生物机体内生理生化过程的动态信息。(3)半衰期的应用地质和考古工作中，推断地层或古代文物的年代。利用生物残骸推断生物死亡年代。2放射线的危害及防护危害核爆炸核爆炸的最初几秒钟放射出来的主要是强烈的射线和中子流，这些射线具有很强的穿透能力，对人体和其他生物有很强的杀伤作用核泄漏核工业生产和核科学研究中使用的放射性原材料，一旦泄漏就会造成严重污染医疗照射医疗中如果放射线的剂量过大，也会导致病人受到损害，甚至造成病人的死亡防护密封防护把放射源密封在特殊的包壳里，或用特殊方法覆盖，以防止放射线泄漏距离防护距放射源越远，人体吸收的剂量就越少，受到的危害就越轻时间防护尽量减少受辐射时间屏蔽防护在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用2(双选)关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是()A作为示踪原子是利用了放射性同位素贯穿能力很强的性质B作为示踪原子是利用了放射性同位素放出的射线可被仪器探测到的特点C射线探伤利用了射线贯穿能力很强的性质D射线探伤利用了射线电离能力很强的性质解析：根据放射性同位素的性质分析放射性同位素的应用。作为示踪原子是利用放射性同位素放出的射线可被仪器探测到的特点，利用射线探伤是利用了射线的贯穿能力强的性质，故选项B、C正确。答案：BC核反应与力学知识的综合例1一个静止的氮核(7N)俘获一个速度为2.3107 m/s的中子生成一个复核A，复核A又衰变成B、C两个新核，已知B、C的速度方向与中子的速度方向相同，B的速度是vB1106 m/s，B的质量是中子质量的11倍，B、C所带电荷量之比qBqC52。求：(1)C核的速度大小；(2)根据计算判断C核是什么核；(3)写出核反应方程。解析(1)设中子质量为m，则氮核的质量为14m，B核的质量为11m，由质量数守恒可得，C核的质量为4m，由系统动量守恒定律可得mv0mBvBmCvC即mv011mvB4mvC可解得vC3106 m/s(2)反应过程中电荷数守恒，由于总电荷数为7，B、C所带电荷量之比qBqC52，故B核的电荷数为5，B核为硼核()；C核的电荷数为2，C核为氦核(He)(3)由质量数和电荷数守恒可得NnHeB。答案(1)3106 m/s(2)氦核(3)NnHeB(1)人工转变、核反应过程遵守三个守恒：质量数守恒。电荷数守恒。粒子的总动量守恒。依据、可正确书写核反应方程。依据可解决各粒子在磁场中的圆周运动问题，也可结合牛顿定律解决在电场中的偏转问题。(2)核反应的过程中，粒子的总动量守恒，可结合力学中的牛顿定律、动量守恒求解综合习题。11930年发现，在真空条件下用粒子(He)轰击铍核(Be)时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子，查德威克认定这种粒子就是中子。(1)写出粒子轰击铍核的核反应方程。(2)若一个中子与一个静止的碳核发生正碰，已知中子的质量为mn、初速度为v0，与碳核碰后的速率为v1，运动方向与原来运动方向相反，碳核质量视为12mn，求碳核与中子碰撞后的速率。(3)若与中子碰撞后的碳核垂直于磁场方向射入匀强磁场，测得碳核做圆周运动的半径为R，已知元电荷的电荷量为e，求该磁场的磁感应强度的大小。解析：(1)BeHen6C。(2)根据动量守恒定律，有mnv0mnv112mnv2，解得：v2 。(3)根据牛顿第二定律和洛伦兹力公式有：6eBv2，解得B 。答案：(1)BeHenC(2)(3)放射性的应用例2天然放射性同位素只不过有六十多种，而今天人工制造的同位素已达一千多种，每种元素都有放射性同位素，放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等许多方面得到了广泛的应用。(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失，其原因是()A放射线的贯穿作用B放射线的电离作用C放射线的物理、化学作用D以上三个选项都不是(2)如图431所示是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，如工厂生产的厚度1 mm的铝板，在、三种射线中，你认为对铝板的厚度起主要作用的是_射线。图431(3)在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素的结晶是同一种物质，为此曾采用放射性同位素C作_。解析(1)放射线使空气电离，空气与验电器所带电荷中和。(2)射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1 mm的铝板，因而探测器不能探测到，射线穿透本领最强，穿透1 mm的铝板和几毫米厚铝板后打在探测器上很难分辨，射线也能穿透几厘米厚的铝板，但厚度不同，穿透后射线中的电子运动状态不同，探测器容易分辨。(3)把掺入C的人工合成牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经多次重新结晶后，得到了放射性C分布均匀的牛胰岛素结晶，这就证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素合为一体，它们是同一物质。答案(1)B(2)(3)示踪原子放射性的应用主要有两个方面，一方面是应用它的射线，另一方面是作示踪原子(1)射线的应用主要是应用射线的穿透本领，电离本领及物理化学作用等，其中对穿透本领的应用较多。射线穿透本领最弱，不能穿透1 mm的铝板， 射线穿透本领较强，能穿透几 mm的铝板， 射线能穿透几厘米的铅板。(2)放射性同位素作为示踪原子：一是利用了它的放射性，二是利用了它和同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质。2(双选)放射性同位素的应用主要有两方面，下列实际应用中利用其射线的有()A进行金属探伤B检查输油管是否漏油C消毒灭菌D证明人工合成的牛胰岛素和天然牛胰岛素是同一物质解析：放射性同位素的应用主要有两方面：一方面利用它的射线进行金属探伤、消除有害静电、改良品种、杀菌、消毒、医疗等；另一方面作为示踪原子，在实际应用中利用其射线的有A、C，作为示踪原子的是B、D。答案：AC1治疗肿瘤的放射源必须满足：放射线具有较强的穿透力，以辐射到体内的肿瘤处；在较长时间内具有相对稳定的辐射强度，表中给出的四种放射性同位素，适合用于治疗肿瘤的放射源是()同位素辐射线半衰期钋210138天锝996小时钴605年锶9028年A.钋210B锝99C钴60 D锶90解析：射线具有较强的穿透力，可以辐射到体内的肿瘤处，、射线可排除，故A、D错，要满足在较长时间内具有相对稳定的辐射强度，故B错D对。答案：C2人类探测月球发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可以作为未来核聚变的重要原料之一，氦的这种同位素应表示为()A.He B.HeC.He D.He解析：氦的同位素质子数一定相同，质量数为3，故写作He，选项B对。答案：B3关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是()A放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到了消除有害静电的目的B利用射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进行人体的透视C用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种D用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害解析：利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离作用，使空气分子电离成为导体，将静电导走，故A错；射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视，故B错；作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优秀品种，故C错；用射线治疗肿瘤对人体有副作用，因此要严格控制剂量。故D正确。答案：D4(双选)联合国环境规划署对科索沃地区的调查表明，北约对南联盟的轰炸中，大量使用了贫铀炸弹，贫铀是从金属中提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫铀炸弹贯穿力是常规炸弹的9倍，杀伤力极大，而且残留物会长期危害环境，下列关于残留物长期危害环境的理由，正确的是()A爆炸后的弹片存在放射性，对环境产生长期危害B爆炸后的弹片不会对人体产生危害C铀235的衰变速度很快D铀238的半衰期很长解析：U能发生衰变，其衰变方程为UThHe，其半衰期为4.5亿年，Th也能发生衰变，衰变产生的射线对人体都有伤害，故A、D对。答案：AD5放射性同位素可作为示踪原子，例如在医学上可以确定肿瘤的位置，对此，若今有四种不同的放射同位素R，P，Q，S，它们的半衰期分别为半年、38天、15天和2天，则应选用的同位素是()AS BQCP DR解析：应用放射性同位素作为示踪原子时，应选择半衰期较短、衰变较快的同位素，这样可减轻对人体的损害。答案：A6在工业生产中，某些金属材料内部出现的裂痕是无法直接观察到的，如果不能够发现它们，可能会给生产带来极大的危害。自从发现放射线以后，就可以利用放射线对其进行探测了，这是利用了()A射线的电离本领B射线的带电性质C射线的贯穿本领D放射性元素的示踪本领解析：放射性的应用是沿着利用它的射线和作为示踪原子两个方向开展的，射线的贯穿本领最强，可以用来金属探伤。答案：C7(双选)有关放射性同位素P的下列说法，正确的是()A.P与X互为同位素B.P与其同位素有相同的化学性质C用P制成化合物后它的半衰期变长 D.P能释放正电子，可用其作示踪原子，观察磷肥对植物的影响解析：同位素有相同质子数，不同质量数，故A错误；同位素有相同的化学性质，故B对；半衰期与物理、化学状态无关，故C错；P为放射性同位素，可用作示踪原子，故D正确。答案：BD8放射性同位素能被用做示踪原子，以下说法错误的是()A放射性同位素不改变其化学性质B放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期短得多C半衰期与元素所处的物理、化学状态无关D放射性同位素容易制造解析：放射性同位素用做示踪原子，主要是用放射性同位素替代没有放射性的同位素参与的正常的物理、化学、生物的过程，既要利用化学性质相同，也要利用衰变规律不受物理、化学变化的影响，同时还要考虑放射性的危害，因此，选项A、B、C正确，选项D错误。答案：D91919年卢瑟福用粒子撞击N核发现了质子。(1)写出这个核反应的方程式。(2)英国物理学家威耳逊在1911年发明了“云室”，带电粒子在云室中运动时，可以显现出运动的径迹。把云室放在匀强电场中，分别将质子和粒子垂直于电场方向打入同一匀强电场中，观察它们运动的径迹，如果质子和粒子运动的径迹相同(电场方向和质子、粒子运动径迹所在平面平行)。求：质子和粒子进入电场时的动能之比是多少？解析：(1)NHeOH(2)带电粒子垂直于电场方向射入匀强电场中做类平抛运动，设沿电场方向的位移为y，垂直于电场方向的