高中物理第四章放射性同位素学案(含解析)粤教版选修3-5

学案3放射性同位素[学习目标定位]1.知道什么是核反应，能够熟练写出核反应方程.2.知道什么是同位素、放射性同位素和人工放射性同位素.3.了解放射性同位素在生产和科学领域的应用.4.知道射线的危害及防护．1．三种射线(1)α射线是氦核流；(2)β射线是高速运动的电子流；(3)γ射线是频率很高的电磁波．2．半衰期：原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间，叫做半衰期．半衰期只与核内部自身的因素有关．3．核反应(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．(2)反应能在核反应过程中，原子核的质量数和电荷数会发生变化，同时伴随着能量的释放或吸收，所放出或吸收的能量叫做反应能．(3)遵循规律：质量数和电荷数总是守恒的．(4)两个常见的核反应方程①卢瑟福用α粒子轰击氮核而发现质子的核反应方程eq\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H②用α粒子轰击铍从而发现中子的核反应方程eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n4．放射性同位素(1)同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子，互称同位素．(2)放射性同位素：具有放射性的同位素，叫做放射性同位素．(3)约里奥·居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时发现正电子的核反应方程为：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n，eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e＋ν，其中eq\o\al(30,15)P是eq\o\al(31,15)P的一种放射性同位素．5．放射性同位素的应用(1)利用放射性同位素放出的射线可进行γ探伤、消除静电、培育良种、治疗癌症．(2)放射性同位素可以作为示踪原子．(3)利用元素的半衰期可推断地层或古代文物的年代．6．放射线的危害及防护(1)α射线具有很强的电离作用，但穿透能力很弱；(2)β射线有较强的穿透能力，但电离作用较弱；(3)γ射线电离作用最小，穿透能力很强．辐射防护的基本方法有：时间防护、距离防护和屏蔽防护．一、核反应与核反应方程[问题设计]1．阅读课本“核反应”，说明什么是核反应？核反应的条件和实质是什么？答案见[要点提炼]2．卢瑟福用α粒子轰击氮原子核打出了质子；查德威克用α粒子轰击铍原子核打出了中子；约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝原子核打出了中子，得到了放射性元素磷，磷发生β衰变放出正电子．试写出上述三个典型的核反应方程．答案见[要点提炼][要点提炼]1．核反应的条件：用α粒子、质子、中子甚至用光子去轰击原子核．2．核反应的实质：以基本粒子(α粒子、质子、中子等)为“炮弹”去轰击原子核(靶核X)，从而促使原子核发生变化，生成了新原子核(Y)，并放出某一粒子．3．原子核人工转变的三大发现(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应：eq\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,)8O＋eq\o\al(1,1)H(2)1932年查德威克发现中子的核反应：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e＋ν.4．原子核的人工转变与衰变的比较(1)不同点：原子核的人工转变，是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理、化学条件的影响．(2)相同点：人工转变与衰变过程一样，在发生的过程中质量数与电荷数都守恒；反应前后粒子总动量守恒．二、放射性同位素1．放射性同位素的分类(1)天然放射性同位素；(2)人工放射性同位素．2．人工放射性同位素的优势(1)种类多．天然放射性同位素只有60多种，而人工放射性同位素有1000多种．(2)放射强度容易控制．(3)可制成各种所需的形状．(4)半衰期短，废料易处理．3．对放射性同位素应用的理解(1)射线的应用：例如利用γ射线的穿透能力进行无损γ射线探伤；利用α射线的电离作用消除静电等．(2)示踪原子的应用：利用放射性元素能放出某种射线，可用探测器对它们进行追踪，因而可利用它们进行踪迹显示．(3)半衰期的应用：在地质和考古工作中，利用放射性衰变的半衰期，来推断地层或古代文物的年代．一、核反应和核反应方程例1完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子和正电子的．(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋()(2)eq\o\al(9,4)Be＋()→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(27,13)Al＋()→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋()(5)eq\o\al(23,11)Na＋()→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H(6)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(1,0)n＋()；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋()解析(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n此核反应使查德威克首次发现了中子．(3)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H此核反应使卢瑟福首次发现了质子．(5)eq\o\al(23,11)Na＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H(6)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(30,15)P；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e(正电子)此核反应使约里奥—居里夫妇首次发现了正电子．答案见解析针对训练11993年，中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素eq\o\al(202,78)Pt，制取过程如下：(1)用质子轰击铍靶eq\o\al(9,4)Be产生快中子；(2)用快中子轰击汞eq\o\al(204,80)Hg，反应过程可能有两种：①生成eq\o\al(202,78)Pt，放出氦原子核；②生成eq\o\al(202,78)Pt，同时放出质子、中子．(3)生成的铂eq\o\al(202,78)Pt发生两次衰变，变成稳定的原子核汞eq\o\al(202,80)Hg.写出上述核反应方程．答案(1)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(9,5)B＋eq\o\al(1,0)n(2)①eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋eq\o\al(3,2)He②eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(202,78)Pt→eq\o\al(202,79)Au＋0－1e；eq\o\al(202,79)Au→eq\o\al(202,80)Hg＋eq\o\al(0,－1)e二、放射性同位素的应用例2(单选)关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的有()A．放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，从而达到消除有害静电的目的B．利用γ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使其DNA发生变异，其结果一定是更优秀的品种D．用γ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伤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，将静电消除．γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视．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良品种．用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用，因此要科学地控制剂量．本题正确选项为D.答案D针对训练2正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理是：将放射性同位素15O注入人体，参与人体的代谢过程.15O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图象．根据PET原理，回答下列问题：(1)写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式．(2)(单选)将放射性同位素15O注入人体，15O的主要用途是()A．利用它的射线B．作为示踪原子C．参与人体的代谢过程D．有氧呼吸(3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应________．(填“长”或“短”或“长短均可”)答案(1)eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(0,1)e，eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ(2)B(3)短解析(1)由题意得：eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(0,1)e，eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ(2)将放射性同位素15O注入人体后，由于它能放出正电子，从而被探测器探测到，所以它的用途是作为示踪原子，B对．(3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，半衰期应该很短．1．(双选)人工放射性同位素被用作示踪原子，主要是因为()A．人工放射性同位素不改变其化学性质B．人工放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期长得多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答案AC解析人工放射性同位素用作示踪原子，主要是用人工放射性同位素代替没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物过程，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废料容易处理，因此选项A、C正确，选项B、D错误．2．(双选)下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是()A.eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋XB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋XC.eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋XD.eq\o\al(239,92)U→eq\o\al(239,93)Np＋X答案AC解析根据核反应方程质量数和电荷数守恒可得．3．(双选)铝箔被α粒子轰击后发生了以下核反应：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→X＋eq\o\al(1,0)n.下列判断正确的是()A.eq\o\al(1,0)n是质子B.eq\o\al(1,0)n是中子C．X是eq\o\al(28,14)Si的同位素D．X是eq\o\al(31,15)P的同位素答案BD解析由核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒知，X是eq\o\al(30,15)P，故选项C错误，选项D正确；eq\o\al(1,0)n为中子，故选项A错误，选项B正确．4．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然的放射性同位素只不过60多种，而人工制造的放射性同位素已达1000多种，每种元素都有放射性同位素．放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面得到了广泛的应用．(1)(单选)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．射线的贯穿作用B．射线的电离作用C．射线的物理、化学作用D．以上三个选项都不是(2)图1是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图．如果工厂生产的是厚度1毫米的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是________射线．图1(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14C答案(1)B(2)β(3)示踪原子解析(1)因放射线的电离作用，空气中的与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和，从而使验电器所带电荷消失．(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1毫米的铝板，因而探测器不能探测，γ射线穿透物质的本领极强，穿透1毫米厚铝板和几毫米厚铝板打在探测器上很难分辨．β射线也能够穿透1毫米甚至几毫米厚的铝板，但厚度不同，穿透后β射线中的电子运动状态不同，探测器容易分辨．(3)把掺入14C的人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经过多次重新结晶后，得到了放射性14C[概念规律题组]1．(双选)关于放射性同位素，以下说法正确的是()A．放射性同位素与放射性元素一样，都具有一定的半衰期，衰变规律一样B．放射性同位素衰变可生成另一种新元素C．放射性同位素只能是天然衰变时产生的，不能用人工方法制得D．以上说法均不对答案AB解析放射性同位素也具有放射性，半衰期也不受物理和化学因素的影响，衰变后形成新的原子核，选项A、B正确；大部分放射性同位素都是人工转变后获得的，C、D错误．2．(双选)卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,)7N→eq\o\al(17,)8O＋eq\o\al(1,1)H.下列说法中正确的是()A．通过此实验发现了质子B．实验中利用了放射源放出的γ射线C．实验中利用了放射源放出的α射线D．原子核在人工转变过程中，电荷数可能不守恒答案AC解析这个核反应方程是首次实现原子核的人工转变的方程，也是发现质子的核反应方程．3．(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．γ射线探伤利用了γ射线贯穿能力很强的性质D．γ射线探伤利用了γ射线电离能力很强的性质答案BC解析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γ射线探伤是利用了γ射线的贯穿能力很强的性质，正确选项为B、C.4．(双选)有关放射性同位素eq\o\al(30,15)P的下列说法，正确的是()A.eq\o\al(30,15)P与eq\o\al(30,14)X互为同位素B.eq\o\al(30,15)P与其同位素有相同的化学性质C．用eq\o\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期变长D．含有eq\o\al(30,15)P的磷肥释放正电子，可用作示踪原子，观察磷肥对植物的影响答案BD解析同位素有相同的质子数，所以选项A错误．同位素有相同的化学性质，所以选项B正确．半衰期与元素属于化合物或单质没有关系，所以eq\o\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期不变，即选项C错误．含有eq\o\al(30,15)P的磷肥由于衰变，可记录磷的踪迹，所以选项D正确．5．(双选)下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是()A．射线探伤仪B．利用含有放射性13153I的油，检测地下输油管的漏油情况C．利用eq\o\al(60,27)Co治疗肿瘤等疾病D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用以检测确定农作物吸收养分的规律答案BD解析射线探伤仪利用了射线的贯穿能力，所以选项A错误．利用含有放射性13153I的油，可以记录油的运动踪迹，可以检查管道是否漏油，所以选项B正确．利用eq\o\al(60,27)Co治疗肿瘤等疾病，利用了射线的贯穿能力和高能量，所以选项C错误．把含有放射性元素的肥料施给农作物，可以记录放射性元素的踪迹，用以检测确定农作物吸收养分的规律，所以选项D正确．6．(单选)放射性在技术上有很多应用，不同的放射源可用于不同目的．下表列出了一些放射性元素的半衰期和可供利用的射线．元素射线半衰期钋210α138天氡222β3.8天元素射线半衰期锶90β28年铀238α、β、γ4.5×109年某塑料公司生产聚乙烯薄膜，方法是让厚的聚乙烯膜通过轧辊把聚乙烯膜轧薄，利用适当的放射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀．可利用的元素是()A．钋210B．氡222C．锶90D．铀238答案C解析要测定聚乙烯薄膜的厚度，则要求射线可以穿透薄膜，因此α射线不合适；另外，射线穿透作用还要受薄膜厚度影响，γ射线穿透作用最强，薄膜厚度不会影响γ射线穿透，所以只能选用β射线，而氡222半衰期太短，铀238半衰期太长，所以只有锶90较合适．7．(双选)近几年，我国北京、上海、山东、洛阳、广州等地从国外引进了十多台γ刀，治疗患者5000余例，效果极好，成为治疗脑肿瘤的最佳仪器，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”．γ刀治疗脑肿瘤主要是利用()A．γ射线具有很强的贯穿本领B．γ射线具有很强的电离作用C．γ射线具有很高的能量D．γ射线能很容易地绕过阻碍物答案AC解析γ射线是一种波长很短的电磁波，具有较高的能量，它的贯穿本领很强，甚至可以穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用很小．γ刀治疗肿瘤时，通常是同时用多束γ射线，使它们穿透脑颅和健康区域在病灶处会聚，利用γ射线的高能量杀死肿瘤细胞．故选项A、C正确．[方法技巧题组]8．在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子，分别填在下列核反应方程的横线上．(1)23892U→23490Th＋________；(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋________；(3)23490Th→23491Pa＋________；(4)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋________；(5)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋________.答案(1)eq\o\al(4,2)He(2)eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(0,－1)e(4)01e(5)eq\o\al(1,1)H解析在核反应过程中，遵循反应前后电荷数守恒、质量数守恒规律．对参与反应的所有基本粒子采用左下角(电荷数)配平，左上角(质量数)配平．未知粒子可根据其电荷数和质量数确定．如(1)电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(eq\o\al(4,2)He)，同理确定其他粒子分别为：中子(eq\o\al(1,0)n)、电子(eq\o\al(0,－1)e)、正电子(01e)、质子(eq\o\al(1,1)H)．9．(单选)在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子①eq\o\al(3,1)H＋X1→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n②eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋X2③eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋X3④eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(27,13)Al＋X4以下判断中正确的是()A．X1是质子B．X2是中子C．X3是电子D．X4是质子答案D解析根据核反应的质量数和电荷数守恒知，X1为eq\o\al(2,1)H，A错；X2为eq\o\al(1,1)H，B错；X3为eq\o\al(1,0)n，C错；X4为eq\o\al(1,1)H，D对．10．(单选)将威耳逊云室置于磁场中，一个静止在磁场中的放射性同位素原子核eq\o\al(30,15)P，放出一个正电子后变成原子核eq\o\al(30,14)Si，能近似反映正电子和Si核轨迹的是()答案B解析把放出的正电子和衰变生成物Si核看成一个系统，根据动量守恒定律正电子和Si核运动方向一定相反，C、D可排除．由qvB＝meq\f(v2,R)得，R＝eq\f(mv,qB)，因为动量mv相等，故R∝eq\f(1,q)，即eq\f(Re,RSi)＝eq\f(qSi,qe)＝eq\f(14,1)，可见Si核的运动半径较小，选B.11．1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用eq\o\al(60,27)Co的衰变进行了验证，其核反应方程是eq\o\al(60,27)Co→eq\o\al(A,Z)Ni＋0－1e＋eq\x\to(νe).其中eq\x\to(νe)是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零．(1)在上述衰变方程中，衰变产物eq\o\al(A,Z)Ni的质量数A是________，核电荷数Z是________．(2)在衰变前eq\o\al(60,27)Co核静止，根据云室照片可以看出，衰变产物Ni和0－1e的运动径迹不在一条