课时跟踪检测（十七） 放射性同位素
A组—重基础·体现综合
1．如图所示为查德威克研究原子核内部结构的实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出α射线轰击铍时会产生粒子流a，用粒子流a轰击石蜡后会打出粒子流b，下列说法正确的是( )
A．a为质子，b为中子 B．a为γ射线，b为中子
C．a为中子，b为γ射线 D．a为中子，b为质子
解析：选D 不可见的粒子轰击石蜡时打出的应是质子，因为质子就是氢核，而石蜡中含有大量氢原子，轰击石蜡的不可见粒子应该是中子，故D正确。
2．在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是( )
A．γ射线的贯穿作用 B．α射线的电离作用
C．β射线的贯穿作用 D．β射线的中和作用
解析：选B 因α射线的电离作用使空气电离成正负离子，空气就变成了导体，从而导走带电体所带的电荷，选项B正确。
3．(多选)近几年，我国北京、上海、广州等地引进了多台γ刀，治疗患者数以万计，效果极好，成为目前治疗脑肿瘤的最佳仪器。令人感叹的是，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半个小时内完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”。据报道，我国自主研发的旋式γ刀性能更好。γ刀治疗脑肿瘤主要是利用( )
A．γ射线具有很强的穿透本领
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到达目的地
解析：选AC γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很弱，波长很短，不易发生衍射，不会很容易地绕过阻碍物，但穿透物质的本领极强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土，A、C正确，B、D错误。
4．有些元素的原子核可以从很靠近它的核外电子中“俘获”一个电子形成一个新原子(如从离原子核最近的K层电子中俘获电子，叫“K俘获”)，当发生这一过程时( )
A．新原子是原来原子的同位素
B．新原子核比原来的原子核少一个质子
C．新原子核将带负电荷
D．新原子核比原来的原子核少一个中子
解析：选B 原子核“俘获”一个电子后，带负电荷的电子与原子核内带正电荷的质子中和，原子核的质子数减少1，中子数增加1，形成一个新原子，新原子与原来的原子相比，质子数不同，中子数也不同，不是同位素，所以B正确。
5．放射性同位素电池已成功应用于军事卫星、空间探测器、水下监听器、航标灯、心脏起搏器、微型电动机械等方面。在诸多设计方案中，有一种是衰变产生的射线作用于荧光物质激发荧光，然后使光电管受到荧光的照射而发生光电效应，实现电能输出。现考虑用氚(H)作为放射性物质，其衰变为β衰变，半衰期为12.43年，则下列说法正确的是( )
A．β衰变所释放的电子来自核外电子
B．氚的衰变方程是H―→e＋He
C．提高温度，增大压强可以改变氚的半衰期
D．该衰变电池的功率可保持10年不变
解析：选B β衰变的实质是原子核的一个中子变为质子的同时释放一个电子，故A错误；氚的衰变方程是H→e＋He，故B正确；半衰期与原子核所处物理、化学环境无关，由原子核本身决定，故C错误；随着放射性元素的质量不断减小，放射性元素放出的电子的数量不断减小，该衰变电池的功率不断减小，故D错误。
6．(多选)某实验室工作人员，用初速度为v0＝0.09c(c为真空中的光速)的α粒子轰击静止在匀强磁场中的钠原子核Na，产生了质子。若某次碰撞可看作对心正碰，碰后新核的运动方向与α粒子的初速度方向相同，质子的运动方向与新核运动方向相反，它们在垂直于磁场的平面内分别做匀速圆周运动。通过分析轨迹半径，可得出新核与质子的速度大小之比为1∶10，已知质子质量为m。则( )
A．该核反应方程是He＋Na―→Mg＋H
B．该核反应方程是He＋Na―→Mg＋0n
C．质子的速度约为0.225c
D．质子的速度为0.09c
解析：选AC 新原子核的质量数：m＝23＋4－1＝26，核电荷数：z＝11＋2－1＝12，核反应方程：He＋Na―→Mg＋H，故A正确，B错误；质子质量为m，α粒子、新核的质量分别为4m、26m，设质子的速度为v，对心正碰，选取α粒子运动的方向为正方向，则由动量守恒得：4mv0＝26m－mv，解出v＝0.225c，故C正确，D错误。
7．有些元素的原子核有可能从很靠近它的核外电子中“俘获”一个电子形成一个新原子核，从离原子核最近的K层电子中俘获电子，叫“K俘获”。例如一个铍原子核(Be)发生了“K俘获”，生成一个新的原子核X，并放出一个不带电的、质量接近于零的中微子(νe)，核反应方程为Be＋e―→Χ＋νe，关于铍原子核(Be)的“K俘获”的过程，下列说法正确的是( )
A．新原子核Χ可能会带负电
B．新原子核Χ是铍原子核的同位素
C．新原子核Χ比原来的铍原子核少一个中子
D．新原子核Χ比原来的铍原子核少一个质子
解析：选D 所有的原子核均带正电，故A错误；原子核俘获一个电子后，一个质子变成中子，质子数减少一个，中子数多一个，新原子核的质子数发生变化，新原子核与铍原子核不是同位素，故B、C错误，D正确。
8．(多选)原子核的衰变过程遵守一系列的守恒定律，在匀强磁场中有一个原来速度几乎为0的放射性原子核W衰变为两个粒子P和S，衰变后粒子P和S的运动速度和磁场垂直，粒子P和S分别做匀速圆周运动。已知粒子P和S做圆周运动的半径和周期之比分别为RP∶RS＝45∶1，TP∶TS＝90∶117，则( )
A．放射性原子核W的质量数为238
B．P和S两核的质量数之比为117∶2
C．P和S两核的电荷数之比为45∶1
D．P和S两核的动能之比为117∶2
解析：选AD 根据动量守恒定律可知，衰变瞬间P和S两核的动量大小相等，方向相反，由带电粒子在磁场中运动的半径表达式R＝，可知＝＝，C错误；带电粒子在磁场中运动的周期的表达式为T＝，故＝＝×＝，由于电子的质量与质子、中子相比是很小的，所以该衰变不可能是β衰变，该衰变应为α衰变，α粒子的质量数为4，则衰变后的新核具有234个核子，原子核W的质量数为238，A正确，B错误；衰变瞬间P和S两核的动量大小相等，它们的动能Ek＝，可知P与S的动能大小与它们的质量成反比，所以P和S两核的动能之比为117∶2，D正确。
9．1934年，约里奥—居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时，除了测到预料中的中子外，还探测到了正电子。正电子的质量跟电子的质量相同，带一个单位的正电荷，跟电子的电性正好相反，是电子的反粒子，更意外的是，拿走α放射源以后，铝箔虽不再发射中子，但仍然继续发射正电子，而且这种放射性也有一定的半衰期。原来，铝箔被α粒子击中后发生了如下反应：Al＋He―→P＋n。这里的P就是一种人工放射性同位素，正电子就是它衰变过程中放射出来的。
(1)写出放射性同位素P放出正电子的核反应方程；
(2)放射性同位素P放出正电子的衰变称为正β衰变，我们知道原子核内只有中子和质子，那么正β衰变中的正电子从何而来？
解析：(1)根据质量数、电荷数守恒，P放出正电子的核反应方程为P―→Si＋e。
(2)原子核内只有质子和中子，没有电子，也没有正电子，正β衰变是原子核的一个质子转变成一个中子，同时放出一个正电子，反应过程为H―→e＋n。
答案：(1)P―→Si＋e (2)见解析
B组—重应用·体现创新
10.科研人员正在研制一种新型镍铜长效电池，它是采用半衰期长达100年的放射性同位素镍63 (Ni)和铜两种金属作为长效电池的材料，利用镍63发生β衰变时释放电子被铜片俘获，把镍63和铜片作电池的两极为外电阻R提供电能。下列说法正确的是( )
A．电阻R上的电流方向是从b到a
B．镍63的衰变方程是Cu＋e―→Ni
C．升高温度、增大压强可以改变镍63的半衰期
D．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的
解析：选D 根据电荷数守恒、质量数守恒可知，镍63发生β衰变时的方程是Ni―→ 0－1e＋Cu，铜片得到电子带负电，镍63带正电，知外接负载时镍63的电势比铜片的高，电阻R上的电流方向是从a到 b，故A、B错误；半衰期由原子核自身因素决定，与外界因素无关，故C错误；β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子同时释放的电子，故D正确。
11.静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核轨道半径之比为44∶1，如图所示，则下列说法错误的是( )
A．α粒子与反冲核的动量大小相等、方向相反
B．原来放射性元素的原子核电荷数为90
C．反冲核的电荷数为88
D．α粒子和反冲核的速度之比为1∶88
解析：选D 微粒之间相互作用的过程中遵循动量守恒，由于初始总动量为0，则末动量也为0，即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反，故A正确；由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运动，由Bqv＝m得R＝，若原来放射性元素的核电荷数为Q，则对α粒子：R1＝，对反冲核：R2＝，由于p1＝p2，R1∶R2＝44∶1，得Q＝90，故反冲核的电荷
数为88，故B、C正确；由Ek＝知它们的速度大小与质量成反比，故选项D错误。
12．一小瓶内含有放射性同位素的溶液，它每分钟衰变6 000次。将它注射到一个病人的血液中，经过15小时，从病人身上取10 cm3的血样，测得每分钟衰变2次，已知这种同位素的半衰期为5小时。试根据上述数据，计算人体血液的总体积。
解析：设放射性同位素原有质量为m0,15小时后剩余质量为m，则m＝m0＝m0
设取出的V′＝10 cm3的血液中放射性同位素的质量为m′，人体内血液的总量为V，如果认为血液中放射性的溶液是均匀分布的，则＝
因单位时间内衰变的数量与放射性物质的含量成正比。
则＝
联立以上各式解得V＝3.75×103 cm3。
答案：3.75×103 cm3
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第四节 放射性同位素
核心素养点击
物理观念 (1)了解放射性同位素的发现过程。
(2)知道放射性同位素的应用。
(3)知道射线的危害及防护。
科学思维 分析放射性元素的实际应用问题。
科学探究 探究三种射线的穿透能力。
科学态度与责任 正确认识、放射性同位素的应用给人类带来的成就和危害。
质子数
中子数
同一位置
放射性
(4)应用：
①用γ射线探伤。
②用α射线、β射线消除静电。
③用射线防治害虫和培育良种。
④在医疗上用射线治病、杀菌。
⑤利用放射性同位素作为示踪原子。
⑥利用放射性衰变的半衰期推断年代。
×
√
√
3．选一选
新发现的一种放射性元素X，它的氧化物X2O半衰期为8天，X2O与F2能发生如下反应：2X2O＋2F2―→4XF＋O2，XF的半衰期为 ( )
A．2天 B．4天
C．8天 D．16天
解析：半衰期由原子核内部因素决定，而跟其所处的化学状态和外部条件无关，所以X2O、XF、X的半衰期相同，均为8天，C正确。
答案：C
氦原子核
电离
弱
铝箔
薄纸
电子
弱
强
几毫米
电磁波
弱
强
几厘米
(2)危害和防护
①放射性同位素及射线对人体组织会造成危害。
②防护方法：缩短受照射_______，增大与辐射源间的______、______射线。
2．判一判
(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力。 ( )
(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。 ( )
(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强。 ( )
×
×
√
时间
距离
屏蔽
4．人工转变核反应与衰变的比较
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，它不受物理和化学条件的影响
相同点 人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒，反应前后粒子总动量守恒
[答案] 见解析
写核反应方程时应注意以下三点
(1)核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单箭头表示反应方向。
(2)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰。
(3)核反应过程和衰变现象都遵循电荷数和质量数守恒。质量数守恒不是质量守恒，核反应过程中一般会发生质量的变化。
[素养训练]
1．用中子轰击铝27，产生钠24和X粒子，钠24具有放射性，它衰变后变成镁24，则X粒子和钠的衰变过程分别是 ( )
A．质子、α衰变 B．电子、α衰变
C．α粒子、β衰变 D．正电子、β衰变
答案：C
答案：BD
答案：AC
答案：BD
4．上世纪四十年代初，我国科学家王淦昌先生首先提出证明中微子存在的实验方案：如果静止原子核47Be俘获核外K层电子e，可生成一个新原子核X，并放出中微子νe，即47Be＋ 0－1e→X＋00νe。根据核反应后原子核X的动能和动量，可以间接测量中微子的能量和动量，进而确定中微子的存在。下列说法正确的是 ( )
A．原子核X是37Li
B．核反应前后总质子数不变
C．核反应前后总质量数不同
D．中微子νe的电荷量与电子的相同
解析：根据质量数守恒和电荷数守恒，X的质量数为7，电荷数为3，可知原子核X是37Li，A正确，C错误；核反应方程为47Be＋ 0－1e→37Li＋00νe，则反应前的总质子数为4，反应后的总质子数为3，B错误；中微子不带电，则中微子νe的电荷量与电子的不相同，D错误。
答案：A
提示：利用放射性元素放出的γ射线杀死癌细胞。
[重难释解]
1．分类
可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素两种，天然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达1 000多种，每种元素都有自己的放射性同位素。
2．人工放射性同位素的优点
(1)放射强度容易控制。
(2)可以制成各种所需的形状。
(3)半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理。因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素。
3．放射性同位素的主要应用
(1)利用它的射线
①工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性；
②农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等；
③医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症。
(2)作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置。
[解析] (1)根据质量数守恒、电荷数守恒写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式。
(2)将放射性同位素15O注入人体后，由于它能放出正电子，并能与人体内的负电子产生一对光子，从而被探测器探测到，所以它的用途是作为示踪原子，B正确。
(3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，PET中所选的放射性同位素的半衰期应短。
放射性同位素的应用技巧
(1)用射线来测量厚度，一般不选取α射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的。
(2)给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期，一般选取γ射线。
(3)使用放射线时安全是第一位的。
[素养训练]
1．(多选)下列关于放射性同位素的应用说法中正确的是 ( )
A．利用放射性消除静电是利用射线的穿透作用
B．利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用
C．利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异
D．在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子的
解析：利用放射性消除静电是利用射线的电离作用，故A不正确；人们利用γ射线穿透能力强的特点，可以探查较厚的金属部件内部是否有裂痕，故B正确；人们利用γ射线照射种子，可以使种子内的遗传物质发生变异，经过筛选，培育出新的优良品种，故C正确；在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子的，故D正确。
答案：BCD
2．下列说法中正确的是 ( )
A．γ射线是原子受激发后向低能级跃迁时放出的
B．在稳定的重原子核中，质子数比中子数多
C．半衰期越长，原子核衰变越快
D．诊断甲状腺疾病时，注入的放射性同位素碘131作为示踪原子
解析：γ射线一般是伴随着α或β射线产生的电磁波，具有一定的能量，是原子核受激发后向低能级跃迁时放出的，故A错误；在稳定的重原子核中，质子数比中子数少，故B错误；半衰期越长，原子核衰变越慢，故C错误；给疑似患有甲状腺的病人注射碘131，诊断甲状腺的器质性和功能性疾病，是将碘131作为示踪原子，故D正确。
答案：D
3．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。表中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210 α 138天
氡222 β 3.8天
锶90 β 28年
铀238 α、β、γ 4.5×109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210 B．氡222
C．锶90 D．铀238
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，所以只有锶90较合适，C正确。
答案：C
答案：见解析
二、注重学以致用和思维建模
1．如图所示是原子核人工转变实验装置示意图，A是α粒子源，
F是铝箔，S是荧光屏，在容器中充入氮气后，屏S上出现闪
光，该闪光产生的原因是 ( )
A．α粒子射到屏S上产生的
B．粒子源中放出的γ射线射到屏上产生的
C．α粒子轰击铝箔F上打出的某种粒子射到屏上产生的
D．α粒子轰击氮核后产生的某种粒子射到屏上产生的
解析：充入氮气后，α粒子轰击氮核产生质子，质子穿过铝箔后射到荧光屏上，使荧光屏上出现闪光，故D正确。
答案：D
2．核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。下列说法正确的是( )
A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽
B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒
C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期
D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
答案：D
