4．1 原子核结构探秘
[学习目标] 1.知道原子核的组成，会正确书写原子核的符号.2.了解质子和中子的发现过程.3.掌握核反应方程的特点，会书写核反应方程．
一、原子核的组成
[知识梳理]
1．质子的发现
从1917年起，卢瑟福就开始进行α射线轰击氮原子核的实验，并从氮原子核中打出了氢核，这就是质子，用p或H表示，质子是原子核的组成部分．
2．中子的发现
(1)卢瑟福的猜想
1920年，卢瑟福提出：原子核内除了质子外，还存在一种质量与质子的质量大体相等但不带电的粒子，并认为这种不带电的中性粒子是由电子进入质子后形成的．
(2)查德威克的发现
1932年，查德威克对α粒子轰击铍的实验进行研究，发现产生的射线是中性粒子流，质量跟质子质量差不多，查德威克将这种粒子称为中子，用n表示．中子也是原子核的组成部分．
3．原子核的组成
(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数．
(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫做原子核的电荷数．
(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而质子与中子的质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数．
(4)原子核的符号
X元素符号核电荷数＝原子核的质子数，即元素的原子序数
4．同位素
具有相同质子数而不同中子数的原子核，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．例如：氢有三种同位素，分别是H、H、H.
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)质子和中子都不带电，是原子核的组成成分，统称为核子．( × )
(2)原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．( √ )
(3)同位素具有不同的化学性质．( × )
(4)原子核内的核子数与它的核电荷数不可能相等．( × )
二、核反应方程
[导学探究] 核反应的实质是什么？它符合哪些规律？
答案 (1)核反应的实质是以基本粒子(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．
(2)在转变过程中符合质量数和电荷数守恒规律．
[知识梳理]
1．核反应方程定义：
用原子核的符号来表示核反应前后各原子核变化情况的式子．
2．规律：核反应遵守质量守恒定律和电荷守恒定律，即核反应方程两边的质量数和电荷数均是守恒的．
3．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．
4．原子核人工转变的两大发现
(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程：
N＋He→ ＋H
(2)1932年查德威克发现中子的核反应方程：
Be＋He→C＋n
一、原子核的组成
1．原子核(符合X)
原子核
2．基本关系
核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数，质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．
例1 已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226.试问：
(1)镭核中有几个质子？几个中子？
(2)镭核所带电荷量是多少？(保留三位有效数字)
(3)呈电中性的镭原子，核外有几个电子？
答案 (1)88 138 (2)1.41×10－17 C (3)88
解析 (1)镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138.
(2)镭核所带电荷量
Q＝Ze＝88×1.6×10－19 C≈1.41×10－17 C.
(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.
针对训练1 在α粒子轰击金箔的散射实验中，α粒子可以表示为He，He中的4和2分别表示( )
A．4为核子数，2为中子数
B．4为质子数和中子数之和，2为质子数
C．4为核外电子数，2为中子数
D．4为中子数，2为质子数
答案 B
解析 根据X所表示的物理意义，原子核的质子数决定核外电子数，原子核的核电荷数就是核内质子数，也就是这种元素的原子序数．原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即为核内的核子数.He符号的左下角表示的是质子数或核外电子数，即为2，He符号左上角表示的是核子数，即为4，故选项B正确．
二、核反应方程
1．核反应的条件
用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变．
2．核反应的实质
用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变．
例2 完成下列核反应方程，并指出其中________是发现质子的核反应方程，________是发现中子的核反应方程．
(1)N＋n→C＋________
(2)N＋He→O＋________
(3)B＋n→________＋He
(4)Be＋He→________＋n
(5)Fe＋H→Co＋________
答案 见解析
解析 (1)N＋n→C＋H
(2)N＋He→O＋H
(3)B＋n→Li＋He
(4)Be＋He→C＋n
(5)Fe＋H→Co＋n
其中发现质子的核反应方程是(2)，发现中子的核反应方程是(4)．
针对训练2 以下是物理学史上3个著名的核反应方程
x＋Li→2y y＋N→x＋O
y＋Be→z＋C
x、y和z是3种不同的粒子，其中z是( )
A．α粒子 B．质子
C．中子 D．电子
答案 C
解析 第二、三个核反应分别是发现质子和中子的核反应方程，根据核反应方程的质量数和电荷数守恒可得，x、y、z分别是H、He、n，C正确．
书写核反应方程时要注意：
(1)质量数守恒和电荷数守恒；
(2)中间用箭头，不能写成等号；
(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化．
1．(多选)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
答案 AB
解析 氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，因为它们是同位素，所以它们的质子数和核外电子数相等，都为1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相等，所以A、B选项正确．
2．下面列出的是一些核反应方程：P→Si＋X，Be＋H→B＋Y，He＋He→Li＋Z，其中( )
A．X是质子，Y是中子，Z是正电子
B．X是正电子，Y是质子，Z是中子
C．X是中子，Y是正电子，Z是质子
D．X是正电子，Y是中子，Z是质子
答案 D
解析 依据核反应方程的两个基本规律：质量数守恒和电荷数守恒，即可得出选项D正确．
3．以下说法正确的是( )
A.Th为钍核，由此可知，钍核的质量数为90，钍核的质子数为234
B.Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4
C．同一元素的两种同位素具有相同的质量数
D．同一元素的两种同位素具有不同的中子数
答案 D
解析 钍核的质量数为234，质子数为90，所以A错；铍
核的质量数为9，中子数为5，所以B错；由于同位素是指质子数相同而中子数不同的原子核，即质量数不同的原子核，因而C错，D对．
4．(多选)α粒子轰击氮14核后放出一个质子，转变为氧17核(O)．在这个氧原子核中有( )
A．8个正电子 B．17个电子
C．9个中子 D．8个质子
答案 CD
解析 核电荷数为8，即质子数为8，质量数为17，所以中子数为17－8＝9，故选C、D.
一、选择题(1～7题为单选题，8～10题为多选题)
1．据最新报道，放射性同位素钬Ho，可有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是( )
A．32 B．67 C．99 D．166
答案 A
解析 根据原子核的表示方法得核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与核外电子数之差为99－67＝32，故A对．
2．下列关于He的叙述正确的是( )
A.He与H互为同位素
B.He原子核内中子数为2
C.He原子核内质子数为2
D.He代表原子核内有2个质子和3个中子的氦原子核
答案 C
解析 He核内质子数为2，H核内质子数为1.两者质子数不等，不是同位素，A错误；He代表原子核内有2个质子和1个中子的氦原子核，故C正确，B、D错误．
3．若用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，则对U的原子来说( )
A．x＝92 y＝92 z＝235
B．x＝92 y＝92 z＝143
C．x＝143 y＝143 z＝92
D．x＝235 y＝235 z＝325
答案 B
解析 在U中，左下标为质子数，左上标为质量数，则y＝92；中性原子的核外电子数等于质子数，所以x＝92；中子数等于质量数减去质子数，z＝235－92＝143，所以B选项
正确．
4．卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，其核反应方程为：He＋7N→8O＋H，下列说法错误的是( )
A．卢瑟福通过该实验提出了原子的核式结构模型
B．实验中是用α粒子轰击氮核
C．卢瑟福通过该实验发现了质子
D．原子核在人工转变的过程中，电荷数一定守恒
答案 A
解析 卢瑟福用α粒子轰击金箔散射的实验，提出了原子的核式结构模型，故A错误；用α粒子轰击氮核首次实现了原子核的人工转变，并发现了质子，故B、C正确；核反应方程质量数和电荷数是守恒的，故D正确．
5．在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子
①H＋X1→He＋n ②N＋He→O＋X2
③Be＋He→C＋X3 ④Mg＋He→Al＋X4
则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H，A错；X2为H，B错；X3为n，C错；X4为H，D对．
6．用高能Kr轰击82Pb，释放出一个中子后，生成了一个新核，关于新核的推断正确的是( )
A．其质子数为122 B．其质量数为294
C．其原子序数为118 D．其中子数为90
答案 C
解析 核反应方程为Pb＋Kr→n＋X，新核质量数为293，质子数为118，中子数为293－118＝175，故正确选项为C.
7．为了说明用α粒子轰击氮打出质子是怎样的一个物理过程，布拉凯特在充氮云室中，用α粒子轰击氮，在他拍摄的两万多张照片中，终于从四十多万条α粒子径迹中发现了8条产生分叉，这一实验数据说明了( )
A．α粒子的数目很少，与氮发生相互作用的机会很少
B．氮气的密度很小，α粒子与氮接触的机会很少
C．氮核很小，α粒子接近氮核的机会很少
D．氮气和α粒子的密度都很小，致使它们接近的机会很少
答案 C
解析 氮原子核很小，所以α粒子接近原子核的机会很少，所以发生核反应的机会很少，即观察到α粒子径迹分叉的机会少，所以C选项正确．
8．下列核反应或衰变方程中，符号“X”表示中子的是( )
A.Be＋He―→C＋X
B.＋He―→O＋X
C.Hg＋n―→Pt＋2H＋X
D.U―→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A、C选项正确．
9．以下说法中正确的是( )
A．原子中含有带负电的电子，所以原子带负电
B．原子核中的中子数一定跟核外电子数相等
C．用α粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质子是原子核的组成部分
D．绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子
答案 CD
解析 原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错；正是用α粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故C正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内还有别的中性粒子，故D正确．
10．一个质子以1.0×107 m/s的速度撞一个静止的铝原子核后被俘获，铝原子核变成硅原子核．已知铝原子核的质量是质子的27倍，硅原子核的质量是质子的28倍，则下列说法正确的是( )
A．核反应方程为Al＋H―→Si
B．核反应方程为Al＋n―→Si
C．硅原子核速度的数量级为107 m/s，方向跟质子的初速度方向一致
D．硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向跟质子的初速度方向一致
答案 AD
解析 由核反应中电荷数和质量数守恒可知A选项正确，B选项错误；由动量守恒定律求得硅原子核速度的数量级为105 m/s，即D选项正确，C选项错误．
二、非选择题
11．有关8O、8O、8O三种同位素的比较，试回答下列问题：
(1)三种同位素中哪一种粒子数是不相同的？______.
A．质子 B．中子 C．核外电子
(2)三种同位素中，哪一个质量最大？__________.
(3)三种同位素的化学性质是否相同？__________.
答案 (1)B (2)8O (3)相同
12．1934年约里奥—居里夫妇用α粒子轰击静止的Al，发现了放射性磷P和另一种粒子，并因这一伟大发现而获得诺贝尔物理学奖．
(1)写出这个过程的核反应方程式；
(2)若该种粒子以初速度v0与一个静止的12C核发生碰撞，但没有发生核反应，该粒子碰后的速度大小为v1，运动方向与原运动方向相反，求碰撞后12C核的速度．
答案 (1)Al＋He―→P＋n
(2)，方向与该粒子原运动方向相同
解析 (1)核反应方程式为Al＋He―→P＋n.
(2)由(1)知，该种粒子为中子，设该种粒子的质量为m，则12C核的质量为12m，设碰撞后12C核的速度为v2，由动量守恒定律可得mv0＝m(－v1)＋12mv2，解得v2＝，碰撞后12C核的运动方向与该粒子原运动方向相同．
4．2 原子核的衰变
[学习目标] 1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象.2.知道三种射线的特性.3.知道衰变及两种衰变的规律，能熟练写出衰变方程.4.会用半衰期描述衰变的速度，知道半衰期的统计意义．
一、天然放射现象和三种射线
`[导学探究] 1.1896年法国物理学家贝可勒尔发现了放射性元素自发地发出射线的现象，即天然放射现象．是否所有的元素都具有放射性？放射性物质发出的射线有哪些种类？
答案 原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线．放射性物质发出的射线有三种：α射线、β射线、γ射线．
2．怎样用电场或磁场判断三种射线粒子的带电性质？
答案 让三种射线通过匀强电场，γ射线不偏转，说明γ射线不带电．α射线偏转方向和电场方向相同，带正电，β射线偏转方向和电场方向相反，带负电．或者让三种射线通过匀强磁场，γ射线不偏转，说明γ射线不带电，α射线和β射线可根据偏转方向和左手定则确定带电性质．
[知识梳理]
1．天然放射现象
1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀及其化合物能放出一种不同于X射线的新射线．
(1)定义：物理学中把物质能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象．
(2)放射性：物质放出射线的性质．
(3)放射性元素：具有放射性的元素．
2．对三种射线的认识
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
光子流(高频电磁波)
带电
荷量
2e
－e
0
速率
0.1c
0.99c
c
贯穿
本领
最弱，用一张纸就能挡住
较强，能穿透几毫米厚的铝板
最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土
电离作用
很强
较强
很弱
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)1896年，法国的玛丽·居里首先发现了天然放射现象．( × )
(2)原子序数大于83的元素都是放射性元素．( √ )
(3)原子序数小于83的元素都不能放出射线．( × )
(4)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力．( × )
(5)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．( √ )
(6)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强．( × )
二、原子核的衰变
[导学探究] 如图1为α衰变、β衰变示意图．
图1
1．当原子核发生α衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？
答案 发生α衰变时，质子数减少2，中子数减少2.
2．当发生β衰变时，新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少？新核在元素周期表中的位置怎样变化？
答案 发生β衰变时，核电荷数增加1.新核在元素周期表中的位置向后移动一位．
[知识梳理] 原子核的衰变
1．定义：原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化，叫做原子核的衰变．
2．衰变类型
(1)α衰变：放射性元素放出α粒子的衰变过程．放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，成为新核．
X→Y＋He
(2)β衰变：放射性元素放出β粒子的衰变过程．放出一个β粒子后，核的质量数不变，电荷数增加1.
X→ Z＋ 1AY＋-e
3．衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒．
4．衰变的实质
(1)α衰变的实质：2个中子和2个质子结合在一起形成α粒子．
(2)β衰变的实质：核内的中子转化为了一个电子和一个质子．
(3)γ射线经常是伴随着α衰变和β衰变产生的．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)原子核在衰变时，它在元素周期表中的位置不变．( × )
(2)发生β衰变是原子核中的电子发射到核外．( × )
(3)γ射线经常是伴随着α射线和β射线产生的．( √ )
三、放射性元素的半衰期
[导学探究] 1.什么是半衰期？对于某个或选定的几个原子核能根据该种元素的半衰期预测它的衰变时间吗？
答案 半衰期是一个时间，是某种放射性元素的大量原子核有半数发生衰变所用的时间的统计规律，故无法预测单个原子核或几个特定原子核的衰变时间．
2．某放射性元素的半衰期为4天，若有10个这样的原子核，经过4天后还剩5个，这种说法对吗？
答案 半衰期是大量放射性元素的原子核衰变时所遵循的统计规律，不能用于少量的原子核发生衰变的情况，因此，经过4天后，10个原子核有多少发生衰变是不能确定的，所以这种说法不对．
[知识梳理] 半衰期
1．定义：放射性元素每经过一段时间，就有一半的核发生衰变，这段时间叫做放射性元素的半衰期．
2．特点
(1)不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大．
(2)放射性元素衰变的快慢是由其原子核本身决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件无关．
3．适用条件：半衰期描述的是统计规律，不适用于单个原子核的衰变．
4．半衰期公式：N余＝N原，m余＝m原，其中T为半衰期．
5．半衰期的应用：利用半衰期非常稳定这一特点，可以通过测量其衰变程度来推断时间．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)同种放射性元素，在化合物中的半衰期比在单质中长．( × )
(2)把放射性元素放在低温处，可以减缓放射性元素的衰变．( × )
(3)放射性元素的半衰期与元素所处的物理和化学状态无关，它是一个统计规律，只对大量的原子核才适用．( √ )
(4)氡的半衰期是3.8天，若有4个氡原子核，则经过7.6天后只剩下一个氡原子核．( × )
一、天然放射现象和三种射线
1．三种射线的实质
α射线：高速氦核流，带电荷量为2e的正电荷；
β射线：高速电子流，带电荷量为e的负电荷；
γ射线：光子流(高频电磁波)，不带电．
2．三种射线在电场中和磁场中的偏转
(1)在匀强电场中，γ射线不发生偏转，做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，β粒子的偏移大，如图2所示．
图2
(2)在匀强磁场中，γ射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，如图3所示．
图3
3．元素的放射性
(1)一种元素的放射性与是单质还是化合物无关，这就说明射线跟原子核外电子无关．
(2)射线来自于原子核说明原子核内部是有结构的．
例1 如图4所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MM′是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的( )
图4
选项
磁场方向
到达O点的射线
到达P点的射线
A
竖直向上
β
α
B
竖直向下
α
β
C
垂直纸面向里
γ
β
D
垂直纸面向外
γ
α
答案 C
解析 R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用而偏转，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里．
例2 (多选)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情况正确的是( )
答案 AD
解析 已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向可知，A、B、C、D四幅图中α、β粒子的偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步判断．
带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径r＝，
将数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比
＝··＝××≈371，
A对，B错；
带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为v0，垂直电场线方向位移为x，沿电场线方向位移为y，则有
x＝v0t，y＝t2，
消去t可得y＝.
对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比
＝··＝××≈，
C错，D对．
三种射线的鉴别：
(1)α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α射线、β射线是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种．
(2)α射线、β射线都可以在电场或磁场中偏转，但偏转方向不同，γ射线则不发生偏转．
(3)α射线穿透能力弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强，而电离本领相反．
二、原子核的衰变规律和衰变方程
确定原子核衰变次数的方法与技巧
(1)方法：设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则衰变方程为：
X―→Y＋nHe＋me
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.
以上两式联立解得：n＝，m＝＋Z′－Z.
由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组．
(2)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因为β衰变的次数多少对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定β衰变的次数．
例3 U核经一系列的衰变后变为Pb核，问：
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？
(2)Pb与U相比，质子数和中子数各少了多少？
(3)综合写出这一衰变过程的方程．
答案 (1)8 6 (2)10 22
(3)U―→Pb＋8He＋6e
解析 (1)设U衰变为Pb经过x次α衰变和y次β衰变，由质量数守恒和电荷数守恒可得
238＝206＋4x①
92＝82＋2x－y②
联立①②解得x＝8，y＝6.即一共经过8次α衰变和6次β衰变．
(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故Pb与U相比，质子数少10，中子数少22.
(3)衰变方程为U―→Pb＋8He＋6e.
针对训练1 原子核U经放射性衰变①变为原子核Th，继而经放射性衰变②变为原子核Pa，再经放射性衰变③变为原子核U.放射性衰变①、②和③依次为( )
A．α衰变、β衰变和β衰变
B．β衰变、α衰变和β衰变
C．β衰变、β衰变和α衰变
D．α衰变、β衰变和α衰变
答案 A
解析 根据衰变反应前后的质量数守恒和电荷数守恒的特点，U核与Th核相比较可知，衰变①的另一产物
为He，所以衰变①为α衰变，选项B、C错误；Pa核与U核相比较可知，衰变③的另一产物为e，所以衰变③为β衰变，选项A正确，D错误．
衰变方程的书写：衰变方程用“―→”，而不用“＝”表示，因为衰变方程表示的是原子核的变化，而不是原子的变化．
三、对半衰期的理解及有关计算
例4 放射性同位素C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代，此项研究获得1960年诺贝尔化学奖．
(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后，会形成不稳定的C，它很容易发生衰变，放出β射线变成一个新核，其半衰期为5 730年，试写出C的衰变方程．
(2)若测得一古生物遗骸中的C含量只有活体中的25%，则此遗骸距今约有多少年？
答案 (1)C―→e＋N (2)11 460年
解析 (1)C的β衰变方程为：C―→e＋N.
(2)C的半衰期T＝5 730年．
生物死亡后，遗骸中的C按其半衰期变化，设活体中C的含量为N0，遗骸中的C含量为N，则N＝N0，
即0.25N0＝N0，故＝2，t＝11 460年．
针对训练2 氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤，它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一．其衰变方程是Rn―→Po＋________.已知Rn的半衰期约为3.8天，则约经过________天，16 g的Rn衰变后还剩1 g.
答案 He 15.2
解析 根据核反应过程中电荷数守恒和质量数守恒可推得该反应的另一种生成物为He.根据m余＝m原得＝4，代入T＝3.8天，解得t＝3.8×4天＝15.2天．
(1)半衰期由核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件都无关．
(2)半衰期是一个统计规律，适用于大量原子核衰变的计算，对于个别少数原子核不适用．
1．(多选)以下关于天然放射现象，叙述正确的是( )
A．若使某放射性物质的温度升高，其半衰期将变短
B．β衰变所释放的电子是原子核外的电子电离形成的
C．α射线是原子核衰变产生的，它有很强的电离作用
D．γ射线是原子核产生的，它是能量很大的光子流
答案 CD
2．下列有关半衰期的说法正确的是( )
A．放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快
B．放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长
C．把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度
D．降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度
答案 A
解析 放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映了放射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期长短由其自身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关，故A正确，B、C、D错误．
3．(多选)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约5 700年．已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减小．现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是( )
A．该古木的年代距今约5 700年
B．12C、13C、14C具有相同的中子数
C．14C衰变为14N的过程中放出β射线
D．增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变
答案 AC
解析 因古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一，则可知经过的时间为一个半衰期，即该古木的年代距今约为5 700年，选项A正确；12C、13C、14C具有相同的质子数，由于质量数不同，故中子数不同，选项B错误；根据核反应方程可知，14C衰变为14N的过程中放出电子，即发出β射线，选项C正确；外界环境不影响放射性元素的半衰期，选项D错误．
一、选择题(1～5题为单选题，6～9题为多选题)
1．关于原子核的衰变和半衰期，下列说法正确的是( )
A．半衰期是指原子核的质量减少一半所需要的时间
B．半衰期是指原子核有半数发生衰变所需要的时间
C．发生α衰变时产生的新原子核在周期表中的位置向后移动2位
D．发生β衰变时产生的新原子核在周期表中的位置向前移动1位
答案 B
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
答案 B
解析 由于α粒子电离作用较强，能使空气分子电离，电离产生的电荷与带电体的电荷中和，使带电体所带的电荷很快消失．
3．放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图1所示，其中( )
图1
A．C为氦原子核组成的粒子流
B．B为比X射线波长更长的光子流
C．B为比X射线波长更短的光子流
D．A为高速电子组成的电子流
答案 C
解析 根据射线在电场中的偏转情况，可以判断，A射线向电场线方向偏转，应为带正电的粒子组成的射线，所以是α射线；B射线在电场中不偏转，所以是γ射线；C射线在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子，所以是β射线．C项正确．
4．放射性同位素钍232经α、β衰变会生成氡，其衰变方程为90Th―→86Rn＋xα＋yβ，其中( )
A．x＝1，y＝3 B．x＝2，y＝3
C．x＝3，y＝1 D．x＝3，y＝2
答案 D
解析 根据衰变方程左右两边的质量数和电荷数守恒可列方程解得x＝3，y＝2.故选D.
5．钍Th具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤Pa，同时伴随有γ射线产生，其方程为Th→Pa＋X，钍的半衰期为24天．则下列说法中正确的是( )
A．X为质子
B．X是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的
C．γ射线是钍原子核放出的
D．1 g钍Th经过120天后还剩0.2 g钍
答案 B
解析 根据电荷数和质量数守恒知钍核衰变过程中放出了一个电子，即X为电子，故A错误；根据β衰变的实质知B正确；γ射线是镤原子核放出的，故C错误；钍的半衰期为24天，1 g钍Th经过120天后，还剩1 g×()5＝0.031 25 g，故D错误．
6．如图2所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的是( )
图2
A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线
B．α射线和β射线的轨迹是抛物线
C．α射线和β射线的轨迹是圆弧
D．如果在铅盒和荧光屏间再加一个竖直向下的场强适当的匀强电场，可能使屏上的亮斑只剩下b
答案 AC
解析 由左手定则可知粒子向右射出，在题图所示匀强磁场中α粒子受到的洛伦兹力方向向上，β粒子受到的洛伦兹力方向向下，轨迹都是圆弧．由于α粒子的速度是光速的，而β粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动，本题应选A、C.
7．由原子核的衰变规律可知( )
A．放射性元素一次衰变就同时产生α射线和β射线
B．放射性元素发生β衰变，产生的新核的化学性质与原来的核的化学性质相同
C．放射性元素衰变的快慢跟它所处的物理、化学状态无关
D．放射性元素发生正电子衰变时，产生的新核质量数不变，电荷数减少1
答案 CD
解析 由放射性元素的衰变实质可知，不可能同时发生α衰变和β衰变，故A错；衰变后变为新元素，化学性质不同，故B错；衰变快慢与所处的物理、化学状态无关，C对；正电子电荷数为1，质量数为0，故D对．
8．某原子核的衰变过程ABC，下列说法正确的是( )
A．核C比核A的质子数少1
B．核C比核A的质量数少5
C．原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多2
D．核C比核B的中子数少2
答案 AD
解析 由衰变方程可写出关系式ABC可得A、D项正确．
图3
9．在匀强磁场中，一个原来静止的原子核发生了衰变，得到两条如图3所示的径迹，图中箭头表示衰变后粒子的运动方向．不计放出的光子的能量，则下列说法正确的是( )
A．发生的是β衰变，b为β粒子的径迹
B．发生的是α衰变，b为α粒子的径迹
C．磁场方向垂直于纸面向外
D．磁场方向垂直于纸面向里
答案 AD
二、非选择题
10．天然放射性铀(U)发生衰变后产生钍(Th)和另一种新核．
(1)请写出衰变方程；
(2)若衰变前铀(U)核的速度为v，衰变产生的钍(Th)核的速度为，且与铀核速度方向相同，试估算产生的另一种新核的速度．
答案 (1)U―→Th＋He (2)v，方向与铀核速度方向相同
解析 (1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒，有
U―→Th＋He.
(2)由(1)知新核为氦核，设一个核子的质量为m，则氦核的质量为4m、铀核的质量为238m、钍核的质量为234m，氦核的速度为v′，
由动量守恒定律，得238mv＝234m·＋4mv′，
解得v′＝v，方向与铀核速度方向相同．
11．在暗室的真空装置中做如下实验：
在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生α、β、γ三种射线的放射源．从放射源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图4所示，在与放射源距离为H高处，水平放置两张叠放着的、涂药品面朝下的印像纸(比一般纸厚且涂有感光药品的纸)，经射线照射一段时间后两张印像纸显影．(已知mα＝4 u，mβ＝ u，vα＝，vβ＝c)
图4
(1)上面的印像纸有几个暗斑？各是什么射线的痕迹？
(2)下面的印像纸显出一串三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比？
(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使α射线不偏转，一次使β射线不偏转，则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少？
答案 (1)两个暗斑 β射线和γ射线 (2)5∶184 (3)10∶1
解析 (1)因α粒子穿透本领弱，穿过下面印象纸的只有β射线和γ射线，β射线、γ射线在上面的印像纸上留下两个暗斑．
(2)下面印像纸上从左向右依次是β射线、γ射线、α射线留下的暗斑．设α射线、β射线留下的暗斑到中央γ射线留下暗斑的距离分别为xα、xβ.
则对α粒子，有xα＝aαt2＝aα·2，aα＝
对β粒子，有xβ＝aβt2＝aβ·2，aβ＝
联立解得＝.
(3)若使α射线不偏转，则qαE＝qαvαBα，所以Bα＝，
同理，若使β射线不偏转，则Bβ＝.故＝＝.
4.3 让射线造福人类
4．4 粒子物理与宇宙的起源(略)
[学习目标] 1.知道什么是放射性同位素以及获得放射性同位素的方法.2.了解探测射线的几种仪器和方法.3.知道放射性同位素的常见应用．
一、人工放射性同位素的发现
[导学探究] 第一种人工放射性同位素是如何发现的？常见的人工转变的核反应有哪些？
答案 (1)1934年，约里奥—居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时，发现了一种具有放射性的新元素P，这种新元素能不断地放射出正电子，核反应方程为：
He＋Al→P＋n
P→Si＋e
(2)常见的人工转变的核反应有：
a．卢瑟福发现质子：N＋He→O＋H
b．查德威克发现中子：Be＋He→6C＋n
c．居里夫妇人工制造同位素：He＋Al→n＋P
P具有放射性：P→Si＋ 0＋1e.
[知识梳理]
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发现
(1)1934年，约里奥—居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷P.
(2)发现磷同位素的方程He＋Al―→P＋n.
3．放射性同位素知多少
天然放射性同位素只有几十种，而人们利用原子反应堆和加速器生产的放射性同位素已达2_000多种．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒．( √ )
(2)放射性同位素P，既可以通过核反应人工获得，也可以从自然界中获得．( × )
二、探测射线的仪器和方法
[导学探究] 肉眼看不见射线，但是射线中的粒子与其他物质作用时的现象，会显示射线的存在．阅读课本，举出一些探测射线的方法．
答案 (1)射线使气体发生电离，使计数管电路中出现脉冲电流．
(2)射线使气体分子电离产生离子，过饱和汽以这些离子为核心凝结成一条雾迹．
(3)射线中的粒子使照相底片感光．
[知识梳理]
1．计数器
(1)原理：计数器的主要部分是计数管．射线进入管内，使管内气体发生一连串的电离，从而使计数管电路中出现一个相当强的脉冲电流．
(2)作用：记录粒子进入管的次数．
2．云室
(1)原理：射线使气体分子电离产生离子，过饱和汽以这些离子为核心凝结成一条雾迹．
(2)作用：显示粒子的径迹．
3．乳胶照相
(1)原理：高速运动的带电粒子能使照相底片感光．
(2)作用：记录粒子径迹．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)计数器非常灵敏，不仅可以计数，还可以区分射线的种类．( × )
(2)云室可以显示α粒子和β粒子的径迹．( √ )
(3)高速β粒子在云室中的径迹又短又粗而且是弯曲的．( × )
三、射线的应用及防护
[知识梳理]
1．射线的应用
(1)作为射线源
①检查物体内部情况，检查产品的密度和厚度．
②利用射线的生物效应，消灭害虫、杀菌消毒、治疗癌症等．
③利用射线的化学效应，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等．
(2)作为示踪原子
一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，而用放射性同位素制成的化合物，经历各种过程时会不断地放出射线，由此可以掌握它的踪迹．
2．放射性污染及其防护
(1)危害：过强的射线(包括电磁辐射)会对生物体造成危害．
(2)防护
①使用放射性物质时必须严格遵守操作规程，不准用手接触；
②废弃不用的放射性物质，应交有关部门处理，或者在指定地点深埋于地下，并远离水源．特别要注意防止放射性物质对空气、水源和食品的污染．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)现在用到射线时，既可以用人工放射性同位素，也可以用天然放射性物质．( × )
(2)用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期．( √ )
一、对核反应方程的再认识
例1 完成下列核反应方程，并说明哪些属于人工转变核反应，哪些属于衰变，及人工转变核反应和衰变有什么不同．
(1)N＋( )→O＋H
(2)Be＋He→C＋( )
(3)B＋He→( )＋n
(4)Al＋He→P＋( )，P→Si＋( )
(5)Li＋n→( )＋He
(6)Co＋( )→Co＋γ
(7)U→Th＋( )
(8)Th→Pa＋( )
答案 (1)N＋(He)→O＋H，人工转变核反应
(2)Be＋He→C＋(n)，人工转变核反应
(3)B＋He→(N)＋n，人工转变核反应
(4)Al＋He→P＋(n)，人工转变核反应
P→Si＋(e)，β衰变
(5)Li＋n→(H)＋He，人工转变核反应
(6)Co＋(n)→Co＋γ，人工转变核反应
(7)U→Th＋(He)，α衰变
(8)Th→Pa＋(e)，β衰变
人工转变核反应和衰变的比较见总结提升．
人工转变核反应与衰变的比较
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、探测射线的仪器和方法
1．计数器
当某种粒子经过管中时，管内气体分子电离，产生电子，这些电子到达阳极，正离子到达阴极，在外电路中产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来．
2．云室
(1)α粒子显示的径迹直而清晰
因为α粒子带电荷量多，它的电离本领强，穿越云室时，在1 cm路程上能使104对气体分子产生电离，过饱和酒精蒸气凝结在这些离子上，形成很清晰的径迹．且由于α粒子质量大，穿越云室时不易改变方向，所以显示的径迹很直．
(2)β粒子显示的径迹
β粒子的质量小，跟气体碰撞时容易改变方向，并且电离本领小，沿途产生的离子少，所以高速β粒子的径迹又细又直，低速β粒子的径迹又短又粗而且是弯曲的．
(3)γ射线的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹．
3．乳胶照相
高速粒子从胶片的乳胶层中通过时，会使其中的溴化银晶粒电离形成潜像，经显影和定影，便可显出粒子的径迹．
例2 (多选)用计数器测定放射源的放射强度为每分钟405次，若将一张厚纸板放在计数器与放射源之间，计数器几乎测不到射线.10天后再次测量，测得该放射源的放射强度为每分钟101次，则下列关于射线性质及它的半衰期的说法正确的是( )
A．放射源射出的是α射线
B．放射源射出的是β射线
C．这种放射性元素的半衰期是5天
D．这种放射性元素的半衰期是2.5天
答案 AC
解析 因厚纸板能挡住这种射线，可知这种射线是穿透能力最差的α射线，选项A正确，B错误；10天后测出放射强度为原来的四分之一，说明10天后放射性元素的原子核个数只有原来的四分之一，由半衰期公式知，经过了两个半衰期，故半衰期是5天．
针对训练 在云室中，关于放射源产生的射线径迹，下列说法中正确的是( )
A．由于γ射线的能量大，容易显示其径迹
B．由于β粒子的速度大，其径迹粗而且长
C．由于α粒子的速度小，不易显示其径迹
D．由于α粒子的电离作用强，其径迹直而清晰
答案 D
解析 在云室中显示粒子的径迹是由于粒子引起气体电离，电离作用强的α粒子容易显示其径迹，因α粒子质量较大，飞行时不易改变方向，所以α粒子的径迹直而清晰，故只有D正确．
三、放射性同位素的应用
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．做示踪原子——利用放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质．
4．医学上——利用γ射线的高能量治疗癌症．
例3 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，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像．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)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”“短”或“长短均可”)
答案 (1)O→N＋，＋→2γ (2)B (3)短
解析 (1)由题意得O→N＋，＋→2γ.(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，半衰期应该短．
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，也有部分是选取β射线的．
2．给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保存期一般选取γ射线．
3．使用射线时安全是第一位的．
1．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．自从发现放射线后，则可以利用放射线进行探测，这是利用了( )
A．原子核在α衰变中产生的He
B．β射线的带电性质
C．γ射线的穿透本领
D．放射性元素的示踪本领
答案 C
解析 γ射线的穿透本领较强，可以用来进行金属探伤，故正确答案为C.
2．(多选)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I的油，检测地下输油管的漏油情况
C．利用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穿透能力，所以选项A错误．利用含有放射性I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Co治疗肿瘤等疾病，利用了射线的穿透能力和高能量，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．
3．用α粒子照射充氮的云室，摄得如图1所示的照片，下列说法中正确的是( )
图1
A．A是α粒子的径迹，B是质子的径迹，C是新核的径迹
B．B是α粒子的径迹，A是质子的径迹，C是新核的径迹
C．C是α粒子的径迹，A是质子的径迹，B是新核的径迹
D．B是α粒子的径迹，C是质子的径迹，A是新核的径迹
答案 D
解析 α粒子的径迹是沿入射方向的．生成的新核径迹的特点是粗而短，根据以上特点可判断D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40多种，而今天人工制造的放射性同位素已达2 000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等许多方面得到了广泛的应用．
(1)带电的验电器在放射线的照射下电荷会很快消失，其原因是( )
A．射线的穿透作用 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2
图2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为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．
(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的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做____________．
答案 (1)B (2)β (3)示踪原子
解析 (1)因放射线的电离作用，空气中与验电器所带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，不能穿透厚度为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毫米厚的铝板和几毫米厚的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分布均匀的牛胰岛素的结晶，这就证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素完全融为一体，它们是同一种物质．这种把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可以知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易查明的情况或规律．人们把作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．
一、选择题(1～4题为单选题，5～7题为多选题)
1．利用威尔逊云室探测射线时能观察到短粗而弯曲的径迹，则下列说法正确的是( )
A．可知有α射线射入云室中
B．可知是γ射线射入云室中
C．观察到的是射线粒子的运动
D．观察到的是射线粒子运动路径上的酒精雾滴
答案 D
解析 因为威尔逊云室中观察到的短粗而弯曲的径迹是β射线的径迹，A、B选项均错误；射线粒子的运动肉眼是观察不到的，观察到的是酒精的过饱和蒸气在射线粒子运动路径上形成的雾滴，C选项错误，D选项正确．
2．医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是( )
A．示踪原子 B．电离作用
C．催化作用 D．贯穿作用
答案 A
解析 用14C标记C60来查明元素的行踪，发现可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是做示踪原子，故选项A正确．
3．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射线的穿透性可以为金属探伤，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
答案 D
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.
4．一个静止在磁场中的放射性同位素原子核P，放出一个正电子后变成原子核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，根据动量守恒定律知正电子和Si核运动方向一定相反，C、D可排除．由qvB＝m得，R＝，因为动量mv相等，故R∝，即＝＝，可见Si核的运动半径较小，选B.
5．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与其同位素具有相同的化学性质
C．用P制成化合物后它的半衰期变长
D．含有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；同位素具有相同的化学性质，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P制成化合物后它的半衰期不变，选项C错误；含有P的磷肥由于衰变，可记录磷的踪迹，所以选项D正确．
6．下列说法正确的是( )
A．通过核反应可以人工制造放射性同位素
B．现在用的射线都是利用的人工放射性同位素
C．人工制造的放射性同位素发出的射线对人体无害
D．人工制造的放射性同位素半衰期短，因此放射性废料容易处理
答案 ABD
7．联合国环境署对科索沃地区的调查表明，北约对南联盟进行的轰炸中，大量使用了贫铀炸弹．贫铀是从天然铀中提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫铀炸弹穿透能力是常规炸弹的9倍，杀伤力极大，而且其残留物长期危害环境．下列关于其残留物长期危害环境的理由正确的是( )
A．由于爆炸后的弹片存在放射性，会对环境产生长期危害
B．铀的半衰期很长
C．铀的半衰期很短
D．铀是易溶于水的有毒物质，人饮用溶有铀的水会中毒而亡
答案 AB
解析 贫铀炸弹爆炸后，弹片中仍含有半衰期很长的铀，故爆炸后的残留物仍会长时间对周围环境产生污染，故选A、B.
二、非选择题
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式的横线上．
(1)U―→Th＋________.
(2)Be＋He―→C＋________.
(3)Th―→Pa＋________.
(4)P―→Si＋________.
(5)U＋________―→Sr＋Xe＋10n.
(6)N＋He―→O＋________.
答案 (1)He (2)n (3)e (4)e (5)n (6)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(He)，同理确定其他粒子分别为：中子(n)，电子(e)，正电子(e)，中子(n)，质子(H)．
9．如图1所示是工厂利用射线自动控制铝板厚度的装置示意图．
图1
(1)请简述自动控制的原理；
(2)如果工厂生产的是厚度为2 mm的铝板，在α、β和γ三种射线中，哪一种对铝板的厚度控制起主要作用？为什么？
答案 见解析
解析 (1)射线具有穿透本领，如果向前移动的铝板的厚度有变化，则探测器接收到的射线的强度就会随之变化，将这种变化转变为电信号输入到相应的装置，使之自动地控制图中右侧的两个轮间的距离，达到自动控制铝板厚度的目的．
(2)β射线起主要作用，因为α射线的贯穿本领很小，穿不过2毫米的铝板；γ射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板，2毫米左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的γ射线强度几乎不发生变化；β射线的贯穿本领较强，能穿过几毫米厚的铝板，当铝板厚度发生变化时，透过铝板的β射线强度变化较大，探测器可明显地反映出这种变化，使自动化系统做出相应的反应．
第4章 从原子核到夸克
章末总结
一、识记物理学史
近代核物理的探索和发现从根本上把人们对物质世界的认识推进到了微观领域．因此对物理学史的考查也常从这里开始，如电子的发现、核式结构模型的建立、质子、中子的发现，是高考考查的重点和热点．
现总结如下：
1．汤姆生
电子的发现[第一大发现]→原子可以再分→汤姆生→“枣糕”式原子模型．
2．卢瑟福
(1)α粒子散射实验[第二大发现]→否定了汤姆生原子模型→卢瑟福原子模型(核式结构)→打开原子物理大门，初步建立了原子结构的正确图景，跟经典的电磁理论发生了矛盾．
(2)α粒子轰击氮原子核→发现了质子[第三大发现]．
3．玻尔
(1)核外电子绕核运动．
(2)原子光谱不连续→玻尔原子模型(能量量子化，能级跃迁假设，轨道量子化)[第四大发现]→成功解释了氢光谱的规律，不能解释比较复杂的原子．
4．贝可勒尔
天然放射现象[第五大发现]→原子核有复杂结构．
例1 (多选)下列说法中正确的是( )
A．玛丽·居里首先提出原子的核式结构模型
B．卢瑟福在α粒子散射实验中发现了质子
C．查德威克在原子核人工转变的实验中发现了中子
D．贝可勒尔发现原子核有复杂结构
答案 CD
解析 卢瑟福在α粒子散射实验中提出原子的核式结构模型，所以A、B错．据物理学史可知C、D正确．
二、半衰期及衰变次数的计算
1．半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间．
计算公式：N＝N0()n或m＝m0()n，
其中n＝，T为半衰期．
2．确定衰变次数的方法
(1)X→Y＋nHe＋me
根据质量数、电荷数守恒得
Z＝Z′＋2n－m
A＝A′＋4n
二式联立求解得α衰变次数n，β衰变次数m.
(2)根据α衰变和β衰变(β衰变质量数不变)直接求解．
例2 (多选)关于原子核的有关知识，下列说法正确的是( )
A．天然放射性射线中β射线实际就是电子流，它来自原子核内
B．放射性原子经过α、β衰变致使新的原子核处于较高能级，因此不稳定从而产生γ射线
C．氡222经过衰变变成钋218的半衰期为3.8天，一个氡222原子核四天后一定衰变为钋218
D．当放射性元素的原子核外电子具有较高能量时，将发生β衰变
答案 AB
解析 β衰变的实质是原子核中的一个中子转化成一个质子，产生一个电子，这个电子以β射线的形成释放出去，衰变后的新核处于较高能级，不稳定，向低能级跃迁时放出γ射线，A、B正确，D错误．因为半衰期是统计规律，对单个原子核没有意义，所以C项错．
图1
针对训练 放射性元素U衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成Bi，而Bi可以经一次衰变变成X(X代表某种元素)，也可以经一次衰变变成Tl，X和Tl最后都变成
Pb，衰变路径如图1所示．则( )
A．a＝82，b＝211
B.Bi→X是β衰变，Bi→Tl是α衰变
C.Bi→X是α衰变，Bi→Tl是β衰变
D.Tl经过一次α衰变变成Pb
答案 B
解析 由Bi→X，质量数不变，说明发生的是β衰变，同时知a＝84.由Bi→Tl，核电荷数减2，说明发生的是α衰变，同时知b＝206，由Tl→Pb发生了一次β衰变，故选B.
三、原子核物理与动量、能量相结合的综合问题
1．核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒、电荷数守恒、动量守恒、能量守恒．
2．核反应过程若在磁场中发生，粒子在匀强磁场中可能做匀速圆周运动，衰变后的新核和放出的粒子(α粒子、β粒子)形成外切圆或内切圆．
例3 足够强的匀强磁场中有一个原来静止的氡核Rn，它放射出一个α粒子后变为Po核．假设放出的α粒子运动方向与磁场方向垂直，求：
(1)α粒子与Po核在匀强磁场中的轨迹圆的半径之比，并定性画出它们在磁场中运动轨迹的示意图．
(2)α粒子与Po核两次相遇的时间间隔与α粒子运动周期的关系；(设质子和中子质量相等)
(3)若某种放射性元素在匀强磁场中垂直磁场方向发生β衰变，则β粒子和反冲核在磁场中运动轨迹的示意图与上述α衰变运动轨迹示意图有何不同？
答案 (1)42∶1 见解析图 (2)Δt＝109Tα
(3)见解析图
解析 (1)氡核经α衰变的核反应方程为86Rn→84Po＋He，
衰变的过程极短，故系统动量守恒．设α粒子速度方向为正，则由动量守恒定律得：0＝mαvα－mPovPo，
即mαvα＝mPovPo
α粒子与反冲核在匀强磁场中，洛伦兹力提供其做匀速圆周运动的向心力，即qvB＝m，r＝∝，
故＝＝＝，示意图如图甲所示．
(2)它们在磁场中运动的周期T＝＝∝，它们的周期之比为＝·＝·＝，
即109Tα＝84TPo，这样，α粒子转109圈，Po核转84圈，两者才相遇．所以α粒子与Po核两次相遇的时间间隔Δt＝109Tα.
(3)若放射性元素在匀强磁场中垂直磁场方向发生β衰变，则β粒子和反冲衰变过程仍符合动量守恒定律，它们
也在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，但由于β粒子带负电，反冲核带正电，衰变时它们两个运动方向相反，但受的洛伦兹力方向相同，所以它们的轨迹圆是内切的，且β粒子的轨迹半径大于反冲核的轨迹半径，其运动轨迹的示意图如图乙所示．
1．氪90(Kr)是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90(Zr)，这些衰变是( )
A．1次α衰变，6次β衰变
B．4次β衰变
C．2次α衰变
D．2次α衰变，2次β衰变
答案 B
解析 解法一 推理计算法
根据衰变规律，β衰变不影响核的质量数，发生一次β衰变，核电荷数增加1；发生一次α衰变，质量数减少4，核电荷数减少2，Kr衰变为Zr，质量数不变，故未发生α衰变；核电荷数增加4，一定是发生了4次β衰变．
解法二 列方程求解
设Kr衰变为Zr，经过了x次α衰变，y次β衰变，则有Kr→Zr＋xHe＋ye
由质量数守恒得90＝90＋4x
由电荷数守恒得36＝40＋2x－y
解得x＝0，y＝4，即只经过了4次β衰变，选项B正确．
2．一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m.那么下列说法中正确的是( )
A．经过两个半衰期后，这块矿石中基本不再含有铀了
B．经过两个半衰期后，原来所含的铀元素的原子核有发生了衰变
C．经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩
D．经过一个半衰期后，该矿石的质量剩下
答案 C
解析 经过两个半衰期后，铀元素的质量还剩，A、B项均错误；经过三个半衰期后，铀元素还剩，C项正确；铀衰变后，铀核变成了新的原子核，故D项错误．
3．(多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是( )
A．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
答案 ACD
4．在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个α粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图2所示)，今测得两个相切圆半径之比r1∶r2＝1∶44.求：反冲核的电荷数是多少？(已知新核电荷量大于α粒子电荷量)．
图2
答案 88
解析 原子核放出α粒子的过程动量守恒，由于初始动量为零，所以末态动量也为零，α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反，即p1＝p2＝p
α粒子和反冲核在磁场中均做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力，qvB＝m，解得r＝，可知粒子运动的半径大小与其所带的电荷量成反比，则2是α粒子的运动轨迹，1是新核的运动轨迹．
所以α粒子的半径：r2＝
设反冲核的电荷量为Q，则反冲核的半径：r1＝
所以：＝＝，Q＝88e.
即反冲核的电荷数是88.
