高中物理粤教版选修3-5学案 第四章+第三节+放射性同位素+Word版含解析

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，这个过程叫作核反应。在此过程中所放出或吸收的能量叫作反应能。
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，叫作放射性同位素。
3．工业上利用γ射线的穿透性来检查金属内部的伤痕，即所谓无损的γ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作示踪原子。
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，叫作放射性同位素。
(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。
①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 1 000 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。
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α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：Al＋He→P＋n。
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
解析：选AB　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。
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。
①利用放出的γ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γ探伤。
②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。
③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。
④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。
⑤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作示踪原子。
①农业上探测农作物对肥料的吸收情况。
②工业上检测机件的磨损情况。
③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。
①地质和考古工作中，推断地层或古代文物的年代。
②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γ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．[多选]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
解析：选BC　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γ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。
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2.3×107 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vB＝1×106 m/s，B的质量是中子质量的11倍，B、C所带电荷量之比qB∶qC＝5∶2。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
mv0＝mBvB＋mCvC
即mv0＝11mvB＋4mvC
可解得vC＝＝3×106 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qB∶qC＝5∶2，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
N＋n→He＋B。
[答案]　(1)3×106 m/s　(2)氦核
(3)N＋n→He＋B
(1)人工转变、核反应过程遵守三个守恒：
①质量数守恒。
②电荷数守恒。
③粒子的总动量守恒。
依据①、②可正确书写核反应方程。依据③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。
1．1930年发现，在真空条件下用α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α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)Be＋He―→n＋6C。
(2)根据动量守恒定律，有mnv0＝－mnv1＋12mnv2，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)Be＋He―→n＋C　(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α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起主要作用的是________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)α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，γ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，β射线也能穿透几厘米厚的铝板，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)β　(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。α射线穿透本领最弱，不能穿透1 mm的铝板， β射线穿透本领较强，能穿透几毫米的铝板， γ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．[多选]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：选AC　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。
一、选择题(第1～5题为单选题，第6～8题为多选题)
1．治疗肿瘤的放射源必须满足：①放射线具有较强的穿透力，以辐射到体内的肿瘤处；②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210
α
138天
锝99
γ
6小时
钴60
γ
5年
锶90
β
28年
A.钋210　　　　　　　　 B．锝99
C．钴60 D．锶90
解析：选C　γ射线具有较强的穿透力，可以辐射到体内的肿瘤处，α、β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，C对。
2．最近几年，原子核科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展，科学家们在研究某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现生成的超重元素的核X经过6次α衰变后的产物是Fm。由此可以判定生成的超重元素的原子序数和质量数分别是(　　)
A．24,259 B．124,265
C．112,265 D．112,277
解析：选D　α粒子的质量数和电荷数分别是4和2，故生成的超重元素的电荷数即原子序数等于6×2＋100＝112。质量数等于6×4＋253＝277。
3．某种元素具有多种同位素，下列正确反映这些同位素的质量数A与中子数N关系的图是(　　)
解析：选B　质量数等于质子数与中子数之和，因此当中子数N增多时，质量数A也会增大，因此A、D错误；因为氢原子中只有一个质子，无中子，也就是中子数N为零时，质量数A不为零，因此B正确，C错误。
4．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(　　)
A．S B．Q
C．P D．R
解析：选A　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。
5．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．α射线的电离本领 B．β射线的带电性质
C．γ射线的贯穿本领 D．放射性元素的示踪本领
解析：选C　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，γ射线的贯穿本领最强，可以用来金属探伤。
6．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：选AD　U能发生衰变，其衰变方程为U→Th＋He，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。
7．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：选BD　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。
8．(山东高考)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
解析：选AC　古木样品中14C的比例是现代植物所制样品的二分之一，根据半衰期的定义知该古木的年代距今约5 700年，选项A正确。同位素具有相同的质子数，不同的中子数，选项B错误。14C的衰变方程为6C→7N＋e，所以此衰变过程放出β射线，选项C正确。放射性元素的半衰期与核内部自身因素有关，与原子所处的化学状态和外部条件无关，选项D错误。
二、非选择题
9．1919年卢瑟福用α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α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α粒子运动的径迹相同(电场方向和质子、α粒子运动径迹所在平面平行)。求：质子和α粒子进入电场时的动能之比是多少？
解析：(1)N＋He―→O＋H。
(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，垂直于电场方向的位移为x，则有y＝·()2＝。①
又因为质子和α粒子的径迹相同，即通过相同的x，沿电场方向的位移y相同。即yH＝yα
由①式得＝得＝＝。
答案：(1)N＋He―→O＋H　(2)
10.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三种射线的射线源，从射线源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图所示，在与射线源距离为H高处，水平放置两张叠放着的、涂药面朝下的印相纸(比一般纸厚且涂有感光药的纸)，经射线照射一段时间后两张印相纸显影。
(1)上面的印相纸有几个暗斑？各是什么射线的痕迹？
(2)下面的印相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？(已知mα＝4u，mβ＝ u，vα＝，vβ＝0.9c)
解析：(1)因α粒子贯穿本领弱，穿过下层纸的只有β、γ射线，β、γ射线在上面的印相纸上留下两个暗斑。
(2)下面印相纸从左向右依次是β射线、γ射线、α射线留下的暗斑。设α射线、β射线暗斑到中央γ射线暗斑的距离分别为sα、sβ则
sα＝aα·()2，sβ＝aβ·()2，
aα＝，aβ＝。
由以上四式得＝ 。
(3)若使α射线不偏转，qαE＝qαvα·Bα，所以Bα＝，同理若使β射线不偏转，应加磁场Bβ＝，
故＝＝9∶1。
答案：(1)两个暗斑　β射线、γ射线　(2)3∶136
(3)9∶1