第三节 放射性同位素
[学习目标] 1.知道什么是核反应，能够熟练写出核反应方程．(重点)2.知道放射性同位素和人工放射性同位素及其核反应方程．(难点)3.了解放射性在生产和科学领域的应用.4.知道射线的危害及防护．
一、核反应
1．定义：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：核反应中所放出或吸收的能量叫做反应能．
3．两个典型的核反应方程
(1)质子的发现：N＋He→O＋H.
(2)中子的发现：Be＋He→C＋n.
二、放射性同位素及其应用
1．放射性同位素
(1)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)具有放射性的同位素，叫做放射性同位素．
(3)发现正电子的核反应方程
Al＋He→P＋n
P→Si＋e＋ν.
ν代表中微子，它是一种中性粒子，质量近似为零．
2．放射性同位素的应用
放射性同位素的应用主要分为三类：
(1)射线的应用；
(2)示踪原子的应用；
(3)半衰期的应用．
3．放射线的危害及防护
(1)危害
人体受到长时间大剂量的射线照射，就会使细胞、组织、器官受到损伤，破坏人体DNA分子结构，有时甚至会引发癌症，或者造成下一代遗传上的缺陷，过度照射时，人常常会出现头痛、四肢无力、贫血等多种症状，重者甚至死亡．
(2)防护
辐射防护的基本方法有时间防护、距离防护和屏蔽防护．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．
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)无论是核衰变还是其他核反应，方程两边总的质量数和电荷数是守恒的． (√)
(2)核反应方程遵守质量数守恒，即核反应过程中，质量不变化．
(×)
(3)利用示踪原子来推断地层或古代文物的年代． (×)
(4)可以利用放射性同位素的射线进行无损探伤，生物育种等．
(√)
(5)医学上做射线治疗用的放射性元素，应选半衰期长的． (×)
2．(多选)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，下列说法正确的是( )
A．x为α粒子 B．y为α粒子
C．y为电子 D．z为中子
BD [根据质量数守恒和电荷数守恒可以确定x为质子H，y为He即α粒子，z为中子n.]
3．(多选)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．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
BD [同位素有相同的质子数，不同的中子数，所以选项A错误；半衰期与元素所处的化学状态没有关系，P制成化合物后它的半衰期不变，选项C错误．]
核反应及核反应方程的书写
1.对核反应的认识
(1)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)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．
(3)遵循规律：反应前、后电荷数和质量数守恒．
2．常见的人工转变核反应
(1)卢瑟福发现质子N＋He→O＋H.
(2)查德威克发现中子Be＋He→C＋n.
(3)居里夫妇人工制造同位素He＋Al→P＋n.
P具有放射性，自发地放出正电子(e)，与天然放射现象遵循相同的规律，衰变方程：P→Si＋e＋ν.
3．书写核反应方程时的注意事项
(1)核反应指的是在原子核内部核子数发生相应的变化，而化学反应指的是在原子核外最外层电子数发生变化，二者存在本质的不同．
(2)核反应过程一般都不是可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接．
(3)核反应的生成一定要以实验事实为基础，不能依据两个守恒规律杜撰出生成物与核反应方程．
(4)核反应遵循质量数守恒，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)且释放出核能．
【例1】 1993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Pt.制取过程如下：
(1)用质子轰击铍靶Be产生快中子；
(2)用快中子轰击汞Hg，反应过程可能有两种：
①生成Pt，放出氦原子核；
②生成Pt，同时放出质子、中子．
(3)生成的Pt发生两次衰变，变成稳定的原子核汞Hg.
写出上述核反应方程．
[解析] 根据质量数守恒、电荷数守恒，确定新生核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程：
(1)Be＋H→B＋n.
(2)①Hg＋n→Pt＋He.
②Hg＋n→Pt＋2H＋n.
(3)Pt→Au＋e，
Au→Hg＋e.
[答案] 见解析
书写核反应方程的四条重要原则
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．能量守恒(中学阶段不作要求)；
4．核反应必须是实验中能够发生的．
1．(1)完成下列核反应方程：
A.He＋B→N＋________
B.He＋Na→________＋H
C.He＋Be→6C＋________
D.He＋Al→P＋________
(2)在(1)的四个方程中，发现中子的核反应方程是________，发现放射性同位素的方程是________．
[解析] (1)由核反应的规律：质量数、电荷数守恒可以判断A、C、D选项中的三个核反应生成物中都有中子．而B项中的核反应的生成物应为Mg.
(2)查德威克发现中子的核反应方程为C，约里奥—居里夫妇发现放射性同位素的核反应方程为D.
[答案] (1)n Mg n n (2)C D
放射性同位素及其应用
1.放射性同位素分类
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．
【例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)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________．(选填“长”“短”或“长短均可”)
[解析] (1)由题意得O→N＋e，e＋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，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，所以它的用途为作为示踪原子．B正确．
(3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，半衰期应该很短．
[答案] (1)O→N＋e，e＋e→2γ
(2)B (3)短
放射性同位素应用的两点提醒
1．利用它的射线：α射线的电离作用，γ射线的贯穿本领和生物作用，β射线的贯穿本领．
2．作为示踪原子：多数情况下用β射线，因为γ射线难以探测到．
2．(多选)放射性同位素被广泛应用，下列说法正确的是( )
A．放射性同位素的半衰期都比较短，对环境的危害较小
B．放射性同位素能够消除静电是因为其发出的γ射线
C．用放射性同位素参与化学反应可以起到示踪的作用
D．放射性同位素可以作为核燃料进行发电
AC [放射性同位素的半衰期都比较短，衰变的快，对环境的危害较小，A选项正确；α射线能使空气分子电离成导体，能够消除静电，γ射线的电离本领较小，穿透本领强，B选项错误；根据放射性同位素的应用可知，用放射性同位素参与化学反应可以起到示踪的作用，C选项正确；放射性的同位素大多是人工合成的同位素，成本高，存在量较少，不能作为核燃料进行发电，D选项错误．]
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应.
2.在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒.
3.1934年，约里奥·居里夫妇发现了人工放射性同位素.
4.放射性同位素有很多应用，如应用它的射线，或把它作为示踪原子；放射性同位素也有很多危害．过量的射线对人体组织有破坏作用，同时对水源、空气等也有污染.
1．美国医生用123I对老布什总统诊断，使其很快恢复健康，123I的特性是( )
A．半衰期长，并迅速从体内清除
B．半衰期长，并缓慢从体内清除
C．半衰期短，并迅速从体内清除
D．半衰期短，并缓慢从体内清除
C [在人体内作为示踪原子应该是半衰期短，并能迅速从体内消除的元素，以减小危害和遗留．]
2．(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子 ( )
A．γ射线探伤仪
B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
C．利用钴60治疗肿瘤等疾病
D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律
BD [A是利用了γ射线的穿透性；C利用了γ射线的生物作用；B、D是利用示踪原子．]
3．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然放射性同位素只不过40几种，而今天人工制造的同位素已达1 000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广泛应用．
(1)如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，如工厂生产的是厚度为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．
(2)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结晶是同一物质，为此曾采用放射性同位素碳14作________．
[解析] (1)β射线起主要作用，因为α射线的贯穿本领很小，一张薄纸就能把它挡住，更穿不过1 mm的铝板；γ射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板，1 mm左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的γ射线强度变化不大；β射线的贯穿本领较强，能穿过几毫米的铝板，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．
(2)把掺入碳14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，得到了放射性碳14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．把这种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，从而可了解某些不容易查明的情况或规律，人们把这种用途的放射性同位素叫作示踪原子．
[答案] (1)β (2)示踪原子
课件43张PPT。第四章 原子核第三节 放射性同位素轰击核反应新的质子数近似为零．中性粒子中微子放射性同一中子数射线半衰期示踪原子细胞贫血头痛DNA组织时间屏蔽距离√××√×点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十四)
(时间：45分钟 分值：100分)
[基础达标练]
一、选择题(本题共6小题，每小题6分)
1．关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是( )
A．利用γ射线使空气电离，消除静电
B．利用α射线照射植物的种子，使产量显著增加
C．利用α射线来治疗肺癌、食道癌等疾病
D．利用放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，可以作为示踪原子
D [利用放射线消除有害静电是利用α射线的电离性，使空气分子电离成导体，将静电放出，故A错误；利用γ射线照射植物的种子，使产量显著增加，故B错误；利用γ射线来治疗肺癌、食道癌等疾病，故C错误；根据放射性同位素的应用可知，用放射性同位素参与化学反应可以起到示踪的作用，故D正确；]
2．铝箔被α粒子轰击后，发生的核反应方程为Al＋He→X＋n.方程中X的中子数为( )
A．15 B．16
C．30 D．31
A [根据电荷数守恒、质量数守恒知，27＋4＝A＋1；13＋2＝Z，解得：A＝30，Z＝15；故说明核子数为30，而质子数为15，故中子数n＝30－15＝15；故A正确，B、C、D错误．]
3．某原子核有N个核子，其中中子n个，当该核俘获一个中子后，相继放出一个α粒子和β粒子，变成一个新核，该新核( )
A．核子数是(N－4)个
B．质量数是(N＋1)
C．有质子(N－n－2)个
D．有中子(n－2)个
D [α衰变生成氦原子核，质子数减少2个，质量数减少4个，所以中子数减少2个；β衰变生成负电子，质子数增加1个，是因为一个中子转化成质子而释放出的电子，中子数减少1个，该核俘获1个中子后，放出1个α粒子，中子数减少2个，放出1个β粒子，中子数减少1个，所以这个新核有(n－2)个中子，原子核内有N个核子，该核俘获1个中子后，放出1个α粒子，质量数减少4个，放出1个β粒子，质量数不变，所以这个新核核子数是(N－3)，故A、B、C错误，D正确；]
4．(多选)有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寿命电池的材料，利用镍63发生β衰变时释放电子给铜片，把镍63和铜片作电池两极，外接负载为负载提供电能．下面有关该电池的说法正确的是( )
A．镍63的衰变方程是Ni→Cu＋e
B．镍63的衰变方程是Ni→Cu＋e
C．外接负载时镍63的电势比铜片高
D．该电池内电流方向是从镍片到铜片
AC [镍63的衰变方程为Ni→e＋Cu，选项A对，B错．电流方向为正电荷定向移动方向，在电池内部电流从铜片到镍片，镍片电势高，选项C对，D错．]
5．(多选)下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是( )
A．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
B．把含有放射性元素的肥料施给农作物，利用探测器的测量，找出合理的施肥规律
C．利用射线探伤法检查金属中的砂眼和裂纹
D．给怀疑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
ABD [根据放射性同位素的特征分析可知，利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况，是利用碘131的放射性，将碘131作为示踪原子，A选项正确；把含有放射性元素的肥料施给农作物，利用探测器的测量，找出合理的施肥规律，是示踪原子的运用，B选项正确；利用射线探伤法检查金属中的砂眼和裂纹，是利用γ射线穿透能力强，不是示踪原子的运用，C选项错误；给怀疑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，D选项正确．]
6．关于天然放射现象，下列说法中正确的是( )
A．β衰变证明原子核里有电子
B．某原子核经过一次α衰变，核内中子数减少2个
C．放射性物质的温度升高，其半衰期将缩短
D．γ射线的电离作用很强，可用来消除有害静电
B [β衰变时，原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子，释放出来的电子就是β粒子，β衰变不能证明电子是原子核的组成部分，故A错误．某放射性元素经过1次α衰变质量数减少4，核电荷数减少2，根据质量数守恒和电荷数守恒得知，中子数减少2，故B正确．半衰期是由原子核自身决定的，与温度无关，所以升高放射性物质的温度，不能缩短其半衰期，故C错误．γ射线的电离作用很弱，不能用来消除有害静电，故D错误．]
二、非选择题(14分)
7．一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，画出反映正电子和Si核的轨迹示意图．
[解析] 把放出的正电子和衰变生成物Si核看成一个系统，衰变过程中系统的动量守恒，放出的正电子的运动方向跟Si核运动方向一定相反．由于它们都带正电荷，在洛伦兹力作用下一定形成两个外切圆的轨道．因为有洛伦兹力作为向心力，即qvB＝m.所以做匀速圆周运动的半径为r＝.衰变时，放出的正电子与反冲核Si的动量大小相等，因此在同一个磁场中做圆周运动的半径与它们的电荷量成反比，即＝＝.可见正电子运动的圆半径较大．故其示意图应为.
[答案] 见解析图
[能力提升练]
一、选择题(本题共4小题，每小题6分)
1．1998年9月23日，铱卫星通讯系统在美国和欧洲正式投入商业运行．原计划的铱卫星系统是在距地球表面780 km的太空轨道上建立的一个由77颗小卫星组成的星座，这些小卫星均匀分布在覆盖全球的7条轨道上，每条轨道上有11颗卫星．由于这一方案的卫星排列与化学元素铱原子核外77个电子围绕原子核运动的图景类似，所以简称为铱星系统．自然界中有两种铱的同位素，质量数分别为191和193，则( )
A．这两种同位素的原子核内的中子数之比为191∶193
B．这两种同位素的原子核内的中子数之比为57∶58
C．这两种同位素的质子数之比为191∶193
D．这两种同位素的质子数之比为57∶58
B [铱为77号元素，其质子数为77，则中子数为191－77＝114，193－77＝116，则中子数之比为114∶116＝57∶58，A错误，B正确；同位素质子数相同，C、D错误．]
2．(多选)2000年8月21日，俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇在巴伦支海遇难，沉入深度约为100 m的海底．“库尔斯克”号核潜艇的沉没再次引起人们对核废料与环境问题的重视．几十年来人们向以巴伦支海海域倾倒了不少核废料，核废料对海洋环境有严重的污染作用．其原因是( )
A．铀、钚等核废料有放射性
B．铀、钚等核废料的半衰期很长
C．铀、钚等重金属有毒性
D．铀、钚等核废料会造成爆炸
ABC [铀、钚等核废料有放射性，射线有危害，A选项正确；铀、钚等核废料的半衰期很长，短期内很难消失，B选项正确；铀、钚等是重金属，重金属都有毒性，C选项正确；铀、钚等核废料不会造成爆炸，D选项错误．]
3．(多选)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＋n→Si
B．质子撞铝原子核的过程动量守恒
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
BD [由核反应中电荷数和质量数守恒可知A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C选项错误，B、D选项正确．]
4．某校学生在进行社会综合实践活动时，收集列出了一些放射性同位素的半衰期和可供利用的射线(见下表)，并总结出它们的几种用途．
同位素
放射线
半衰期
同位素
放射线
半衰期
同位素
放射线
半衰期
钋210
α
138天
锶90
β
28年
钴60
γ
5年
镅241
β
433天
锝99
γ
6小时
氡
α
3.8天
根据上表请你分析判断下面结论正确的是( )
A．塑料公司生产聚乙烯薄膜，方法是让较厚的聚乙烯膜通过轧辊后变薄，利用α射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀
B．钴60的半衰期为5年，若取4个钴60原子核，经10年后就一定剩下一个原子核
C．把放射性元素钋210掺杂到其他稳定元素中，放射性元素的半衰期发生变化
D．用锝99可以作示踪原子，用来诊断人体内的器官是否正常．方法是给被检查者注射或口服附有放射性同位素的元素的某些物质，当这些物质的一部分到达到检查的器官时，可根据放射性同位素的射线情况分析器官正常与否
D [因为α射线不能穿透薄膜，无法测量薄膜的厚度，所以A不正确；钴60的半衰期为5年是指大量钴60原子核因衰变而减少到它原来数目的一半所需要的时间，因此B、C错误；检查时，要在人体外探测到体内辐射出来的射线，而又不能让放射性物质长期留在体内，所以应选取锝99作为放射源，D正确．]
二、非选择题(本题共2小题，共26分)
5．(13分)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，还观察到了正电子．正电子的质量跟电子的质量相同，跟电子的电性正好相反，带一个单位的正电荷，是电子的反粒子．更意外的是，拿走α粒子放射源以后，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放出正电子的核衰变方程；
(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)正β衰变过程质量数、电荷数守恒，P放出正电子的核衰变方程为P→Si＋e，可见正β衰变后新核质量数不变，电荷数减1.
(2)原子核内只有质子和中子，没有电子，也没有正电子，正β衰变是原子核内的一个质子转换成一个中子，同时放出一个正电子，其衰变方程为H→e＋n.
[答案] 见解析
6．(13分)静止的锂核(Li)俘获一个速度为7.7×106 m/s的中子，发生核反应后若只产生两个新粒子，其中一个粒子为氦核(He)，它的速度大小是8.0×106 m/s，方向与反应前的中子速度方向相同．
(1)写出此核反应的方程式；
(2)求反应后产生的另一个粒子的速度大小及方向．
[解析] (1)Li＋n→He＋H.
(2)用m1、m2和m3分别表示中子(n)、氦核(He)和氚核(H)的质量，由动量守恒定律得：
m1v1＝m2v2＋m3v3
代入数值解得v3＝－8.1×106 m/s
即反应后生成的氚核的速度大小为8.1×106 m/s，方向与反应前中子的速度方向相反．
[答案] (1)Li＋n→He＋H (2)8.1×106 m/s 方向与反应前中子的速度方向相反
