2017-2018學(xué)年高中物理 第3章 原子核與放射性 3 放射性的應(yīng)用與防護學(xué)案 魯科版選修3-5

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1、 第3節(jié)　放射性的應(yīng)用與防護 [目標(biāo)定位]　1.知道放射性同位素，了解放射性的應(yīng)用.2.知道放射性污染及其對人類和自然產(chǎn)生的嚴(yán)重危害及防護措施． 一、放射性的應(yīng)用 1．利用射線的電離作用、穿透能力等特點 (1)利用放射線使細(xì)胞變異或損害的特點，輻射育種、食品輻射保存、放射性治療等． (2)放射性同位素電池：把放射性同位素衰變時釋放的能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置． (3)γ射線探傷：利用了γ射線穿透能力強的特點． 2．作為示蹤原子 作為示蹤原子對有關(guān)生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能進行研究． 二、放射性污染和防護 1．放射性的污染 (1)核爆炸：核爆炸產(chǎn)生強烈的γ射線和中子流，對人體和

2、其他生物體有很強的殺傷作用；還產(chǎn)生大量的放射性物質(zhì)，對生物體和環(huán)境產(chǎn)生長期的輻射． (2)核泄漏：核泄漏會使現(xiàn)場人員受到輻射性損傷，對周圍地區(qū)造成嚴(yán)重污染． (3)醫(yī)療照射：醫(yī)療照射中如果放射線的劑量過大，也會導(dǎo)致病人受到損害，甚至造成病人的死亡． 2．放射性的防護 (1)密封防護：把放射源密封在特殊的包殼里，或者用特殊方法覆蓋，以防止放射線泄漏． (2)距離防護：距放射源越遠(yuǎn)，人體吸收放射線的劑量就越少，受到的危害就越?。? (3)時間防護：盡量減少受輻射時間． (4)屏蔽防護：在放射源與人體之間加屏蔽物能起到防護作用. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、放射性

3、的應(yīng)用 1．放射性同位素的分類 (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優(yōu)點 (1)放射強度容易控制．(2)可以制成各種所需的形狀．(3)半衰期很短，廢料容易處理． 3．放射性同位素的主要作用 (1)工業(yè)部門使用射線測厚度——利用γ射線的穿透特性． (2)農(nóng)業(yè)應(yīng)用——γ射線使種子的遺傳基因發(fā)生變異，殺死腐敗細(xì)菌、抑制發(fā)芽延長保質(zhì)期等． (3)作為示蹤原子——利用放射性同位素與非放射性同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)． (4)醫(yī)學(xué)上：利用γ射線的高能量治療癌癥． 【例1】　(多選)下列哪些應(yīng)用是把放射性同位素作為示蹤原子的(　　) A．γ射線探傷儀

4、B．利用含有放射性碘131的油，檢測地下輸油管的漏油情況 C．利用鈷60治療腫瘤等疾病 D．把含有放射性元素的肥料施給農(nóng)作物，用檢測放射性的辦法確定放射性元素在農(nóng)作物內(nèi)轉(zhuǎn)移和分布情況，找出合理施肥的規(guī)律 答案　BD 解析　A利用了γ射線的穿透性；C利用了γ射線的高能量和穿透性；B、D是利用示蹤原子． 借題發(fā)揮　利用放射性同位素作示蹤原子：一是利用了它的放射性，二是利用放射性同位素放出的射線． 針對訓(xùn)練　關(guān)于放射性同位素的應(yīng)用，下列說法中正確的是(　　) A．利用射線可以改變布料的性質(zhì)，使其不再因摩擦而生電，從而達(dá)到消除有害靜電的目的 B．利用γ射線的貫穿性可以為金屬探傷，也可以

5、進行人體的透視 C．利用射線照射作物種子可使其DNA發(fā)生變異，其結(jié)果一定是更優(yōu)秀的品種 D．利用γ射線治療腫瘤時一定要嚴(yán)格控制劑量，以免對人體正常組織造成太大的傷害 答案　D 解析　利用射線消除有害靜電是利用射線的電離作用，使空氣分子電離，將靜電導(dǎo)走，選項A錯誤；γ射線對人體細(xì)胞傷害太大，不能用來進行人體透視，選項B錯誤；作物種子發(fā)生的DNA突變不一定都是有益的，還要經(jīng)過篩選才能培育出優(yōu)良品種，選項C錯誤；利用γ射線治療腫瘤對人體肯定有副作用，因此要科學(xué)地控制劑量，選項D正確． 二、核反應(yīng)及核反應(yīng)方程 1．核反應(yīng)的條件：用α粒子、質(zhì)子、中子，甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變．

6、 2．核反應(yīng)的實質(zhì)：用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開，而是粒子打入原子核內(nèi)部使核發(fā)生了轉(zhuǎn)變． 3．原子核人工轉(zhuǎn)變的三大發(fā)現(xiàn) (1)1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)： N＋He―→O＋H (2)1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)： Be＋He―→C＋n (3)1934年約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)：Al＋He―→P＋n；P―→Si＋　0＋1e. 4．人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)與衰變的比較 (1)不同點：人工轉(zhuǎn)變是其他粒子與原子核相碰撞的結(jié)果，需要一定的裝置和條件才能發(fā)生；而衰變是原子核的自發(fā)變化，它不受物理、化學(xué)條件的影響． (2)相同點：人工轉(zhuǎn)變與衰變

7、過程一樣，在發(fā)生過程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒，反應(yīng)前后粒子總動量守恒． 【例2】　完成下列各核反應(yīng)方程，并指出哪個核反應(yīng)是首次發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子和正電子的． (1)B＋He―→N＋(　　) (2)Be＋(　　)―→C＋n (3)Al＋(　　)―→Mg＋H (4)N＋He―→O＋(　　) (5)Al＋He―→n＋(　　)；P―→Si＋(　　) 答案　見解析 解析　(1)B＋He―→N＋n (2)Be＋He―→C＋n 此核反應(yīng)使查德威克首次發(fā)現(xiàn)了中子． (3)Al＋n―→Mg＋H (4)N＋He―→O＋H 此核反應(yīng)使盧瑟福首次發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子． (5)Al＋He―→n＋P； P―

8、→Si＋e(正電子) 此核反應(yīng)使約里奧·居里夫婦首次發(fā)現(xiàn)了正電子． 借題發(fā)揮　寫核反應(yīng)方程的原則 (1)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒． (2)中間用箭頭，不能寫成等號，因兩端僅僅是質(zhì)量數(shù)守恒，沒有體現(xiàn)質(zhì)量相等；也不能僅畫一橫線，因箭頭的方向還表示反應(yīng)進行的方向． (3)能量守恒，但中學(xué)階段不作要求． (4)核反應(yīng)必須是實驗?zāi)軌虬l(fā)生的，不能毫無根據(jù)地隨意亂寫未經(jīng)實驗證實的核反應(yīng)方程． 【例3】　1993年，中國科學(xué)院上海原子核研究所制得了一種新的鉑元素的同位素Pt，制取過程如下：(1)用質(zhì)子轟擊鈹靶Be產(chǎn)生快中子；(2)用快中子轟擊汞Hg，反應(yīng)過程可能有兩種：①生成Pt，放出氦原子核；②

9、生成Pt，同時放出質(zhì)子、中子．(3)生成的鉑Pt發(fā)生兩次衰變，變成穩(wěn)定的原子核汞Hg.寫出上述核反應(yīng)方程． 答案　見解析 解析　根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒，確定新生核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，然后寫出核反應(yīng)方程，如下： (1)Be＋H→B＋n (2)①Hg＋n→Pt＋He ②Hg＋n→Pt＋2H＋n (3) Pt→Hg＋2　0－1e 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 核反應(yīng)方程的書寫 1．(多選)下列核反應(yīng)或核衰變方程中，符號“X”表示中子的是(　　) A.Be＋He―→C＋X B.N＋He―→O＋X C.Hg＋n―→Pt＋2H＋X D.U―→Np＋X 答案　A

10、C 解析　根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得，A、C對． 2．下面是四個核反應(yīng)方程，x表示質(zhì)子的是(　　) A.P→Si＋x B.U→Th＋x C.Al＋n→Mg＋x D.Al＋He→P＋x 答案　C 解析　由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可得C中x的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為1，所以C項中x為質(zhì)子． 放射性同位素的應(yīng)用 3．用人工方法得到放射性同位素，這是一個很重要的發(fā)現(xiàn)，天然的放射性同位素只不過40多種，而今天人工制造的放射性同位素已達(dá)1 000多種，每種元素都有放射性同位素．放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學(xué)研究的許多方面得到了廣泛的應(yīng)用． (1)帶電的驗電器在放射

11、線照射下電荷會很快消失．其原因是(　　) A．射線的貫穿作用 B．射線的電離作用 C．射線的物理、化學(xué)作用 D．以上三個選項都不是 圖1 (2)圖1是工廠利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置示意圖．如果工廠生產(chǎn)的是厚度為1毫米的鋁板，在α、β、γ三種射線中，你認(rèn)為對鋁板的厚度控制起主要作用的是________射線． (3)在我國首先用人工方法合成牛胰島素時，需要證明人工合成的牛胰島素結(jié)晶跟天然牛胰島素的結(jié)晶是同一種物質(zhì)，為此曾采用放射性同位素14C做________． 答案　(1)B　(2)β　(3)示蹤原子 解析　(1)因放射線的電離作用，空氣中的與驗電器所帶電性相反的離子

12、與之中和，從而使驗電器所帶電荷消失．(2)α射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)弱，不能穿透厚度為1毫米的鋁板，因而探測器不能探測，γ射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)極強，穿透1毫米厚的鋁板和幾毫米厚的鋁板打在探測器上很難分辨．β射線也能夠穿透1毫米甚至幾毫米厚的鋁板，但厚度不同，穿透后β射線中的電子運動狀態(tài)不同，探測器容易分辨．(3)把摻入14C的人工合成的牛胰島素與天然牛胰島素混合在一起，經(jīng)過多次重新結(jié)晶后，得到了放射性14C分布均勻的牛胰島素結(jié)晶，這就證明了人工合成的牛胰島素與天然牛胰島素完全融為一體，它們是同一種物質(zhì)．這種把放射性同位素的原子摻到其他物質(zhì)中去，讓它們一起運動、遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可以知

13、道放射性原子通過什么路徑，運動到哪里了，是怎樣分布的，從而可以了解某些不容易查明的情況或規(guī)律．人們把具有這種用途的放射性同位素叫做示蹤原子. (時間：60分鐘) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 題組一　放射性的應(yīng)用 1．圖1甲所示是α、β、γ三種射線穿透能力的示意圖，圖乙所示是工業(yè)上利用射線的穿透性來檢查鋼板內(nèi)部傷痕的示意圖，則圖乙中的檢查是利用了(　　) 圖1 A．α射線 B．β射線 C．γ射線 D．三種射線都可以 答案　C 解析　γ射線的穿透能力最強，能穿透鋼板，所以金屬探傷利用的是γ射線，選項C正確． 2．(多選)人工放射性同位素被用作示蹤

14、原子，主要是利用(　　) A．放射性同位素不改變其化學(xué)性質(zhì) 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短得多 C．半衰期與元素所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān) D．放射性同位素容易制造 答案　ABC 解析　放射性同位素用作示蹤原子，主要是用放射性同位素代替沒有放射性的同位素參與正常的物理、化學(xué)、生物過程，既要利用化學(xué)性質(zhì)相同，也要利用衰變規(guī)律不受物理、化學(xué)變化的影響，同時還要考慮放射性廢料容易處理，因此選項A、B、C正確，選項D不正確． 3．醫(yī)學(xué)界通過14C標(biāo)記的C60發(fā)現(xiàn)一種C60的羧酸衍生物，在特定條件下可以通過斷裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，則14C的用途是(　　) A

15、．示蹤原子 B．電離作用 C．催化作用 D．貫穿作用 答案　A 解析　用14C標(biāo)記C60來查明元素的行蹤，發(fā)現(xiàn)可以通過斷裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是作示蹤原子，故選項A正確． 4．放射性在技術(shù)上有很多應(yīng)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線. 元素 射線 半衰期 釙210 α 138天 氡222 β 3.8天 鍶90 β 28年 鈾238 α、β、γ 4.5×109年 某塑料公司生產(chǎn)聚乙烯薄膜，方法是讓厚的聚乙烯膜通過軋輥把聚乙烯膜軋薄，利用適當(dāng)?shù)姆派渚€來測定通過軋輥后的薄膜厚度是否均

16、勻．可利用的元素是(　　) A．釙210 B．氡222 C．鍶90 D．鈾238 答案　C 解析　要測定聚乙烯薄膜的厚度，則要求射線可以穿透薄膜，因此α射線不合適；另外，射線穿透作用還要受薄膜厚度影響，γ射線穿透作用最強，薄膜厚度不會影響γ射線穿透，所以只能選用β射線，而氡222半衰期太短，所以只有鍶90較合適． 5．(多選)γ刀是治療腦腫瘤的最佳儀器．用γ刀治療時不用麻醉，病人清醒，時間短，半個小時內(nèi)完成手術(shù)，無需住院，因而γ刀被譽為“神刀”．據(jù)報道，我國自己研制的旋式γ刀性能更好，已進入各大醫(yī)院為患者服務(wù)．γ刀治療腦腫瘤主要是利用(　　) A．γ射線具有很強的貫穿本領(lǐng)

17、 B．γ射線具有很強的電離作用 C．γ射線具有很高的能量 D．γ射線能很容易地繞過阻礙物到達(dá)目的地 答案　AC 題組二　核反應(yīng)方程 6．(多選)下列核反應(yīng)或核衰變方程中，符號“X”表示中子的是(　　) A.Be＋He―→C＋X B.N＋He―→O＋X C.Hg＋n―→Pt＋2H＋X D.U―→Np＋X 答案　AC 解析　根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得，A、C對． 7．用中子轟擊氧原子核的核反應(yīng)方程為O＋n→N＋X，對式中X、a、b的判斷正確的是(　　) A．X代表中子，a＝17，b＝1 B．X代表電子，a＝17，b＝－1 C．X代表正電子，a＝17，b＝1

18、 D．X代表質(zhì)子，a＝17，b＝1 答案　C 解析　根據(jù)質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒可知a＝17，b＝8＋0－7＝1，因此X可表示為　0＋1e，為正電子，故C項正確，A、B、D三項錯誤． 8．(多選)一個質(zhì)子以1.0×107 m/s的速度撞一個靜止的鋁原子核后被俘獲，鋁原子核變成硅原子核．已知鋁原子核的質(zhì)量是質(zhì)子的27倍，硅原子核的質(zhì)量是質(zhì)子的28倍，則下列判斷正確的是(　　) A．核反應(yīng)方程為Al＋H―→Si B．核反應(yīng)方程為Al＋n―→Si C．硅原子核速度的數(shù)量級為107 m/s，方向跟質(zhì)子的初速度方向一致 D．硅原子核速度的數(shù)量級為105 m/s，方向跟質(zhì)子的初速度方向一致 答案

19、　AD 解析　由核反應(yīng)中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可知A選項正確，B選項錯誤；由動量守恒定律求得硅原子速度的數(shù)量級為105 m/s，即D選項正確． 9．放射性元素Po衰變?yōu)镻b，此衰變過程的核反應(yīng)方程是________；用此衰變過程中發(fā)出的射線轟擊F，可得到質(zhì)量數(shù)為22的氖(Ne)元素和另一種粒子，此核反應(yīng)過程的方程是________． 答案　Po―→Pb＋He　He＋F―→Ne＋H 解析　根據(jù)衰變規(guī)律，此衰變過程的核反應(yīng)方程是Po―→Pb＋He.用α射線轟擊F，可得到質(zhì)量數(shù)為22的氖(Ne)元素和另一種粒子，此核反應(yīng)過程的方程是：He＋F―→Ne＋H. 題組三　綜合應(yīng)用 10．將威耳遜云

20、室置于磁場中，一個靜止在磁場中的放射性同位素原子核P，放出一個正電子后變成原子核Si，如圖所示能近似反映正電子和Si核軌跡的是(　　) 答案　B 解析　把放出的正電子和衰變生成物Si核看成一個系統(tǒng)，衰變過程中系統(tǒng)的動量守恒，放出的正電子的方向跟Si核運動方向一定相反．由于它們都帶正電荷，在洛倫茲力作用下一定形成兩個外切圓的軌道，C、D可排除． 因為洛倫茲力提供向心力，即qvB＝m. 所以做勻速圓周運動的半徑為r＝. 衰變時，放出的正電子與反沖核Si的動量大小相等，因此在同一個磁場中做圓周運動的半徑與它們的電荷量成反比，即＝＝.可見正電子運動的圓半徑較大，故A錯，B對．

21、11．某實驗室工作人員，用初速度v0＝0.09c(c為真空中的光速)的α粒子，轟擊靜止的氮原子核N，產(chǎn)生了質(zhì)子H，若某次碰撞可看作對心正碰，碰后新核與質(zhì)子同方向運動，垂直磁場方向射入磁場，通過分析偏轉(zhuǎn)半徑可得出新核與質(zhì)子的速度大小之比為1∶20，已知質(zhì)子質(zhì)量為m. (1)寫出核反應(yīng)方程； (2)求出質(zhì)子的速度v. 答案　(1)He＋N→O＋H　(2)0.20c 解析　(1)He＋N→O＋H. (2)設(shè)α粒子、新核的質(zhì)量分別為4m、17m，質(zhì)子速度為v，由于對心碰撞，滿足動量守恒，故4mv0＝17m＋mv，解得v＝0.20c. 12．同位素這個概念是1913年英國科學(xué)家索迪提出的．許

22、多元素都存在同位素現(xiàn)象，在目前已發(fā)現(xiàn)的114種元素中，穩(wěn)定同位素約300多種，而放射性同位素達(dá)1 500種，而且大多數(shù)是人工制造的． (1)中國科學(xué)院近代物理研究所的科學(xué)家利用蘭州重離子加速器在重質(zhì)量半中子區(qū)首次制得鏷元素的一種同位素(234Pa)．已知Th(釷)→234Pa(鏷)＋e(電子)，則234Pa原子核里的中子數(shù)應(yīng)為________． (2)1934年，科學(xué)家在用α粒子轟擊鋁箔時，除探測到預(yù)料中的中子外，還探測到了正電子，更意外的是拿走α放射源后，鋁箔雖不再發(fā)射中子，但仍繼續(xù)發(fā)射正電子，而且這種放射性隨時間衰減規(guī)律跟天然放射性一樣，也有一定的半衰期． ①寫出α粒子轟擊鋁箔(Al

23、)產(chǎn)生中子的核反應(yīng)方程式，并請寫出核反應(yīng)和一般化學(xué)反應(yīng)的不同點(請答3點)． ②上述產(chǎn)生的具有放射性的同位素叫放射性同位素，寫出其產(chǎn)生正電子的核反應(yīng)方程式． 答案　(1)143　(2)①Al＋He→P＋n　不同點見解析?、赑→Si＋e 解析　(1)由方程兩邊的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)相同，可知 234Pa中質(zhì)子數(shù)為91，則中子數(shù)為234－91＝143. (2)①鋁核被α粒子擊中后產(chǎn)生中子的反應(yīng)為Al＋He→P＋n；核反應(yīng)和一般化學(xué)反應(yīng)的不同點：核反應(yīng)是原子層次上的變化，而化學(xué)反應(yīng)是分子層次上的變化(或核反應(yīng)前后元素發(fā)生變化，化學(xué)反應(yīng)前后則元素種類不變)；一種同位素不論處于何種狀態(tài)，它們的核反應(yīng)性質(zhì)是相同的，而它們的化學(xué)性質(zhì)是不同的；同一元素的不同同位素，它們的化學(xué)性質(zhì)是相同的，但它們的核反應(yīng)性質(zhì)是不同的． ②P是磷的一種同位素，也有放射性、像天然放射性元素一樣發(fā)生衰變，衰變時放出正電子，該反應(yīng)為：P→Si＋e. 9