2024-2025學(xué)年高中物理第4章第3節(jié)放射性同位素教案粵教版選修3-5

PAGE7-第三節(jié)放射性同位素[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道什么是核反應(yīng)，能夠嫻熟寫出核反應(yīng)方程．(重點(diǎn))2.知道放射性同位素和人工放射性同位素及其核反應(yīng)方程．(難點(diǎn))3.了解放射性在生產(chǎn)和科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.4.知道射線的危害及防護(hù)．一、核反應(yīng)1．定義：利用自然放射性的高速粒子或利用人工加速的粒子去轟擊原子核，以產(chǎn)生新的原子核，這個(gè)過程叫做核反應(yīng)．2．反應(yīng)能：核反應(yīng)中所放出或汲取的能量叫做反應(yīng)能．3．兩個(gè)典型的核反應(yīng)方程(1)質(zhì)子的發(fā)覺：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(14,8)O＋eq\o\al(1,1)H.(2)中子的發(fā)覺：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n.二、放射性同位素及其應(yīng)用1．放射性同位素(1)具有相同質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子，在元素周期表中處于同一位置，因而互稱同位素．(2)具有放射性的同位素，叫做放射性同位素．(3)發(fā)覺正電子的核反應(yīng)方程eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)neq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e＋ν.ν代表中微子，它是一種中性粒子，質(zhì)量近似為零．2．放射性同位素的應(yīng)用放射性同位素的應(yīng)用主要分為三類：(1)射線的應(yīng)用；(2)示蹤原子的應(yīng)用；(3)半衰期的應(yīng)用．3．放射線的危害及防護(hù)(1)危害人體受到長(zhǎng)時(shí)間大劑量的射線照耀，就會(huì)使細(xì)胞、組織、器官受到損傷，破壞人體DNA分子結(jié)構(gòu)，有時(shí)甚至?xí)l(fā)癌癥，或者造成下一代遺傳上的缺陷，過度照耀時(shí)，人經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頭痛、四肢無力、貧血等多種癥狀，重者甚至死亡．(2)防護(hù)輻射防護(hù)的基本方法有時(shí)間防護(hù)、距離防護(hù)和屏蔽防護(hù)．要防止放射性物質(zhì)對(duì)水源、空氣、用具、工作場(chǎng)所的污染，要防止射線過多地長(zhǎng)時(shí)間地照耀人體．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)無論是核衰變還是其他核反應(yīng)，方程兩邊總的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)是守恒的． (√)(2)核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒，即核反應(yīng)過程中，質(zhì)量不改變． (×)(3)利用示蹤原子來推斷地層或古代文物的年頭． (×)(4)可以利用放射性同位素的射線進(jìn)行無損探傷，生物育種等． (√)(5)醫(yī)學(xué)上做射線治療用的放射性元素，應(yīng)選半衰期長(zhǎng)的． (×)2．(多選)以下是物理學(xué)史上3個(gè)聞名的核反應(yīng)方程x＋eq\o\al(7,3)Li→2yy＋eq\o\al(14,7)N→x＋eq\o\al(17,8)Oy＋eq\o\al(9,4)Be→z＋eq\o\al(12,6)Cx、y和z是3種不同的粒子，下列說法正確的是()A．x為α粒子 B．y為α粒子C．y為電子 D．z為中子BD[依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可以確定x為質(zhì)子eq\o\al(1,1)H，y為eq\o\al(4,2)He即α粒子，z為中子eq\o\al(1,0)n.]3．(多選)有關(guān)放射性同位素eq\o\al(30,15)P的下列說法，正確的是()A.eq\o\al(30,15)P與eq\o\al(30,14)X互為同位素B.eq\o\al(30,15)P與其同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)C．用eq\o\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期變長(zhǎng)D．含有eq\o\al(30,15)P的磷肥釋放正電子，可用作示蹤原子，視察磷肥對(duì)植物的影響B(tài)D[同位素有相同的質(zhì)子數(shù)，不同的中子數(shù)，所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤；半衰期與元素所處的化學(xué)狀態(tài)沒有關(guān)系，eq\o\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期不變，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．]核反應(yīng)及核反應(yīng)方程的書寫1.對(duì)核反應(yīng)的相識(shí)(1)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．(2)實(shí)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)遵循規(guī)律：反應(yīng)前、后電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒．2．常見的人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)(1)盧瑟福發(fā)覺質(zhì)子eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.(2)查德威克發(fā)覺中子eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n.(3)居里夫婦人工制造同位素eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n.eq\o\al(30,15)P具有放射性，自發(fā)地放出正電子(eq\o\al(0,1)e)，與自然放射現(xiàn)象遵循相同的規(guī)律，衰變方程：eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e＋ν.3．書寫核反應(yīng)方程時(shí)的留意事項(xiàng)(1)核反應(yīng)指的是在原子核內(nèi)部核子數(shù)發(fā)生相應(yīng)的改變，而化學(xué)反應(yīng)指的是在原子核外最外層電子數(shù)發(fā)生改變，二者存在本質(zhì)的不同．(2)核反應(yīng)過程一般都不是可逆的，所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向，不能用等號(hào)連接．(3)核反應(yīng)的生成肯定要以試驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，不能依據(jù)兩個(gè)守恒規(guī)律杜撰誕生成物與核反應(yīng)方程．(4)核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒，而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過程中反應(yīng)前后的總質(zhì)量一般會(huì)發(fā)生改變(質(zhì)量虧損)且釋放出核能．【例1】1993年，中國(guó)科學(xué)院上海原子核探討所制得了一種新的鉑元素的同位素eq\o\al(202,78)Pt.制取過程如下：(1)用質(zhì)子轟擊鈹靶eq\o\al(9,4)Be產(chǎn)生快中子；(2)用快中子轟擊汞eq\o\al(204,80)Hg，反應(yīng)過程可能有兩種：①生成eq\o\al(202,78)Pt，放出氦原子核；②生成eq\o\al(202,78)Pt，同時(shí)放出質(zhì)子、中子．(3)生成的eq\o\al(202,78)Pt發(fā)生兩次衰變，變成穩(wěn)定的原子核汞eq\o\al(202,80)Hg.寫出上述核反應(yīng)方程．[解析]依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(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：(1)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(9,5)B＋eq\o\al(1,0)n.(2)①eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋eq\o\al(3,2)He.②eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n.(3)eq\o\al(202,78)Pt→eq\o\al(202,79)Au＋eq\o\al(0,－1)e，eq\o\al(202,79)Au→eq\o\al(202,80)Hg＋eq\o\al(0,－1)e.[答案]見解析書寫核反應(yīng)方程的四條重要原則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(hào)；3．能量守恒(中學(xué)階段不作要求)；4．核反應(yīng)必需是試驗(yàn)中能夠發(fā)生的．1．(1)完成下列核反應(yīng)方程：A.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(11,5)B→eq\o\al(14,7)N＋________B.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(23,11)Na→________＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,)6C＋________D.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋________(2)在(1)的四個(gè)方程中，發(fā)覺中子的核反應(yīng)方程是________，發(fā)覺放射性同位素的方程是________．[解析](1)由核反應(yīng)的規(guī)律：質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒可以推斷A、C、D選項(xiàng)中的三個(gè)核反應(yīng)生成物中都有中子．而B項(xiàng)中的核反應(yīng)的生成物應(yīng)為eq\o\al(29,12)Mg.(2)查德威克發(fā)覺中子的核反應(yīng)方程為C，約里奧—居里夫婦發(fā)覺放射性同位素的核反應(yīng)方程為D.[答案](1)eq\o\al(1,0)neq\o\al(26,12)Mgeq\o\al(1,0)neq\o\al(1,0)n(2)CD放射性同位素及其應(yīng)用1.放射性同位素分類可分為自然放射性同位素和人工放射性同位素兩種，自然放射性同位素不過40多種，而人工放射性同位素已達(dá)1000多種，每種元素都有自己的放射性同位素．2．人工放射性同位素的優(yōu)點(diǎn)(1)放射強(qiáng)度簡(jiǎn)單限制；(2)可以制成各種所需的形態(tài)；(3)半衰期比自然放射性物質(zhì)短得多，放射性廢料簡(jiǎn)單處理．因此，凡是用到射線時(shí)，用的都是人工放射性同位素．3．放射性同位素的主要應(yīng)用(1)利用它的射線．①工業(yè)部門運(yùn)用射線測(cè)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，殺死使食物腐敗的細(xì)菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長(zhǎng)保存期等；③醫(yī)療上——利用γ射線的高能量治療癌癥．(2)作為示蹤原子：放射性同位素與非放射性同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)，通過探測(cè)放射性同位素的射線確定其位置．【例2】正電子放射計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET)的基本原理是：將放射性同位素15O注入人體，參加人體的代謝過程.15O在人體內(nèi)衰變放出正電子，與人體內(nèi)負(fù)電子相遇而湮滅轉(zhuǎn)化為一對(duì)光子，被探測(cè)器探測(cè)到，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生清楚的圖象．依據(jù)PET原理，回答下列問題：(1)寫出15O的衰變和正負(fù)電子湮滅的方程式．(2)將放射性同位素15O注入人體，15O的主要用途是()A．利用它的射線 B．作為示蹤原子C．參加人體的代謝過程 D．有氧呼吸(3)PET中所選的放射性同位素的半衰期應(yīng)________．(選填“長(zhǎng)”“短”或“長(zhǎng)短均可”)[解析](1)由題意得eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(0,＋1)e，eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ.(2)將放射性同位素15O注入人體后，由于它能放出正電子，并能與人體內(nèi)的負(fù)電子產(chǎn)生一對(duì)光子，從而被探測(cè)器探測(cè)到，所以它的用途為作為示蹤原子．B正確．(3)依據(jù)同位素的用途，為了減小對(duì)人體的損害，半衰期應(yīng)當(dāng)很短．[答案](1)eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(0,＋1)e，eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ(2)B(3)短放射性同位素應(yīng)用的兩點(diǎn)提示1．利用它的射線：α射線的電離作用，γ射線的貫穿本事和生物作用，β射線的貫穿本事．2．作為示蹤原子：多數(shù)狀況下用β射線，因?yàn)棣蒙渚€難以探測(cè)到．2．(多選)放射性同位素被廣泛應(yīng)用，下列說法正確的是()A．放射性同位素的半衰期都比較短，對(duì)環(huán)境的危害較小B．放射性同位素能夠消退靜電是因?yàn)槠浒l(fā)出的γ射線C．用放射性同位素參加化學(xué)反應(yīng)可以起到示蹤的作用D．放射性同位素可以作為核燃料進(jìn)行發(fā)電AC[放射性同位素的半衰期都比較短，衰變的快，對(duì)環(huán)境的危害較小，A選項(xiàng)正確；α射線能使空氣分子電離成導(dǎo)體，能夠消退靜電，γ射線的電離本事較小，穿透本事強(qiáng)，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；依據(jù)放射性同位素的應(yīng)用可知，用放射性同位素參加化學(xué)反應(yīng)可以起到示蹤的作用，C選項(xiàng)正確；放射性的同位素大多是人工合成的同位素，成本高，存在量較少，不能作為核燃料進(jìn)行發(fā)電，D選項(xiàng)錯(cuò)誤．]課堂小結(jié)知識(shí)脈絡(luò)1.原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng).2.在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒.3.1934年，約里奧·居里夫婦發(fā)覺了人工放射性同位素.4.放射性同位素有很多應(yīng)用，如應(yīng)用它的射線，或把它作為示蹤原子；放射性同位素也有很多危害．過量的射線對(duì)人體組織有破壞作用，同時(shí)對(duì)水源、空氣等也有污染.1．美國(guó)醫(yī)生用123I對(duì)老布什總統(tǒng)診斷，使其很快復(fù)原健康，123I的特性是()A．半衰期長(zhǎng)，并快速?gòu)捏w內(nèi)清除B．半衰期長(zhǎng)，并緩慢從體內(nèi)清除C．半衰期短，并快速?gòu)捏w內(nèi)清除D．半衰期短，并緩慢從體內(nèi)清除C[在人體內(nèi)作為示蹤原子應(yīng)當(dāng)是半衰期短，并能快速?gòu)捏w內(nèi)消退的元素，以減小危害和遺留．]2．(多選)下列哪些應(yīng)用是把放射性同位素作為示蹤原子()A．γ射線探傷儀B．利用含有放射性碘131的油，檢測(cè)地下輸油管的漏油狀況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(cè)放射性的方法確定放射性元素在農(nóng)作物內(nèi)轉(zhuǎn)移和分布狀況，找出合理施肥的規(guī)律BD[A是利用了γ射線的穿透性；C利用了γ射線的生物作用；B、D是利用示蹤原子．]3．用人工方法得到放射性同位素，這是一個(gè)很重要的發(fā)覺，自然放射性同位素只不過40幾種，而今日人工制造的同位素已達(dá)1000多種，每種元素都有放射