物理選修3-5全套講義第三章原子核與放射性3-3

第3節(jié)放射性的應(yīng)用與防護[目標定位]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，人體吸收放射線的劑量就越少，受到的危害就越小．(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性質(zhì)．(4)醫(yī)學上：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，將靜電導走，選項A錯誤；γ射線對人體細胞傷害太大，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．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)：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)1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)：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)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)：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)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、化學條件的影響．(2)相同點：人工轉(zhuǎn)變與衰變過程一樣，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)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋()(2)eq\o\al(9,4)Be＋()→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(27,13)Al＋()→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋()(5)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(1,0)n＋()；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋()答案見解析解析(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n此核反應(yīng)使查德威克首次發(fā)現(xiàn)了中子．(3)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H此核反應(yīng)使盧瑟福首次發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子．(5)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(30,15)P；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)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，中國科學院上海原子核研究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，同時放出質(zhì)子、中子．(3)生成的鉑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．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)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)He②eq\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(202,80)Hg＋20－1e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.eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋XB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋XC.eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋XD.eq\o\al(239,92)U→eq\o\al(239,93)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．2．下面是四個核反應(yīng)方程，x表示質(zhì)子的是()A.eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋x B.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋xC.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋x D.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)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1000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(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1A．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原子，主要是利用()A．放射性同位素不改變其化學性質(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、生物過程，既要利用化學性質(zhì)相同，也要利用衰變規(guī)律不受物理、化學變化的影響，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)學界通過14C標記的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14CA．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14C4．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210α138天氡222β3.8天鍶90β28年鈾238α、β、γ4.5×109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?shù)姆派渚€來測定通過軋輥后的薄膜厚度是否均勻．可利用的元素是()A．釙210 B．氡222C．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)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.eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋XB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋XC.eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋XD.eq\o\al(239,92)U→eq\o\al(239,93)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eq\o\al(16,8)O＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(a,7)N＋eq\o\al(0,b)X，對式中X、a、b的判斷正確的是()A．X代表中子，a＝17，b＝1B．X代表電子，a＝17，b＝－1C．X代表正電子，a＝17，b＝1D．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1.0×107m/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A．核反應(yīng)方程為eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(28,14)SiB．核反應(yīng)方程為eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(28,14)SiC．硅原子核速度的數(shù)量級為107mD．硅原子核速度的數(shù)量級為105m答案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1059．放射性元素eq\o\al(210,84)Po衰變?yōu)閑q\o\al(206,82)Pb，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eq\o\al(19,9)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eq\o\al(210,84)Po→eq\o\al(206,82)Pb＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(19,9)F→eq\o\al(22,10)Ne＋eq\o\al(1,1)H解析根據(jù)衰變規(guī)律，此衰變過程的核反應(yīng)方程是eq\o\al(210,84)Po→eq\o\al(206,82)Pb＋eq\o\al(4,2)He.用α射線轟擊eq\o\al(19,9)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：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(19,9)F→eq\o\al(22,10)Ne＋eq\o\al(1,1)H.題組三綜合應(yīng)用10．將威耳遜云室置于磁場中，一個靜止在磁場中的放射性同位素原子核eq\o\al(30,15)P，放出一個正電子后變成原子核eq\o\al(30,14)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＝meq\f(v2,r).所以做勻速圓周運動的半徑為r＝eq\f(mv,qB).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eq\f(re,rSi)＝eq\f(qSi,qe)＝eq\f(14,1).可見正電子運動的圓半徑較大，故A錯，B對．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eq\o\al(14,7)N，產(chǎn)生了質(zhì)子eq\o\al(1,1)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)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(2)0.20c解析(1)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)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＝17meq\f(v,20)＋mv，解得v＝0.20c12．同位素這個概念是1913年英國科學家索迪提出的．許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1500種，而且大多數(shù)是人工制