2017_2018学年高中物理第四章原子核第三节放射性同位素同步备课教学案粤教版选修3

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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.2.知道什么是同位素、放射性同位素和人工放射性同位素.3.了解放射性同位素在生产和科学领域的应用，知道射线的危害及防护．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一、核反应[导学探究]1．核反应的实质是什么？它符合哪些规律？答案　(1)它的实质就是将一种原子核在粒子的轰击之下转变成一种新的原子核，并产生新的粒子．(2)在转变过程中符合质量数和电荷数守恒规律．2．如何实现原子核的人工转变？常见的人工转变的核反应有哪些？答案　(1)人为地用α粒子、质子、中子或光子去轰击一些原子核，可以实现原子核的转变．(2)常见的人工转变的核反应有：a．卢瑟福发现质子：N＋He→O＋Hb．查德威克发现中子：Be＋He→C＋nc．居里夫妇人工制造同位素：He＋Al→n＋PP具有放射性：P→Si＋e.[知识梳理]1．核反应：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．核反应的实质：以基本粒子(α粒子、质子、中子等)为“炮弹”去轰击原子核(靶核X)，从而促使原子核发生变化，生成了新原子核(Y)，并放出某一粒子．3．原子核人工转变的三大发现(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程：N＋He→O＋H(2)1932年查德威克发现中子的核反应方程：Be＋He→C＋n(3)1934年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程：Al＋He→P＋n；P→Si＋e.4．人工转变核反应与衰变的比较(1)不同点原子核的人工转变，是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理、化学条件的影响．(2)相同点人工转变与衰变过程一样，在发生的过程中质量数与电荷数都守恒；反应前后粒子总动量守恒．[即学即用]　判断下列说法的正误．(1)在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒．(　√　)(2)核反应是用粒子轰击原子核，利用粒子与原子核的碰撞将原子核打开．(　×　)(3)卢瑟福利用α粒子轰击铍并发现了中子．(　×　)(4)原子核的人工转变，需要一定的装置和人为条件，不是原子核的自发变化．(　√　)二、放射性同位素1．同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子，互称同位素．2．放射性同位素：具有放射性的同位素，叫做放射性同位素．3．约里奥·居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时发现正电子的核反应方程为：Al＋He→P＋n，P→Si＋e＋ν，其中P是P的一种放射性同位素．三、放射性同位素的应用1．利用放射性同位素放出的射线可进行γ探伤、消除静电、培育良种、治疗癌症．2．放射性同位素可以作为示踪原子．3．利用元素的半衰期可推断地层或古代文物的年代．想一想　医学上做射线治疗用的放射性元素，应用半衰期长的还是短的？为什么？答案　半衰期短的．因为半衰期短的放射性废料容易处理．4．放射线的危害及防护(1)α射线具有很强的电离作用，但穿透能力很弱；(2)β射线有较强的穿透能力，但电离作用较弱；(3)γ射线电离作用最小，穿透能力很强．辐射防护的基本方法有：时间防护、距离防护和屏蔽防护．[即学即用]　判断下列说法的正误．(1)放射性同位素P，既可以通过核反应人工获得，也可以从自然界中获得．(　×　)(2)用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期．(　√　)一、核反应及核反应方程1．核反应的条件用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．核反应的规律质量数守恒，电荷数守恒．3．人工转变与衰变的比较(1)不同点：人工转变是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生；而衰变是原子核的自发变化，它不受物理、化学条件的影响．(2)相同点：人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒．例1　完成下列核反应方程，并指出其中________是发现质子的核反应方程，________是发现中子的核反应方程．(1)N＋n→C＋________(2)N＋He→O＋________(3)B＋n→________＋He(4)Be＋He→________＋n(5)Fe＋H→Co＋________答案　见解析解析　(1)N＋n→C＋H(2)N＋He→O＋H(3)B＋n→Li＋He(4)Be＋He→C＋n(5)Fe＋H→Co＋n其中发现质子的核反应方程是(2)，发现中子的核反应方程是(4)．书写核反应方程时要注意：(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)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化．二、放射性同位素及其应用1．放射性同位素的分类(1)天然放射性同位素．(2)人工放射性同位素．2．放射性同位素的主要作用(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)做示踪原子——利用放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质．(4)医学上——利用γ射线的高能量治疗癌症．例2　(多选)关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是(　　)A．利用γ射线使空气电离，把静电荷导走B．利用γ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，作为示踪原子答案　BD1．用射线来测量厚度，一般不选取α射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的．2．给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保存期一般选取γ射线．3．使用射线时安全是第一位的．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1．卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，其核反应方程为：He＋N→O＋H，下列说法错误的是(　　)A．卢瑟福通过该实验提出了原子核式结构模型B．实验中是用α粒子轰击氮核C．卢瑟福通过该实验发现了质子D．原子核在人工转变的过程中，电荷数一定守恒答案　A解析　卢瑟福用α粒子轰击金箔散射的实验，提出了原子的核式结构模型，故A错误；用α粒子轰击氮核首次实现了原子核的人工转变，并发现了质子，故B、C正确；核反应方程质量数和电荷数是守恒的，故D正确．2．(多选)关于放射性同位素，以下说法正确的是(　　)A．放射性同位素与放射性元素一样，都具有一定的半衰期，衰变规律一样B．放射性同位素衰变可生成另一种新元素C．放射性同位素只能是天然衰变时产生的，不能用人工方法制得D．以上说法均不对答案　AB解析　放射性同位素也具有放射性，半衰期也不受物理和化学因素的影响，衰变后形成新的原子核，选项A、B正确；大部分放射性同位素都是人工转变后获得的，C、D错误．3．下面列出的是一些核反应方程：P→Si＋X，Be＋H→B＋Y，He＋He→Li＋Z，其中(　　)A．X是质子，Y是中子，Z是正电子B．X是正电子，Y是质子，Z是中子C．X是中子，Y是正电子，Z是质子D．X是正电子，Y是中子，Z是质子答案　D解析　依据核反应方程的两个基本规律：质量数守恒和电荷数守恒，即可得出选项D正确．4．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然的放射性同位素只不过40多种，而今天人工制造的放射性同位素已达1 000多种，每种元素都有放射性同位素．放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面得到了广泛的应用．(1)带电的验电器在射线照射下电荷会很快消失．其原因是(　　)A．射线的贯穿作用B．射线的电离作用C．射线的物理、化学作用D．以上三个选项都不是(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的结晶是同一种物质，为此曾采用放射性同位素14C做________．答案　(1)B　(2)示踪原子解析　(1)因射线的电离作用，空气中的与验电器所带电性相反的离子与之中和，从而使验电器所带电荷消失．(2)把掺入14C的人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经过多次重新结晶后，得到了放射性14C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完全融为一体，它们是同一种物质．这种把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，运动到了哪里，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易查明的情况或规律．人们把具有这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一、选择题(1～5题为单选题，6～9题为多选题)1．在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子①H＋X1→He＋n　 ②N＋He→O＋X2③Be＋He→C＋X3   ④Mg＋He→Al＋X4则以下判断中正确的是(　　)A．X1是质子   B．X2是中子C．X3是电子   D．X4是质子答案　D解析　根据核反应的质量数和电荷数守恒知，X1为H，A错；X2为H，B错；X3为n，C错；X4为H，D对．2．用高能Kr轰击Pb，释放出一个中子后，生成了一个新核，关于新核的推断正确的是(　　)A．其质子数为122   B．其质量数为294C．其原子序数为118   D．其中子数为90答案　C解析　核反应方程为82Pb＋Kr→n＋X，新核质量数为293，质子数为118，中子数为293－118＝175，故正确选项为C.3．医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是(　　)A．示踪原子   B．电离作用C．催化作用   D．贯穿作用答案　A解析　用14C标记C60来查明元素的行踪，发现可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是做示踪原子，故选项A正确．4．放射性在技术上有很多应用，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线．元素射线半衰期钋210α138天氡222β3.8天 元素射线半衰期锶90β28年铀238α、β、γ4.5×109年 某塑料公司生产聚乙烯薄膜，方法是让厚的聚乙烯膜通过轧辊把聚乙烯膜轧薄，利用适当的放射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀．可利用的元素是(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　A．钋210  B．氡222  C．锶90  D．铀238答案　C解析　要测定聚乙烯薄膜的厚度，则要求射线可以穿透薄膜，因此α射线不合适；另外，射线穿透作用还要受薄膜厚度影响，γ射线穿透作用最强，薄膜厚度不会影响γ射线穿透，所以只能选用β射线，而氡222半衰期太短，所以只有锶90较合适．5．将威尔逊云室置于磁场中，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，如图所示能近似地反映正电子和Si核轨迹的是(　　)答案　B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，C、D可排除．因为洛伦兹力提供向心力，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．6．下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是(　　)A．射线探伤仪B．利用含有放射性I的油，检测地下输油管的漏油情况C．利用Co治疗肿瘤等疾病D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用以检测确定农作物吸收养分的规律答案　BD解析　射线探伤仪利用了射线的穿透能力，所以选项A错误．利用含有放射性I的油，可以记录油的运动踪迹，可以检查管道是否漏油，所以选项B正确．利用Co治疗肿瘤等疾病，利用了射线的穿透能力和高能量，所以选项C错误．把含有放射性元素的肥料施给农作物，可以记录放射性元素的踪迹，用以检测确定农作物吸收养分的规律，所以选项D正确．7．下列核反应或衰变方程中，符号“X”表示中子的是(　　)A.Be＋He―→C＋XB.＋He―→O＋XC.Hg＋n―→Pt＋2H＋XD.U―→Np＋X答案　AC解析　根据核反应方程质量数和电荷数守恒可得A、C选项正确．8．一个质子以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＋H―→SiB．核反应方程为Al＋n―→SiC．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答案　AD解析　由核反应中电荷数和质量数守恒可知A选项正确，B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D选项正确，C选项错误．9．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答案　BD解析　同位素有相同的质子数，所以选项A错误；同位素有相同的化学性质，所以选项B正确；半衰期与元素属于化合物或单质没有关系，所以P制成化合物后它的半衰期不变，选项C错误；含有P的磷肥由于衰变，可记录磷的踪迹，所以选项D正确．二、非选择题10．在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子，分别填在下列核反应方程的横线上．(1)U―→Th＋________.(2)Be＋He―→C＋________.(3)Th―→Pa＋________.(4)P―→Si＋________.(5)U＋________―→Sr＋Xe＋10n.(6)N＋He―→O＋________.答案　(1)He　(2)n　(3)e　(4)e　(5)n　(6)H解析　在核反应过程中，遵循反应前后电荷数守恒、质量数守恒规律．对参与反应的所有基本粒子采用左下角(电荷数)配平，左上角(质量数)配平．未知粒子可根据其电荷数和质量数确定．如(1)电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(He)，同理确定其他粒子分别为：中子(n)，电子(e)，正电子(e)，中子(n)，质子(H)．11．如图1所示是工厂利用射线自动控制铝板厚度的装置示意图．图1(1)请简述自动控制的原理；(2)如果工厂生产的是厚度为2 mm的铝板，在α、β和γ三种射线中，哪一种对铝板的厚度控制起主要作用？为什么？答案　见解析解析　(1)射线具有穿透本领，如果向前移动的铝板的厚度有变化，则探测器接收到的射线的强度就会随之变化，将这种变化转变为电信号输入到相应的装置，使之自动地控制图中右侧的两个轮间的距离，达到自动控制铝板厚度的目的．(2)β射线起主要作用，因为α射线的贯穿本领很小，穿不过2毫米的铝板；γ射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板，2毫米左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的γ射线强度几乎不发生变化；β射线的贯穿本领较强，能穿过几毫米厚的铝板，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．12．1934年约里奥·居里夫妇用α粒子轰击静止的Al，发现了放射性磷P和另一种粒子，并因这一伟大发现而获得诺贝尔物理学奖．(1)写出这个过程的核反应方程式；(2)若该种粒子以初速度v0与一个静止的12C核发生碰撞，但没有发生核反应，该粒子碰后的速度大小为v1，运动方向与原运动方向相反，求碰撞后12C核的速度．答案　(1)Al＋He―→P＋n　(2)，方向与该粒子原运动方向相同解析　(1)核反应方程式为Al＋He―→P＋n.(2)由(1)知，该种粒子为中子，设该种粒子的质量为m，则12C核的质量为12m，设碰撞后12C核的速度为v2，由动量守恒定律可得mv0＝m(－v1)＋12mv2，解得v2＝，碰撞后12C核的运动方向与该粒子原运动方向相同．