物理选择性必修 第三册2 放射性元素的衰变第2课时导学案及答案

这是一份物理选择性必修 第三册2 放射性元素的衰变第2课时导学案及答案，共11页。
第2课时　核反应　放射性同位素及其应用
[学习目标]　1.知道核反应及其遵循的规律.2.知道什么是放射性同位素和人工转变的放射性同位素.3.了解放射性在生产和科学领域的应用和防护．

一、核反应
1．定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程．
2．原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程N＋He→O＋H.
3．遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒．
二、放射性同位素及其应用
1．放射性同位素：具有放射性的同位素．
2．应用：
(1)射线测厚仪：工业部门使用放射性同位素发出的射线来测厚度．
(2)放射治疗．
(3)培优、保鲜．
(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素代替非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置．
三、辐射与安全
1．人类一直生活在放射性的环境中．
2．过量的射线对人体组织有破坏作用．在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意人身安全，同时，要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染．

1．判断下列说法的正误．
(1)用α粒子轰击氮原子核产生氧17和中子的过程是α衰变．(　×　)
(2)衰变和原子核的人工转变均满足质量数守恒和电荷数守恒．(　√　)
(3)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．(　√　)
(4)任何放射性物质都可以作为示踪原子使用．(　×　)
2．1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用Co放射源进行了实验验证．次年李、杨两人为此获得诺贝尔物理学奖.Co的衰变方程是Co→Ni＋e＋νe.其中νe是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零.Co的核外电子数为______，在上述衰变方程中，衰变产物Ni的质量数是________，核电荷数是________．
答案　27　60　28
解析　Co的核外电子数为27.由质量数守恒，知Ni的质量数为A＝60.由电荷数守恒，知Ni的核电荷数为Z＝27＋1＝28.

一、核反应
导学探究
核反应的实质是什么？它符合哪些规律？
答案　核反应的实质就是将一种原子核在其他粒子的轰击之下转变成一种新的原子核，并产生新的粒子．
符合质量数和电荷数守恒规律．
知识深化
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.
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
规律
(1)质量数、电荷数守恒；(2)动量守恒
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.
核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向

(2019·杭州市高二检测)完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反应方程，哪个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　(1)H
(2)H，发现质子的核反应方程
(3)Li
(4)C，发现中子的核反应方程
(5)n

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．
针对训练　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式的横线上．
(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，遵循电荷数守恒和质量数守恒规律．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)中电荷数为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)．
二、放射性同位素及应用
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——利用γ射线照射种子，会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．


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，而今天通过核反应生成的人工放射性同位素已达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)带电的验电器在放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)如图1是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图．如果工厂生产的是厚度1毫米的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是________射线．

图1
(3)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)β　(3)示踪原子
解析　(1)因放射线的电离作用，空气中的与验电器所带电荷电性相反的离子与验电器所带电荷相互中和，从而使验电器所带电荷消失．
(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1毫米的铝板，因而探测器不能探测，γ射线穿透物质的本领极强，穿透1毫米厚铝板和几毫米厚铝板打在探测器上很难分辨．β射线也能够穿透1毫米甚至几毫米厚的铝板，但厚度不同，穿透后β射线中的电子运动状态不同，探测器容易分辨．
(3)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，运动到哪里了，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．人们把这种放射性同位素叫示踪原子．
(2020·全国高三课时练习)下表给出了放射性同位素的辐射线和半衰期．在医疗技术中，常用放射线治疗肿瘤，其放射线必须满足：①具有较强的穿透能力，以辐射到体内的肿瘤处；②在较长时间内具有相对稳定的辐射强度．为此所选择的放射源应为(　　)
同位素
钋210
锝99
钴60
锶90
辐射线
α
γ
γ
β
半衰期
138天
6小时
5年
28年

A.钋210 B．锝99
C．钴60 D．锶90
答案　C
解析　因放射线要有较强的穿透能力，所以应为γ射线，要使其在较长时间内具有相对稳定的辐射强度，放射源应具有较长的半衰期，C正确．

1.(核反应方程)(2018·天津卷)如图2所示，国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台．下列核反应中放出的粒子为中子的是(　　)

图2
A.N俘获一个α粒子，产生O并放出一个粒子
B.Al俘获一个α粒子，产生P并放出一个粒子
C.B俘获一个质子，产生Be并放出一个粒子
D.Li俘获一个质子，产生He并放出一个粒子
答案　B
解析　根据核反应中质量数和电荷数守恒，各选项核反应方程如下：
N＋He→O＋H，故A错；
Al＋He→P＋n，故B对；
B＋H→Be＋He，故C错；
Li＋H→He＋He，故D错．
2．(核反应方程)用中子轰击氧原子核的核反应方程为O＋n→N＋X，对式中X、a、b的判断正确的是(　　)
A．X代表中子，a＝17，b＝1
B．X代表电子，a＝17，b＝－1
C．X代表正电子，a＝17，b＝1
D．X代表质子，a＝17，b＝1
答案　C
解析　根据质量数、电荷数守恒可知a＝17，b＝8＋0－7＝1，因此X可表示为e，即为正电子，故选项C正确，A、B、D错误．
3．(放射性同位素)(多选)下列有关放射性同位素P的说法，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．P能释放正电子，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，不同的质量数，故A错；同位素有相同的化学性质，故B对；半衰期与物理、化学状态无关，故C错；P为放射性同位素，可用作示踪原子，故D对．
4．(放射性同位素的应用)(2020·全国高三课时练习)放射性同位素发出的射线在科研、医疗、工业等诸多方面得到了广泛的应用，下列有关放射线应用的说法中正确的是(　　)
A．放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静电的目的
B．利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进行人体的透视
C．用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种
D．用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的伤害
答案　D
解析　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射线的贯穿性可以为金属探伤，γ射线对人体细胞伤害太大，因此不能用来人体透视，故B错误；DNA变异并不一定都是有益的，也有有害的一面，故C错误；射线对人体细胞伤害太大，在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量，故D正确．


考点一　核反应
1．用α粒子(He)轰击氮核(N)，生成氧核(O)并放出一个粒子，该粒子是(　　)
A．质子 B．电子
C．中子 D．光子
答案　A
解析　核反应方程为：He＋N→O＋X，根据核反应的电荷数守恒、质量数守恒知，该粒子的电荷数为1，质量数为1，为质子，故A正确，B、C、D错误．
2．(2020·华东师大学附属东昌中学高二月考)查德威克最初发现中子的核反应方程是(　　)
A.N＋He→F＋n
B.Al＋He→P＋n
C.Be＋He→C＋n
D.Na＋He→Al＋n
答案　C
解析　查德威克发现中子的核反应方程是Be＋He→C＋n，故C正确，A、B、D错误．
3．下面列出的是一些核反应方程式：P→Si＋X；Be＋He→C＋Y；N＋He→O＋Z，其中(　　)
A．X是质子，Y是中子，Z是正电子
B．X是正电子，Y是中子，Z是质子
C．X是正电子，Y是质子，Z是中子
D．X是中子，Y是正电子，Z是质子
答案　B
解析　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为0，电荷数为1，则X为正电子；Y的质量数为1，电荷数为0，为中子；Z的质量数为1，电荷数为1，为质子，B正确．
4．(2020·山东省高三学业考试)2019年是世界上首次实现元素人工转变100周年.1919年，卢瑟福用氦核轰击氮原子核，发现产生了另一种元素，该核反应方程可写为：
He＋N→X＋Y.以下判断正确的是(　　)
A．m＝16，n＝1 B．m＝17，n＝1
C．m＝16，n＝0 D．m＝17，n＝0
答案　B
解析　根据核反应的质量数和电荷数守恒可得：4＋14＝m＋1,2＋7＝8＋n，解得m＝17，n＝1，故B正确．
考点二　放射性同位素及其应用　辐射与安全
5．(多选)(2019·南通中学阶段测试)关于人工放射性同位素，下列说法正确的是(　　)
A．人工放射性同位素的半衰期比天然放射性物质的半衰期长很多
B．人工放射性同位素的放射强度容易控制
C．人工放射性同位素的γ射线能进行金属探伤
D．使用人工放射性同位素也要遵守操作规程，防止对空气、水源、用具等的污染
答案　BCD
解析　人工放射性同位素的半衰期比天然放射性物质的短，故选项A错误；人工放射性同位素的放射强度容易控制，故选项B正确；人工放射性同位素的γ射线能进行金属探伤，故选项C正确；使用人工放射性同位素也要遵守操作规程，防止对空气、水源、用具等的污染，故选项D正确．

6．(2020·靖西市第二中学高二开学考试)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　14C具有放射性，可以用它标记的C60，通过其放射性发现一种C60的羧酸衍生物，14C的用途是示踪原子，故A正确，B、C、D错误．
7．在放射性同位素的应用中，下列做法正确的是(　　)
A．应该用α射线探测物体的厚度
B．应该用γ粒子放射源制成“烟雾报警器”
C．放射育种利用γ射线照射种子使遗传基因发生变异
D．医院在利用放射线诊断疾病时用半衰期较长的放射性同位素
答案　C
解析　γ光子的贯穿能力最强，应该用γ射线探测物体的厚度，故A错误；因为α粒子的电离本领强，所以应该用α粒子放射源制成“烟雾报警器”，故B错误；γ光子的贯穿能力最强，从而使DNA发生变异，所以放射育种利用γ射线照射种子使遗传基因发生变异，故C正确；人体长时间接触放射线会影响健康，所以医院在利用放射线诊断疾病时用半衰期较短的放射性同位素，故D错误．
8．(多选)(2020·全国高三课时练习)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的(　　)
A．γ射线探伤
B．利用含有放射性同位素碘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．把含有放射性同位素的肥料施给农作物以检测农作物吸收养分的规律
答案　BD
解析　γ射线探伤是利用了γ射线的穿透性，故A错误．放射性同位素检测地下输油管的漏油情况和施放射性同位素的肥料是把放射性同位素作为示踪原子，故B、D正确．利用钴60治疗肿瘤等疾病是利用了γ射线的生物作用，故C错误．

9．(2020·全国高三课时练习)钴60(Co)是金属元素钴的放射性同位素之一，其半衰期为5.27年．它发生β衰变变成镍60(Ni)同时放出能量高达315 keV的高速电子和两束γ射线．钴60的应用非常广泛，几乎遍及各行各业．在农业上，常用于辐射育种、食品辐射保藏与保鲜等；在工业上，常用于无损探伤、辐射消毒、辐射加工、辐射处理废物以及自动控制等；在医学上，常用于人体肿瘤的放射治疗．关于钴60，下列说法正确的是(　　)
A．发生β衰变的衰变方程为Co→Ni＋e
B．将钴60放入高温高压环境中可以加快其衰变
C．钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收
D．10 g钴60经过10.54年全部发生衰变
答案　A
解析　根据电荷数守恒、质量数守恒，知钴60发生β衰变的衰变方程为：Co→Ni＋e，故A正确．放射性元素衰变的快慢由核自身的因素决定，与所处的外部环境无关，故B错误．钴60半衰期太长，且衰变放出的高能粒子对人体伤害太大，不能作为药品的示踪原子，故C错误.10.54年为两个半衰期，则剩下的钴60为原来的，没有全部衰变，故D错误．
10．(2020·全国高三课时练习)正电子发射计算机断层扫描(PETCT)，其原理是借助于示踪剂(正电子放射线药物)可以聚集到病变部位的特点来发现疾病的．PETCT常用核素氧15标记，其半衰期仅有2分钟．对含氧元素的物质照射20～50 MeV的X射线，激发原子核边缘的中子，可以产生氧15正电子核素．下列说法正确的是(　　)
A．用30 MeV的X射线照射氧16时，生成氧15的同时释放出中子
B．氧15发生正电子衰变时，生成的新核含有9个中子
C．经过10分钟，氧15的含量减小为原来
D．将氧15置于回旋加速器中，其半衰期可能发生变化
答案　A
解析　用30 MeV的X射线照射氧16时，生成氧15的同时释放出中子，方程为X＋O→
O＋n，故A正确；氧15产生正电子衰变O→e＋N，生成的新核有8个中子，故B错误；经过10分钟，即经过5个半衰期，剩余氧15的含量m＝m0()5＝m0，故C错误；改变元素所处的物理环境和化学状态，不改变半衰期，故D错误．
11．有些放射性元素要经历一系列的衰变才能稳定，关于X、Y、Z三个原子核的衰变方程如下：X→Pb＋8He＋6e；Y→Pb＋7He＋4e；Z→Pb＋6He＋4e.
根据以上方程可以推断在X、Y和Z中，下列说法正确的是(　　)
A．Z的中子数小于Y的中子数
B．Y的质量数大于X的质量数
C．X、Y和Z互为同位素
D．Z的核电荷数大于Y的核电荷数
答案　A
解析　X→Pb＋8He＋6e，根据质量数与电荷数守恒，则有：X的质量数为238，质子数为92；Y→Pb＋7He＋4e，根据质量数与电荷数守恒，则有：Y的质量数为235，质子数为92；Z→Pb＋6He＋4e，根据质量数与电荷数守恒，则有：Z的质量数为232，质子数为90；由上可知，Z的中子数为232－90＝142，小于Y的中子数235－92＝143，故A正确；由上可知，Y的质量数小于X的质量数，故B错误；由于X和Y的质子数相同，即互为同位素，但Z不是，故C错误；由上可知，Z的核电荷数小于Y的核电荷数，故D错误．
12．(多选)一个质子以1.4×107 m/s的速度撞一个孤立的静止铝原子核后被俘获，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→Si
B．核反应方程为Al＋H→Si＋n
C．硅原子核速度的数量级为107 m/s
D．硅原子核速度的数量级为105 m/s
答案　AD
解析　核反应方程为Al＋H→Si，由动量守恒定律得m×1.4×107 m/s＝28mv′，解得v′＝5×105 m/s，因此选项A、D正确．
13．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108 K时，可以发生“氦燃烧”．完成“氦燃烧”的核反应方程：He＋________→Be.Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16 s．一定质量的Be，经7.8×10－16 s后所剩下的Be占开始时的________．
答案　He　
解析　根据核反应的电荷数守恒、质量数守恒，未知粒子的质量数为4，电荷数为2，为He；半衰期为2.6×10－16 s，经7.8×10－16 s，即3个半衰期，根据m＝m0()3可得，＝()3＝，知剩余Be占开始时的.
14．1934年约里奥—居里夫妇用α粒子轰击静止的Al，发现了放射性元素磷P和另一种粒子X.
(1)写出这个过程的核反应方程式；
(2)若粒子X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，粒子X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)，方向与粒子X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，粒子X为中子，设粒子X的质量为m，则12C核的质量为12m，设碰撞后12C核的速度为v2，以v0的方向为正方向，由动量守恒定律可得mv0＝m(－v1)＋12mv2，解得v2＝，碰撞后12C核的速度方向与粒子X原运动方向相同．