高中物理2 放射性元素的衰变第2课时导学案

这是一份高中物理2 放射性元素的衰变第2课时导学案，共9页。
一、核反应
1．核反应：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。
(1)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)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。
2．原子核人工转变的三大发现
(1)1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，eq \\ar(14, 7)N＋eq \\ar(4,2)He―→eq \\ar(17, 8)O＋eq \\ar(1,1)H。
(2)1932年查德威克用α粒子轰击铍，发现了中子：eq \\ar(9,4)Be＋eq \\ar(4,2)He→eq \\ar(12, 6)C＋eq \\ar(1,0)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eq \\ar(27,13)Al＋eq \\ar(4,2)He→eq \\ar(30,15)P＋eq \\ar(1,0)n，eq \\ar(30,15)P →eq \\ar(30,14)Si＋eq \\ar(0,＋1)e。
3．遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。
衰变和原子核的人工转变有什么不同？
答案 衰变是具有放射性的不稳定核自发进行的变化，原子核的人工转变是用α粒子、质子、中子或γ光子轰击原子核发生的变化。
例1 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)eq \\ar(14,7)N＋eq \\ar(1,0)n→eq \\ar(14,6)C＋________；
(2)eq \\ar(14,7)N＋eq \\ar(4,2)He→eq \\ar(17,8)O＋________；
(3)eq \\ar(10,5)B＋eq \\ar(1,0)n→________＋eq \\ar(4,2)He；
(4)eq \\ar(9,4)Be＋eq \\ar(4,2)He→________＋eq \\ar(1,0)n；
(5)eq \\ar(56,26)Fe＋eq \\ar(2,1)H→eq \\ar(57,27)C ＋________。
答案 (1)eq \\ar(1,1)H
(2)eq \\ar(1,1)H，发现质子的核反应方程
(3)eq \\ar(7,3)Li
(4)eq \\ar(12,6)C，发现中子的核反应方程
(5)eq \\ar(1,0)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。
例2 (2022·湖北卷)上世纪四十年代初，我国科学家王淦昌先生首先提出证明中微子存在的实验方案：如果静止原子核eq \\ar(7,4)Be俘获核外K层电子，可生成一个新原子核X，并放出中微子νe，即eq \\ar(7,4)Be＋eq \\ar( 0,－1)e―→X＋eq \\ar(0,0)νe。根据核反应后原子核X的动能和动量，可以间接测量中微子的能量和动量，进而确定中微子的存在。下列说法正确的是( )
A．原子核X是eq \\ar(7,3)Li
B．核反应前后的总质子数不变
C．核反应前后总质量数不同
D．中微子νe的电荷量与电子的相同
答案 A
解析 根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为7，电荷数为3，即原子核X是eq \\ar(7,3)Li，A正确，C错误；由选项A可知，原子核X是eq \\al(7,3)Li，则核反应方程为eq \\ar(7,4)Be＋eq \\ar( 0,－1)e―→eq \\ar(7,3)Li＋eq \\ar(0,0)νe，则反应前的总质子数为4，反应后的总质子数为3，B错误；中微子不带电，则中微子νe的电荷量与电子的不相同，D错误。
二、放射性同位素及其应用 辐射与安全
1．放射性同位素
(1)定义：具有放射性的同位素。
(2)类型：天然放射性同位素和人工放射性同位素。
(3)与天然放射性物质相比，人工放射性同位素的资源丰富，放射强度容易控制，半衰期比较短，因此放射性废料容易处理，获得了广泛的应用。
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：利用放射性同位素发出的射线破坏癌细胞组织。
(3)培优、保鲜：利用放射性同位素放出的射线照射种子培养优良品种等。
(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置。
3．辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。
例3 我国科学家在1965年9月首先用人工方法合成了牛胰岛素。为了证明人工合成的牛胰岛素与天然的是否为同一物质，在人工合成牛胰岛素过程中掺了放射性14C，然后将人工合成的牛胰岛素与天然的混合得到了放射性14C分布均匀的结晶物，从而证明了两者是同一物质，为我国在国际上首先合成具有生物活性牛胰岛素提供了有力证据。在人工合成过程中掺入放射性14C的用途是( )
A．催化剂 B．媒介质
C．组成元素 D．示踪原子
答案 D
解析 用放射性同位素代替非放射性同位素来制成各种化合物，再用仪器探测“放射性标记”，即用放射性同位素作为示踪原子。故选D。
例4 (多选)某医院利用放射线治疗肿瘤，被利用的放射源必须具备以下两个条件：(1)放出的射线有较强的穿透能力，能辐射到体内肿瘤所在处；(2)能在较长的时间内提供比较稳定的辐射强度。现有四种放射性同位素的放射线及半衰期如表所示。关于在表中所列的四种同位素，下列说法正确的是( )
A.最适宜作为放疗使用的放射源应是钴60
B．最适宜作为放疗使用的放射源应是锶90
C．放射线的电离能力最强的放射源是锝99
D．放射线的电离能力最强的放射源是氡222
答案 AD
解析 钴60放出的γ射线穿透能力强，半衰期长，选项A正确，B错误；α射线电离能力最强，γ射线的电离能力最弱，氡222放出的是α射线，选项C错误，D正确。
例5 (多选)以下关于放射性元素产生的射线应用的说法，正确的是( )
A．经过射线照射的蔬菜可以保存更长时间
B．利用γ射线的穿透性强的特点，可以用它为人体探伤
C．α射线可以用来消除有害的静电
D．射线可以培育新的优良作物品种
答案 ACD
解析 射线可以有效杀灭蔬菜中的微生物，经过射线照射的蔬菜可以保存更长时间，故A正确；γ 射线会造成电离辐射，对人体有巨大伤害，不可以用它为人体探伤，故B错误；α射线有很强的电离作用，可以用来消除有害的静电，故C正确；可以用γ射线处理种子，诱发其变异，培育出新品种，故D正确。
课时对点练
考点一 核反应
1．(2022·湖北高二期末)原子核可以实现人工转变，例如一个Na核俘获1个α粒子后变成1个新核，并释放某个粒子X，其核反应方程为eq \\ar(23,11)Na＋eq \\ar(4,2)He→eq \\ar(26,12)Mg＋X。则X粒子为( )
A.eq \\ar(1,0)n B.eq \\ar( 0,－1)e
C.eq \\ar(1,1)H D．γ光子
答案 C
解析 粒子X的质量数为23＋4－26＝1，电荷数为11＋2－12＝1，所以X为eq \\ar(1,1)H，核反应方程为eq \\ar(23,11)Na＋eq \\ar(4,2)He→eq \\ar(26,12)Mg＋eq \\ar(1,1)H，故选C。
2.如图所示，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( )
A.eq \\ar(14,7)N俘获一个α粒子，产生eq \\ar(17,8)O并放出一个粒子
B.eq \\ar(27,13)Al俘获一个α粒子，产生eq \\ar(30,15)P并放出一个粒子
C.eq \\ar(11,5)B俘获一个质子，产生eq \\ar(8,4)Be并放出一个粒子
D.eq \\ar(6,3)Li俘获一个质子，产生eq \\ar(3,2)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：
eq \\ar(14,7)N＋eq \\ar(4,2)He→eq \\ar(17,8)O＋eq \\ar(1,1)H，故A错；
eq \\ar(27,13)Al＋eq \\ar(4,2)He→eq \\ar(30,15)P＋eq \\ar(1,0)n，故B对；
eq \\ar(11,5)B＋eq \\ar(1,1)H→eq \\ar(8,4)Be＋eq \\ar(4,2)He，故C错；
eq \\ar(6,3)Li＋eq \\ar(1,1)H→eq \\ar(3,2)He＋eq \\ar(4,2)He，故D错。
3．(2023·全国甲卷)在下列两个核反应方程中X＋eq \\ar(14, 7)N→Y＋eq \\ar(17, 8)O、Y＋eq \\ar(7,3)Li→2X，X和Y代表两种不同的原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则( )
A．Z＝1，A＝1 B．Z＝1，A＝2
C．Z＝2，A＝3 D．Z＝2，A＝4
答案 D
解析 设Y的电荷数和质量数分别为m和n，根据核反应方程中质量数和电荷数守恒可知，第一个核反应方程的电荷数和质量数满足A＋14＝n＋17，Z＋7＝m＋8，第二个核反应方程的电荷数和质量数满足n＋7＝2A，m＋3＝2Z，联立解得Z＝2，A＝4，故选D。
4．(2022·中山市高二期末)我国发射的“嫦娥”系列月球探测器，在着陆器和月球车内均安置有钚－238，以确保仪器仓内温度不会很低，让搭载的仪器安然度过月夜，成为仪器的“暖宝宝”。eq \\ar(238, 94)Pu可以通过以下过程得到：eq \\ar(238, 92)U＋eq \\ar(2,1)H→eq \\ar(238, 93)Np＋keq \\ar(1,0)n，eq \\ar(238, 93)Np→X＋eq \\ar(238, 94)Pu，则下列说法正确的是( )
A．k＝1，X为质子 B．k＝2，X为电子
C．k＝1，X为电子 D．k＝2，X为质子
答案 B
解析 在核反应方程中eq \\ar(238, 92)U＋eq \\ar(2,1)H→eq \\ar(238, 93)Np＋keq \\ar(1,0)n，由电荷数守恒和质量数守恒可得238＋2＝238＋k，解得k＝2
在核反应方程中eq \\ar(238, 93)Np→X＋eq \\ar(238, 94)Pu，由电荷数守恒和质量数守恒可得93＝Z＋94,238＝A＋238，解得Z＝－1，A＝0
所以X为电子，故B正确，A、C、D错误。
考点二 放射性同位素及其应用 辐射与安全
5．(多选)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．人工放射性同位素产生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；人工放射性同位素产生的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．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，将静电导出，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。
7．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。
8．α、β和γ射线穿透物质的能力是不同的，为把辐射强度减到一半所需铝板的厚度分别为0.005 cm、0.05 cm和8 cm，工业部门可以使用射线来测厚度，如图所示，轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪，仪器探测到的射线强度与钢板的厚度有关，轧出的钢板越厚，透过的射线越弱。因此，将射线测厚仪接收到的信号输入计算器，就可以对钢板的厚度进行自动控制。如果钢板的厚度需要控制为5 cm，请推测测厚仪使用的射线是( )
A．α射线 B．β射线
C．γ射线 D．可见光
答案 C
9．碳－14同位素广泛应用于农业、化学、医学、生物学等领域。2022年4月26日，中国核电全球首次实现商用堆生产碳－14同位素，预计产量可充分满足国内需求。这将使我国摆脱碳－14供应全部依赖进口的现况。秦山核电站生产eq \\ar(14, 6)C的核反应方程为eq \\ar(14, 7)N＋eq \\ar(1,0)n→eq \\ar(14, 6)C＋X，其产物eq \\ar(14, 6)C的衰变方程为eq \\ar(14, 6)C→eq \\ar(14, 7)N＋eq \\ar( 0,－1)e。下列说法正确的是( )
A．X是正电子
B.eq \\ar(14, 6)C可以用作示踪原子
C.eq \\ar( 0,－1)e来自原子核外
D．经过一个半衰期，10个eq \\ar(14, 6)C将剩下5个
答案 B
解析 根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为eq \\ar(14, 7)N＋eq \\ar(1,0)n→eq \\ar(14, 6)C＋eq \\ar(1,1)H，则X是质子，选项A错误；由题知eq \\ar(14, 6)C不稳定，会发生衰变，可以用作示踪原子，选项B正确；eq \\ar(14, 6)C的衰变过程放出的eq \\al( 0,－1)e是原子核反应释放出的，因此eq \\ar( 0,－1)e来自原子核内部，选项C错误；半衰期是对大量原子核的统计规律，对少量原子核不适用，选项D错误。
10．正电子发射计算机断层扫描(PETCT)，其原理是借助于示踪剂(正电子放射性药物)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eq \f(1,5)
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eq \\ar(16,8)O→eq \\ar(15,8)O＋eq \\al(1,0)n，故A正确；氧15产生正电子衰变eq \\ar(15,8)O→eq \\ar( 0,＋1)e＋eq \\ar(15,7)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(eq \f(1,2))5＝eq \f(1,32)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．(多选)(2022·南充市高二月考)1934年，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝箔，首次产生了人工放射性同位素X，反应方程为：eq \\ar(4,2)He＋eq \\ar(27,13)Al→X＋eq \\al(1,0)n。X会衰变成原子核Y，衰变方程为X→Y＋eq \\al(0,1)e，则( )
A．X的质量数与Y的质量数相等
B．X的电荷数比Y的电荷数少1
C．X的电荷数比eq \\ar(27,13)Al的电荷数多2
D．X的质量数与eq \\ar(27,13)Al的质量数相等
答案 AC
解析 设X和Y的质子数分别为n1和n2，质量数分别为m1和m2，则反应方程为eq \\al(4,2)He＋eq \\al(27,13)Al→eq \\ar(m1,n1)X＋eq \\al(1,0)n，eq \\ar(m1,n1)X→eq \\ar(m2,n2)Y＋eq \\al(0,1)e，根据反应方程电荷数和质量数守恒，电荷数等于质子数，解得2＋13＝n1，n1＝n2＋1,4＋27＝m1＋1，m1＝m2＋0，解得n1＝15，n2＝14，m1＝30，m2＝30，X的质量数(m1＝30)与Y的质量数(m2＝30)相等，比eq \\al(27,13)Al的质量数多3，故A正确，D错误；X的电荷数(n1＝15)比Y的电荷数(n2＝14)多1，比eq \\al(27,13)Al的电荷数多2，故B错误，C正确。
12．现代已知碳的同位素共有十五种，有碳8至碳22，其中碳12和碳13属于稳定型，碳14是宇宙射线透过空气时撞击氮原子核产生的，碳14是一种放射性的元素，衰变为氮14。图中包含碳14衰变相关信息，结合这些信息可以判定下列说法正确的是( )
A．碳14转变为氮14，衰变方式为β衰变
B．100个碳14原子核在经过一个半衰期后，一定还剩50个
C．若氮14生成碳14的核反应方程为eq \\ar(14,7)N＋X→eq \\ar(14,6)C＋eq \\al(1,1)H，则X为质子
D．当氮14数量是碳14数量的7倍时，碳14衰变所经历时间为22 920年
答案 A
解析 由核反应方程eq \\ar(14,6)C→eq \\ar(14,7)N＋eq \\ar(0,－1)e可知碳14转变为氮14是β衰变，A正确；
半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，个别原子核经多长时间衰变无法预测，B错误；
由核反应过程中电荷数守恒和质量数守恒可知，X为中子eq \\al(1,0)n，C错误；
当氮14数量是碳14数量的7倍时，碳14数量占总原子核数量的eq \f(1,8)，经过3个半衰期即17 190年，D错误。
13．(2022·北京市高二期末)能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律等是自然界普遍遵循的规律，在微观粒子的相互作用过程中也同样适用。卢瑟福发现质子之后，他猜测：原子核内可能还存在一种不带电的粒子。
(1)为寻找这种不带电的粒子，他的学生查德威克用α粒子轰击一系列元素进行实验。当他用α粒子(eq \\al(4,2)He)轰击铍原子核(eq \\al(9,4)Be)时发现了一种未知射线，并经过实验确定这就是中子，从而证实了卢瑟福的猜测。请你完成此核反应方程eq \\al(4,2)He＋eq \\al(9,4)Be→________＋eq \\al(1,0)n。
(2)为了测定中子的质量mn，查德威克用初速度相同的中子分别与静止的氢核与静止的氮核发生弹性正碰。实验中他测得碰撞后氮核的速率与氢核的速率关系是vN＝eq \f(1,7)vH。已知氮核质量与氢核质量的关系是mN＝14mH，将中子与氢核、氮核的碰撞视为完全弹性碰撞。请你根据以上数据计算中子质量mn与氢核质量mH的比值。
答案 (1)eq \\ar(12, 6)C (2)eq \f(7,6)
解析 (1)根据核反应过程中核电荷数与质量数守恒，知核反应方程式为eq \\al(4,2)He＋eq \\al(9,4)Be→eq \\ar(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n；
(2)设中子与氢核、氮核碰撞前速率为v0，中子与氢核发生完全弹性碰撞时，取碰撞前中子的速度方向为正方向，
由动量守恒定律和能量守恒定律有：
mnv0＝mnvn＋mHvH；
eq \f(1,2)mnv02＝eq \f(1,2)mnvn2＋eq \f(1,2)mHvH2，
解得碰后氢核的速率vH＝eq \f(2mnv0,mn＋mH)，
同理可得：中子与氮核发生完全弹性碰撞后，
氮核的速率vN＝eq \f(2mnv0,mn＋mN)；
因此有eq \f(vH,vN)＝eq \f(mn＋mN,mn＋mH)，
解得eq \f(mn,mH)＝eq \f(7,6)。同位素
钴60
锶90
锝99
氡222
放射线
γ
β
γ
α
半衰期
5年
28年
6小时
3.8天