2024-2025学年高中物理第4章第3节放射性同位素教案粤教版选修3-5

PAGE7-第三节放射性同位素[学习目标]1.知道什么是核反应，能够娴熟写出核反应方程．(重点)2.知道放射性同位素和人工放射性同位素及其核反应方程．(难点)3.了解放射性在生产和科学领域的应用.4.知道射线的危害及防护．一、核反应1．定义：利用自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．反应能：核反应中所放出或汲取的能量叫做反应能．3．两个典型的核反应方程(1)质子的发觉：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)中子的发觉：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、放射性同位素及其应用1．放射性同位素(1)具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素．(2)具有放射性的同位素，叫做放射性同位素．(3)发觉正电子的核反应方程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，它是一种中性粒子，质量近似为零．2．放射性同位素的应用放射性同位素的应用主要分为三类：(1)射线的应用；(2)示踪原子的应用；(3)半衰期的应用．3．放射线的危害及防护(1)危害人体受到长时间大剂量的射线照耀，就会使细胞、组织、器官受到损伤，破坏人体DNA分子结构，有时甚至会引发癌症，或者造成下一代遗传上的缺陷，过度照耀时，人经常会出现头痛、四肢无力、贫血等多种症状，重者甚至死亡．(2)防护辐射防护的基本方法有时间防护、距离防护和屏蔽防护．要防止放射性物质对水源、空气、用具、工作场所的污染，要防止射线过多地长时间地照耀人体．1．正误推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)无论是核衰变还是其他核反应，方程两边总的质量数和电荷数是守恒的． (√)(2)核反应方程遵守质量数守恒，即核反应过程中，质量不改变． (×)(3)利用示踪原子来推断地层或古代文物的年头． (×)(4)可以利用放射性同位素的射线进行无损探伤，生物育种等． (√)(5)医学上做射线治疗用的放射性元素，应选半衰期长的． (×)2．(多选)以下是物理学史上3个闻名的核反应方程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种不同的粒子，下列说法正确的是()A．x为α粒子 B．y为α粒子C．y为电子 D．z为中子BD[依据质量数守恒和电荷数守恒可以确定x为质子eq\o\al(1,1)H，y为eq\o\al(4,2)He即α粒子，z为中子eq\o\al(1,0)n.]3．(多选)有关放射性同位素eq\o\al(30,15)P的下列说法，正确的是()A.eq\o\al(30,15)P与eq\o\al(30,14)X互为同位素B.eq\o\al(30,15)P与其同位素有相同的化学性质C．用eq\o\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期变长D．含有eq\o\al(30,15)P的磷肥释放正电子，可用作示踪原子，视察磷肥对植物的影响BD[同位素有相同的质子数，不同的中子数，所以选项A错误；半衰期与元素所处的化学状态没有关系，eq\o\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期不变，选项C错误．]核反应及核反应方程的书写1.对核反应的相识(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．(3)遵循规律：反应前、后电荷数和质量数守恒．2．常见的人工转变核反应(1)卢瑟福发觉质子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)查德威克发觉中子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)居里夫妇人工制造同位素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，自发地放出正电子(eq\o\al(0,1)e)，与自然放射现象遵循相同的规律，衰变方程：eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e＋ν.3．书写核反应方程时的留意事项(1)核反应指的是在原子核内部核子数发生相应的改变，而化学反应指的是在原子核外最外层电子数发生改变，二者存在本质的不同．(2)核反应过程一般都不是可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接．(3)核反应的生成肯定要以试验事实为基础，不能依据两个守恒规律杜撰诞生成物与核反应方程．(4)核反应遵循质量数守恒，而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生改变(质量亏损)且释放出核能．【例1】1993年，中国科学院上海原子核探讨所制得了一种新的铂元素的同位素eq\o\al(202,78)Pt.制取过程如下：(1)用质子轰击铍靶eq\o\al(9,4)Be产生快中子；(2)用快中子轰击汞eq\o\al(204,80)Hg，反应过程可能有两种：①生成eq\o\al(202,78)Pt，放出氦原子核；②生成eq\o\al(202,78)Pt，同时放出质子、中子．(3)生成的eq\o\al(202,78)Pt发生两次衰变，变成稳定的原子核汞eq\o\al(202,80)Hg.写出上述核反应方程．[解析]依据质量数守恒、电荷数守恒，确定新生核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程：(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]见解析书写核反应方程的四条重要原则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．能量守恒(中学阶段不作要求)；4．核反应必需是试验中能够发生的．1．(1)完成下列核反应方程：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)的四个方程中，发觉中子的核反应方程是________，发觉放射性同位素的方程是________．[解析](1)由核反应的规律：质量数、电荷数守恒可以推断A、C、D选项中的三个核反应生成物中都有中子．而B项中的核反应的生成物应为eq\o\al(29,12)Mg.(2)查德威克发觉中子的核反应方程为C，约里奥—居里夫妇发觉放射性同位素的核反应方程为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放射性同位素及其应用1.放射性同位素分类可分为自然放射性同位素和人工放射性同位素两种，自然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达1000多种，每种元素都有自己的放射性同位素．2．人工放射性同位素的优点(1)放射强度简单限制；(2)可以制成各种所需的形态；(3)半衰期比自然放射性物质短得多，放射性废料简单处理．因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素．3．放射性同位素的主要应用(1)利用它的射线．①工业部门运用射线测厚度——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医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症．(2)作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置．【例2】正电子放射计算机断层显像(PET)的基本原理是：将放射性同位素15O注入人体，参加人体的代谢过程.15O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清楚的图象．依据PET原理，回答下列问题：(1)写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式．(2)将放射性同位素15O注入人体，15O的主要用途是()A．利用它的射线 B．作为示踪原子C．参加人体的代谢过程 D．有氧呼吸(3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应________．(选填“长”“短”或“长短均可”)[解析](1)由题意得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)将放射性同位素15O注入人体后，由于它能放出正电子，并能与人体内的负电子产生一对光子，从而被探测器探测到，所以它的用途为作为示踪原子．B正确．(3)依据同位素的用途，为了减小对人体的损害，半衰期应当很短．[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)短放射性同位素应用的两点提示1．利用它的射线：α射线的电离作用，γ射线的贯穿本事和生物作用，β射线的贯穿本事．2．作为示踪原子：多数状况下用β射线，因为γ射线难以探测到．2．(多选)放射性同位素被广泛应用，下列说法正确的是()A．放射性同位素的半衰期都比较短，对环境的危害较小B．放射性同位素能够消退静电是因为其发出的γ射线C．用放射性同位素参加化学反应可以起到示踪的作用D．放射性同位素可以作为核燃料进行发电AC[放射性同位素的半衰期都比较短，衰变的快，对环境的危害较小，A选项正确；α射线能使空气分子电离成导体，能够消退静电，γ射线的电离本事较小，穿透本事强，B选项错误；依据放射性同位素的应用可知，用放射性同位素参加化学反应可以起到示踪的作用，C选项正确；放射性的同位素大多是人工合成的同位素，成本高，存在量较少，不能作为核燃料进行发电，D选项错误．]课堂小结知识脉络1.原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应.2.在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒.3.1934年，约里奥·居里夫妇发觉了人工放射性同位素.4.放射性同位素有很多应用，如应用它的射线，或把它作为示踪原子；放射性同位素也有很多危害．过量的射线对人体组织有破坏作用，同时对水源、空气等也有污染.1．美国医生用123I对老布什总统诊断，使其很快复原健康，123I的特性是()A．半衰期长，并快速从体内清除B．半衰期长，并缓慢从体内清除C．半衰期短，并快速从体内清除D．半衰期短，并缓慢从体内清除C[在人体内作为示踪原子应当是半衰期短，并能快速从体内消退的元素，以减小危害和遗留．]2．(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子()A．γ射线探伤仪B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油状况C．利用钴60治疗肿瘤等疾病D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的方法确定放射性元素在农作物内转移和分布状况，找出合理施肥的规律BD[A是利用了γ射线的穿透性；C利用了γ射线的生物作用；B、D是利用示踪原子．]3．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发觉，自然放射性同位素只不过40几种，而今日人工制造的同位素已达1000多种，每种元素都有放射