物理选修3-5全套讲义第三章原子核与放射性3-3

第3节放射性的应用与防护[目标定位]1.知道放射性同位素，了解放射性的应用.2.知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害及防护措施．一、放射性的应用1．利用射线的电离作用、穿透能力等特点(1)利用放射线使细胞变异或损害的特点，辐射育种、食品辐射保存、放射性治疗等．(2)放射性同位素电池：把放射性同位素衰变时释放的能量转换成电能的装置．(3)γ射线探伤：利用了γ射线穿透能力强的特点．2．作为示踪原子作为示踪原子对有关生物大分子结构及其功能进行研究．二、放射性污染和防护1．放射性的污染(1)核爆炸：核爆炸产生强烈的γ射线和中子流，对人体和其他生物体有很强的杀伤作用；还产生大量的放射性物质，对生物体和环境产生长期的辐射．(2)核泄漏：核泄漏会使现场人员受到辐射性损伤，对周围地区造成严重污染．(3)医疗照射：医疗照射中如果放射线的剂量过大，也会导致病人受到损害，甚至造成病人的死亡．2．放射性的防护(1)密封防护：把放射源密封在特殊的包壳里，或者用特殊方法覆盖，以防止放射线泄漏．(2)距离防护：距放射源越远，人体吸收放射线的剂量就越少，受到的危害就越小．(3)时间防护：尽量减少受辐射时间．(4)屏蔽防护：在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用.一、放射性的应用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．人工放射性同位素的优点(1)放射强度容易控制．(2)可以制成各种所需的形状．(3)半衰期很短，废料容易处理．3．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，杀死腐败细菌、抑制发芽延长保质期等．(3)作为示踪原子——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1】(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的()A．γ射线探伤仪B．利用含有放射性碘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．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律答案BD解析A利用了γ射线的穿透性；C利用了γ射线的高能量和穿透性；B、D是利用示踪原子．借题发挥利用放射性同位素作示踪原子：一是利用了它的放射性，二是利用放射性同位素放出的射线．针对训练关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是()A．利用射线可以改变布料的性质，使其不再因摩擦而生电，从而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，也可以进行人体的透视C．利用射线照射作物种子可使其DNA发生变异，其结果一定是更优秀的品种D．利用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解析利用射线消除有害静电是利用射线的电离作用，使空气分子电离，将静电导走，选项A错误；γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视，选项B错误；作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优良品种，选项C错误；利用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用，因此要科学地控制剂量，选项D正确．二、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．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：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年查德威克发现中子的核反应：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年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应：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．人工转变核反应与衰变的比较(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，反应前后粒子总动量守恒．【例2】完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子和正电子的．(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＋()答案见解析解析(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此核反应使查德威克首次发现了中子．(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此核反应使卢瑟福首次发现了质子．(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(正电子)此核反应使约里奥·居里夫妇首次发现了正电子．借题发挥写核反应方程的原则(1)质量数守恒和电荷数守恒．(2)中间用箭头，不能写成等号，因两端仅仅是质量数守恒，没有体现质量相等；也不能仅画一横线，因箭头的方向还表示反应进行的方向．(3)能量守恒，但中学阶段不作要求．(4)核反应必须是实验能够发生的，不能毫无根据地随意乱写未经实验证实的核反应方程．【例3】1993年，中国科学院上海原子核研究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)生成的铂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．答案见解析解析根据电荷数守恒、质量数守恒，确定新生核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程，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核反应方程的书写1．(多选)下列核反应或核衰变方程中，符号“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解析根据核反应方程质量数和电荷数守恒可得，A、C对．2．下面是四个核反应方程，x表示质子的是()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解析由质量数守恒和电荷数守恒，可得C中x的质量数为1，电荷数为1，所以C项中x为质子．放射性同位素的应用3．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1000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图1(2)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为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．(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性相反的离子与之中和，从而使验电器所带电荷消失．(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度为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毫米厚的铝板和几毫米厚的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(时间：60分钟)题组一放射性的应用1．图1甲所示是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图，图乙所示是工业上利用射线的穿透性来检查钢板内部伤痕的示意图，则图乙中的检查是利用了()图1A．α射线 B．β射线C．γ射线 D．三种射线都可以答案C解析γ射线的穿透能力最强，能穿透钢板，所以金属探伤利用的是γ射线，选项C正确．2．(多选)人工放射性同位素被用作示踪原子，主要是利用()A．放射性同位素不改变其化学性质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．半衰期与元素所处的物理、化学状态无关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踪原子，主要是用放射性同位素代替没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物过程，既要利用化学性质相同，也要利用衰变规律不受物理、化学变化的影响，同时还要考虑放射性废料容易处理，因此选项A、B、C正确，选项D不正确．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14CA．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14C4．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222C．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．(多选)γ刀是治疗脑肿瘤的最佳仪器．用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半个小时内完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”．据报道，我国自己研制的旋式γ刀性能更好，已进入各大医院为患者服务．γ刀治疗脑肿瘤主要是利用()A．γ射线具有很强的贯穿本领B．γ射线具有很强的电离作用C．γ射线具有很高的能量D．γ射线能很容易地绕过阻碍物到达目的地答案AC题组二核反应方程6．(多选)下列核反应或核衰变方程中，符号“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解析根据核反应方程质量数和电荷数守恒可得，A、C对．7．用中子轰击氧原子核的核反应方程为eq\o\al(16,8)O＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(a,7)N＋eq\o\al(0,b)X，对式中X、a、b的判断正确的是()A．X代表中子，a＝17，b＝1B．X代表电子，a＝17，b＝－1C．X代表正电子，a＝17，b＝1D．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0＋1e，为正电子，故C项正确，A、B、D三项错误．8．(多选)一个质子以1.0×107m/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A．核反应方程为eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(28,14)SiB．核反应方程为eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(28,14)SiC．硅原子核速度的数量级为107mD．硅原子核速度的数量级为105m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速度的数量级为1059．放射性元素eq\o\al(210,84)Po衰变为eq\o\al(206,82)Pb，此衰变过程的核反应方程是________；用此衰变过程中发出的射线轰击eq\o\al(19,9)F，可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是________．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解析根据衰变规律，此衰变过程的核反应方程是eq\o\al(210,84)Po→eq\o\al(206,82)Pb＋eq\o\al(4,2)He.用α射线轰击eq\o\al(19,9)F，可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(19,9)F→eq\o\al(22,10)Ne＋eq\o\al(1,1)H.题组三综合应用10．将威耳逊云室置于磁场中，一个静止在磁场中的放射性同位素原子核eq\o\al(30,15)P，放出一个正电子后变成原子核eq\o\al(30,14)Si，如图所示能近似反映正电子和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＝meq\f(v2,r).所以做匀速圆周运动的半径为r＝eq\f(mv,qB).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eq\f(re,rSi)＝eq\f(qSi,qe)＝eq\f(14,1).可见正电子运动的圆半径较大，故A错，B对．11．某实验室工作人员，用初速度v0＝0.09c(c为真空中的光速)的α粒子，轰击静止的氮原子核eq\o\al(14,7)N，产生了质子eq\o\al(1,1)H，若某次碰撞可看作对心正碰，碰后新核与质子同方向运动，垂直磁场方向射入磁场，通过分析偏转半径可得出新核与质子的速度大小之比为1∶20，已知质子质量为m.(1)写出核反应方程；(2)求出质子的速度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)设α粒子、新核的质量分别为4m、17m，质子速度为v，由于对心碰撞，满足动量守恒，故4mv0＝17meq\f(v,20)＋mv，解得v＝0.20c12．同位素这个概念是1913年英国科学家索迪提出的．许多元素都存在同位素现象，在目前已发现的114种元素中，稳定同位素约300多种，而放射性同位素达1500种，而且大多数是人工制