第5章 2.2 核反应 放射性同位素及其应用-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（人教版2019，苏京）

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，会正确书写核反应方程式(重难点)。2.知道人工放射性同位素，了解放射性同位素在生产和科学领域的应用。 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，N＋He―→O＋H。 (2)1932年查德威克用α粒子轰击铍，发现了中子：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。 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)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。 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Be＋e―→X＋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Li，A正确，C 错误；由选项A可知，原子核X是Li，则核反应方程为Be＋e―→Li＋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　“心脏灌注显像”的检测技术是将含放射性元素锝(Tc)的注射液注入被检测者的动脉中，经40分钟后，对被检测者的心脏进行造影，血管被堵塞的部分由于无放射性物质到达而无放射线射出。医生根据显像情况判断被检测者的心脏血管有无病变。若检测用的Tc是表中的一种，则可能是(　　) 同位素 半衰期 95mTc 61天 96Tc 4.3天 97mTc 91天 99mTc 6.01小时 A.95mTc B．96Tc C．97mTc D．99mTc 答案　D 解析　由题意可知，检测用的Tc半衰期即不能太长，太长了对人体产生的伤害较大，注射液注入被检测者动脉中40分钟后对心脏进行造影，99mTc的半衰期为6.01 h，则99mTc最合适。故选D。 例5　以下关于放射性元素产生的射线的应用，说法错误的是(　　) 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　B 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，不符合题意；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，符合题意；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，不符合题意；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，不符合题意。 课时对点练 考点一　核反应 1．(2023·盐城市高二月考)1934年，约里奥－居里夫妇用α粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋Al→n＋X。X的原子序数和质量数分别为(　　) A．15和28 B．15和30 C．16和30 D．17和31 答案　B 解析　据α粒子和中子的质量数和电荷数写出核反应方程He＋Al→n＋X，结合质量数守恒和电荷数守恒得A＝4＋27－1＝30，Z＝2＋13－0＝15，原子序数等于核电荷数，故选B。 2．(2022·宿迁市高二期末)硼10俘获1个α粒子，生成氮13，放出X粒子，而氮13是不稳定的，它放出Y粒子变成碳13，那么，X粒子和Y粒子分别为(　　) A．中子和正电子 B．中子和电子 C．质子和正电子 D．质子和中子 答案　A 解析　由核反应方程 B＋He→N＋n，N→C＋e，可知A正确。 3.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.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。 4．(2023·全国甲卷)在下列两个核反应方程中X＋N→Y＋O、Y＋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。 考点二　放射性同位素及其应用　辐射与安全 5．人工放射性同位素被广泛应用，以下说法不正确的是(　　) A．人工放射性同位素的半衰期比较短 B．人工放射性同位素放射强度容易控制 C．人工放射性同位素的γ射线具有较强的杀伤力，能用来治疗癌症等 D．人工放射性同位素作为示踪剂时，由于其放射性对人体有害，故一定不能对人体使用 答案　D 解析　人工放射性同位素的半衰期比天然放射性物质短，故A正确；人工放射性同位素的放射强度容易控制，故B正确；人工放射性同位素的γ射线具有较强的杀伤力，能用来治疗癌症等，故C正确；使用人工放射性同位素作为示踪剂时，虽然过量放射性对人体有害，但调整剂量仍然能对人体使用，故D错误。 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．(2022·镇江市高二期末)秦山核电站生产C的核反应方程为N＋n→C＋X，其产物C的衰变方程为C→N＋e。下列说法正确的是(　　) A．X是α粒子　 B.C可以用作示踪原子 C．e来自原子核外 D．经过一个半衰期，10个C将剩下5个 答案　B 解析　根据反应过程满足质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为1，故X是质子H，A错误；C具有放射性，可以用作示踪原子，B正确； 发生衰变过程，原子核内部的一个中子转化为一个质子和一个电子，电子被释放出来，故e来自原子核内，C错误； 半衰期只适用于大量原子核的衰变，对于少数原子核不适用，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 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的电荷数大于Y的电荷数 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；X和Y的质子数相同，则互为同位素，但Z不是，故C错误；由上可知，Z的电荷数小于Y的电荷数，故D错误． 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N＋X→C＋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C→N＋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，对少数原子核不适用，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，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(He)轰击铍原子核(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He＋Be→________＋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＝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)C　(2) 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He＋Be→C＋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； mnv02＝mnvn2＋mHvH2， 解得碰后氢核的速率vH＝， 同理可得：中子与氮核发生完全弹性碰撞后， 氮核的速率vN＝； 因此有＝， 解得＝。 学科网（北京）股份有限公司 $$