5.4 放射性同位素-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第四节　放射性同位素 [学习目标]　1.知道什么是放射性同位素和人工转变的放射性同位素。2.了解放射性同位素在生产和科学领域的应用和防护(重点)。 一、放射性同位素的发现 1．同位素：在元素周期表中处于同一位置，具有相同质子数而中子数不同的原子，互称同位素。 2．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．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：Ar＋He→P＋n，P→ Si＋e＋ν。 例1　(2022·四川遂宁市高二期末)氢的三种同位素，分别是氕(H)、氘(H)和氚(H)，下列说法正确的是(　　) A．它们的质子数和核外电子数都相等 B．它们的质子数和中子数都相等 C．它们的核子数和中子数都相等 D．它们的中子数和核外电子数都相等 答案　A 解析　具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同原子互为同位素。核外电子数和质子数相等，所以它们的质子数和核外电子数都相等，但是中子数不同，质子和中子统称为核子，由于中子数不同，所以它们的核子数不相等，故选A。 二、放射性同位素的应用 1．射线的应用 (1)利用γ射线的穿透性来检查金属内部的缺陷。 (2)利用α射线、β射线的电离作用使空气分子电离变成导电气体，从而把聚集的静电引入地下。 (3)在农业上，利用射线防治害虫和培育良种。在医疗上，利用射线可以治疗疾病和消毒灭菌。 2．示踪原子的应用 (1)示踪原子：因为放射性元素能放出某种射线，所以可用探测仪器对它们进行踪迹显示，这种用途的放射性同位素叫作示踪原子。 (2)应用：农业上研究磷肥的吸收情况；工业上检测机件的磨损情况；半导体制造工艺中探测杂质在半导体内的扩散情况；医学上作无损伤的疾病诊断等。 3．半衰期的应用 在地质和考古工作中，可利用放射性衰变的半衰期来推断地层或古代文物的年代。 例2　(2022·上海市奉贤高二期中)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3　(多选)(2022·上海市宝山高二期中)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。 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(　　) 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 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。 三、射线的危害及防护 1．危害 射线对物体有不同的穿透能力和电离能力，从而使物体或机体发生一些物理、化学或生化变化。如果人体长时间受到大剂量的射线照射，就会使细胞、组织、器官受到损伤，有时甚至会引发癌变，或造成下一代遗传上的缺陷。 2．防护 (1)内照射防护 尽可能地隔断放射性物质进入人体的各种途径。 (2)外照射防护 通常采取缩短受照射时间、增大与辐射源间的距离、屏蔽射线三种方式防护。 例5　放射性元素钋Po发生衰变时，会产生He和一种未知粒子X，并放出γ射线，其核反应方程为Po→X＋He＋γ，则(　　) A．原子核X的中子数为206 B．利用射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，所以人体可以经常照射 C．γ射线的电离作用很强，可用来消除有害静电 D．为防止射线泄漏，可将放射性元素钋Po密封于铅盒中 答案　D 解析　根据核反应方程遵循质量数守恒有y＝210－4＝206，则原子核X的中子数为206－82＝124，故A错误；大剂量的射线照射会对人体造成某些损害，放射性元素也能损伤遗传物质，引起基因突变和染色体畸变，使一代甚至几代受害，故B错误；γ射线的穿透作用很强，α射线的电离作用很强，故C错误；为防止射线泄漏，可将放射性元素密封于铅盒中以避免射线对人体造成伤害和放射性元素对环境造成放射性污染，故D正确。 课时对点练 1．(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。 2．(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错误；同位素有相同的化学性质，故B正确；半衰期与物理状态、化学状态无关，故C错误；P为放射性同位素，能释放正电子，可用作示踪原子，故D正确。 3．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．在放射育种中利用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射线的贯穿能力最强，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射线的贯穿能力最强，从而使DNA发生变异，所以在放射育种中利用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。 4．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，通过其放射性发现了一种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。 5．α、β和γ射线穿透物质的能力是不同的，为把它们的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 6．(2022·黑龙江牡丹江市高二期末)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；γ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．(2022·陕西渭南市高二期末)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是正电子 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　根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为N＋n→C＋H，则X是质子，选项A错误；由题知C不稳定，会发生衰变，可以用作示踪原子，选项B正确；C的衰变过程放出的e是原子核反应释放出的，因此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。 8．(多选)核污水中包含氚、碳14、钌106、钴60、锶90、铯134、铯137等63种放射性物质，它们的半衰期短的是十几年、几十年，长的甚至达到5370年。下列说法正确的是(　　) A．氚是氢的放射性同位素 B．核污水中包含的放射性物质只会发出α、β和γ三种射线 C．储存有核污水的罐体要确保对环境没有影响，最难也是最需要重点防护的是α射线 D．如果能将核污水中的63种放射性物质变成其他化合物，其衰变或许会变得更快些 答案　AB 解析　氚为氢的放射性同位素，也被称为超重氢，故A正确；放射性物质是指那些能自然向外辐射能量、发出射线的物质，放射性物质放出的射线有三种：分别是α射线、β射线和γ射线，故B正确；储存有核污水的罐体要确保对环境没有影响，因为γ射线穿透性最强，故最难也是最需要重点防护的是γ射线，故C错误；放射性元素衰变有一定的周期，不因物理状态或化学状态而改变，故D错误。 9．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，不能作为药物的示踪原子，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．(2022·佛山市高二期末)如图，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。已知某车间采用放射性同位素铱192作为放射源，其化学符号是Ir，原子序数为77，通过β衰变放出γ射线，半衰期为74天，适合透照钢板厚度10～100 mm，下列说法正确的是(　　) A．衰变产生的新核用X表示，铱192的衰变方程为Ir →X＋e B．若已知钢板厚度标准为30 mm，探测器得到的射线变弱时，说明钢板厚度大于30 mm，应当增大热轧机两轮之间的厚度间隙 C．若有2 g铱192，经过148天有1.0 g没有衰变 D．放射性同位素发生衰变时，遵循能量守恒和质量守恒 答案　A 解析　β衰变的实质是核里的一个中子放出一个电子变为一个质子，反应过程中遵循质量数守恒和核电荷数守恒，故生成的新核质量数不变，核电荷数加1，故A正确；探测器得到的射线变弱时，说明钢板厚度增大，应当减小热轧机两轮之间的厚度间隙，故B错误；若有2 g铱192，经过74天后还有1 g没有衰变，再过74天(即总共经历148天)还有0.5 g没有衰变，故C错误；放射性同位素发生衰变时，放出能量产生质量亏损，质量不守恒，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$