5.4 放射性同位素 5.5 裂变和聚变 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理粤教版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦放射性同位素、核裂变与聚变，从同位素定义及发现切入，梳理射线应用、危害防护，再到核裂变链式反应、核聚变条件及两者对比，构建连贯知识链条，通过概念解析、实例说明与对比表格搭建学习支架。 导学案例题紧扣医疗、工业等实际应用，对比裂变与聚变培养科学思维，强调射线防护渗透科学态度与责任，助力学生形成能量观念，提升分析解决问题能力，适合自主学习与教师教学评估。

粤教版（2019）选择性必修第三册导学案 5.4-5.5 放射性同位素 裂变和聚变 一．放射性同位素的发现及其应用 1．放射性同位素． (1)原子核内的质子数决定了元素的化学性质，同种元素的质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同．具有相同质子数而中子数不同的原子互称同位素．例如：氢的三种同位素：氕(H)、氘(H)、氚(H). (2)具有放射性的同位素，叫作放射性同位素． 2．放射性同位素和正电子的发现． 1934年约里奥­居里夫妇发现正电子和放射性同位素． 3．放射性同位素的应用． 放射性同位素的应用分为三类：射线的应用、示踪原子的应用、半衰期的应用 放射性同位素的主要应用． (1)利用它的射线： 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． 二、射线的危害及防护 1．危害：射线具有特定的能量，对物体具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，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，过度照射时，人常常会出现头痛、四肢无力、贫血等多种症状，重者甚至死亡． 2．放射性防护可以分为内照射防护和外照射防护． (1)内照射防护的基本原则是尽可能地隔断放射性物质进入人体的各种途径． (2)外照射防护通常有三种防护方式：缩短受照射时间、增大与辐射源间的距离、屏蔽射线． 三、核裂变与链式反应 1.定义：重核在中子轰击下分裂成中等质量的原子核并释放出核能的反应叫作核裂变。 2.条件： ①重元素：只有一些质量非常大的原子核（如铀、钚等）才能发生核裂变。 ②中子轰击：这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和巨大的能量。 ③链式反应：如果铀﹣235核裂变产生的中子又去轰击其余的铀﹣235，将再引起新的裂变，如此不断地持续进行下去，就是裂变的链式反应。 这种链式裂变反应能够维持下去的条件是至少有一个中子而且不多于一个中子从每一次裂变到达另一次裂变，这种状态称为“临界状态“。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 3.常见的裂变方程： ①U＋n→Xe＋Sr＋2n； ②U＋n→Ba＋Kr＋3n. 4．裂变的应用（核电站与反应堆） 1.原子弹：原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够放出大量核能，发生猛烈爆炸。 2.反应堆与核电站 ①用人工的方法控制核裂变链式反应速度获得核能的装置，叫做反应堆．反应堆主要由核燃料棒、减速剂、控制棒、冷却系统和防护层等构成． ②通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数，以形成所谓的自持链反应（self﹣sustaining chain reaction）． ③核电站就是利用核反应堆来发电的。 四、核聚变 1．核聚变发生的条件． 要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离，即10－15 m以内，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温． 2．轻核聚变是放能反应． 从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应． 3．核聚变的特点． (1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量． (2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，只靠自身产生的热就可以使反应进行下去． (3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻在进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆． 4．核聚变的作用． (1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸． (2)可控热核反应：目前处于探索阶段． 5．重核裂变与轻核聚变的区别． 对比项 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍 核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上的储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0.03 g的氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当 可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它 考点一：人工放射性同位素 例1.恒星内部发生多种“氦燃烧”核反应，其中一种核反应方程为，不稳定，其半衰期为T，则下列说法正确的是（　　） A．的衰变需要外部作用激发才能发生 B．经过2T，剩下的粒子占开始时的 C． D．该核反应类型为人工转变 【答案】C 【详解】A．原子核的衰变是由于其不稳定导致的自发过程，不需要外部作用激发也可以发生，故A错误； B．经过2T，剩下的粒子占开始时的，故B错误； C．根据核反应方程和质量数守恒可知A=8，故C正确； D．该核反应类型为恒星内部的核聚变反应，不属于人工转变，故D错误。 故选C。 例2.我国近年来在原子核物理研究方面取得了一系列的研究成果，其中“新核素的合成和研究”项目组在世界上首次建立了短寿命缺中子核铒153和镱157两个重要核素的衰变纲图和具有重要物理意义的新的三粒子态、新的同质异能态和核基态形状新的突变点。对铒153（）和铒167（）进行比较，其中短寿命缺中子核铒153的缺中子的含义是其中子数少于（　　） A．质子数 B．核电荷数 C．铒167的质子数 D．铒167的中子数 【答案】D 【详解】原子核内的质子带正电，中子不带电，故原子核的核电荷数等于质子数，且同位素的核电荷数和质子数都是相等的，而铒153（）内的中子数等于核子总数减去质子数，即 中子数 所以短寿命缺中子核铒153的中子数还是比质子数多，只是比铒167的中子数少。 故选D。 考点二：放射性同位素的应用 例1.医学界通过标记的发现一种的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂抑制艾滋病病毒的繁殖，则的用途是（　　） A．示踪原子 B．电离作用 C．催化作用 D．贯穿作用 【答案】A 【详解】A．具有放射性，通过标记使其放射性可被追踪，从而发现其衍生物的作用机制，符合“示踪原子”的定义，故A正确； B．电离作用需通过射线使物质电离，的β射线能量较弱，在此场景未体现电离功能，故B错误； C．催化作用需改变反应速率，的放射性不参与化学反应催化，故C错误； D．贯穿作用要求射线穿透物质，的β射线穿透力弱（如空气射程仅约24cm），故D错误。 故选A。 例2.钴60是金属元素钴的放射性同位素之一，其半衰期为5.27年。它会通过衰变放出能量高达的高速电子衰变为镍60，同时会放出两束射线，其能量分别为及。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，常用于癌和肿瘤的放射治疗。关于钴60下列说法正确的是（　　） A．衰变方程为 B．利用钴60对人体肿瘤进行放射治疗是利用其衰变放出的电子流 C．钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收 D．钴60衰变过程中不会有质量亏损 【答案】A 【详解】A．衰变方程需满足质量数守恒和电荷数守恒。钴60（）衰变为镍60（），质量数60不变，电荷数由27增至28，放出电子（），方程正确，故A正确； B．钴60衰变放出电子流和射线。放射治疗主要利用穿透力强的射线（能量1.17MeV和1.33MeV）破坏深部肿瘤组织，而非电子流（穿透力弱），故B错误； C．钴60半衰期长（5.27年），且释放高能和辐射，对人体有害，不适合作为体内示踪原子（示踪需短半衰期、低能、安全的同位素），故C错误； D．衰变释放能量（电子和射线总能量约2.5MeV），根据爱因斯坦质能方程，能量释放源于质量亏损，故D错误。 故选A。 例3．PET（正电子发射型计算机断层显像）的基本原理是：将放射性同位素注入人体，参与人体的代谢过程。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晰的图像。根据PET原理，下列说法正确的是（　　） A．衰变的方程式为 B．正负电子湮灭的方程式： C．PET中所选的放射性同位素的半衰期应较长 D．将放射性同位素注入人体，的主要用途是作为示踪原子 【答案】AD 【详解】A．由质量数守恒和电荷数守恒，可知的衰变的方程式是，故A正确； B．正负电子湮灭的方程式，故B错误； C．氧在人体内的代谢时间不长，因此PET中所选的放射性同位素的半衰期应较短，故C错误； D．将注入人体后，它会参与代谢过程，通过其放射性信号被探测器捕捉，从而追踪生理活动，因此主要用途是示踪原子，故D正确。 故选AD。 考点三：核裂变 例1.漳州核电站是全球最大的“华龙一号”核电基地。核电站的能量来源于原子核的裂变，其中一个典型的核反应方程为，则X为（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，据此计算X的电荷数和质量数： 反应前总质量数为，反应后和的质量数之和为，因此2个X的总质量数为，单个X的质量数为； 反应前总电荷数为，反应后和的电荷数之和为，因此2个X的总电荷数为，单个X的电荷数为0。 则X为（中子）。 故选A。 例2.卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现新核素，核反应方程为核电站反应堆中，一种典型的裂变反应为。下列说法正确的是（　　） A．卢瑟福发现新核素的核反应属于核聚变 B．核反应方程中的X是中子 C．β衰变的实质是Y转化成 X 和电子 D．铀235裂变需要吸收能量 【答案】C 【详解】第一个反应中，X的电荷数=7+2-8=1，质量数=14+4-17=1，故X为质子（）； 第二个反应中，Y的电荷数=56+36-92=0，质量数=，故Y为中子（）。 A．核聚变是轻核结合成质量更大的核的反应，卢瑟福的核反应是人工核转变，不属于核聚变，A错误； B．由上述计算可知，X是质子，不是中子，B错误； C．β衰变的实质是原子核内的中子（Y）转化为质子（X）和电子，电子作为β粒子释放，C正确； D．铀235裂变存在质量亏损，会释放大量能量，不需要吸收能量，D错误。 故选C。 例3.关于下列四幅图的说法正确的是（　　） A．甲图为氢原子的电子云示意图，由图可知电子在核外运动有确定的轨道 B．乙图为原子核的比结合能示意图，由图可知原子核中的平均核子质量比的要大 C．丙图为链式反应示意图，核反应放出巨大能量，原子弹爆炸及太阳内部均属于该种核反应 D．丁图为氡的衰变图像，由图可知100个氡经过3.8天后还剩50个 【答案】B 【详解】A．电子云是描述电子在某一位置出现概率的大小，说明电子在核外运动没有确定的轨道，故A错误； B．由图知比比结合能小，说明更稳定，故原子核中的平均核子质量比的要大，故B正确； C．原子弹爆炸属于重核聚变，但太阳内部的核反应属于轻核聚变，故C错误； D．半衰期反映的是统计规律，对少数原子核衰变的半衰期不成立，故D错误。 故选B。 考点四：核聚变 例1.BEST装置实现核聚变需要将燃料加热到极高温度，为实现可控核聚变的实际应用又迈进一步。下列说法正确的是（　　） A．燃料会发生链式反应 B．聚变反应吸收能量而不是释放能量 C．若反应物为和，生成物为，则聚变反应方程为 D．高温的目的是使原子核具有足够大的动能，能够克服库仑斥力，从而发生核裂变 【答案】C 【详解】A．链式反应是核裂变的特征，核聚变是轻核聚合成较重核的过程，不会发生链式反应，故A错误； B．核聚变反应存在质量亏损，根据质能方程可知聚变反应释放能量，高温是反应发生的条件，并非反应吸收能量，故B错误； C．核反应满足质量数和电荷数守恒，左边总质量数为5，总电荷数为2，右边氦核质量数为4、电荷数为2，中子质量数为1、电荷数为0，总质量数5，总电荷数为2，守恒关系成立，反应方程正确，故C正确； D．高温的目的是使原子核具有足够动能克服库仑斥力发生核聚变，不是核裂变，故D错误。 故选C。 例2.下列说法正确的是（　　） A．核反应是α衰变 B．γ射线和X射线都是电磁波，但它们的产生机理不同 C．β射线是高速电子流，其穿透能力比α射线弱 D．在云室中，能清晰看到α、β、γ射线的径迹 【答案】B 【详解】A．衰变是重核自发释放α粒子（）的天然衰变过程，题干中的反应是轻核聚变反应，A错误； B．γ射线是原子核能级跃迁时产生的电磁波，X射线是原子内层电子跃迁或高速电子轰击靶材产生的电磁波，二者均为电磁波但产生机理不同，B正确； C．β射线是高速电子流，穿透能力强于α射线，α射线穿透能力最弱，一张普通纸张即可将其挡住，C错误； D．γ射线电离能力极弱，很难使云室中的气体分子电离，无法形成清晰径迹，D错误。 故选B。 例3.2025年10月，我国紧凑型聚变能实验装置（BEST）主机首个关键部件——杜瓦底座研制成功并顺利完成交付。该装置发生的核反应方程为，关于该核反应，下列说法正确的是（　　） A．X是 B．该核反应为衰变 C．的中子数为3 D．反应物的质量之和等于X与的质量之和 【答案】A 【详解】A．核反应遵循电荷数守恒、质量数守恒，X的电荷数为，质量数为，因此X为，故A正确； B．α衰变是重核自发释放α粒子的核变化，该反应是两个轻核结合成质量较大核的核聚变反应，不属于α衰变，故B错误； C．原子核的中子数=质量数-质子数，的质子数为1、质量数为3，因此中子数为，故C错误； D．该反应释放17.6MeV能量，根据质能方程可知反应存在质量亏损，因此反应物总质量大于X与的 总质量，故D错误。 故选A。 考点五：核辐射和安全 例1.关于近代物理知识，下列说法正确的是（　　） A．将由放射性元素组成的化合物进行高温分解，会改变放射性元素的半衰期 B．铀235吸收慢中子裂变成中等质量原子核的过程中，核子的比结合能变大 C．根据衰变释放电子现象，汤姆孙提出原子结构的枣糕模型 D．放射线是一种必须要防护的危害，对人类生产、生活无益 【答案】B 【详解】A．外界的物理因素不会改变放射性元素的半衰期，故A错误； B．铀235吸收慢中子裂变成中等质量原子核的过程中，释放能量，生成物更稳定，比结合能更大，故B正确； C．汤姆孙发现了电子，从而提出原子结构的枣糕模型，故C错误； D．放射线也可能是有益的，如使用放射线作用于医学领域用于CT检查或放射治疗，故D错误。 故选B。 例2.关于核反应的相关知识，下列说法错误的是（　　） A．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，所以辐射强度应严格控制在安全剂量内 B．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 C．核反应堆中存在核反应方程为的核反应 D．核裂变反应中，反应物的结合能之和大于生成物的结合能之和 【答案】D 【详解】A．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，所以辐射强度应严格控制在安全剂量内，故A正确； B．铀核裂变可通过反应堆中的镉棒控制链式反应速度，故B正确； C．根据电荷数和质量数守恒可知，核反应堆中存在核反应方程为的核反应，故C正确； D．核反应中释放的能量等于生成物的结合能之和减去反应物的结合能之和，核裂变会释放能量，所以生成物的结合能必然大于反应物的结合能，故D错误。 本题选错误的，故选D。 一、单选题 1．下列说法正确的是（　　） A．玻尔提出了原子核式结构学说 B．查德威克发现了天然放射现象 C．J.J.汤姆生发现了正电子 D．德布罗意提出了物质波假说 【答案】D 【详解】A．原子的核式结构模型最早是由卢瑟福根据α粒子散射实验提出的，故A错误； B．贝克勒尔最早发现了天然放射现象，故B错误； C．在原子核人工转变的实验中，约里奥-居里夫妇发现了正电子，故C错误； D．1924年，德布罗意提出了物质波理论，他假设实物粒子也具有波动性，大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子（如电子、质子等），故D正确。 故选D。 2．核聚变是指由两个轻核结合成质量较大的核，如。近日中国自主设计的如图所示的核聚变实验装置，被称为“人造太阳”的东方超环更是取得了重大突破，在1亿度的超高温度下稳定运行了近10秒，是人类最终实现可控热核反应迈出了坚实的一步，关于氢核聚变，下列说法正确的是（　　） A．核聚变后的比结合能大于的比结合能 B．轻核聚变和重核裂变都没有放射性危害 C．是轻核聚变过程释放的核能，也是指核聚变前后反应物的结合能之差 D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能才能克服核力作用而碰撞结合在一起 【答案】A 【详解】A. 质量中等的核比结合能较大， 比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，所以核聚变后的比结合能大于的比结合能，故A正确； B. 氘氚核聚变产物为惰性元素氦，没有辐射和污染，清洁无毒；而重核裂变后的产物具有放射线，对环境具有危害，故B错误； C. 是轻核聚变过程释放的核能，是指核聚变反应后生成的结合能与聚变反应前和的总结合能之差，故C错误； D. 要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能才能克服巨大的库仑力作用而碰撞结合在一起，形成另外一种原子核的过程，故D错误。 故选A。 3．近年来我国在“人造太阳”可控核聚变、量子通信卫星等科研领域取得丰硕成果。下列说法正确的是（　　） A．光子能量与波长成正比 B．光电效应现象说明光具有波动性 C．，该核反应吸收能量 D．，该核反应中的X为中子 【答案】D 【详解】A．光子能量满足公式，光子能量与波长成反比，故A错误； B．光电效应现象说明光具有粒子性，光的干涉、衍射现象才体现光的波动性，故B错误； C．该反应为轻核聚变反应，反应过程存在质量亏损，会释放大量能量，故C错误； D．根据核反应电荷数守恒、质量数守恒，X的质量数为，电荷数为，可知X为中子，故D正确。 故选D。 4．核反应方程中，则是（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】根据质量数守恒和核电荷数守恒可知X的质量数为 电荷数为 可知是。 故选C。 5．2025年1月，我国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现1亿摄氏度等离子体稳态运行1066秒，创下世界纪录；同年，新一代“人造太阳”中国环流三号（HL-3）更是实现了离子温度与电子温度双双突破1亿度的“双亿度”里程碑。这些成就标志着我国在可控核聚变领域已跻身国际第一方阵，为人类最终解决能源问题提供了“中国方案”。核聚变反应通常涉及轻核（如氘、氚）结合成较重核（如氦）的过程，释放巨大能量。已知氘核和氚核聚变生成氦核并放出一个粒子X，反应方程为：。关于上述核反应及核能知识，下列说法正确的是（　　） A．粒子X是质子，该反应属于原子核的人工转变 B．氦核的比结合能大于氘核和氚核的比结合能 C．反应前后原子核的总质量守恒，但总能量不守恒 D．“1亿摄氏度”高温，使得每一个原子核都获得足够的动能，以克服库仑斥力从而发生聚变 【答案】B 【详解】A．根据核反应过程中的质量数守恒和电荷数守恒。质量数，电荷数，因此粒子X是中子；这个反应是两个轻核结合成较重核的过程，属于核聚变，不属于原子核的人工转变，故A错误； B．在核反应中，反应释放能量意味着生成物比反应物处于更低的能级，更加稳定，比结合能越大，原子核越稳定，所以氦核的比结合能大于氘核和氚核的比结合能，故B正确； C．根据爱因斯坦的质能方程，释放能量必然伴随着质量亏损，所以反应后原子核的总质量减少； 在整个反应系统中，包括释放出的能量在内，系统的总能量是绝对守恒的，故C错误； D．温度是大量微观粒子热运动平均动能的宏观标志，在1亿摄氏度的高温下，等离子体中原子核的热运动非常剧烈，平均动能很大，虽然整体平均动能很大，但根据统计物理规律，并非每一个原子核都具有相同的动能，总会有一部分原子核动能较小，一部分动能较大，只有动能足够大的那部分原子核，才能克服极强的库仑斥力发生聚变，故D错误。 故选B。 6．一种典型的核聚变方程式为，一种典型的核裂变方程式为，下列说法正确的是（　　） A．Y为 B．X为质子 C．核聚变为放热反应，核裂变为吸热反应 D．比Y稳定 【答案】A 【详解】AB．先通过聚变反应确定粒子X：左边总电荷数，总质量数；右边电荷数2、质量数3，因此X电荷数为，质量数为，即X是中子（）。 代入裂变反应：左边总电荷数，总质量数；右边Y的电荷数为，质量数为，即Y为，故A正确，B错误。 C．核聚变和核裂变都存在质量亏损，均释放核能，属于放热反应，故C错误。 D．比结合能越大原子核越稳定，中等质量核的比结合能最大。Y（质量数89）比（质量数144）更接近中等质量，比结合能更大，因此Y更稳定，故D错误。 故选A。 7．原子核的比结合能曲线如图所示，由图中信息可知（　　） A．核比核更稳定 B．两个核聚变成核会放出能量 C．核裂变成核和核要吸收能量 D．核的结合能比核的结合能大 【答案】B 【详解】A．比结合能越大，原子核越稳定。由图可知， 核的比结合能大于核的比结合能，所以核比核更稳定，故A错误； B．由图可知，核的比结合能远大于核的比结合能。两个核聚变成核的过程中，比结合能增大，原子核变得更稳定，会有质量亏损，根据质能方程可知该过程会放出能量，故B正确； C．由图可知，中等质量原子核和的比结合能大于重核的比结合能。核裂变成核和核，反应后比结合能增大，系统更稳定，会释放能量，故C错误； D．结合能等于比结合能与核子数（质量数）的乘积。虽然核的比结合能比核的大，但核的核子数（235）远多于核的核子数（89），可知核的总结合能更大，故D错误。 故选B。 8．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315keV 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．钴60的氧化物中的钴半衰期比其单质钴的半衰期要小 B．钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收 C．发生β衰变的衰变方程为 D．5g钴60经过10.54年全部发生衰变 【答案】C 【详解】A．放射性元素的半衰期仅由原子核内部结构决定，与化学状态无关。钴60的氧化物中的钴半衰期与其单质相同，故A错误； B．钴60半衰期长（5.27年），且释放高能β射线和γ射线，对人体有害，不适合作为示踪原子，故B错误； C．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，故C正确； D．10.54年为两个半衰期，剩余钴60质量为，未全部衰变，故D错误。 故选C。 9．下列说法正确的是(　　) A．给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好 B．输油管道漏油时，可以在输的油中放一些放射性同位素探测其射线，确定漏油位置 C．天然放射元素也可以作为示踪原子加以利用，只是较少，经济上不划算 D．放射性元素被植物吸收，其放射性将发生改变 【答案】B 【详解】A．放射性元素与它的同位素的化学性质相同，但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节吸收含有哪种元素的肥料．无论植物吸收含放射性元素的肥料，还是无放射性肥料，植物生长是相同的，A错误； B．放射性同位素可作为示踪原子，B正确； C．人工放射性同位素，含量易控制，衰变周期短，不会对环境造成永久污染，而天然放射性元素，剂量不易控制、衰变周期长、会污染环境，所以不用天然放射元素作示踪原子，C错误； D．放射性是原子核的本身性质，与元素的状态、组成等无关，D错误。 故选B。 二、多选题 10．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 【详解】A．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； B．γ射线会造成电离辐射，对人体有巨大危害，不可以用它为人体探伤，故B错误； C．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； D．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； 故选ACD。 11．下列说法正确的是（　　） A．无线电信号在发射前需经过调谐才能更有效的发射 B．相对论时空观认为微观粒子高速运动时比其低速运动时的寿命长 C．中子速度太慢，铀核不能“捉”住它，在铀棒周围要放“慢化剂”使其加速为快中子 D．弱相互作用是引起β衰变的原因，其力程比强相互作用更短，只有 【答案】BD 【详解】A．无线电信号在发射前需采用开放电路并经过调制才能更有效发射，故A错误； B．相对论时空观中微观粒子在高速运动时比低速运动时的寿命长，故B正确； C．核裂变产生的是速度很大的快中子，因此，还要设法使快中子减速，为此，在铀核周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子速度减少，变为慢中子，故C错误； D．弱相互作用是引起衰变的原因，其力程比强相互作用更短，只有，故D正确。 故选BD 。 12．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种类比天然放射性同位素的种类少 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 【详解】A．人工放射性同位素的种类远多于天然放射性同位素的种类，故A错误； B．人工放射性同位素的放射强度容易控制，故B正确； C．人工放射性同位素的γ射线能进行金属探伤，故C正确； 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，故D正确。 故选BCD。 14 学科网（北京）股份有限公司 $ 粤教版（2019）选择性必修第三册导学案 5.4-5.5 放射性同位素 裂变和聚变 一．放射性同位素的发现及其应用 1．放射性同位素． (1)原子核内的质子数决定了元素的化学性质，同种元素的质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同．具有相同质子数而中子数不同的原子互称同位素．例如：氢的三种同位素：氕(H)、氘(H)、氚(H). (2)具有放射性的同位素，叫作放射性同位素． 2．放射性同位素和正电子的发现． 1934年约里奥­居里夫妇发现正电子和放射性同位素． 3．放射性同位素的应用． 放射性同位素的应用分为三类：射线的应用、示踪原子的应用、半衰期的应用 放射性同位素的主要应用． (1)利用它的射线： 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． 二、射线的危害及防护 1．危害：射线具有特定的能量，对物体具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，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，过度照射时，人常常会出现头痛、四肢无力、贫血等多种症状，重者甚至死亡． 2．放射性防护可以分为内照射防护和外照射防护． (1)内照射防护的基本原则是尽可能地隔断放射性物质进入人体的各种途径． (2)外照射防护通常有三种防护方式：缩短受照射时间、增大与辐射源间的距离、屏蔽射线． 三、核裂变与链式反应 1.定义：重核在中子轰击下分裂成中等质量的原子核并释放出核能的反应叫作核裂变。 2.条件： ①重元素：只有一些质量非常大的原子核（如铀、钚等）才能发生核裂变。 ②中子轰击：这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和巨大的能量。 ③链式反应：如果铀﹣235核裂变产生的中子又去轰击其余的铀﹣235，将再引起新的裂变，如此不断地持续进行下去，就是裂变的链式反应。 这种链式裂变反应能够维持下去的条件是至少有一个中子而且不多于一个中子从每一次裂变到达另一次裂变，这种状态称为“临界状态“。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 3.常见的裂变方程： ①U＋n→Xe＋Sr＋2n； ②U＋n→Ba＋Kr＋3n. 4．裂变的应用（核电站与反应堆） 1.原子弹：原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够放出大量核能，发生猛烈爆炸。 2.反应堆与核电站 ①用人工的方法控制核裂变链式反应速度获得核能的装置，叫做反应堆．反应堆主要由核燃料棒、减速剂、控制棒、冷却系统和防护层等构成． ②通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数，以形成所谓的自持链反应（self﹣sustaining chain reaction）． ③核电站就是利用核反应堆来发电的。 四、核聚变 1．核聚变发生的条件． 要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离，即10－15 m以内，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温． 2．轻核聚变是放能反应． 从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应． 3．核聚变的特点． (1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量． (2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，只靠自身产生的热就可以使反应进行下去． (3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻在进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆． 4．核聚变的作用． (1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸． (2)可控热核反应：目前处于探索阶段． 5．重核裂变与轻核聚变的区别． 对比项 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍 核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上的储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0.03 g的氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当 可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它 考点一：人工放射性同位素 例1.恒星内部发生多种“氦燃烧”核反应，其中一种核反应方程为，不稳定，其半衰期为T，则下列说法正确的是（　　） A．的衰变需要外部作用激发才能发生 B．经过2T，剩下的粒子占开始时的 C． D．该核反应类型为人工转变 例2.我国近年来在原子核物理研究方面取得了一系列的研究成果，其中“新核素的合成和研究”项目组在世界上首次建立了短寿命缺中子核铒153和镱157两个重要核素的衰变纲图和具有重要物理意义的新的三粒子态、新的同质异能态和核基态形状新的突变点。对铒153（）和铒167（）进行比较，其中短寿命缺中子核铒153的缺中子的含义是其中子数少于（　　） A．质子数 B．核电荷数 C．铒167的质子数 D．铒167的中子数 考点二：放射性同位素的应用 例1.医学界通过标记的发现一种的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂抑制艾滋病病毒的繁殖，则的用途是（　　） A．示踪原子 B．电离作用 C．催化作用 D．贯穿作用 例2.钴60是金属元素钴的放射性同位素之一，其半衰期为5.27年。它会通过衰变放出能量高达的高速电子衰变为镍60，同时会放出两束射线，其能量分别为及。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，常用于癌和肿瘤的放射治疗。关于钴60下列说法正确的是（　　） A．衰变方程为 B．利用钴60对人体肿瘤进行放射治疗是利用其衰变放出的电子流 C．钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收 D．钴60衰变过程中不会有质量亏损 例3．PET（正电子发射型计算机断层显像）的基本原理是：将放射性同位素注入人体，参与人体的代谢过程。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晰的图像。根据PET原理，下列说法正确的是（　　） A．衰变的方程式为 B．正负电子湮灭的方程式： C．PET中所选的放射性同位素的半衰期应较长 D．将放射性同位素注入人体，的主要用途是作为示踪原子 考点三：核裂变 例1.漳州核电站是全球最大的“华龙一号”核电基地。核电站的能量来源于原子核的裂变，其中一个典型的核反应方程为，则X为（　　） A． B． C． D． 例2.卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现新核素，核反应方程为核电站反应堆中，一种典型的裂变反应为。下列说法正确的是（　　） A．卢瑟福发现新核素的核反应属于核聚变 B．核反应方程中的X是中子 C．β衰变的实质是Y转化成 X 和电子 D．铀235裂变需要吸收能量 例3.关于下列四幅图的说法正确的是（　　） A．甲图为氢原子的电子云示意图，由图可知电子在核外运动有确定的轨道 B．乙图为原子核的比结合能示意图，由图可知原子核中的平均核子质量比的要大 C．丙图为链式反应示意图，核反应放出巨大能量，原子弹爆炸及太阳内部均属于该种核反应 D．丁图为氡的衰变图像，由图可知100个氡经过3.8天后还剩50个 考点四：核聚变 例1.BEST装置实现核聚变需要将燃料加热到极高温度，为实现可控核聚变的实际应用又迈进一步。下列说法正确的是（　　） A．燃料会发生链式反应 B．聚变反应吸收能量而不是释放能量 C．若反应物为和，生成物为，则聚变反应方程为 D．高温的目的是使原子核具有足够大的动能，能够克服库仑斥力，从而发生核裂变 例2.下列说法正确的是（　　） A．核反应是α衰变 B．γ射线和X射线都是电磁波，但它们的产生机理不同 C．β射线是高速电子流，其穿透能力比α射线弱 D．在云室中，能清晰看到α、β、γ射线的径迹 例3.2025年10月，我国紧凑型聚变能实验装置（BEST）主机首个关键部件——杜瓦底座研制成功并顺利完成交付。该装置发生的核反应方程为，关于该核反应，下列说法正确的是（　　） A．X是 B．该核反应为衰变 C．的中子数为3 D．反应物的质量之和等于X与的质量之和 考点五：核辐射和安全 例1.关于近代物理知识，下列说法正确的是（　　） A．将由放射性元素组成的化合物进行高温分解，会改变放射性元素的半衰期 B．铀235吸收慢中子裂变成中等质量原子核的过程中，核子的比结合能变大 C．根据衰变释放电子现象，汤姆孙提出原子结构的枣糕模型 D．放射线是一种必须要防护的危害，对人类生产、生活无益 例2.关于核反应的相关知识，下列说法错误的是（　　） A．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，所以辐射强度应严格控制在安全剂量内 B．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 C．核反应堆中存在核反应方程为的核反应 D．核裂变反应中，反应物的结合能之和大于生成物的结合能之和 一、单选题 1．下列说法正确的是（　　） A．玻尔提出了原子核式结构学说 B．查德威克发现了天然放射现象 C．J.J.汤姆生发现了正电子 D．德布罗意提出了物质波假说 2．核聚变是指由两个轻核结合成质量较大的核，如。近日中国自主设计的如图所示的核聚变实验装置，被称为“人造太阳”的东方超环更是取得了重大突破，在1亿度的超高温度下稳定运行了近10秒，是人类最终实现可控热核反应迈出了坚实的一步，关于氢核聚变，下列说法正确的是（　　） A．核聚变后的比结合能大于的比结合能 B．轻核聚变和重核裂变都没有放射性危害 C．是轻核聚变过程释放的核能，也是指核聚变前后反应物的结合能之差 D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能才能克服核力作用而碰撞结合在一起 3．近年来我国在“人造太阳”可控核聚变、量子通信卫星等科研领域取得丰硕成果。下列说法正确的是（　　） A．光子能量与波长成正比 B．光电效应现象说明光具有波动性 C．，该核反应吸收能量 D．，该核反应中的X为中子 4．核反应方程中，则是（　　） A． B． C． D． 5．2025年1月，我国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现1亿摄氏度等离子体稳态运行1066秒，创下世界纪录；同年，新一代“人造太阳”中国环流三号（HL-3）更是实现了离子温度与电子温度双双突破1亿度的“双亿度”里程碑。这些成就标志着我国在可控核聚变领域已跻身国际第一方阵，为人类最终解决能源问题提供了“中国方案”。核聚变反应通常涉及轻核（如氘、氚）结合成较重核（如氦）的过程，释放巨大能量。已知氘核和氚核聚变生成氦核并放出一个粒子X，反应方程为：。关于上述核反应及核能知识，下列说法正确的是（　　） A．粒子X是质子，该反应属于原子核的人工转变 B．氦核的比结合能大于氘核和氚核的比结合能 C．反应前后原子核的总质量守恒，但总能量不守恒 D．“1亿摄氏度”高温，使得每一个原子核都获得足够的动能，以克服库仑斥力从而发生聚变 6．一种典型的核聚变方程式为，一种典型的核裂变方程式为，下列说法正确的是（　　） A．Y为 B．X为质子 C．核聚变为放热反应，核裂变为吸热反应 D．比Y稳定 7．原子核的比结合能曲线如图所示，由图中信息可知（　　） A．核比核更稳定 B．两个核聚变成核会放出能量 C．核裂变成核和核要吸收能量 D．核的结合能比核的结合能大 8．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315keV 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．钴60的氧化物中的钴半衰期比其单质钴的半衰期要小 B．钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收 C．发生β衰变的衰变方程为 D．5g钴60经过10.54年全部发生衰变 9．下列说法正确的是(　　) A．给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好 B．输油管道漏油时，可以在输的油中放一些放射性同位素探测其射线，确定漏油位置 C．天然放射元素也可以作为示踪原子加以利用，只是较少，经济上不划算 D．放射性元素被植物吸收，其放射性将发生改变 二、多选题 10．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 11．下列说法正确的是（　　） A．无线电信号在发射前需经过调谐才能更有效的发射 B．相对论时空观认为微观粒子高速运动时比其低速运动时的寿命长 C．中子速度太慢，铀核不能“捉”住它，在铀棒周围要放“慢化剂”使其加速为快中子 D．弱相互作用是引起β衰变的原因，其力程比强相互作用更短，只有 12．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种类比天然放射性同位素的种类少 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 14 学科网（北京）股份有限公司 $