第三節(jié)放射性同位素[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道什么是核反應(yīng)，能夠熟練寫出核反應(yīng)方程.2.知道什么是同位素、放射性同位素和人工放射性同位素.3.了解放射性同位素在生產(chǎn)和科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，知道射線的危害及防護(hù)．一、核反應(yīng)[導(dǎo)學(xué)探究]1．核反應(yīng)的實質(zhì)是什么？它符合哪些規(guī)律？答案(1)它的實質(zhì)就是將一種原子核在粒子的轟擊之下轉(zhuǎn)變成一種新的原子核，并產(chǎn)生新的粒子．(2)在轉(zhuǎn)變過程中符合質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒規(guī)律．2．如何實現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變？常見的人工轉(zhuǎn)變的核反應(yīng)有哪些？答案(1)人為地用α粒子、質(zhì)子、中子或光子去轟擊一些原子核，可以實現(xiàn)原子核的轉(zhuǎn)變．(2)常見的人工轉(zhuǎn)變的核反應(yīng)有：a．盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)Hb．查德威克發(fā)現(xiàn)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)nc．居里夫婦人工制造同位素：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(30,15)Peq\o\al(30,15)P具有放射性：eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e.[知識梳理]1．核反應(yīng)：利用天然放射性的高速粒子或利用人工加速的粒子去轟擊原子核，以產(chǎn)生新的原子核，這個過程叫做核反應(yīng)．2．核反應(yīng)的實質(zhì)：以基本粒子(α粒子、質(zhì)子、中子等)為“炮彈”去轟擊原子核(靶核X)，從而促使原子核發(fā)生變化，生成了新原子核(Y)，并放出某一粒子．3．原子核人工轉(zhuǎn)變的三大發(fā)現(xiàn)(1)1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程：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年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程：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年約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)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)n；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e.4．人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)與衰變的比較(1)不同點(diǎn)原子核的人工轉(zhuǎn)變，是一種核反應(yīng)，是其他粒子與原子核相碰撞的結(jié)果，需要一定的裝置和條件才能發(fā)生，而衰變是原子核的自發(fā)變化，它不受物理、化學(xué)條件的影響．(2)相同點(diǎn)人工轉(zhuǎn)變與衰變過程一樣，在發(fā)生的過程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒；反應(yīng)前后粒子總動量守恒．[即學(xué)即用]判斷下列說法的正誤．(1)在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒．(√)(2)核反應(yīng)是用粒子轟擊原子核，利用粒子與原子核的碰撞將原子核打開．(×)(3)盧瑟福利用α粒子轟擊鈹并發(fā)現(xiàn)了中子．(×)(4)原子核的人工轉(zhuǎn)變，需要一定的裝置和人為條件，不是原子核的自發(fā)變化．(√)二、放射性同位素1．同位素：具有相同質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子，互稱同位素．2．放射性同位素：具有放射性的同位素，叫做放射性同位素．3．約里奧·居里夫婦在用α粒子轟擊鋁箔時發(fā)現(xiàn)正電子的核反應(yīng)方程為：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＋eq\o\al(0,＋1)e＋ν，其中eq\o\al(30,15)P是eq\o\al(31,15)P的一種放射性同位素．三、放射性同位素的應(yīng)用1．利用放射性同位素放出的射線可進(jìn)行γ探傷、消除靜電、培育良種、治療癌癥．2．放射性同位素可以作為示蹤原子．3．利用元素的半衰期可推斷地層或古代文物的年代．想一想醫(yī)學(xué)上做射線治療用的放射性元素，應(yīng)用半衰期長的還是短的？為什么？答案半衰期短的．因為半衰期短的放射性廢料容易處理．4．放射線的危害及防護(hù)(1)α射線具有很強(qiáng)的電離作用，但穿透能力很弱；(2)β射線有較強(qiáng)的穿透能力，但電離作用較弱；(3)γ射線電離作用最小，穿透能力很強(qiáng)．輻射防護(hù)的基本方法有：時間防護(hù)、距離防護(hù)和屏蔽防護(hù)．[即學(xué)即用]判斷下列說法的正誤．(1)放射性同位素eq\o\al(30,15)P，既可以通過核反應(yīng)人工獲得，也可以從自然界中獲得．(×)(2)用γ射線照射食品可以殺死使食物腐敗的細(xì)菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長保存期．(√)一、核反應(yīng)及核反應(yīng)方程1．核反應(yīng)的條件用α粒子、質(zhì)子、中子，甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變．2．核反應(yīng)的規(guī)律質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒．3．人工轉(zhuǎn)變與衰變的比較(1)不同點(diǎn)：人工轉(zhuǎn)變是其他粒子與原子核相碰撞的結(jié)果，需要一定的裝置和條件才能發(fā)生；而衰變是原子核的自發(fā)變化，它不受物理、化學(xué)條件的影響．(2)相同點(diǎn)：人工轉(zhuǎn)變與衰變過程一樣，在發(fā)生過程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒．例1完成下列核反應(yīng)方程，并指出其中________是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程，________是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程．(1)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(14,6)C＋________(2)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋________(3)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(1,0)n→________＋eq\o\al(4,2)He(4)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→________＋eq\o\al(1,0)n(5)eq\o\al(56,26)Fe＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(57,27)Co＋________答案見解析解析(1)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(14,6)C＋eq\o\al(1,1)H(2)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(3)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(4,2)He(4)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(5)eq\o\al(56,26)Fe＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(57,27)Co＋eq\o\al(1,0)n其中發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程是(2)，發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程是(4)．書寫核反應(yīng)方程時要注意：(1)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒；(2)中間用箭頭，不能寫成等號；(3)核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過程中，一般會發(fā)生質(zhì)量的變化．二、放射性同位素及其應(yīng)用1．放射性同位素的分類(1)天然放射性同位素．(2)人工放射性同位素．2．放射性同位素的主要作用(1)工業(yè)部門使用射線測厚度——利用γ射線的穿透特性．(2)農(nóng)業(yè)應(yīng)用——γ射線使種子的遺傳基因發(fā)生變異，殺死使食物腐敗的細(xì)菌、抑制蔬菜發(fā)芽、延長保存期等．(3)做示蹤原子——利用放射性同位素與非放射性同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)．(4)醫(yī)學(xué)上——利用γ射線的高能量治療癌癥．例2(多選)關(guān)于放射性同位素的應(yīng)用，下列說法正確的是()A．利用γ射線使空氣電離，把靜電荷導(dǎo)走B．利用γ射線照射植物的種子，使產(chǎn)量顯著增加C．利用α射線來治療肺癌、食道癌等疾病D．利用放射性同位素跟它的非放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同，作為示蹤原子答案BD1．用射線來測量厚度，一般不選取α射線是因為其穿透能力太差，更多的是選取γ射線，也有部分選取β射線的．2．給病人治療癌癥、培育優(yōu)良品種、延長食物保存期一般選取γ射線．3．使用射線時安全是第一位的．1．盧瑟福通過實驗首次實現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變，其核反應(yīng)方程為：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H，下列說法錯誤的是()A．盧瑟福通過該實驗提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型B．實驗中是用α粒子轟擊氮核C．盧瑟福通過該實驗發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子D．原子核在人工轉(zhuǎn)變的過程中，電荷數(shù)一定守恒答案A解析盧瑟福用α粒子轟擊金箔散射的實驗，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，故A錯誤；用α粒子轟擊氮核首次實現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變，并發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，故B、C正確；核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)是守恒的，故D正確．2．(多選)關(guān)于放射性同位素，以下說法正確的是()A．放射性同位素與放射性元素一樣，都具有一定的半衰期，衰變規(guī)律一樣B．放射性同位素衰變可生成另一種新元素C．放射性同位素只能是天然衰變時產(chǎn)生的，不能用人工方法制得D．以上說法均不對答案AB解析放射性同位素也具有放射性，半衰期也不受物理和化學(xué)因素的影響，衰變后形成新的原子核，選項A、B正確；大部分放射性同位素都是人工轉(zhuǎn)變后獲得的，C、D錯誤．3．下面列出的是一些核反應(yīng)方程：eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋X，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(10,5)B＋Y，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(7,3)Li＋Z，其中()A．X是質(zhì)子，Y是中子，Z是正電子B．X是正電子，Y是質(zhì)子，Z是中子C．X是中子，Y是正電子，Z是質(zhì)子D．X是正電子，Y是中子，Z是質(zhì)子答案D解析依據(jù)核反應(yīng)方程的兩個基本規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，即可得出選項D正確．4．用人工方法得到放射性同位素，這是一個很重要的發(fā)現(xiàn)，天然的放射性同位素只不過40多種，而今天人工制造的放射性同位素已達(dá)1000多種，每種元素都有放射性同位素．放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學(xué)研究的許多方面得到了廣泛的應(yīng)用．(1)帶電的驗電器在射線照射下電荷會很快消失．其原因是()A．射線的貫穿作用B．射線的電離作用C．射線的物理、化學(xué)作用D．以上三個選項都不是(2)在我國首先用人工方法合成牛胰島素時，需要證明人工合成的牛胰島素結(jié)晶跟天然牛胰島素的結(jié)晶是同一種物質(zhì)，為此曾采用放射性同位素14C做________．答案(1)B(2)示蹤原子解析(1)因射線的電離作用，空氣中的與驗電器所帶電性相反的離子與之中和，從而使驗電器所帶電荷消失．(2)把摻入14C的人工合成的牛胰島素與天然牛胰島素混合在一起，經(jīng)過多次重新結(jié)晶后，得到了放射性14C分布均勻的牛胰島素結(jié)晶，這就證明了人工合成的牛胰島素與天然牛胰島素完全融為一體，它們是同一種物質(zhì)．這種把放射性同位素的原子摻到其他物質(zhì)中去，讓它們一起運(yùn)動、遷移，再用放射性探測儀器進(jìn)行追蹤，就可以知道放射性原子通過什么路徑，運(yùn)動到了哪里，是怎樣分布的，從而可以了解某些不容易查明的情況或規(guī)律．人們把具有這種用途的放射性同位素叫做示蹤原子．一、選擇題(1～5題為單選題，6～9題為多選題)1．在下列四個核反應(yīng)方程中，X1、X2、X3和X4各代表某種粒子①eq\o\al(3,1)H＋X1→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n ②eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋X2③eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋X3 ④eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(27,13)Al＋X4則以下判斷中正確的是()A．X1是質(zhì)子 B．X2是中子C．X3是電子 D．X4是質(zhì)子答案D解析根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒知，X1為eq\o\al(2,1)H，A錯；X2為eq\o\al(1,1)H，B錯；X3為eq\o\al(1,0)n，C錯；X4為eq\o\al(1,1)H，D對．2．用高能eq\o\al(86,36)Kr轟擊eq\o\al(208,82)Pb，釋放出一個中子后，生成了一個新核，關(guān)于新核的推斷正確的是()A．其質(zhì)子數(shù)為122 B．其質(zhì)量數(shù)為294C．其原子序數(shù)為118 D．其中子數(shù)為90答案C解析核反應(yīng)方程為eq\o\al(208,)82Pb＋eq\o\al(86,36)Kr→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(293,118)X，新核質(zhì)量數(shù)為293，質(zhì)子數(shù)為118，中子數(shù)為293－118＝175，故正確選項為C.3．醫(yī)學(xué)界通過14C標(biāo)記的C60發(fā)現(xiàn)一種C60的羧酸衍生物，在特定條件下可以通過斷裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，則14C的用途是()A．示蹤原子 B．電離作用C．催化作用 D．貫穿作用答案A解析用14C標(biāo)記C60來查明元素的行蹤，發(fā)現(xiàn)可以通過斷裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是做示蹤原子，故選項A正確．4．放射性在技術(shù)上有很多應(yīng)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線．元素射線半衰期釙210α138天氡222β3.8天元素射線半衰期鍶90β28年鈾238α、β、γ4.5×109年某塑料公司生產(chǎn)聚乙烯薄膜，方法是讓厚的聚乙烯膜通過軋輥把聚乙烯膜軋薄，利用適當(dāng)?shù)姆派渚€來測定通過軋輥后的薄膜厚度是否均勻．可利用的元素是()A．釙210B．氡222C．鍶90D．鈾238答案C解析要測定聚乙烯薄膜的厚度，則要求射線可以穿透薄膜，因此α射線不合適；另外，射線穿透作用還要受薄膜厚度影響，γ射線穿透作用最強(qiáng)，薄膜厚度不會影響γ射線穿透，所以只能選用β射線，而氡222半衰期太短，所以只有鍶90較合適．5．將威爾遜云室置于磁場中，一個靜止在磁場中的放射性同位素原子核eq\o\al(30,15)P，放出一個正電子后變成原子核eq\o\al(30,14)Si，如圖所示能近似地反映正電子和Si核軌跡的是()答案B解析把放出的正電子和衰變生成物Si核看成一個系統(tǒng)，衰變過程中系統(tǒng)的動量守恒，放出的正電子的方向跟Si核運(yùn)動方向一定相反．由于它們都帶正電荷，在洛倫茲力作用下一定形成兩個外切圓的軌道，C、D可排除．因為洛倫茲力提供向心力，即qvB＝meq\f(v2,r)，所以做勻速圓周運(yùn)動的半徑為r＝eq\f(mv,qB).衰變時，放出的正電子與反沖核Si的動量大小相等，因此在同一個磁場中做圓周運(yùn)動的半徑與它們的電荷量成反比，即eq\f(re,rSi)＝eq\f(qSi,qe)＝eq\f(14,1).可見正電子運(yùn)動的圓半徑較大．6．下列應(yīng)用中把放射性同位素作為示蹤原子的是()A．射線探傷儀B．利用含有放射性eq\o\al(131,53)I的油，檢測地下輸油管的漏油情況C．利用eq\o\al(60,27)Co治療腫瘤等疾病D．把含有放射性元素的肥料施給農(nóng)作物，用以檢測確定農(nóng)作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律答案BD解析射線探傷儀利用了射線的穿透能力，所以選項A錯誤．利用含有放射性eq\o\al(131,53)I的油，可以記錄油的運(yùn)動蹤跡，可以檢查管道是否漏油，所以選項B正確．利用eq\o\al(60,27)Co治療腫瘤等疾病，利用了射線的穿透能力和高能量，所以選項C錯誤．把含有放射性元素的肥料施給農(nóng)作物，可以記錄放射性元素的蹤跡，用以檢測確定農(nóng)作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律，所以選項D正確．7．下列核反應(yīng)或衰變方程中，符號“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)＋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解析根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得A、C選項正確．8．一個質(zhì)子以1.0×107m/s的速度撞一個靜止的鋁原子核后被俘獲，鋁原子核變成硅原子核．已知鋁原子核的質(zhì)量是質(zhì)子的27倍，硅原子核的質(zhì)量是質(zhì)子的28倍，則下列說法正確的是()A．核反應(yīng)方程為eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(28,14)SiB．核反應(yīng)方程為eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(28,14)SiC．硅原子核速度的數(shù)量級為107m/s，方向跟質(zhì)子的初速度方向一致D．硅原子核速度的數(shù)量級為105m/s，方向跟質(zhì)子的初速度方向一致答案AD解析由核反應(yīng)中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可知A選項正確，B選項錯誤；由動量守恒定律求得硅原子核速度的數(shù)量級為105m/s，即D選項正確，C選項錯誤．9．有關(guān)放射性同位素eq\o\al(30,15)P的下列說法，正確的是()A.eq\o\al(30,15)P與eq\o\al(30,14)X互為同位素B.eq\o\al(30,15)P與其同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)C．用eq\o\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期變長D．含有eq\o\al(30,15)P的磷肥釋放正電子，可用作示蹤原子，觀察磷肥對植物的影響答案BD解析同位素有相同的質(zhì)子數(shù)，所以選項A錯誤；同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)，所以選項B正確；半衰期與元素屬于化合物或單質(zhì)沒有關(guān)系，所以eq\o\al(30,15)P制成化合物后它的半衰期不變，選項C錯誤；含有eq\o\al(30,15)P的磷肥由于衰變，可記錄磷的蹤跡，所以選項D正確．二、非選擇題10．在中子、質(zhì)子、電子、正電子、α粒子中選出一個適當(dāng)?shù)牧Ｗ?，分別填在下列核反應(yīng)方程的橫線上．(1)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋________.(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋________.(3)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋________.(4)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋________.(5)eq\o\al(235,92)U＋________→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)n.(6)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋________.答案(1)eq\o\al(4,2)He(2)eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(0,－1)e(4)eq\o\al(0,＋1)e(5)eq\o\al(1,0)n(6)eq\o\al(1,1)H解析在核反應(yīng)過程中，遵循反應(yīng)前后電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒規(guī)律．對參與反應(yīng)的所有基本粒子采用左下角(電荷數(shù))配平，左上角(質(zhì)量數(shù))配平．未知粒子可根據(jù)其電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)確定．如(1)電荷數(shù)為92－90＝2，質(zhì)量數(shù)為238－234＝4，由此可知為α粒子(eq\o\al(4,2)He)，同理確定其他粒子分別為：中子(eq\o\al(1,0)n)，電子(eq\o\al(0,－1)e)，正電子(eq\o\al(