人教版 (2019)选择性必修 第三册2 放射性元素的衰变第2课时学案设计

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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.2.知道什么是放射性同位素和人工转变的放射性同位素.3.了解放射性在生产和科学领域的应用和防护．

一、核反应
1．定义：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．
2．原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程N＋He→O＋H.
3．遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒．
二、放射性同位素及其应用
1．放射性同位素：具有放射性的同位素．
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．
(3)培优、保鲜．
(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素代替非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置．
三、辐射与安全
1．人类一直生活在放射性的环境中．
2．过量的射线对人体组织有破坏作用．在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意人身安全，同时，要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染．

1．判断下列说法的正误．
(1)用α粒子轰击氮原子核产生氧17和中子的过程是α衰变．(　×　)
(2)衰变和原子核的人工转变均满足质量数守恒和电荷数守恒．(　√　)
(3)用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期．(　√　)
(4)任何放射性物质都可以作为示踪原子使用．(　×　)
2．1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用Co放射源进行了实验验证．次年李、杨两人为此获得诺贝尔物理学奖.Co的衰变方程是Co→Ni＋　0－1e＋νe.其中νe是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零.Co的核外电子数为______，在上述衰变方程中，衰变产物Ni的质量数是________，电荷数是________．
答案　27　60　28
解析　Co的核外电子数为27.由质量数守恒，知Ni的质量数为A＝60.由电荷数守恒，知Ni的电荷数为Z＝27＋1＝28.

一、核反应
导学探究
核反应的实质是什么？它符合哪些规律？
答案　核反应的实质就是将一种原子核在其他粒子的轰击之下转变成一种新的原子核，并产生新的粒子．
符合质量数和电荷数守恒规律．
知识深化
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.
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
规律
(1)质量数、电荷数守恒；(2)动量守恒
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方程：N＋He→O＋H
(2)1932年查德威克发现中子的核反应方程：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.
核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向

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．
针对训练　在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子，分别填在下列核反应式的横线上．
(1)U→Th＋________；
(2)Be＋He→C＋________；
(3)Th→Pa＋________；
(4)P→Si＋________；
(5)U＋________→Sr＋Xe＋10n；
(6)N＋He→O＋________.
答案　(1)He　(2)n　(3)e　(4)e　(5)n　(6)H
解析　在核反应过程中，遵循电荷数守恒和质量数守恒规律．对参与反应的所有基本粒子采用左下角(电荷数)配平，左上角(质量数)配平．未知粒子可根据其电荷数和质量数确定．如(1)中电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(He)，同理确定其他粒子分别为：中子(n)，电子(e)，正电子(e)，中子(n)，质子(H)．
二、放射性同位素及应用
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．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——利用γ射线照射种子，会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)做示踪原子——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．
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，而今天通过核反应生成的人工放射性同位素已达1 000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
(2)如图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．

图1
(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荷电性相反的离子与验电器所带电荷相互中和，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毫米厚铝板和几毫米厚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．人们把这种放射性同位素叫示踪原子．
下表给出了放射性同位素的辐射线和半衰期．在医疗技术中，常用放射线治疗肿瘤，其放射线必须满足：①具有较强的穿透能力，以辐射到体内的肿瘤处；②在较长时间内具有相对稳定的辐射强度．为此所选择的放射源应为(　　)
同位素
钋210
锝99
钴60
锶90
辐射线
α
γ
γ
β
半衰期
138天
6小时
5年
28年

A.钋210 B．锝99
C．钴60 D．锶90
答案　C
解析　因放射线要有较强的穿透能力，所以应为γ射线，要使其在较长时间内具有相对稳定的辐射强度，放射源应具有较长的半衰期，C正确.

1.(核反应方程)如图2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(　　)

图2
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．
2．(核反应方程)用中子轰击氧原子核的核反应方程为O＋n→N＋X，对式中X、a、b的判断正确的是(　　)
A．X代表中子，a＝17，b＝1
B．X代表电子，a＝17，b＝－1
C．X代表正电子，a＝17，b＝1
D．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e，即为正电子，故选项C正确，A、B、D错误．
3．(放射性同位素)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与其同位素的化学性质不同
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　D
解析　同位素有相同的质子数，不同的质量数，故A错；同位素有相同的化学性质，故B错；半衰期与物理、化学状态无关，故C错；P为放射性同位素，可用作示踪原子，故D对．
4．(放射性同位素的应用)(2021·山东威海高三期末)2020年新冠疫情爆发，我国科学家第一时间对病毒进行基因测序，为后续的确诊提供了依据．基因测序采用放射性同位素为标记，让基因序列自动显影．下列关于放射性同位素及射线的应用说法正确的是(　　)
A．α射线可以用来测量钢板的厚度
B．射线能够治疗癌症是因为癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞慢
C．放射性同位素具有能量高、污染小的特点，可作为核电站燃料
D．利用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，可培育出优良品种
答案　D
解析　α射线穿透能力弱，故不能用来测量钢板厚度，A错误；射线照射患处杀死癌细胞是治疗癌症的一种方法，射线不仅抑制癌细胞的增殖，也抑制正常细胞增殖，故B错误；根据粒子的不同，放射性同位素能量高低不等，产生的作用也不同，应用领域不同，故C错误；利用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，可以培育出新的优良品种，故D正确.


考点一　核反应
1．用α粒子(He)轰击氮核(N)，生成氧核(O)并放出一个粒子，该粒子是(　　)
A．质子 B．电子
C．中子 D．光子
答案　A
解析　核反应方程为：He＋N→O＋X，根据核反应的电荷数守恒、质量数守恒知，该粒子的电荷数为1，质量数为1，为质子，故A正确，B、C、D错误．
2．(2020·华东师范大学附属东昌中学高二月考)查德威克最初发现中子的核反应方程是(　　)
A.N＋He→F＋n
B.Al＋He→P＋n
C.Be＋He→C＋n
D.Na＋He→Al＋n
答案　C
解析　查德威克发现中子的核反应方程是Be＋He→C＋n，故C正确，A、B、D错误．
3．下面列出的是一些核反应方程式：P→Si＋X；Be＋He→C＋Y；N＋He→O＋Z，其中(　　)
A．X是质子，Y是中子，Z是正电子
B．X是正电子，Y是中子，Z是质子
C．X是正电子，Y是质子，Z是中子
D．X是中子，Y是正电子，Z是质子
答案　B
解析　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为0，电荷数为1，则X为正电子；Y的质量数为1，电荷数为0，为中子；Z的质量数为1，电荷数为1，为质子，B正确．
4．(2020·山东省高三学业考试)2019年是世界上首次实现元素人工转变100周年.1919年，卢瑟福用氦核轰击氮原子核，发现产生了另一种元素，该核反应方程可写为：He＋N→X＋Y.以下判断正确的是(　　)
A．m＝16，n＝1 B．m＝17，n＝1
C．m＝16，n＝0 D．m＝17，n＝0
答案　B
解析　根据核反应的质量数和电荷数守恒可得：4＋14＝m＋1,2＋7＝8＋n，解得m＝17，n＝1，故B正确．
考点二　放射性同位素及其应用　辐射与安全
5．(2021·湖北黄冈高二期中)下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是(　　)
A．γ射线探伤仪
B．α射线用来消除静电
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　D
解析　γ射线探伤仪是利用γ射线的穿透性，故A错误；α射线用来消除静电利用的是α射线的电离能力，故B错误；利用钴60治疗肿瘤等疾病是利用它的射线对生命物质具有破坏性，故C错误；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，是把放射性同位素作为示踪原子使用，故D正确．
6．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射线具有较强的杀伤力，能用来治疗癌症、灭菌消毒等
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射线能进行金属探伤，且具有较强的杀伤力，能用来治疗癌症、灭菌消毒等，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．
7．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．放射育种利用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射线的穿透能力最强，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射线可使DNA发生变异，所以放射育种利用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．
8．(2021·江苏苏州高二期中)图1所示四幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是(　　)


图1
A．①图反映的辐射强度与波长关系，符合黑体辐射规律
B．②图为放射源放出的三种射线在磁场中运动的轨迹，射线甲为α射线
C．③图为α粒子散射实验示意图，汤姆孙根据此实验提出了原子的核式结构模型
D．④图是风力发电的国际通用标志
答案　A
解析　①图反映的辐射强度与波长关系，符合黑体辐射规律，A正确；②图为放射源放出的三种射线在磁场中运动的轨迹，射线甲为β射线，B错误；③图为α粒子散射实验示意图，卢瑟福根据此实验提出了原子的核式结构模型，C错误；④图是辐射警告标志，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，不能作为药品的示踪原子，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．正电子发射计算机断层扫描(PETCT)，其原理是借助于示踪剂(正电子放射线药物)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X＋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；由于X和Y的质子数相同，即互为同位素，但Z不是，故C错误；由上可知，Z的电荷数小于Y的核电荷数，故D错误．
12．(2021·江苏高二月考)月球车是我国探月工程中的重要部分．它进入休眠期时可采用同位素Pu238电池为其保暖供电．Pu238可用Np吸收一个中子得到．Pu238衰变时只放出α射线，其半衰期为88年．下列说法正确的是(　　)
A．Np237转化成Pu238的核反应方程为Np＋n→Pu＋e
B．α衰变是原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子
C．α射线具有较强的穿透能力，可以穿透几毫米厚的铅板
D．在月球环境下Pu238的半衰期可能会发生变化
答案　A
解析　根据题意可知Np237转化成Pu238的核反应方程
为Np＋n→Pu＋e，A正确；β衰变是原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子，B错误；α射线的穿透能力很弱，一张厚纸就可以挡住，C错误；在月球环境下Pu238的半衰期不变，D错误．
13．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108 K时，可以发生“氦燃烧”．完成“氦燃烧”的核反应方程：He＋________→Be.Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16 s．一定质量的Be，经7.8×10－16 s后所剩下的Be占开始时的________．
答案　He　
解析　根据核反应的电荷数守恒、质量数守恒，未知粒子的质量数为4，电荷数为2，为He；半衰期为2.6×10－16 s，经7.8×10－16 s，即3个半衰期，根据m＝m0()3可得，＝()3＝，知剩余Be占开始时的.
14．1934年约里奥—居里夫妇用α粒子轰击静止的Al，发现了放射性元素磷P和另一种粒子X.
(1)写出这个过程的核反应方程式；
(2)若粒子X以初速度v0与一个静止的12C核发生碰撞，但没有发生核反应，粒子X碰后的速度大小为v1，运动方向与原运动方向相反，求碰撞后12C核的速度．
答案　(1)Al＋He→P＋n　(2)，方向与粒子X原运动方向相同
解析　(1)核反应方程式为Al＋He→P＋n.
(2)由(1)知，粒子X为中子，设粒子X的质量为m，则12C核的质量为12m，设碰撞后12C核的速度为v2，以v0的方向为正方向，由动量守恒定律可得mv0＝m(－v1)＋12mv2，解得v2＝，碰撞后12C核的速度方向与粒子X原运动方向相同．