新教材2023年高中物理课时分层作业17放射性同位素粤教版选择性必修第三册

课时分层作业(十七) 放射性同位素
◎题组一 放射性同位素的应用
1．14C 发生放射性衰变为14N ，半衰期约为5 700年．已知植物存活期间，其体内14C 与12C 的比例不变；生命活动结束后，14C 的比例持续减小．现通过测量得知，某古木样品中14C 的比例正好是现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是( )
A ．该古木的死亡时间距今约5 700年
B ．12
C 、13C 、14
C 具有相同的中子数
C ．14C 衰变为14N 的过程中放出α射线
D ．增加样品测量环境的压强将加速14C 的衰变 A [设原来14C 的质量为M 0，衰变后剩余质量为M ，则有M ＝M 0⎝ ⎛⎭
⎪⎫12t T
，因为剩余质量为原来的12，故t T
＝1，所以死亡时间距今为t ＝T ＝5 700年，A 正确；12C 、13C 、14C 具有相同的质子数和不同的中子数，故B 错误；14C 衰变为14N 的过程中，质量数没有变化，而核电荷数增加1，这是因为14C 中的一个中子变成了一个质子和一个电子，放出β射线，C 错误；放射性元素的半衰期与其所处的物理环境以及化学环境无关，D 错误．]
2．本题中用大写字母代表原子核．E 经α衰变成为F ，再经β衰变成为G ，再经α
衰变成为H ．上述系列衰变可记为下式：E ――→αF ――→βG ――→αH ，另一系列衰变如下：P ――→
βQ ――→βR ――→αS ，已知P 和F 是同位素，则( )
A ．Q 和G 是同位素，R 和H 是同位素
B ．R 和E 是同位素，S 和F 是同位素
C ．R 和G 是同位素，S 和H 是同位素
D ．Q 和
E 是同位素，R 和
F 是同位素
B [由于P 和F 是同位素，设它们的质子数为n ，则其他各原子核的质子数可分别表示如下：
n ＋2E ―
―→αn F ――→βn ＋1G ――→αn －1H n P ――→βn ＋1Q ――→βn ＋2
R ――→αn S 由此可以看出R 和E 是同位素，S 、P 和F 是同位素，Q 和G 是同位素．故B 正确．]
3．(多选)放射性同位素钴60能放出较强的γ射线，其强度容易控制，这使得γ射线得到广泛应用．下列选项中，属于γ射线应用的是( )
A．医学上制成γ刀，无需开颅即可治疗脑肿瘤
B．机器运转时常产生很多静电，用γ射线照射机器可将电荷导入大地
C．铝加工厂将接收到的γ射线信号输入计算机，可对薄铝板的厚度进行自动控制
D．用γ射线照射草莓、荔枝等水果，可延长保存期
AD[γ射线的电离作用很弱，不能使空气电离成为导体，B错误；γ射线的穿透能力很强，薄铝板的厚度变化时，接收到的信号强度变化很小，不能控制铝板厚度，C错误；γ射线能量很大，可以杀菌，延长水果的保存期，对肿瘤细胞有很强的杀伤作用，故AD正确．] 4．(多选)正电子发射型计算机断层显像(PET)的基本原理是：将放射性同位素15 8O注入人体，15 8O在人体内衰变放出的正电子与人体内的负电子相遇湮灭转化为一对γ光子，被探测器采集后，经计算机处理生成清晰图像．则根据PET原理判断下列表述正确的是( ) A．15 8O在人体内衰变方程是15 8O→15 7N＋01e
B．正、负电子湮灭方程是01e＋0－1e→2γ
C．在PET中，15 8O主要用途是作为示踪原子
D．在PET中，15 8O主要用途是参与人体的新陈代谢
ABC[由题意知A、B正确；显像的原理是采集γ光子，即注入人体内的15 8O衰变放出正电子和人体内的负电子湮灭转化为γ光子，因此15 8O主要用途是作为示踪原子，故C正确，D错误．]
5．(多选)人工放射性同位素被用作示踪原子，主要是因为( )
A．放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质
B．人工放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期短得多
C．半衰期与元素所处的物理、化学状态无关
D．放射性同位素容易制造
ABC[放射性同位素用作示踪原子，主要是用放射性同位素代替没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物过程，既要利用化学性质相同的特点，也要利用衰变规律不受物理、化学状态变化的影响的特点，同时还要考虑放射性同位素的半衰期比天然放射性物质的半衰期短得多，放射性废料容易处理，选项ABC正确，选项D错误．]
6．(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下表所示，关于在表中所列的四种同位素，下列说法正确的是( )
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
AD [钴60放出的γ射线穿透能力强，半衰期长，适合用作医学的放射源，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．故选AD ．]
◎题组二 射线的危害与防护
7．(多选)2017年6月6日，日本原子能研究开发机构再次发生核泄漏事故，工作人员遭受核辐射，引发了人们对核辐射问题的重视．核废料对人体和环境有严重危害的原因有
( )
A ．铀、钚等核废料有放射性
B ．铀、钚等核废料的半衰期很长
C ．铀、钚等重金属有剧毒
D ．铀、钚等核废料会造成爆炸
ABC [铀、钚等核废料有放射性，射线对人体和环境有危害，故A 正确；铀、钚等核废料的半衰期很长，短期内很难消失，故B 正确；铀、钚等是重金属，有剧毒，但不会造成爆炸，故C 正确，D 错误．]
8．正电子发射计算机断层扫描(PET)，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．PET 常用核素氧15做示踪剂，其半衰期仅有2分钟．对含有氧元素的物质用能量范围为20～50 MeV 的X 射线进行照射，激发其原子核边缘的中子，可以产生正电子核素氧15．下列说法正确的是( )
A ．用30 MeV 的X 射线照射氧16，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的含量减小为原来的15
D ．将氧15置于回旋加速器中，其半衰期可能发生变化
A [用30 MeV 的X 射线照射氧16，生成氧15的同时，释放出中子，核反应方程为X ＋16 8O→15 8O ＋10n ，故A 正确；氧15发生正电子衰变的核反应方程为15 8O→01e ＋15
8N ，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 ＝m 0⎝ ⎛⎭⎪⎫125＝132m 0，故C 错误；改变元素所处的物理环境和化学状态，不改变其半衰期，故D 错误．]
9．质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S 产生的各种不同正离子束(速度可看成为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P 上，设离子在P 上的位置到入口处S 1的距离为x ．
(1)设离子质量为m 、电荷量为q 、加速电压为U 、磁感应强度大小为B ，求x 的大小；
(2)氢的三种同位素11H 、21H 、3
1H 从离子源S 出发，到达照相底片的位置距入口处S 1的距离之比x H ∶x D ∶x T 为多少？
[解析] (1)离子在电场中被加速时，由动能定理qU ＝12mv 2， 进入磁场时，洛伦兹力提供向心力，qvB ＝mv 2
r
，又x ＝2r ， 由以上三式得x ＝2B 2mU
q ．
(2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3，由(1)结果知，
x H ∶x D ∶x T ＝m H ∶m D ∶m T ＝1∶2∶3．
[答案] (1)2B 2mU q
(2)1∶2∶ 3
10．放射性在工农业生产和科学研究中有广泛的应用，下列关于放射性的应用与防护，说法不正确的是( )
A ．利用γ射线照射食品，可以杀死使食物腐败的细菌，延长保质期
B ．利用示踪原子可以研究生物大分子的结构和功能
C ．利用放射线的贯穿作用，可以制成射线测厚装置
D ．放射治疗利用了射线对病灶细胞的电离作用
D [用γ射线照射食品，可以杀死使食物腐败的细菌，延长保存期，故A 正确；利用示踪原子可以研究生物大分子的结构和功能，故B 正确；利用放射线的贯穿作用，可以制成射线测厚装置，故C 正确；放射治疗利用了射线对病灶细胞的吸收作用，故D 错误．]
11．钴60(60
27Co)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(6028Ni)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6027Co→6028Ni ＋ 0－1e
B ．将钴60放入高温高压环境中可以加快其衰变
C ．钻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
A [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6027Co→6028Ni ＋ 0
－1e ，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，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，C 错误；
10.54年为两个半衰期，则剩下的钴60为原来的14
，没有全部衰变，D 错误．] 12．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，而今天人工制造的放射性同位素已达1000多种，每种元素都有了自己的放射性同位素．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)如图所示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为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．
(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 作________．
[解析] (1)因放射线的电离作用，空气中与验电器所带电性相反的离子与之中和，从而使验电器所带电荷消失．
(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度为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毫米厚的铝板和几毫米厚的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射线的强度明显不同，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．人们把做这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．
[答案] (1)B (2)β (3)示踪原子
13．同位素这个概念是1913年英国科学家索迪(1877～1956)提出的．许多元素都存在同位素现象，在目前已发现的114种元素中，稳定同位素约300多种，而放射性同位素达1 500种以上，而且大多数是人工制造的．
(1)中国科学院近代物理研究所的科学家利用兰州重离子加速器在重质量半中子区首次制得镤元素的一种同位素(234Pa)．已知234 90Th(钍)→234Pa(镤)＋0－1e(电子)，则234Pa原子核里的中子数应为________．
(2)1934年，科学家在用α粒子轰击铝箔时，除探测到预料中的中子外，还探测到了正电子，更意外的是拿走α放射源后，铝箔虽不再发射中子，但仍继续发射正电子，而且这种放射性随时间衰减规律跟天然放射性一样，也有一定的半衰期．
①写出α粒子轰击铝箔(2713Al)产生中子的核反应方程式，并请写出核反应和一般化学反应的不同点(请答3点)．
②上述产生的具有放射性的同位素叫放射性同位素，写出其产生正电子的核反应方程式．
[解析](1)由方程两边的质量数和电荷数相同，可知234Pa中质子数为91，则中子数为234－91＝143．
(2)①②铝核被α粒子击中后产生中子的反应为2713Al＋42He→3015P＋10n；3015P是磷的一种同位素，也有放射性，像天然放射性元素一样发生衰变，衰变时放出正电子，该反应为：3015P→3014Si ＋01e，核反应和一般化学反应的不同点：核反应是原子层次上的变化，而化学反应是分子层次上的变化(或核反应前后元素发生变化，化学反应前后则元素种类不变)；一种同位素不论处于何种状态，它们的核反应性质是相同的，而它们的化学性质是不同的；同一元素的不同同位素，它们的化学性质是相同的，但它们的核反应性质是不同的．
[答案](1)143 (2)①2713Al＋42He→3015P＋10n 见解析②3015P→3014Si＋01e。