2019_2020学年高中物理第3章2放射性衰变3放射性的应用、危害与防护学案教科版选修3_5

2.放射性衰变 3．放射性的应用、危害与防护
[学习目标] 1.知道什么是放射性及放射性元素．(重点)2.知道三种射线的本质和特性．(重点、难点)3.知道原子核的衰变和衰变规律．(重点)4.知道什么是半衰期．(重点)5.知道三种射线的特性及应用，知道放射性同位素，在工、农业及医学领域的应用．(重点、难点)6.知道放射性对人类和自然产生的严重危害，了解防护放射性危害的措施．(重点)
一、天然放射性和衰变
1．天然放射现象的发现
(1)天然放射现象：物质能自发地放出射线的现象．
(2)放射性：物质放出射线的性质，叫作放射性．
(3)放射性元素：具有放射性的元素，叫作放射性元素．
(4)天然放射现象的发现：1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射现象．
2．三种射线
如图所示，让放射线通过强磁场，在磁场的作用下，放射线能分成3束，这表明有3种射线，且它们电性不同．带正电的射线向左偏转，为α射线；带负电的射线向右偏转，为β射线；不发生偏转的射线不带电，为γ射线．
3．放射性衰变
(1)定义：放射性元素自发地蜕变为另一种元素，同时放出射线，这种现象叫作放射性衰变．
(2)衰变形式：常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变为α衰变，放出β粒子的衰变为β衰变，而γ射线是伴随α射线或β射线产生的．
(3)衰变规律
①α衰变：A Z X→42He＋A－4
Z－2Y.
②β衰变：A Z X→0－1e＋A Z＋1Y.
在衰变过程中，电荷数和质量数都守恒．
二、半衰期
1．定义
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．
2．决定因素
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系．不同的放射性元素，半衰期不同．
3．应用
利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间．
三、放射性的应用、危害与防护
1．放射性的应用
(1)利用射线的特性
①利用α射线的电离作用很强，用以消除(中和)因摩擦积累的静电．
②利用β射线穿过薄物或经过薄物反射时，由透射或反射的衰减程度来测定薄物的厚度和密度．
③利用γ射线的穿透能力可以进行金属探伤，还可利用γ射线进行培育优良品种、放射治疗等．
(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．
(3)利用衰变特性：利用天然放射性元素的半衰期可以估测文物、化石的年代，勘探矿藏等．
2．放射性的危害与防护
(1)放射线的主要来源
①天然放射线的来源：来自地壳表面的天然放射性元素和空气中的氡等产生的放射线；来自空间的宇宙射线．
②人工放射线的来源：医疗放射，核动力和核武器试验中的放射线．
(2)放射线的危害
放射线对人体组织造成伤害，导致细胞损伤，破坏人体DNA的分子结构．大剂量的放射性射线导致畸形、肿瘤、生育功能损伤等．
(3)防止的基本方法
①距离防护
②时间防护
③屏蔽防护
④仪器监测
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)放射性元素的放射性都是自发的现象．(√)
(2)α射线是由高速运动的氦核组成的，其运行速度接近光速．(×)
(3)原子核发生α衰变时，核的质子数减少2，而质量数减少4. (√)
(4)半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢．(√)
(5)用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物做“示踪原子”．(√)
(6)医疗照射是利用放射性，对人和环境没有影响．(×)
2．(多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是( )
A．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C．三种射线中γ射线的穿透能力最强
D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
ACD [由三种射线的本质和特点可知，α射线穿透本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是一种波长很短的光子，不会使原核变成新核，三种射线中γ射线的穿透能力最强，故C正确，B错误；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确．]
3．(多选)原子核238 92U经放射性衰变①变为原子核234 90Th，继而经放射性衰变②变为原子核234 91 Pa，再经放射性衰变③变为原子核234 92U.下列选项正确的是( )
ABC [238 92U ①
—→234 90Th ，质量数少4，电荷数少2，说明①为α衰变.234 90Th ②
—→234 91Pa，质子数
加1，质量数不变，说明②为β衰变，中子转化成质子. 234 91Pa
③
—→234 91U，质子数加1，质量数
不变，说明③为β衰变，中子转化成质子．]
4．(多选)对放射性的应用和防护，下列说法正确的是( )
A．放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体的正常细胞不会有伤害作用
B．对放射性的废料，要装入特制的容器并埋入深地层进行处理
C．γ射线探伤仪中的放射源必须存放在特制的容器里，而不能随意放置
D．对可能有放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
BCD [放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，但也会对人体的正常细胞有伤害，选项A 错误；正因为放射线具有伤害作用，选项B、C、D均是正确的．]
1.
(1)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图所示．
(2)在匀强电场中，α射线偏离较小，β射线偏离较大，γ射线不偏离，如图所示． 3．衰变 (1)衰变方程
①α衰变：A Z X ―→A －4Z －2Y ＋4
2He ②β衰变：A Z X ―→ A Z ＋1Y ＋0
－1e (2)α衰变和β衰变的实质 ①α衰变：21
0n ＋21
1H ―→4
2He ②β衰变：1
0n ―→1
1H ＋0
－1e (3)衰变次数的计算方法
设放射性元素A
Z X 经过n 次α衰变和m 次β衰变后，变成稳定的新元素A ′
Z ′Y ，则衰变方程为
A Z
X ―→A ′Z ′Y ＋n 42He ＋m 0
－1e
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程
A ＝A ′＋4n ，Z ＝Z ′＋2n －m .
以上两式联立解得n ＝
A －A ′
4
，m ＝
A －A ′
2
＋Z ′－Z .
【例1】 如图所示，R 是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL ′是厚纸板，MN 是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O 、P 两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O 点的射线种类、到达P 点的射线种类应属于下表中的( )
(1)能够穿过厚纸板的只有β和γ射线，α射线无法穿过．
(2)γ射线不偏转，β射线在磁场中的偏转情况符合左手定则．
C [R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里．]
三种射线的比较方法
(1)知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种．
(2)在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线．
(3)α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强．
1．如图所示，放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，其中________是α射线，________是β射线，________是γ射线．
[解析] 由放射现象中α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线，③④是α射线．
[答案] ③④、①⑥、②⑤
【例2】238 92U核经一系列的衰变后变为206 82Pb核，问：
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？
(2)206 82Pb与238 92U相比，质子数和中子数各少了多少？
(3)综合写出这一衰变过程的方程．
[解析] (1)设238 92U衰变为206 82Pb经过x次α衰变和y次β衰变．由质量数守恒和电荷数守恒可得
238＝206＋4x ①
92＝82＋2x－y ②
联立①②解得x＝8，y＝6
即一共经过8次α衰变和6次β衰变．
(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故206 82Pb较238 92U质子数少10，中子数少22.
(3)衰变方程为238 92U→206 82Pb＋842He＋60－1e
[答案] (1)8次α衰变和6次β衰变(2)10 22
(3)238 92U→206 82Pb＋842He＋60－1e
衰变次数的判断方法
(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒．
(2)每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2.
(3)每发生一次β衰变中子数减少1，质子数增加1.
2．原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线．这些射线共有三种：α射线、β射线和γ射线．下列说法中正确的是( )
A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4
B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4
C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1
D．原子核放出γ射线时，原子序数不变
D [发生一次α衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，核电荷数、原子序数增加1，γ射线是光子．]
1.2．半衰期公式：N 余＝N 原⎝ ⎛⎭⎪⎫12t τ，m 余＝m 0⎝ ⎛⎭
⎪⎫12t
τ
式中N 原、m 0表示衰变前的原子数和质量，N
余
、m 余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t 表示衰变时间，τ表示半衰期． 3．适用条件：半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特
定的原子核，无法确定其何时发生衰变，半衰期只适用于大量的原子核．
【例3】 放射性元素氡(222
86Rn)经α衰变成为钋(218
84Po)，半衰期约为3.8天，但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素222
86Rn 的矿石，其原因是( )
A ．目前地壳中的222
86Rn 主要来自于其他放射性元素的衰变 B ．在地球形成的初期，地壳中元素222
86Rn 的含量足够高
C ．当衰变产物218
84Po 积累到一定量以后，218
84Po 的增加会减慢222
86Rn 的衰变进程 D.222
86Rn 主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期
A [元素半衰期的长短由原子核自身因素决定，与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关，C 、D 错；即使元素氡的含量足够高，经过漫长的地质年代，地壳中也几乎没有氡了，一定是来自于其他放射性元素的衰变，故A 对，
B 错．]
有关半衰期的两点提醒
(1)半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间而不是样本质量减少一半的时间．
(2)
经过n 个半衰期，剩余核
N 剩＝1
2
n N 总．
3．碘131核不稳定，会发生β衰变，其半衰变期为8天． (1)碘131核的衰变方程：131
53I→________(衰变后的元素用X 表示)． (2)经过________天75%的碘131核发生了衰变． [解析] (1)131
53I→131
54X ＋ 0
－1e
(2)75%的碘发生了衰变，即25%的未衰变．
即m m 0＝25%＝14＝⎝ ⎛⎭
⎪⎫122
共经历了两个半衰期即16天．
[答案] (1)131 53I→131 54X＋0－1e (2)16
1
具有放射性的同位素，叫作放射性同位素．天然存在的放射性元素只有四十多种，但用人工方法得到的放射性同位素有一千多种．与天然放射性物质相比，人造放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状．
2．放射性同位素的应用
(1)利用放射性同位素放出的射线
①探伤：射线穿透金属部件时，如果遇到砂眼、裂痕等伤痕，接收到的射线将与正常处不同，因此可利用放射性同位素放出射线探伤．
②测厚：射线穿透某些物质的本领与物质的厚度、密度有关，因此可用射线来检查某些产品的厚度，技术上可用作自动控制．
③利用射线电离能力，可以使空气电离，除去纺织车间的静电，或制成报警器．
辐照：利用射线照射，可以杀死癌细胞，用以治病；用射线照射植物，引起植物变异，用以育种等．
(2)做示踪原子
由于放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质，如果在某种元素里掺进一些放射性同位素，那么元素无论走到哪里，它的放射性同位素也经过同样的过程．而放射性元素不断地放出射线，再用仪器探测这些射线，即可知道元素的行踪，这种用途的放射性同位素叫示踪原子．
3．人工放射性同位素的优点
(1)资源丰富，天然放射性元素不过40多种，但人工放射性同位素已达1 000多种，目前每种元素都有了自己的放射性同位素．
(2)和天然放射性物质相比，人工放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的不同形状，特别是，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此放射性废料容易处理．由于这些优点，所以在生产和科研中凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素，而不用天然放射性物质．
【例4】关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是( )
A．放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，从而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，也能进行人体透视
C．用放射线照射作物种子使其DNA发生变异，其结果一定是更优良的品种
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
D [利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性，使空气分子电离成为导体，将静电导出，A错误；γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视，B错误；作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优良品种，C错误；用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用，因此要科学地控制剂量，D正确．]
放射性同位素的应用技巧
(1)用射线来测量厚度，一般不选取α射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的．
(2)给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取γ射线．
(3)使用放射线时安全是第一位的．
4．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
B [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；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，C错；放射性是原子核本身的性质，与元素的状态、组成等无关，D错；放射性同位素可作为示踪原子，故B正确．]
1．(多选)关于天然放射现象和对放射性的研究，下列说法正确的是( )
A．α射线和β射线在电场或磁场中偏转说明它们是带电粒子
B．原子核不是单一的粒子
C．γ射线一定伴随α射线或β射线而产生
D．任何放射性元素都能同时发出三种射线
AB [带电粒子以一定的初速度垂直进入电场或磁场能发生偏转，α射线和β射线能在电场或磁场中偏转说明它们是带电粒子，故A正确；放射现象说明原子核的可变性，即原子核不是单一粒子，具有复杂的结构，故选项B正确；γ射线是原子核在发射α射线或β射线时多余的能量以γ射线的形式产生的辐射，因此γ射线是伴随(不是一定伴随)α射线或β射线而放出的，故C、D错误．]
2．(多选)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约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的比例持续减少．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．该古木的年代距今约5 700年
B. 12C、13C、14C具有相同的中子数
C．12C、13C、14C具有相同的质子数
D. 14C衰变为14N的过程中放出β射线
ACD [古木样品中14C的比例是现代植物所制样品的二分之一，根据半衰期的定义知该古木的年代距今约5 700年，选项A正确．同位素具有相同的质子数，不同的中子数，选项B 错误，C正确.14C的衰变方程为14 6C→14 7N＋0－1e，所以此衰变过程放出β射线，选项D正确．] 3．(多选)放射性污染的防护措施有( )
A ．将废弃的放射性物质进行深埋
B ．将废弃的放射性物质倒在下水道里
C ．接触放射性物质的人员穿上铅防护服
D ．严格和准确控制放射性物质的放射剂量
ACD [因为放射性物质残存的时间太长，具有辐射性，故应将其深埋，A 对，B 错；铅具有一定的防止放射性的能力，接触放射性物质的人员穿上铅防护服，并要控制一定的放射剂量，故C 、D 对．]
4．天然放射性铀(238 92U)发生衰变后产生钍(234 90Th)和另一个原子核．
(1)请写出衰变方程；
(2)若衰变前铀(238 92U)核的速度为v ，衰变产生的钍(234 90Th)核的速度为v 2
，且与铀核速度方向相同，求产生的另一种新核的速度．
[解析] (1)238 92U→234 90Th ＋42He.
(2)设另一新核的速度为v ′，铀核质量为238m ，由动量守恒定律得：238mv ＝234m v 2
＋4mv ′得：v ′＝1214
v . [答案] (1)见解析 (2)1214
v。