2019-2020学年高中物理 第3章 原子核与放射性 第3节 放射性的应用与防护教学案 鲁科版选修3-5

第3节放射性的应用与防护
1.知道放射性同位素，了解放射性在生产和科学领域的应用．(重点＋难点)
2．知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防护放射性的措施，建立防范意识．
一、放射性的应用
1.应用分类
(1)利用射线的电离作用，穿透能力等特性．
(2)放射性同位素作为示踪原子．
2.射线特性的应用
放射性物质发出的α射线，β射线和γ射线能够将生物细胞分子内的电子击出，使细胞分子电离，造成细胞变异或损害．因而得到广泛应用．
(1)辐射育种；(2)食品辐射保存；(3)放射性治疗；(4)放射性同位素电池；(5)γ射线探伤．
3.作为示踪原子
在某种元素里掺进一些该元素的放射性同位素，同样的化学性质，经历同样过程，用仪器探测该同位素放出的射线查明这种元素的行踪．如：正电子发射断层摄影(简称PET)．
1．(1)射线中的粒子与其他物质作用时，产生一些现象，可以显示射线的存在．( )
(2)云室和气泡室都是应用射线的穿透能力研究射线的径迹．( )
提示：(1)√(2)×
二、放射性污染和防护
1.放射性污染来自许多方面，主要有核爆炸、核泄漏和医疗照射等．
2.为了防止放射线的破坏，人们采取了许多防范措施，主要有密封防护、距离防护、时间防护、屏蔽防护等．
2．(1)利用γ射线照射种子，可以培育出优良品种．( )
(2)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．( )
(3)任何放射性物质都可以作为示踪原子使用．( )
提示：(1)√(2)√(3)×
放射性及放射性同位素的应用1.射线特性的应用
应用
射线特征
电离
作用
辐射育种
利用γ射线照射种子，可以使种子内的遗传物质发生变异，
培育出新的优良品种
食品辐射保存用射线对食品进行照射，可以抑制发芽，杀虫灭菌
放射性治疗
射线照射可以治疗恶性肿瘤，使癌细胞活动受到抑制或使其死
亡
改善塑料性能
射线可以促进交织化合物的聚合反应，以制造各种塑料或改善
塑料性能
增加汽油产量利用射线使石油分离，增加汽油的产量
消除静电
利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以除去化纤、纺
织品上的静电
衰变
能量
放射性同位素
电池
把放射性同位素衰变时释放的能量转换成电能
穿透
能力
γ射线探伤利用γ射线可以检查金属内部有没有缺陷或裂纹
γ射线检测
由于射线透过物体的强度跟物体的密度和厚度有关，因此可以
用射线来检查产品的厚度，密封容器中液面的高度等
2.作为示踪原子
(1)在工业上，可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情况．
(2)在农业生产中，可用示踪原子确定植物在生长过程中所需的肥料和合适的施肥时间．
(3)在医学上，可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围．
(4)在生物科学研究方面，放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为
广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密，阐明生命活动的物质基础，起了极其重要的作用，使生物化学从静态进入动态，从细胞水平进入分子水平，为人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径．
用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然放射性同位素只不过40几种，而今天人工制造的同位素已达1 000多种，每种元素都有放射性同位素，放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等许多方面得到广泛应用．
(1)如图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 mm铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起主要作用的是________射线．
(2)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结晶是同一物质，为此曾采用放射性同位素14C做________．
[解析] (1)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1 mm的铝板，因而探测器不能探到，γ射线穿透本领最强，穿透1 mm的铝板和几毫米厚铝板打在探测器上很难分辨，β射线也能穿透几毫米厚的铝板，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．
(2)把掺入14C的人工合成牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经多次重新结晶后，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合为一体，它们是同一物质，把这种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，从而可了解某些不容易查明的情况或规律，人们把这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．
[答案] (1)β(2)示踪原子
(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．
1.(多选)在下列应用中，把放射性同位素作为示踪原子的是( )
A．γ射线探伤仪
B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
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
解析：选BD.A是利用了γ射线的穿透性；C利用了γ射线的生物作用；B、D是利用了示踪原子．
放射性的污染与防护
1.放射性的危害：射线具有一定的能量，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和化学变化．如果人体受到长时间大剂量的射线照射，就会使细胞器官组织受到损伤，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，甚至死亡．
2.放射线的防护
(1)时间防护：尽量减少与放射线接触的次数与接触的时间．
(2)距离防护：生活中首先要对可能有放射性的物质有防范意识，要尽可能地远离放射源．
(3)屏蔽防护：铅的屏蔽作用最好，水、水泥等也是常用的屏蔽物．如核电站的核反应堆外层用厚厚的混凝土来防止放射线的外泄，用过的核废料要放在很厚很厚的重金属箱中，并深埋地下．
核能是一种高效的能源．
(1)在核电站中，为了防止放射性物质泄漏，核反应堆有三道防护屏障：燃料包壳，压力壳和安全壳．
结合图甲可知，安全壳应当选用的材料是____________．
(2)图乙是用来监测工作人员受到辐射情况的胸章，通过照相底片被射线感光的区域，
可以判断工作人员受到何种辐射．当胸章上1 mm铝片和3 mm铝片下的照相底片被感光，而铅片下的照相底片未被感光时，结合图甲分析工作人员一定受到了________射线的辐射；当所有照相底片被感光时，工作人员一定受到了________射线的辐射．
[思路点拨] 解答本题应把握以下两点：
(1)熟知三种射线的穿透本领．
(2)熟知常见的放射性防护措施．
[解析] (1)核反应堆最外层是厚厚的水泥防护层．防止射线外泄，所以安全壳应选用的材料是混凝土．
(2)β射线可穿透几毫米厚的铝片，而γ射线可穿透几厘米厚的铅板．
[答案] (1)混凝土(2)βγ
熟悉屏蔽防护措施、常用屏蔽物和三种射线的穿透本领的大小是解决这类问题的关键．
2.关于放射性污染的防护措施，下列说法错误的是( )
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
解析：选B.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．
原子核的人工转变与衰变的比较
原子核的衰变原子核的人工转变发生反应的原
具有放射性的不稳定核所有的原子核
子核
利用α粒子、质子、中子或γ光反应条件自发进行，无条件
子作为“炮弹”轰击靶核反应本质核子数变化，形成新核核子的重组，形成新核
典型反应23892U→23490Th＋42He14 7N＋42He→17 8O＋11H
核反应方程的
特点箭头左边只有一个放射性原子
核
箭头左边有靶核和“炮弹”各一
个
核反应的规律质量数守恒(注意质量并不守恒)，电荷数守恒
书写方程的原
则
尊重实验事实，不能仅仅依据守恒定律主观臆造
下列方程中属于衰变的是________，属于人工转变的是________，生成原来元素的同位素的是________，放出β粒子的是________．
①12353I＋10n→12453I
②23892
U→23490Th＋42He
③21482Bb→21483Bi＋0－1e
④94Be＋42He→12 6C＋10n
[解析] 首先从方程左端去判断哪种是衰变、哪种是人工转变，当方程左端只有一种元素的原子核时，只能是衰变，故②③为衰变，①④为人工转变；而同位素的产生，是根据原子序数相同而质量数不同来判断，所以①会生成该元素的同位素；判断β衰变，只需要看清衰变方程右端是否产生电子即可，应选③.
[答案] ②③①④①③
[随堂检测]
1.(多选)下列应用中利用放射性同位素放出射线的是( )
A．金属探伤
B．消除有害的静电积累
C．研究农作物在各季节吸收肥料成分的规律
D．保存食物
解析：选ABD.A是利用了射线的贯穿本领，B是利用了射线的电离本领，C是作为示踪原子，D也是利用射线来保存食物，抵制或消灭害虫．
2.关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有( )
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，其结果一定是更优秀的品种
D．用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常的组织造成太大的伤害解析：选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，将静电导走．γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视．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秀品种．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．本题正确选项为D.
3.(多选)俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇在巴伦支海遇难，沉入深度约为100 m的海底，“库尔斯克”号核潜艇的沉没再次引起人们对核废料与环境问题的重视．几十年来人们向巴伦支海海域倾倒了不少核废料，核废料对海洋环境有严重的污染作用．其原因是( ) A．铀、钚等核废料的放射性
B．铀、钚等核废料的半衰期很长
C．铀、钚等重金属有毒性
D．铀、钚等核废料会造成爆炸
解析：选ABC.放射线对人体组织、生物都是有害的，核废料的主要污染作用是其放射性，且其半衰期长，在很长时间内都具有放射性，另外核废料中有大量重金属，但不会自发爆炸．所以A、B、C选项正确．
4.关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是( )
A．利用γ射线使空气电离，把静电荷导走
B．利用β射线照射植物的种子，使产量显著增加
C．利用α射线来治疗肺癌、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学性质相同，作为示踪原子
解析：选D.γ射线的电离作用很弱，应利用α射线的电离作用，A错；γ射线对生物具有物理化学作用，照射种子可使基因变异，可用于放射性治疗，β射线不具有生物作用，B、C均错；同位素的核外电子数相同，化学性质相同，放射性同位素带有“放射性标记”，可用探测器探测，D对．
5．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，并指出哪些是核的人工转变．
(1)238 92U→234 90Th＋________；
(2)94Be＋42He→126C＋________；
(3)234 90Th→234 91Pa＋________；
(4)3015P→3014Si＋________；
(5)147N＋42He→178O＋________．
解析：在核反应过程中，遵循反应前后电荷数守恒、质量数守恒规律．对参与反应的所有基本粒子来用左下角(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)电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(42He)，同理确定其他粒子分别为：中子(10n)，电子(0－1e)，正电子(0＋1e)，质子(11H)．其中(2)、(5)是核的人工转变．
答案：(1)42He (2)10n，核的人工转变(3)0－1e (4)0＋1e
(5)11H，核的人工转变
[课时作业]
一、单项选择题
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．放射线的贯穿作用
B．放射线的电离作用
C．放射线的物理、化学作用
D．以上三个选项都不是
解析：选B.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，所以使验电器所带电荷消失．
2.放射性同位素可作为示踪原子，例如，在医学上可以确定肿瘤的位置等等．今天有四种不同的放射性同位素R、P、Q、S.它们的半衰期分别为半年、38年、15年、2天．则应选用的同位素是( )
A．S B．Q
C．P D．R
解析：选A.作为示踪原子的放射性同位素，应该有稳定的放射性，半衰期越长，放射性越稳定；但考虑到放射性对人体的危害，半衰期越长，对人体的危害越大，所以一旦研究结束，就希望放出的射线量大大减小，因此应选择半衰期较短，衰变稍快的放射性元素作为示踪原子，用2天的就可以了．
3.我国科学家首次用人工方法合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素是同一种物质，所使用的鉴别技术是( )
A．光谱分析B．同位素示踪原子
C．微电子技术D．纳米技术
解析：选B.人工合成牛胰岛素掺入146C作为示踪原子，跟天然牛胰岛素混合，多次重新结晶，结果146C均匀分布，证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素是同一物质，故选B.
4．为保证生产安全，大型钢铁部件内部不允许有砂眼、裂痕等伤痕存在．如图是利用射线检测钢柱内部是否存在伤痕情况的示意图，若钢柱的直径为20 cm，则下列说法正确的是( )
A．放射源放出的射线应该用β射线
B．放射源放出的射线应该用X射线
C．放射源放出的射线应该用γ射线
D．若钢件内部有伤痕，探测器接收到的射线粒子将减少
解析：选C.此射线必须能穿透部件，接收器才能接收到射线粒子，因β射线只能穿透几毫米厚的铝板，X射线也只能穿透几厘米厚的钢板，用γ射线可以检查30 cm厚的钢铁部件，显然这里应该用γ射线而不能用β或X射线，选项C正确，选项A、B错误；当遇到钢铁部件内部有伤痕时，穿过钢板到达计数器的γ射线比没有砂眼或裂纹处的要多一些，选项D错误．
5.核电站泄漏的污染物中含有碘131和铯137.碘131的半衰期约为8天，会释放β射线．铯137是铯133的同位素，半衰期约为30年，发生衰变时会辐射γ射线．下列说法正确的是( )
A．碘131释放的β射线由氦核组成
B．铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量
C．与铯137相比，碘131衰变更慢
D．铯133和铯137含有相同的质子数
解析：选D.β射线由高速电子流组成，选项A错误；γ射线为高频电磁波，光子能量远大于可见光光子的能量，选项B错误；碘131半衰期小，说明衰变快，选项C错误；铯133和铯137为同位素，具有相同的质子数，不同的中子数，选项D正确．
6.放射性在技术上有很多应用，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线．
某塑料公司生产聚乙烯薄膜，利用射线检查厚的聚乙烯通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀，可利用的元素是( )
A．钋210 B．氡222
C．锶90 D．铀238
解析：选C.测定薄膜厚度的原理是利用射线的穿透能力，由于α穿透能力太弱，而γ射线穿透能力太强，所以应选用β射线，并且要求放射性元素的半衰期较长，所以选项C 正确．
二、多项选择题
7．对放射性同位素的应用，下列说法中正确的是( )
A．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．对具有放射性的废料，要装入特制的容器并深埋地下进行处理
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．对可能产生放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
解析：选BCD.射线杀伤癌细胞的同时对人体的正常细胞也是有害的，A选项错误；B、C、D关于射线的防护的表述都是正确的．
8．近几年来，我国北京、上海、山东、洛阳、广州等地引进了十多台γ刀，治疗患者5 000余例，效果极好，成为治疗脑肿瘤的最佳仪器．令人感叹的是，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”．据报道，我国自己研制的旋式γ刀性能更好，即将进入各大医院为患者服务．γ刀治疗脑肿瘤主要是利用( )
A．γ射线具有很强的穿透能力
B．γ射线具有很强的电离作用
C．γ射线具有很高的能量
D．γ射线能很容易绕过阻碍物到达目的地
解析：选AC.γ刀就是γ射线，γ射线的特点是穿透能力强，γ射线波长短，光子的
能量高，杀伤力强，应用γ刀治疗脑肿瘤就是利用其穿透能力强和杀伤力强．9．用盖革·米勒计数器测定放射源的放射强度为每分钟405次，若将一张厚纸板放在计数器与放射源之间，计数器几乎测不到射线.10天后再次测量，测得该放射源的放射强度为每分钟101次，则下列关于射线性质及它的半衰期的说法正确的是( ) A．放射源射出的是α射线
B．放射源射出的是β射线
C．这种放射性元素的半衰期是5天
D．这种放射性元素的半衰期是2.5天
解析：选AC.因厚纸板能挡住这种射线，可知这种射线是穿透能力最差的α射线，选项A正确，B错误；因放射性元素原子核个数与单位时间内衰变的次数成正比，10天后测出放射强度为原来的四分之一，说明10天后放射性元素的原子核个数只有原来的四分之一，由半衰期公式知，已经过了两个半衰期，故半衰期是5天．
10．正电子发射计算机断层显像(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而湮灭转化为一对γ光子，被探测器采集后，经计算机处理生成清晰图象．则根据PET的原理判断下列表述正确的是( )
A.15 8O在人体内的衰变方程是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
解析：选ABC.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，D错．
三、非选择题
11.在日本发生的福岛核电站核泄漏事故中，泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射．在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs的衰变过程，它们分别是________和________(填入正确选项前的字母).131I 和137Cs原子核中的中子数分别是________和________．
A．X1→137 56Ba＋10n B．X2→131 54Xe＋0－1e
C．X3→137 56Ba＋0－1e D．X4→131 54Xe＋11p
解析：根据核反应方程的质量数、核电荷数守恒知，131I的衰变为选项B，137Cs的衰变为选项C，131I的中子数为131－53＝78，137Cs的中子数为137－55＝82.
答案：B C 78 82
12.约里奥·居里夫妇因发现人工放射性而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素3015P 衰变成3014Si 的同时放出另一种粒子，这种粒子什么？3215P 是30
15P 的同位素，被广泛应用于生物示踪技术，1 mg 3215P 随时间衰变的关系如图所示，请估算4 mg 的3215P 经多少天的衰变后还剩0.25 mg?
解析：3015P 衰变的方程：3015P ―→3014Si ＋01e ，即这种粒子为正电子．题图中纵坐标表示剩余3215P 的质量，由题图知当1 mg 中还剩0.5 mg 时对应天数为14天，即3215P 的半衰期为T 1/2＝14
天．设4 mg 经x 天衰变后还剩0.25 mg ，即0.254＝⎝ ⎛⎭
⎪⎫12x T 1/2所以x ＝4T 1/2＝4×14天＝56天． 答案：正电子 56天。