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第五章 原子与原子核
第四节 放射性同位素
粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册
不同元素的原子，其原子核的质子数不同，核外电子的数目和分布情况也不同，因此元素的化学性质不同。同种元素的原子，因为其质子数相同，核外电子数相同，所以有相同的化学性质，但是它们的中子数可以不同。这些具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素。通常说的氕(????????????)、氘(????????????)和氚(????????????)就是氢的一组同位素。
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一、放射性同位素的发现
【理论·探究】
1934年，约里奥-居里夫妇在用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。让约里奥－居里夫妇感到意外的是，拿走α粒子放射源以后，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的规律跟天然放射性一样，也有一定的半衰期。
原来，铝核被α粒子击中后发生了以下反应
????????????????????????+????????????????→????????????????????+????????????
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【理论·探究】
反应生成物????????????????????是磷的一种同位素，它有放射性，像天然放射性元素一样发生衰变，衰变时放出正电子和中微子。我们用符号????????????表示正电子，用ν表示中微子，于是????????????????????的衰变反应可写为
?
????????????????????→????????????????????????+????????????+????
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这种具有放射性的同位素，叫作放射性同位素。用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现。后来用质子、氘核、中子和????光子轰击原子核，又得到了多种放射性同位素。天然放射性同位素只有六十几种，而今天人工制造的放射性同位素已达一千多种。放射性同位素在地质、冶金、石油工业、农业、医学、考古等领域得到了广泛的应用。
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二、放射性同位素的应用
【理论·探究】
放射性同位素的应用主要分为射线的应用、示踪原子的应用和半衰期的应用三类。
射线的应用
放射性辐射对物体会产生各种作用，可用来达到不同的目的。例如工业上利用????射线的穿透性来检查金属内部的缺陷，即所谓的无损????射线探伤，其示意图如图5-4-2所示。钢板中的空洞导致????射线透射增强。
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在化纤、纺织等工业生产中，由于摩擦、分离等原因，织物和纤维上常聚集有害的静电。将放射源放在容易产生静电的地方，放射性物质放出的α射线、β射线可以使空气分子电离变成导电气体，从而把聚集的静电引入地下。
在农业上，利用射线可以防治害虫和培育良种。在医疗上，利用射线可以治疗疾病和消毒灭菌。
【示踪原子的应用】
由于放射性元素能放出某种射线，因此可用探测仪器对它们进行踪迹显示。这种用途的放射性同位素叫作示踪原子。农业上可利用磷32来研究作物对磷肥的吸收情况，从而改进施肥方法；工业上可利用放射性同位素来检测机件的磨损情况，以便及时更换机件；半导体制造工艺中可利用示踪原子探测杂质在半导体内的扩散情况，以便控制掺杂过程；医学上可利用示踪原子来提供生物机体内生理生化过程的动态信息，反映组织器官的整体或局部功能，作无损伤的疾病诊断等。
【半衰期的应用】
在地质和考古工作中，可利用放射性衰变的半衰期来推断地层或古代文物的年代。例如，已知铀系的最终产物是铅206，便可根据目前岩石中铀238和铅206的含量比，由铀的半衰期估算该地层的年龄；利用生物残骸中同位素碳14与碳12的含量比可推断出生物死亡的年代等。
三、射线的危害及防护
尽管射线有着广泛的用途，但它对人体组织却会造成伤害，随着放射性同位素及射线装置在工农业、医疗、科研等各个领域的广泛应用，射线造成危害的可能性也在增大。在使用放射性同位素时必须注意安全。
【理论·探究】
α射线电离作用最强，而穿透能力最弱，用一张厚纸就可以把它挡住；β射线的电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透纸张，一定厚度的铝板可以把它挡住；γ射线电离作用最弱，有着极强的穿透力，甚至能穿透几厘米厚的铝板，需要用铅板或混凝土才能挡住(如图5-4-3所示)。除这三种射线外，常见的射线还有X射线和中子射线，这些射线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、化学或生化变化。如果人体长时间受到大剂量的射线照射，就会使细胞、组织、器官受到损伤，破坏人体DNA分子结构，有时甚至会引发癌变，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，重者甚至死亡。
【理论·总结】
放射性防护可分成内照射防护和外照射防护，内照射与外照射的显著差别是，即使不再进行放射性物质的操作，已经进入体内的放射性同位素仍然在体内产生有害影响。造成内照射的原因，通常是因为吸入被放射性物质污染的空气，饮用被放射性物质污染的水，吃了被放射性物质污染的食物，或者放射性物质从皮肤、伤口进入体内。内照射防护的基本原则是尽可能地隔断放射性物质进入人体的各种途径。通常采取的措施是把可能成为污染源的放射性物质放在密闭的手套箱或其他密闭容器中进行操作，使它与工作场所的空气隔绝；严禁工作人员用可能被污染的手接触食物、衣服或其他生活用具等。
【缩短受照射时间】
受照射的累积剂量与受照射时间成正比。在一切接受电离辐射的操作中，应以尽量缩短受照射时间为原则。例如，在用X射线进行胸部透视时，病人所受照射剂量随检查时间而增加，医生应当在查清病灶的情况下，尽量缩短透视时间。对于工作时间较长的强放射性操作，可以采取限制个人操作时间、更换操作人员等措施，以减少每人所受的照射剂量。
【增大与辐射源间的距离】
增大操作人员与辐射源间的距离，可以降低其受照射的剂量。对于点状放射源，人体受照剂量率与距离的平方成反比。在实际操作中常使用远距离操作的工具，如长柄钳、机械手、远距离自动控制装置等，以降低剂量率。
【屏蔽射线】
屏蔽物有固定式，如防护墙、地板、天花板、防护门和观察窗等；移动式的有包装容器、各种结构的手套箱、防护屏和铅砖等。屏蔽材料要根据不同的辐射来选取，????射线和X射线的常用屏蔽材料有水、土壤、岩石、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、钨等。β射线能引起组织表层的辐射损伤，还能产生轫致辐射，所以对β射线的防护应采用两层屏蔽。第一层用低原子序数的材料屏蔽β射线，可减少轫致辐射，常用材料有烯基塑料、有机玻璃和铝等；第二层用高原子序数材料屏蔽辐射，常用生铁、钢板和铅板等。
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1.中国原子能科学研究院作为我国最早研制和生产放射性同位素的单位，曾陆续研制开发出裂变钼99、氟18、碘125等多种主要医用同位素，以及锝99m发生器、碘131口服液、碘125粒子源等。其中钼99发生β衰变产生得99m，碘125能发出γ射线，半衰期约为60天。下列说法正确的是（　　）
A．医用同位素的周期越短越好
B．γ射线的穿透本领比α射线和β射线的强
C．β射线的本质是核外电子脱离原子核形成的
D．100个碘125经过120天剩下25个
B
课堂练习
2.以下关于放射性元素产生的射线应用的说法，错误的是（　　）
A．经过射线照射的蔬菜可以保存更长时间
B．利用γ射线的穿透性强的特点，可以用它为人体探伤
C．α射线可以用来消除有害的静电
D．射线可以培育新的优良作物品种
B
课堂练习
3.放射性同位素发出的射线在科研、医疗、生产等诸多方面得到了广泛的应用，下列有关放射线应用的说法中不正确的是（　　）
A．轧钢厂的热轧机安装射线测厚仪对钢板厚度进行自动控制
B．利用γ射线的贯穿性能进行人体的透视
C．用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，经过筛选可以培养优良品种
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危害
B
4.关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是（　　）
A．α射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到了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，也能进行人体的透视
C．用射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种
D．用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的伤害
D
5.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
6.核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。下列说法正确的是（　　）
A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽
B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒
C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期
D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
D
7.下列①②③④四幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（　　）
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
A
8.下列有关近代物理的说法正确的是（　　）
A．卢瑟福的α粒子散射实验使人们认识到原子是可以再分的
B．人工放射性同位素放射强度容易控制，可以制成各种所需的形状，废料容易处理
C．玻尔理论能成功解释所有原子光谱的实验规律
D．天然放射现象说明了原子内部是有复杂结构的
B
9.2019年9月10日，我国国产首批医用钻－60原料组件从秦山核电站启运，这标着着我国国伽马刀设备“中国芯”供应问题得到解决，核电站是利用中子照射钻－59制备钻－60，伽马刀是利用钻－60发生β衰变释放的γ射线工作的，已知钻－60的半期约为5.3年，下列说法正确的是（）
A．秦山核电站制备钴－60的反应是重核衰变
B．钻－60发生衰变后生产的新核比钻－60少一个电子
C．钻－60发生衰变后生产的新核比钻－60多一个中子
D．钻－60制成后，经过5.3年剩下的钻－60的约有一半
D
10.在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。下列说法正确的是（???）
A．查德威克用α粒子轰击铍原子核，发现了质子
B．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，揭示了原子核有复杂的结构
C．汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现阴极射线是原子核中的中子变为质子时产生的β射线
D．居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋（Po）和镭（Ra）两种新元素
D
课堂小结
一、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。
课堂小结
二、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。
课堂训练
1.以下物理史实不正确的有（　　）
A．德国科学家马德堡（H．Magdeburger）通过著名的马德堡半球实验证明了大气压的存在
B．楞次（H．Lenz）发现了电流通过导体时产生热效应的规律——焦耳定律
C．汤姆孙（G．P．Thomson）通过阴极射线管发现了电子，获得了诺贝尔奖
D．约里奥-居里夫妇（Joliot-Curie）用α粒子轰击铝箔时，发现了人工放射性同位素
ABC
课堂训练
2.“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核（母核）俘获一个核外电子，其内部一个质子转变为中子，从而变成一个新核（子核），并且放出一个中微子的过程。中微子的质量极小，不带电，很难探测到，人们最早就是通过子核的反冲而间接证明中微子存在的。若一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”（电子的初动量不计），则（　　）
A．母核的质量数比子核的质量数多1个
B．母核的电荷数比子核的电荷数多1个
C．子核的动量与中微子的动量大小相等
D．子核的动能大于中微子的动能
BC
课堂训练
3.近几年，γ刀已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，半小时内完成手术，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，已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射线具有很强的贯穿本领 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射线能容易地绕过障碍物到达目的地
AC
课堂训练
4.日本政府4月13日决定将福岛核污染水稀释后排入大海，引发外界和当地渔民的猛烈批评。东京电力公司网站介绍称，核污水中包含氚、碳-14、钌-106、钴-60、锶-90、铯-134、铯-137等63种放射性物质，它们的半衰期短的是十几年、几十年，长的甚至达到5370年。下列说法正确的是（　　）
A．氚是氢的放射性同位素
B．核污水中包含的放射性物质只会发出α、β和γ三种射线
C．储存有核污水的罐体要确保对环境没有影响，最难也是最需要重点防护的是α射线
D．如果能将核污水中的63种放射性物质变成其他化合物，其衰变或许会变得更快些
AB
课堂训练
5.下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是（???????）
A．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
B．把含有放射性元素的肥料施给农作物，利用探测器的测量，找出合理的施肥规律
C．利用射线探伤法检查金属中的砂眼和裂纹
D．给怀疑患有甲状腺病的病人注射碘131，诊断甲状腺的器质性和功能性疾病
ABD
课堂训练
6.以下说法中正确的是：
A．如甲图是风力发电的国际通用标志
B．如乙图是氢原子的能级示意图，氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级时吸收了一定频率的光子
C．如丙图是光电效应实验示意图，则此时验电器的金属杆上带的是正电荷
D．如丁图是电子束穿过铝箔后的衍射图样，该实验现象说明实物粒子也具有波动性
CD

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