思易教育选修十原子核的组成;放射性元素的衰变;探测射线的方法;放射性的应用与防护.doc

第十九章 原子核
第一节 原子核的组成
第二节 放射性元素的衰变
第三节 探测射线的方法
第四节 放射性的应用与防护
二. 知识内容
（一）原子核的组成
1. 天然放射现象
（1）放射性：物质发射射线的性质，叫放射性。
（2）放射性元素：具有放射性的元素，原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线；原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。
（3）天然放射现象：放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象。
2. 三种射线
（1）α射线：α射线实际上是氦原子核，电离作用较强，但穿透本领较差。
（2）β射线：β射线是高速电子流，它的电离作用较弱，但穿透本领较强。
（3）γ射线：γ射线是能量很高的电磁波，波长很短，它的电离作用更小。但穿透本领更强。
3. 原子核的组成
原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，质子、中子统称为核子，原子核常用符号表示。
（二）放射性元素衰变
1. 原子核的衰变：（1）定义：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核，我们把这种变化称为原子核的衰变。
（2）分类：① 放射性元素的原子核放出一个α粒子后，成为新核，这种衰变过程叫做α衰变。
② 放射性元素的原子核放出β粒子的衰变叫做β衰变。
说明：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
（3）衰变方程：① α衰变：
② β衰变：
（4）实质：① α衰变：2个中子和2个质子在一定条件下作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，于是放射性元素就发生了α衰变，即。
② β衰变：β衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子，其转化方程是
（5）γ射线的产生：放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时，往往蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时，它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来。因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。
2. 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，叫做这种元素的半衰期。
（2）影响因素：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都没有关系
（三）探测射线的方法
1. 威尔逊云室：（1）原理：粒子在云室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴。于是显示出射线的径迹。
（2）粒子径迹：① α粒子：由于α粒子的质量比较大，在气体中飞行时不易改变方向，由于它的电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而粗。
② β粒子：β粒子的质量小，跟气体碰撞时容易改变方向，并且电离本领小，沿途产生的离子少，所以它在云室中的径迹比较细，而且常常弯曲。
③ γ粒子：γ离子的电离本领更小，在云室中一般看不到它的径迹。
2. 气泡室：气泡室的原理同云室的原理类似，所不同的是气泡室里装的是液体。
3. 盖革一米勒计数器：G-M计数器非常灵敏，用它探测射线十分方便，但是不同射线在计数器中产生的脉冲现象相同，因此只能用来计数，不能区分射线的种类。
（四）放射性的应用与防护
1. 核反应：（1）定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒。
（2）原子核人工转变的三大发现：
① 1919年卢瑟夫发现质子的核反应： N+He→O+H
② 1932年查德威克发现中子的核反应：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：
Al+He →P+n
P→Si+e
2. 放射性同位素：放射性同位素有人造放射性同位素和天然放射性同位素两种。人造放射性同位素的半衰期比天然放射性同位素的短得多，因此废料容易处理。由于这些优点，凡是用到射线时，用的都是人造放射性同位素，而不是天然放射性物质。
3. 放射性的应用：

① 利用放出的γ射线检查金属部件是否存在裂痕等，用γ射线探伤。
② 利用射线的穿透本领与物质厚度和密度的关系来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制。
③ 利用射线使空气电离把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电等。
④ 利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌治病等。
4. 放射性污染和防护：对生物体的危害主要表现在穿透力、基因突变；对环境的危害表现在废料污染、对生物体组织的破坏、对空气、水源的污染等方面。防护措施：封存、深埋等。
三. 重点、难点解析
1. 三种射线
（1）三种射线的比较：
项 目
α射线
β射线
γ射线
本 质
高速氦核流
高速电子流
（高频）光子
带电情况
2个单位正电荷
1个单位负电荷
不带电
质 量
4u
（1/1840）u
≈ 0
放射速度
0.1c
0.99c
c
贯穿本领
最弱：纸能档住
较强：mm级铝板
最强：cm级铅板
电离本领
最强
较弱
最弱
感光作用
感光
感光
感光
产生机理
核内两个中子和两个质子结合得比较紧密，有时会作用为一个整体从较大的原子核放射出来。
核中的中子可以转化为一个质子和一个电子，产生电子从发射出来，形成β射线。
原子核能量不连续，放射性原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于能级，当它向低能级跃迁时，辐射出γ射线
是否是电磁波
否
否
是
原子核符号
He
e
hν
（2）研究射线的方法：磁场偏转、电场偏转。
三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：

如⑴、⑵图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。⑶图中γ肯定打在O点；如果α也打在O点，则β必打在O点下方；如果β也打在O点，则α必打在O点下方。
2. 核反应方程的配平及确定α、β衰变次数的方法：
（1）核反应方程中有两个守恒规律：质量数守恒，核电荷数守恒。
（2）确定衰变次数的原理是两个守恒规律。
方法是：设放射性元素X经过n次α衰变m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示核反应的方程为：X→Y+nHe +me。
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程

两式联立得：

由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。
（3）技巧上，为了确定衰变次数，一般是由质量数的改变先确定α衰变的次数，这是因为β衰变的次数的多少对质量数没有影响，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。
（4）几点说明：① 核反应过程一般都不是可逆的，所以核反应方程式只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接。
② 核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒杜撰出生成物来写核反应方程。
③ 核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化（质量亏损）而释放出核能。
当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射。
【典型例题】
[例1] 如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有（ ）

A. 打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线
B. α射线和β射线的轨迹是抛物线
C. α射线和β射线的轨迹是圆弧
D. 如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b
解析：由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上，β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧。由于α粒子速度约是光速的1/10，而β粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动（如果一个打在b，则另一个必然打在b点下方。）
答案：AC
[例2] 关于天然放射现象，以下叙述正确的是（ ）
A. 若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小
B. β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的
C. 在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α 射线的电离能力最强
D. γ射线一定是由α、β衰变产生的
解析：半衰期是由放射性元素原子核的内部因素所决定，跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关，A错；β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的，，B对；根据三种射线的物理性质，C对；处于激发态的原子核在发生跃迁时，也会放出γ射线，因此 γ射线不一定是由α、β衰变产生的，D错。
答案：B、C
点评：要明确α、β、γ三种射线及其产生的机理， β衰变放出的电子并不是由核外电子跃迁出来的，而是从核中衰变产生的。
[例3] U衰变后Rn共发生了 次α衰变和 次β衰变。
解析：根据衰变规律，Rn的质量数比U的质量数减少了238－222＝16，而天然放射只有α衰变才能使质量数减少，且每次α衰变减少质量数为4，故发生了16÷4＝4次α衰变，因每次α衰变核的电荷数减少2，故由于α衰变核的电荷数应减少4×2＝8。而Rn核的电荷数仅比U核少了92-86＝6，故说明发生了2次β衰变（即92-8+2＝86）。
答案：发生了4次α衰变，2次β衰变。
点评：在分析有关α、β衰变的问题时，应抓住每次α衰变质量数减4，电荷数减2和每次β衰变时质量数不变，电荷数加1这一衰变规律进行分析。
[例4] 一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m。铀发生一系列衰变，最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T，那么下列说法中正确的有（ ）
A. 经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了
B. 经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m/4发生了衰变
C. 经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩m/8
D. 经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M/2
解析：经过两个半衰期后矿石中剩余的铀应该还有m/4，经过三个半衰期后还剩m/8。因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中，所以矿石质量没有太大的改变。
答案：C
[例5] 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。
⑴N+n →C+_____ ⑵ N+He →O+_____
⑶ B+n →_____+He ⑷Be+He →_____+n
⑸Fe+H →Co+_____
解析：根据质量数守恒和电荷数守恒，可以判定：⑴H，⑵H，发现质子的核反应方程 ⑶Li，⑷C，发现中子的核反应方程 ⑸n
[例6] 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，因此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，也能进行人体的透视
C. 用放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危害
解析：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，将静电泄出。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，因此要科学地严格控制剂量。
答案：D
[例7] 如图工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。

（1）请你简述自动控制的原理；
（2）如果工厂生产的是厚度为1毫米的铝板，在α、β和γ三种射线中，你认为哪一种射线在铝板的厚度控制中起主要作用，为什么？
解析：（1）放射线具有穿透本领，如果向前运动的铝板的厚度有变化，则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化，这种变化被转变为电信号输入到相应的装置，进而自动控制如上图中右侧的两个轮间的距离，使铝板的厚度恢复正常。
（2）β射线起主要作用，因为α射线的贯穿本领很小，一张薄纸就能把它挡住，更穿不过1毫米的铝板；γ射线的贯穿本领非常强，能穿过几厘米的铅板，1毫米左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化不大；β射线的贯穿本领较强，能穿过几毫米的铝板，当铝板的厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化较大，探测器可明显地反应出这种变化，使自动化系统做出相应的反应。
[例8] 如图K-介子衰变的方程为：，其中K-介子和π-介子带负的基元电荷，π0介子不带电。一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK-与Rπ-之比为2∶1。π0介子的轨迹未画出。由此可知π-介子的动量大小与π0介子的动量大小之比为（ ）

A. 1∶1 B. 1∶2 C. 1∶3 D. 1∶6
解析：根据题意，分别计算出带电粒子在磁场中作圆周运动的轨道半径。根据动量的定义，分别求出两个介子的动量大小，再从图中确定两个介子动量的方向，最后运用动量守恒，计算出粒子的动量大小。
由qvKB=mK，得：RK=，所以
由动量守恒：pK=-p+p ，所以p。
答案：C
点评：这题以基本粒子的衰变为情景，涉及带电粒子在磁场中运动规律和动量守恒等知识点，是一道综合性题目。带电粒子在磁场中受到洛伦磁力作用，该力的方向与粒子的速度方向垂直，因此，带电粒子作圆周运动。根据动量守恒，基本粒子衰变前后的总动量不变，但计算过程要注意动量的方向问题。
【模拟试题】（答题时间：45分钟）
1. 某原子核的衰变过程是ABC，下述说法中正确的是（ ）
A. 核C比核B的中子数少2
B. 核C比核A的质量数少5
C. 原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多2
D. 核C比核A的质子数少1
2. 近年来科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展。科学家们在观察某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现所生成的超重元素的核X经过6次α衰变后成为Fm，由此可以判定该超重元素的原子序数和质量数依次是（ ）
A. 124，259 B. 124，265 C. 112，265 D. 112，277
3. 地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算。测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时（岩石形成初期时不含铅）的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数，由此可以判断出（ ）
A. 铀238的半衰期为90亿年
　 B. 地球的年龄大致为45亿年
　 C. 被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶4
　 D. 被测定的古老岩石样品在90亿年时铀、铅原子数之比约为1∶3

4. α射线、β射线、γ射线、x射线、红外线，关于这5种射线的分类有如下一些说法，其中正确的是（ ）
A. 前两种不是电磁波，后三种是电磁波　　　　　　
B. 前三种传播速度较真空中的光速小，后两种与光速相同　　　　　
C. 前三种是原子核发生核反应时放出的，后两种是核外电子发生跃迁时放出的
D. 前两种是由实物粒子组成的，不具有波粒二象性，后三种是光子组成的，具有波粒二象性
5. 有关同位素，下列说法中正确的是（ ）
A. 同位素具有相同的化学性质
B. 同位素具有相同的核子数
C. 同位素具有相同的质子数
D. 同位素具有相同的中子数
6. 由原子核的衰变规律可知（ ）
A. 放射性元素一次衰变可同时产生α射线和β射线
B. 放射性元素发生β衰变时，新核的化学性质不变
C. 放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制
D. 放射性元素发生正电子衰变时，新核质量数不变，核电荷数增加1
7. α射线中，α粒子的速度约为光速0.1倍，α粒子的质量为β粒子质量的7.3×103倍，如图所示，在有窄孔的铅盒底上，放有能放出α、β、γ三种射线的放射性元素，放出的三种射线都打在窄孔对面屏上的A点，要使三种射线分开，分别打在屏上的A、B、C三点（B到A的距离大于C到A的距离），可在铅盒和屏之间加上（ ）
A. 垂直于纸面向里的匀强磁场
B. 垂直于纸面向外的匀强磁场
C. 水平向右的匀强电场
D. 水平向左的匀强电场

8. 如图所示，x为未知放射源，若将磁铁移开后，计数器所得的计数率保持不变，其后将薄铝片L移开，计数率大幅上升，则（ ）
A. 纯β放射源
B. 纯γ放射源
C. α、β混合放射源
D. α、γ混合放射源

9. 下列关于放射线的说法中不正确的是（ ）
A. 放射线可以用来进行工业探伤 B. 放射线可以使细胞发生变异
C. 放射同位素可以用来做示踪原子 D. 放射线对人体无害
10. 用“γ刀”进行手术，可以使病人在清醒状态下经过较短的时间内完成手术，在此过程中，主要利用：① γ射线具有较强的穿透本领；② γ射线很容易绕障碍物到达病灶区域；③ γ射线具有很强的电离能力，从而使癌细胞电离而被破坏；④ γ射线具有很高的能量。上述描述中正确的是（ ）
A. ① ② B. ② ③ C. ① ② ③ D. ① ④
11. 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. 利用钴60治疗肿瘤等疾病
C. 利用含有放射性碘131的油检测地下输油管道的漏油情况
D. 把含有放射性元素的肥料施给农作物，用以检测确定农作物吸收养分的规律
12. A元素的半衰期是 4 天，B元素的半衰期是5天，相同质量的A和B，经过20天后，剩下的质量之比mA：mB = _____________。
13. 碳14具有放射性，其半衰期τ = 5686年，空气中碳12跟碳14的存在量之比约为10：12，活着的生物体中碳的这两种同位素之比与空气中相同，生物死亡后，不再吸收碳，碳14以τ = 5686年的半衰期减少，因此测得生物遗骸中的碳12与碳14存量之比，再与空气中比较，可估算出生物死亡年代，现测得一古代遗骸中的碳14与碳12存量之比为空气中的三分之二，试计算古代遗骸距今的时间。
14. 在匀强磁场中的A点有一个静止的原子核发生衰变且衰变后形成如下图所示的两个内切圆，求：
（1）该核发生的是何种衰变?
（2）图中轨迹1、2分别是什么粒子形成的?
（3）如果已知，r2：r1=44：1，则该放射性元素的原子序数为多少?

【试题答案】
1. AD
2. D
解析：每次α衰变质量数减少4，电荷数减少2，因此该超重元素的质量数应是277，电荷数应是112 。
3. BD 4. A 5. AC 6. C 7. BC
8. Ｄ 9. D 10. D 11. CD 12. 1：2
13. 3326年
14. （1）β衰变，（2）1是新核，2是β粒子，（3）43
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