2020-2021学年教科版高中物理选修3-5教案设计3.3放射性的应用、危害与防护

3放射性的应用、危害与防护

一、放射性的应用

放射性的应用主要表现在以下三个方面：一是利用射线的电离作用、穿透能力等特征，二是作为示踪原子，三是利用衰变特性考古．1．利用射线的特性

(1)α射线：利用α射线带电、能量大、电离作用强的特性可制成静电消除器等．

(2)β射线：由于β射线可穿过薄物或经薄物反射的特性来测量薄物的厚度或密度．

(3)γ射线：由于γ射线穿透能力极强，可以利用γ射线探伤，也可以用于生物变异，在医学上可以用于肿瘤的治疗等．

另外还可以利用射线勘探矿藏等．

2．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，同位素和该元素经历的过程相同．用仪器探测出放射性同位素放出的射线，就可查明这种元素的行踪．

3．衰变特性应用

应用14 6C的放射性判断遗物的年代．

1930年，德国科学家玻特和贝克用α粒子轰击轻元素铍核，发现并未发射出质子，而放出了一种新的射线．这种射线几乎不能使气体电离，在电场和磁场中也不发生偏转，是不带电的，射线的贯穿能力强，他们认为这是γ射线．经检测，射线的能量在100 MeV左右，远大于天然放射物质衰变时发出的γ射线的能量．

1931年，约里奥夫妇重复了玻特和贝克的实验，并用这种未知射线去轰击石蜡．结果竟从中打出能量约5.7 MeV的质子．这是异常惊人的新发现，因为其行为完全不同于γ射线，γ射线只能打出电子而打不出质子，γ光子的质量近乎为0，电子也很轻，光子撞击电子，使它动起来是合乎常理的，但质子质量约是电子的1 800倍，一颗子弹怎么能撞动一辆汽车呢？如果认为轰击石蜡的射线是γ射线，那么光子的能量应达55 MeV，这与实际测得的射线能量10 MeV相差甚远．这射线在向约里奥夫妇招手呼喊：我不是γ射线！……可惜的是，他们擦肩而过，无缘相识．面对55 MeV与10 MeV的矛盾，他们还是十分牵强地解释为其他的原因，并于1932年1月11日向巴黎科学院提交了实验情况和对未知射线判定为γ射线的结论．你认为这是哪种粒子？你对约里奥夫妇的做法有什么看法？

提示：中子．约里奥夫妇在这个问题的处理上不够科学严谨．

二、放射性的危害与防护

1．放射性污染的主要来源

在自然界中，存在于人体身边的放射性来源众多，包括天然的和人工产生的．前者主要由两部分组成：一是来自地壳表面的天然放射

性元素以及空气中氡等产生的放射线；二是来自空间的宇宙射线．人工放射线的来源主要是医疗、核动力以及核武器试验中的放射线．2．放射线对人体组织造成的伤害，主要是由于射线对原子和分子产生作用，这种作用将导致细胞损伤，甚至破坏人体DNA的分子结构．3．放射性的防护

其基本方法有：(1)距离防护；(2)时间防护；(3)屏蔽防护；(4)仪器监测．

考点一放射性同位素及其应用

1．放射性同位素的分类

(1)天然放射性同位素．

(2)人工放射性同位素．

2．人工放射性同位素的优势

(1)放射强度容易控制．

(2)可制成各种所需的形状．

(3)半衰期短，废料易处理．

3．放射性同位素的主要应用

(1)利用它的射线

①利用γ射线的贯穿本领，可用γ射线探伤等．

②利用α射线的电离作用很强，可消除有害静电．

③利用γ射线对生物组织的物理和化学作用，可用来使种子发生变异，培育良种、灭菌消毒．

④利用放射线的能量，在医疗上，常用以抑制甚至杀死病变组织，还可以轰击原子核，诱发核反应．

(2)作示踪原子

①在农业生产中，探测农作物在不同的季节对元素的需求．

②在工业上，检查输油管道上的漏油位置．

③在生物医疗上，可以检查人体对某元素的吸收情况，也可以帮助确定肿瘤的部位和范围．

【例1】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，如工厂生产的是厚度为1 mm的铝板，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碳14作________．

利用三种射线的特性及放射性同位素的应用与防护分析、判断．【解析】(1)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 mm的铝板；γ射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板，1 mm左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的γ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，当铝板厚度发生变化时，透过铝板的β射线强度变化较大，探测

器可明显地反映出这种变化，使自动化系统做出相应的反应．

(2)把掺入碳14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，得到了放射性碳14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

总结提能这是一道运用放射线特性解决实际问题的题目．要求同学们对三种放射线的特性以及放射性同位素的应用有所了解，并能灵活应用．

现在很多血管专科医院引进了一种被称为“心脏灌注显像”的检测技术，将若干毫升含放射性元素锝(Tc)的注射液注入被检测者的动脉中，经过40分钟后，这些含放射性物质的注射液通过血液循环均匀地分布到血液中．这时对被检测者的心脏进行造影，心脏血管正常的位置由于放射性物质随血液到达而显示有放射线射出；心脏血管被堵塞的部分由于无放射性物质到达，将无放射线射出．医生根据显像情况就可判定被检测者心脏血管有无病变，并判定病变位置．你认为检测所用放射性元素锝的半衰期应该最接近以下哪个值(B) A．6分钟B．6小时

C．6天D．6个月

解析：根据题意可知，将若干毫升含放射性元素锝(Tc)的注射液注入被检测者的动脉中，经过40分钟后，这些含放射性物质的注射液通过血液循环均匀地分布到血液中，可知检测所用放射性元素锝的半衰期应该大于40分钟，且不能太长，故选B.

考点二放射性的危害与防护

【例2】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、压力壳和安全壳如图甲所示．

结合图乙可知，安全壳应当选用的材料是________．

(2)核反应堆中的核废料具有很强的放射性，目前常用的处理方法是将其装入特制的容器中，然后()

A．沉入海底B．放至沙漠

C．运到月球D．深埋地下

(3)图丙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，结合图乙分析可知工作人员受到了________射线的辐射；当所有照相底片被感光时，工作人员受到了________射线的辐射．【解析】(1)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．

(3)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，所以两个空分别是：β射线和γ射线．

【答案】(1)混凝土(2)D(3)βγ

(多选)贫铀是从金属中提炼铀235以后的副产品．其主要成分为铀238.贫铀炸弹贯穿力是常规炸弹的9倍，杀伤力极大，而且残留物会长期危害环境，下列关于残留物长期危害环境的理由，正确的是(AD) A．爆炸后的弹片存在放射性，对环境产生长期危害

B．爆炸后的弹片不会对人体产生危害

C．铀235的衰变速度很快

D．铀238的半衰期很长

解析：238 92U能发生衰变，其衰变方程为238 92U→234 90Th＋42He，其半衰期为4.5亿年，234 90Th也能发生衰变，衰变产生的射线对人体都有伤害，故正确答案为A、D.

重难疑点辨析

人工转变核反应与原子核衰变的比较

原子核的人工转变，是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理化学条件的影响．

【典例】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()．

①123 53I＋10n→124 53I ②238 92U→234 90Th＋42He

③214 82Pb→214 83Bi＋0－1e ④94Be＋42He→12 6C＋10n

【解析】首先从方程左端去判断哪种是衰变、哪种是核反应，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为核反应；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

人工转变核反应与衰变的比较

(1)不同点：原子核的人工转变，是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理化学条件的影响．

(2)相同点：人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒，反应前后粒子总动量守恒．

1．在工业生产中，某些金属材料内部出现的裂痕是无法直接观察到的，如果不能够发现它们，可能会给生产带来极大的危害，自从发现放射线之后，则可以利用放射线进行探测，这是利用了(C) A．原子核在α衰变中产生的42He

B．β射线的带电性质

C．γ射线的贯穿本领

D．放射性元素的示踪本领

解析：γ射线的贯穿本领极强，可以用来进行金属探伤，故正确答案为C.

2．关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是(D)

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，也能进行人体的透视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，以免对人体正常组织造成太大的伤害

解析：利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离作用，使空气分子电离成为导体，将静电消除，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．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．其原因有(AC) A．铀、钚等核废料有放射性

B．铀、钚等核废料的半衰期很短

C．铀、钚等重金属有毒性

D．铀、钚等核废料会造成爆炸

解析：放射性对人体组织、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，所以选项A、C正确．4．医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是(A)

A．示踪原子B．电离作用

C．催化作用D．贯穿作用

解析：用14C标记C60来查明元素的行踪，发现可以通过断裂DNA 抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是作示踪原子，故选项A正确．

5．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1 000多种，每种元素都有放射性同位素．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

(B)

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)右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β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做示踪原子．

解析：(1)因放射线的电离作用，空气中的与验电器所带电荷电性相反的离子相互中和，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毫米厚铝板和几毫米厚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射线中的电子运动状态不同，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，这就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．人们把作这种用途的放射性同位

素叫做示踪原子．