同位素

中学综合学科资源库——同位素 胡 波（华东师范大学化学系） 张映辉（华东师范大学生物系） 第一部分 同位素 原子里具有相同质子数和不同中子数的同种元素的原子互称同位素。“同位”之意，是它们在元素周期中共同占有一个位置。 同位素这个概念是1913年由英国科学家素迪（1877～1956年）提出的，当时由于放射性元素的发现，在研究放射性元素的性质时，观察到有些放射性不同的元素，尽管它们的原子量各不相同，而化学性质却完全一样。如铀有原子量为234、235、238等多种放射性元素。 同一元素的各种同位素虽然质量数不同，但它们的化学性质几乎完全相同。在天然存在的某种元素里，不论是游离态还是化合态，各种同位素所占的原子百分比一般是不变的。同位素原子在许多方面有着广泛的应用。 第二部分 放射线是什么？ 前面已经讲了，贝克勒耳发现了放射线，居里夫妇又作出了新的贡献。放射线本身究竟是什么呢？这正是当时科学界最关注的大问题。下面我们来讲一下另一位伟大的物理学家卢瑟福的工作。 1895年，就在伦琴发现X射线的那一年，年轻的卢瑟福从新西兰远渡重洋来到英国，到有名的卡文迪许实验室学习和工作。汤姆逊热情地欢迎了他。 一开始，他研究刚发现的X射线。当贝克勒耳发现放射线以后，在汤姆逊的建议下，卢瑟福立即转而研究放射线。 卢瑟福把铀装在铅罐里，罐上只留一个小孔，铀的射线只能由小孔放出来，成为一小束。他用纸张、云母、玻璃、铝箔以及各种厚度的金属板去遮挡这束射线，结果发现铀的射线并不是由同一类物质组成的。其中有一类射线只要一张纸就能完全挡住，他把它叫做“软”射线；另一类射线则穿透性极强，几十厘米厚的铝板也不能完全挡住，他把它叫做“硬”射线。 正在这时候，居里夫妇发现了镭，并且用磁场来研究镭的射线。结果发现在磁场的作用下，射线分成两束。其中一束不被磁场偏转，仍然沿直线进行，就像X射线那样；另一束在磁场的作 用下弯曲了，就像阴极射线一样。 用磁场研究射线，在卡文迪许实验室里可是拿手好戏，实验室主任汤姆逊在不久之前就是利用磁场、电场来研究阴极射线而发现电子的。居里夫妇的研究情况传到了英国，卢瑟福立刻用更 强的磁场来研究铀（这时他手中还没有新发现的镭）的射线。 结果，铀的射线被分开了，不是两股，而是三股。新发现的 一股略有弯曲，卢瑟福把它叫做α（阿耳法）射线；那一股弯曲得 很厉害的叫做β（贝他）射线；不被磁场弯曲的那一股叫做γ（伽玛）射线。 卢瑟福分别研究了三种射线的穿透本领。结果是： α射线的穿透本领最差，它在空气中最远只能走7厘米。一薄片云母，一张0.05毫米的铝箔，一张普通的纸都能把它挡住。 β射线的穿透本领比a射线强一些，能穿透几毫米厚的铝片。 γ射线的穿透本领极强，1.3厘米厚的铅板也只能使它的强度减弱一半。 这三种射线是什么物质呢？ 居里用汤姆逊研究阴极射线的去测定了R射线，证明了R 射线和阴极射线性质一样，是带阴电的电子流，只不过速度更快一些。 γ射线和X射线类似，都是波长非常短的电磁波。 α射线是什么呢？一时还不清楚。 由于α射线和β射线在磁场中弯曲的方向相反，显然α射线带的电荷和β射线正相反，α射线应该是带阳电（正电）荷的粒子流。 卢瑟福用了几年时间专心研究α射线，最后才证明α射线是失去两个电子的氦原子（氦离子）流。 【综合练习】 一．1934年，科学家在用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，更意外的是，拿走α放射器后，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。 1．写出α粒子轰击铝箔（ Al）产生中子的核反应方程式，并对比与普通的化学方程式的本质区别。 2．上述产生的具有放射性的同位素叫做放射性同位素，写出其产生正电子的核反应方程式。 3．简要说明放射性同位素的应用。并至少举出两个实际应用的例子。 【参考答案】 1． Al＋ He→ P＋ n 与普通化学方程式的区别是：普通化学反应原子核不变，而核反应过程中原子核发生了变化。 2． P→ Si＋ e 3．放射性同位素的应用主要分两类：一是利用它的射线，二是做示踪原子。例如，利用钴60放出的很强的γ射线来检查金属内部有没有砂眼或裂纹，这叫γ射线探伤。在农业施肥的肥料中加一些放射性同位素，就会知道哪种农作物在什么季节最能吸收含哪种元素的肥料。另外，在生物学研究方面，同位素示踪技术也起着十分重要的作用。 二．1．据测，哈雷彗星上碳的两种位素12C和13C的原子个数比为65:1，而地球上12C和13C的原子个数比为89:1。地球上碳元素的原子量是12.011，那么哈雷彗星上碳元素的原子量应是 A 12.000 B 12.009 C 12.015 D 12.980 2．迄今为止合成的最重的元素是112号元素，它是用 高能原子轰击 的靶子，使锌核与铅核熔合而得，每生成一个112号元素的原子的同时向外释放出一个中子。下列说法错误的是 A 112号元素是金属元素 B 112号元素位于第七周期第四主族 C 科学家合成的112号元素的原子的中子数为166 D 112号元素为放射性元素 【参考答案】 1．A 本题涉及到的有：化学中的复分解反应，物理学中的浮沉条件等。 2．C 三．判断古生物年代常用14C定年法。若千万年以前，始祖鸟通过摄食，吸收了动植物中含有放射性14C的营养物质，死亡后不再吸收。随着年代的推移，始祖鸟中14C含量逐步减少，古生物学家在对始祖鸟化石的测定中，发现14C为现代鸟的(1/2)N，已知地表中14C的含量基本不变，14C的半衰期为T年： 1．试判断始祖鸟距今年代 A T/2N B NT/2 C NT D 2NT 2 始祖鸟在进化上处于 A 古代爬行类和鸟类的过渡类型 B 古代的鸟类和爬行类的过渡类型 C 古代的两栖类和爬行类的过渡类型 D 无脊椎动物与脊椎动物的过渡类型 【参考答案】 1．C 2．A 四．1999年4月，人类合成超重元素的努力竖立起了一个新的里程碑，美国劳仑斯－柏克莱国家实验室的领导人，核化学家Kenneth E. Gregorich宣布，在该实验室的88英寸回旋加速器上，研究者用高能 离子轰击 靶，氪核与铅核融合，放出1个中子，形成了一种新元素A；120微秒后，该A元素的原子核分裂出1个α粒子，衰变成另一种新元素B；600微秒又释放出一个α粒子，形成另一种新元素C的一种同位素。新元素C是在1998年末，俄美科学家小组用 核轰击 靶时得到的。 1．人们发现新元素A、B、C的时间先后顺序为 A A B C B C B A C B A C D C A B 2．人们发现的新元素A的原子序数为 A 112 B 114 C 116 D 118 3．在1999年4月得到的C元素的一种同位素的原子核中中子数有 A 169 B 171 C 172 D 175 4．下列有关B元素性质的说法错误的是 A B元素的单质是固体 B B元素是金属元素 C B元素具有放射性 D B元素具有类似卤素的化学性质 【参考答案】 1．D 2．D 3．B 4．D 五．1999年9月，日本发生了严重核泄漏，这是加工厂将核原料（六氟化钠）提炼成核反应材料（二氯化铀）时操作失误造成的，工作人员在一个加工炉中投入了16kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏。 1．这个标准为 A 临界温度 B 临界压强 C 临界体积 D 由一定的温度、压强和体积共同确定 2．下列哪种反应导致了核泄漏 A 氧化反应 B 分解反应 C 化合反应 D 链式反应 3．核泄漏会导致生物体的 A 基因重组 B 基因突变 C 基因互换 D 染色体变异 【参考答案】 本题是物理、化学、生物的综合题，各问题围绕核泄漏展开，属跨学科并列综合题。核反应与临界体积有关，与温度、压强无关；铀的核反应为重核的裂变，当铀体积超过临界体积，在外界快中子进入铀物质内，核反应能一直进行下去，称为链式反应；核泄漏放出的射线会使生物体内基因发生突变，导致癌症，白血病等。 1．C 2．D 3．B 六．1．用32P标记噬菌体的DNA，侵染细菌后32P可出现在 A 噬菌体残留的外壳内 B 细菌的残体内 C 全部子噬菌体内 D 极少数子代噬菌体内 2．现在从生物体内提取一个DNA分子和标记了放射性同位素的3H的四种脱氧核苷酸，要在实验室合成新的DNA分子。 ①合成新的DNA分子除上述物质外，还需要 和 等。 ②在合成的两个子代的DNA分子中，每个DNA都含有 条含有3H的脱氧核苷酸链。 3．用CH3COOH与H18OC2H5在酸催化下发生酯化反应，18O最后存在于哪种产物中？ 4．在SO2＋O2SO3的可逆反应达平衡后，充入18O2，问过一段时间重新建立平衡后，18O存在于哪些物质中？ 5．已知B有两种同位素，分别为 B、 B，B元素的相对原子质量为10.8，列式计算 B占B元素的质量分数？ 【参考答案】 1．D 因为噬菌体侵染细菌时，只注入噬菌体的DNA，蛋白质外壳留在细胞外。在细菌体内利用注入的DNA为，复制出新的DNA同时合成蛋白质外壳，再组装成新的噬菌体。因此只有当初浸染时，注入的少数DNA组装成的噬菌体内有32P。 2．①磷酸 含氮碱基 ②1 每个DNA分子中，只有做模板的母链上有3H，子链上没有。 3．18O最后存在于酯中。 4．18O存在于所有物质中（SO2、SO3、O2中） 5．0.23 七．放射性同位素的蜕变反应速率为：2.303lgC0/C＝kt 其中：C0为放射性物质的初浓度，C为某一指定时刻的浓度，t为反应所经历的时间，k为速度常数，单位为（时间）－1。在蜕变反应中，反应物消耗一半（或反应物减少到初浓度的一半）所需要的时间称为半衰期，利用放射性元素的半衰期可以确定岩石、古代动植物化石的“年龄”。 碳的放射性同位素14C在自然界树木中的分布基本保持为总碳量的1.10×10－13％。某考古队在一山洞中发现一些古代木头燃烧的灰烬，经分析14C的含量为总碳量的9.87×10－15％，已知14C半衰期为5700年，试计算灰烬距今约多少年？ 【参考答案】 19831年 八．放射性同位素 C被考古学家称为“碳钟”。它可以用来断定古生物体死亡至今的年代。此项研究成果获得1960年诺贝尔化学奖。 1．宇宙射线中高能量中子碰撞空气中的氮原子后，就会形成 C，写出它的核反应方程式。 2． C很不稳定，容易发生衰变，其半衰期5730年。写出它发生衰变的方程。 3． C的生成和衰变通常是平衡的，即空气中、生物活体中 C的含量是不变的。当机体死亡后，机体内的 C含量将会不断减少，若测得一具古生物遗骸中 C含量只有活体中的12.5％，则这具遗骸死亡至今应有多少年？ 【参考答案】 1． N＋ n→ C＋ H 2． C→ N＋ e 3．设活体中含 C的量为ρ0，遗骸中含量为ρ， C的半衰期为T，半衰期的数为n，则ρ/ρ0＝1/2n，n＝3。因为n＝t/T，所以t＝nT＝17190年。 本题是物理知识与考古学的紧密结合，而元素和同位素知识又跟化学有关，研究的又是生物体何时死亡的问题，因而具有较广泛的综合性。解答本题的难点在于两方面，其一是能正确理解生物体活着时因新陈代谢不断进行， C含量不变。生物体死亡后， C要按一定的半衰期衰变，而含量减少。其二是要会运用计算半衰期的公式，求出半衰期数。测定含量的方法，通常用放射计数器记录每分钟射出电子的个数，两种样品的这个数量之比往往就是 C的含量比。 九．回答锂元素的几个问题： 1．锂的密度0.53g/cm3，是自然界中最轻的金属。1kg锂燃烧可释放出42998kJ的热量，如将1kg锂通过热核反应放出的能量相当于两万吨优质煤的燃烧。写出金属锂燃烧的热化学方程式；根据锂的这些性质，你设想出锂可有哪方面的主要用途？ 2．锂的一种同位素6Li捕捉低速中子能力很强，因此，可用于控制 的速度；已知1mol 6Li在原子核反应堆中用中子照射后可以得到等物质的量的氚，写出该热核反应方程式 【参考答案】 1．4Li（s）＋O2（g）==2Li2O（s）＋1193.8kJ 作为火箭燃料的最佳金属之一，或用锂或锂的化合物制成固体燃料来替代固体推进剂，用作火箭、导弹、宇宙飞船的推动力。 2．用来控制铀及反应堆中核反应发生的速度； Li＋ n→ H＋ He 十．放射性同位素氪（ ）气，经β衰变成铷（ ），半衰期为11年，铷最后成固态。有一容积为0.448L的密闭容器，内盛温度为0℃，压强为1atm的纯净的氪气。 1．此容器内氪气的质量是多少？ 2．写出氪（ Kr）气的β衰变方程。 3．将此容器埋入地下22年后取出，加热到100℃，此时容器内气体的压强多大？ 【参考答案】 1．1.7g 2． Kr→ Rb＋ e 3．22年为2个半衰期，剩余氖气为原来的1/4，忽略掉固态铷的体积，以氖气为研究对象：p2＝0.34atm 十一．1909年～1911年，英国物理学家卢瑟福与其合作者做了用α粒子轰击金箔的实验。发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数α粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90º，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180º。这就是α粒子散射实验。为了解释这个结果，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。 请你从α粒子散射实验估算出原子核的大小。（下列公式或数据为已知：点电荷的电势U＝kQ/r，k＝9.0×109Nm2/C2，金原子序数79，α粒子质量mα＝6.64×10－27kg，α粒子速度Vα＝1.6×107m/s，电子电量e＝1.6×10－19C） 【参考答案】 设α粒子与金核发生对心正碰。α粒子接近金核，克服库仑斥力做功，动能减少，电势能增加，当α粒子的动能完全转化为电势能时，离金核最近，距离为R，R为金核半径。R＝4×10－14m 十二．大气中含有12C和14C，14C的半衰期为5730年。由于宇宙线的作用，大气中14C与12C含量比基本不变。活的动植物体内的14C与12C含量比与大气的相同。当它们死后，由于14C的β衰变，14C与12C的含量不断减少。通过测量出土动植物残骸中14C和12C的含量比，可根据公式p＝2－1/5740定出动植物死亡的年代。其中t是从动植物死亡到测量时的时间间隔，单位为年，p是出土动植物残骸中现在大气中’14C和12C的含量比和现在大气中14C和12C的含量的比值。最近国际著名杂志《自然》报道了在河南省出土的世界上最早的乐器—骨头做的笛子，测得骨笛的p值在33.70和35.3％之间。 1．14C元素属第 周期，第 族；13C原子中有 个中子，有 个价电子。 2．这些骨笛大约是在 年前制造的。 3．这些骨笛的制造年代属于下列中国历史的哪一个文化时期？ A 旧石器时代 B 新石器时代 C 青铜时代 D 铁器时代 4．吹奏骨笛能发声靠的是 的振动。 5．骨笛是一种在顶端吹奏的竖笛。吹奏时，用手指封住笛孔，通过打开笛孔可以产生所需要的声音。声波的波长等于打开笛扎到顶端的距离的四倍。设一笛孔到顶端的距离为20厘米，求出相应的声波的频率（已知声速332m/s）。 提示：0.337≈2－1.57，0.355≈2－1.50 【参考答案】 1．14C元素属于第二周期，第ⅣA族，14C原子有8个中子，4个价电子 2．由P＝2－1/5730和P＝33.7％＝2－1.57得t＝5730×1.57＝8996年；同理，由P＝35.5％＝2－1.50得t＝5730×1.50＝8595年。所以，这些骨笛是在8996～8595年前制造。 3．新石器时代 4．空气柱 5．波长λ＝80cm，据波速公式f＝415Hz。 十三．在目前已发现的一百一十多种元素中，许多元素都存在同位素。同位素在生产、生活和科研中有着十分广泛的用途，如测定矿石和生物遗体的年代、研究反应机理、优良育种、临床治癌、核动力发电等。 1．物质的量的单位——摩尔是以 所含的碳原子个数为标准。有机化学中研究酯化反应机理时用 原子做示踪原子。 2．14C具有放射性，其半衰期为5686年，空气中12C与14C存量比约为1012︰1.2，活着的生物体内碳的这种同位素的存量与空气中相同。生物死亡后，不再吸收碳。如果测得某古代生物遗骸中，12C与14C的存量比约为1012︰0.3，估算该遗骸为 年前的生物遗留下来的。 3．如图所示是科学家希尔（R Hill）用同位素18O研究光反应过程的示意图。甲、乙两试管中为小球藻悬液，现都予以光照，结果在甲中产生的气体为O2，乙中产生的气体为18O2。 ①要测定该装置是否进行了光反应，最简单的方法是测定是否产生了 。 ②小球藻的新陈代谢类型为 ，其进行光合作用所吸收的光谱是 。 ③该实验证明 。 ④要验证A为O2，B为18O2，除可以检测放射性外，还可以采用定量的方法。此定量的方法必须测得标准状态下的基本物理量是 ，由该基本物理量求得气体的 ，从而得到验证。如果产生的气体中混有二氧化碳，会使得测定结果（填“偏大”或“偏小”或“不变”）。 【参考答案】 1．0.012kg 12C 18O 2．11372 3．①氧气 ②自养、需氧型 红光和蓝紫光 ③光合作用中产生的氧来自于水的光解 ④气体的质量与体积摩尔质量偏大 主页 目录 下载 论坛 中学综合学科网 第 8 页 共 9 页 http://hbtk.126.com _939387426.unknown _939387509.unknown _1013684351.unknown 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