2020-2021高二物理3-5学案：第十九章 3探测射线的方法 4放射性的应用与防护含解析

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精2020-2021学年高二人教版物理选修3-5学案：第十九章3探测射线的方法4放射性的应用与防护含解析3探测射线的方法4放射性的应用与防护一、探测射线的方法探测器材的设计思路:放射线中的粒子会使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和蒸气会产生雾滴，过热液体会产生气泡．射线中的粒子会使照相乳胶感光．射线中的粒子会使荧光物质产生荧光．1．威耳逊云室其结构为一个圆筒状容器，上盖透明，底部可以移动，相当于活塞．实验时先往容器内加入少量的酒精,使容器内形成饱和蒸气，然后迅速下拉活塞，气体迅速膨胀,温度降低,酒精蒸气达到过饱和状态．粒子穿过该空间时，沿途使气体分子电离,过饱和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．气泡室与云室原理类似，只是容器里装的是液体，并控制里面液体的温度和压强，使温度略低于液体的沸点．当气泡室内的压强突然降低时,液体的沸点变低,因此液体过热，粒子通过液体时在它周围就有气泡形成，显示出粒子的径迹来．3．盖革—米勒计数器它的主要部分是一个计数器，外面是玻璃管，里面有一个接在电源负极上的导电圆筒,筒内中间有一根接电源正极的金属丝，里面充入惰性气体以及少量酒精或溴蒸气．当射线通过管内时，会使气体电离,产生的电子在电场中加速，再与气体分子碰撞,又使气体电离……一个粒子进入玻璃管内就会产生大量的电子，这些电子到达阳极，就形成一次瞬间导电，电路中形成一次脉冲放电，电子仪器把这次脉冲记录下来．粒子在气泡室里的粒子径迹为什么是曲线？提示：粒子在气泡室中的运动受磁场洛伦兹力作用,洛伦兹力方向与速度垂直，故轨迹是曲线．二、放射性的应用与防止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．（2）核反应的规律：在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒，还遵循动量守恒．（3)原子核的人工转变：原子核在某些粒子的轰击下生成新的原子核，这种核反应称为人工转变．2．人工放射性同位素天然放射性同位素种类很少，通过人工转变，现在每种元素都有了自己的放射性同位素．与天然的相比，它们有以下优点：放射强度容易控制，还可以制造出各种所需要的形状，半衰期比天然的短得多，因此放射性废料容易处理．3．放射性同位素的应用应用共有两个方面，一方面是应用它的射线，另一方面是作示踪原子．4．辐射与安全为了防止有害的放射性对人类和自然的破坏,人们采用了有效的防范措施．在生活中对那些有可能有放射性的物质要有防范意识，尽可能远离放射源．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100MeV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5.7MeV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1800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55MeV，这与实际测得的射线能量10MeV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55MeV与10MeV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．考点一探测射线的方法1．云室中不同粒子径迹产生的原因2.不同探测方法的对比威耳逊云室和气泡室都是依据径迹探测射线的性质和种类，而盖革—米勒计数器只能计数，不能区分射线的种类．【例1】（多选)关于威耳逊云室探测射线,下列叙述正确的是(）A．威耳逊云室内充满过饱和蒸气，射线经过时可显示出射线运动的径迹B．威耳逊云室中径迹粗而短的是α射线C．威耳逊云室中径迹细而长的是γ射线D．威耳逊云室中显示粒子径迹原因是电离，所以无法由径迹判断射线所带电荷的正负根据三种射线在云室中的径迹特点分析．【答案】AB【解析】云室内充满过饱和蒸气，射线经过时把气体电离，过饱和蒸气以离子为核心凝结成雾滴，雾滴沿射线的路线排列,显示出射线的径迹，故A选项正确．由于α粒子的电离本领大,贯穿本领小，所以α射线在云室中的径迹粗而短，则B选项正确．由于γ射线的电离本领很弱，所以在云室中一般看不到它的径迹，而细长径迹是β射线的，所以C选项错误．把云室放在磁场中，由射线径迹的弯曲方向就可判断射线所带电荷的正负,所以D选项错误．故选AB.总结提能明确云室的工作原理及三种射线在云室中径迹的特点是解题关键．为了说明用α粒子轰击氮，打出了质子是怎样的一个物理过程，布拉凯特在充氮云室中,用α粒子轰击氮，在他拍摄的二万多张照片中，终于从四十多万条α粒子径迹中发现了8条产生分叉,这一实验数据说明了(C)A．α粒子的数目很少，与氮发生相互作用的机会很少B．氮气的密度很小,α粒子与氮接触的机会很少C．氮核很小，α粒子接近氮核的机会很少D．氮气和α粒子的密度都很小，致使它们接近的机会很少解析：此题考查利用云室探测射线的径迹，研究射线的性质问题．因为氮原子核很小，所以α粒子接近氮原子核的机会很少,使发生反应后径迹分叉的机会很少，故正确答案为C.考点二核反应与核反应方程1．核反应的条件:用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变．2．核反应的实质：用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变．3．常见的人工转变核反应（1)卢瑟福发现质子：eq\o\al（14，7）N＋eq\o\al（4,2）He→eq\o\al（17,8）O＋eq\o\al(1,1）H(2）查德威克发现中子：eq\o\al(9,4）Be＋eq\o\al（4，2）He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al（1，0）n(3)约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子：eq\o\al(27，13）Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al（30，15)P＋eq\o\al(1，0)n；eq\o\al(30，15)P→eq\o\al(30，14）Si＋eq\o\al（0，1)e4．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．【例2】1934年，约里奥·居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时，除了测到预料中的中子外，还观察到了正电子．正电子的质量跟电子的质量相同，带一个单位的正电荷，跟电子的电性正好相反，是电子的反粒子．更意外的是，拿走α粒子放射源以后,铝箔虽不再发射中子,但仍然继续发射正电子,而且这种放射性也有一定的半衰期．原来，铝箔被α粒子击中后发生了如下反应：eq\o\al（27，13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al（30,15）P＋eq\o\al(1，0）n.这里的eq\o\al(30，15）P就是一种人工放射性同位素，正电子就是它衰变过程中放射出来的．（1)写出放射性同位素eq\o\al(30，15)P放出正电子的核衰变方程；(2)放射性同位素eq\o\al(30，15)P放出正电子的衰变称为正β衰变，我们知道原子核内只有中子和质子，那么正β衰变中的正电子从何而来？根据原子核衰变的实质及其遵循的规律分析、求解．【答案】（1）eq\o\al(30，15)P→eq\o\al(30,14）Si＋eq\o\al（0，1）e(2)见解析【解析】(1）正β衰变过程质量数、电荷数守恒，eq\o\al（30,15）P放出正电子的核衰变方程为eq\o\al(30，15）P→eq\o\al(30,14）Si＋eq\o\al(0，1)e，可见正β衰变后新核质量数不变，电荷数减1.(2）原子核内只有质子和中子，没有电子，也没有正电子,正β衰变是原子核内的一个质子转换成一个中子，同时放出一个正电子，其衰变方程为eq\o\al（1,1）H→eq\o\al(0,1）e＋eq\o\al（1，0)n.总结提能在涉及核反应写核反应方程的问题中，应根据电荷数、质量数守恒，依据已知原子核、粒子写出未知原子核（或粒子）的电荷数和质量数，然后确定是何原子核（或粒子)．（多选)下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是（AC）A。eq\o\al(9,4）Be＋eq\o\al(4,2）He→eq\o\al（12,6)C＋XB.eq\o\al（14，7）N＋eq\o\al（4，2)He→eq\o\al（17,8)O＋XC。eq\o\al(204,80）Hg＋eq\o\al（1，0）n→eq\o\al(202，78）Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋XD.eq\o\al(239，92）U→eq\o\al(239,93）Np＋X解析:根据质量数守恒和电荷数守恒,可以判断A中X是中子，B中X是质子,C中X是中子,D中X是电子．故正确答案为A、C.点拨：本题考查能根据质量数守恒和电荷数守恒判断出核反应或核衰变方程中的未知粒子中的电荷数和质量数，并据此分析是何种粒子．要记住的基本微粒有:质子(eq\o\al（1,1）H）、中子（eq\o\al（1,0)n）、α粒子（eq\o\al（4，2）He)、电子（eq\a\vs4\al（0)－1e）和正电子(eq\o\al(0，1）e），除此之外还要知道氢的同位素:氕（eq\o\al(1,1）H）、氘(eq\o\al(2，1)H）、氚（eq\o\al（3,1）H）．考点三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3】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1000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1mm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．【答案】（1）β(2)示踪原子【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1mm的铝板;γ射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板,1mm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．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.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()．①eq\o\al(123,53）I＋eq\o\al(1，0)n→eq\o\al(124,53）I②eq\o\al（238，92)U→eq\o\al（234,90)Th＋eq\o\al(4，2）He③eq\o\al（214,82)Pb→eq\o\al(214，83）Bi＋eq\o\al(0，－1）e④eq\o\al（9,4）Be＋eq\o\al（4，2)He→eq\o\al（12,6）C＋eq\o\al(1,0）n【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．下列关于放射线的探测说法错误的是（D）A．气泡室探测射线的原理与云室探测射线原理类似B．由气泡室内射线径迹可以分析粒子的带电、动量、能量等情况C．盖革—米勒计数器探测射线的原理中也利用射线的电离本领D．盖革-米勒计数器不仅能计数，还能用来分析射线的种类2．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多种，而今天人工制造的同位素已达1000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、科研的许多方面得到广泛应用．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解析：因放射线的电离作用，空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和，所以使验电器不显电性．故选B。3．(多选）放射性同位素电池是一种新型电池，它是利用放射性同位素衰变放出的高速带电粒子(α射线、β射线）与物质相互作用，射线的动能被吸收后转变为热能，再通过换能器转化为电能的一种装置．其构造大致是：最外层是由合金制成的保护层，次外层是防止射线泄漏的辐射屏蔽层，第三层是把热能转化成电能的换能器，最里层是放射性同位素．电池使用的三种放射性同位素的半衰期和发出的射线如下表：同位素90Sr210Po238Pu射线βαα半衰期28年138天89.6年若选择上述某一种同位素作为放射源，使用相同材料制成的辐射屏蔽层，制造用于执行长期航天任务的核电池,则下列论述正确的是（CD)A．90Sr的半衰期较长，使用寿命较长，放出的β射线比α射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄B．210Po的半衰期最短，使用寿命最长，放出的α射线比β射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄C．238Pu的半衰期最长,使用寿命最长,放出的α射线比β射线的贯穿本领弱,所需的屏蔽材料较薄D．放射性同位素在发生衰变时，出现质量亏损，但衰变前后的总质量数不变解析：原子核衰变时，释放出高速运动的射线，这些射线的能量来自原子核的质量亏损，即质量减小,但质量数不变，D对；表格中显示Sr的半衰期为28年、Po的半衰期为138天、Pu的半衰期为89。6年,故Pu的半衰期最长，其使用寿命也最长，α射线的穿透能力没有β射线强，故较薄的屏蔽材料即可挡住α射线的泄漏，C对．4．在下列4个核反应方程中，x表示质子的是（C)A。eq\o\al（30，15）P→eq\o\al（30,14)Si＋x B.eq\o\al(238,92）U→eq\o\al（234，90)Th＋xC.eq\o\al(27，13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋x D.