2024-2025学年高中物理第十九章原子核第3节第4节探测射线的方法放射性的应用与防护学案新人教版选修3-5

PAGE8-第3节探测射线的方法第4节放射性的应用与防护1．了解探测射线的几种方法，熟识探测射线的几种仪器。2．知道核反应及其遵循的规律，会书写核反应方程。3．知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素。4．了解放射性同位素在科学与生产领域的应用，了解辐射过量的危害。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eq\o(□,\s\up3(01))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eq\o(□,\s\up3(02))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，上盖透亮，底部可以上下移动，相当于eq\o(□,\s\up3(03))活塞。试验时先往容器内加入少量酒精，使容器内充溢酒精的饱和蒸气，然后快速下拉活塞，气体快速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到eq\o(□,\s\up3(04))过饱和状态。粒子穿过该空间时，沿途使气体分子eq\o(□,\s\up3(05))电离，过饱和蒸气就会以这些离子为核心eq\o(□,\s\up3(06))凝成雾滴，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，并限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eq\o(□,\s\up3(07))压强突然降低时，液体的eq\o(□,\s\up3(08))沸点变低，因此液体过热，粒子通过液体时在它四周就有eq\o(□,\s\up3(09))气泡形成，显示出粒子的径迹。3．盖革－米勒计数器它的主要部分是盖革－米勒计数管，外面是玻璃管，里面有一个接在电源负极上的eq\o(□,\s\up3(10))导电圆筒，筒的中间有一条接电源正极的eq\o(□,\s\up3(11))金属丝，里面充入eq\o(□,\s\up3(12))惰性气体以及少量eq\o(□,\s\up3(13))酒精或溴蒸气。当射线进入管内时，会使管内气体eq\o(□,\s\up3(14))电离，产生的eq\o(□,\s\up3(15))电子在电场中加速，再与管内气体分子碰撞，又使气体电离，产生电子……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，正离子到达阴极，电路中形成一次脉冲eq\o(□,\s\up3(16))放电，电子仪器把脉冲次数记录下来。二、核反应1．定义：原子核在其他粒子的轰击下产生eq\o(□,\s\up3(01))新原子核的过程。2．原子核的人工转变(1)1919年eq\o(□,\s\up3(02))卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素，同时产生一个质子。(2)卢瑟福发觉质子的核反应方程eq\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o(□,\s\up3(03))eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(17,8)O。3．遵循规律：eq\o(□,\s\up3(04))质量数守恒，eq\o(□,\s\up3(05))电荷数守恒。三、人工放射性同位素的应用与防护1．放射性同位素的定义：有些同位素具有eq\o(□,\s\up3(01))放射性，叫做放射性同位素。2．人工放射性同位素的发觉(1)1934年，约里奥－居里夫妇发觉经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷eq\o\al(30,15)P。(2)发觉磷同位素的方程：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o(□,\s\up3(02))eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n。3．放射性同位素的应用(1)应用它的eq\o(□,\s\up3(03))射线。(2)作eq\o(□,\s\up3(04))示踪原子。4．辐射与平安：人类从来就生活在有放射性的环境之中，eq\o(□,\s\up3(05))过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止eq\o(□,\s\up3(06))放射性物质对水源、空气、用具等的污染。判一判(1)依据放射线在威耳逊云室中径迹的长短和粗细，可以知道粒子的性质，把云室放在磁场中，依据带电粒子运动径迹的弯曲方向，还可以知道粒子所带电荷的正负。()(2)书写核反应方程时不能用等号，是因为核反应通常是不行逆的，且箭头“→”表示反应进行的方向。()(3)原子核的人工转变是自发进行的，反应前后质量数和电荷数都守恒。()(4)γ射线探伤是利用γ射线的电离实力。()(5)人工放射性同位素比自然放射性元素半衰期长。()提示：(1)√(2)√(3)×(4)×(5)×想一想(1)G­M计数器为什么不能区分射线的种类？提示：不同的射线在盖革－米勒计数器中产生的脉冲现象相同，因此它只能用于计数，不能区分射线种类。(2)医学上做射线治疗的放射性元素，应用半衰期长的还是短的？为什么？提示：用半衰期短的。因为半衰期短的放射性废料简单处理。课堂任务探测射线的方法1．三种射线在云室中的径迹比较(1)α粒子的质量比较大，在气体中飞行时不易变更方向。由于它的电离本事大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而粗。(2)β粒子的质量小，跟气体碰撞时简单变更方向，并且电离本事小，沿途产生的离子少，所以高速β粒子在云室中的径迹又细又直，低速β粒子的径迹又短又粗而且是弯曲的。(3)γ粒子的电离本事更小，在云室中一般看不到它的径迹。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的。3．盖革－米勒计数器(1)优点：放大倍数很大，特别灵敏，用它检测射线特别便利。(2)缺点①不同射线产生的脉冲现象相同，只能用来计数，不能区分射线种类。②假如同时有大量粒子或两个粒子射来的时间间隔小于200μs，则计数器不能区分它们。例1(多选)关于威耳逊云室探测射线，下列说法正确的是()A．威耳逊云室内充溢过饱和蒸气，射线经过时可显示出射线运动的径迹B．威耳逊云室中径迹直而粗的是α射线C．威耳逊云室中径迹细而弯曲的是γ射线D．威耳逊云室中显示粒子径迹的缘由是电离，所以无法由威耳逊云室推断射线所带电荷的正负(1)威耳逊云室显示粒子的运动轨迹应用的是电离，粒子的电离强弱对轨迹有何影响？提示：电离作用强的粒子在它的路径上电离的离子多，凝聚的雾滴多，显示的径迹粗；电离作用弱的粒子在它的路径上电离的离子少，凝聚的雾滴少，显示的径迹细。(2)如何区分射线种类及所带电性？提示：依据粒子径迹粗瘦长短区分射线种类；将云室置于磁场中，依据粒子偏转状况推断电性。[规范解答]云室内充溢过饱和蒸气，射线经过时把气体分子电离，过饱和蒸气以离子为核心凝聚成雾滴，雾滴沿射线的路径排列，显示出射线的径迹，故A正确；由于α粒子的质量大，在气体中飞行时不易变更方向，电离本事大，贯穿本事小，故α粒子在云室中的径迹直而粗，即B正确；γ射线的电离本事很弱，所以在云室中一般看不到它的径迹，而细而弯曲的是β射线，故C错误；把云室放到磁场中，由射线径迹的弯曲方向就可以推断射线所带电荷的正负，故D错误。[完备答案]AB推断射线探测仪中粒子径迹的方法(1)明确仪器工作原理。(2)记清三种射线电离本事、贯穿本事的强弱状况。eq\a\vs4\al([变式训练1])(多选)用盖革－米勒计数器测定放射源的放射强度为每分钟405次，若将一张厚纸板放在计数器与放射源之间，计数器几乎测不到射线。10天后再次测量，测得该放射源的放射强度为每分钟101次，则下列关于射线性质及它的半衰期的说法正确的是()A．放射源射出的是α射线B．放射源射出的是β射线C．这种放射性元素的半衰期是5天D．这种放射性元素的半衰期是2.5天答案AC解析因厚纸板能拦住这种射线，知这种射线是穿透实力最差的α射线，A正确，B错误；10天后测出放射强度为原来的四分之一，说明10天后放射性元素的原子核个数只有原来的四分之一，由半衰期公式知已经过了两个半衰期，故半衰期是5天，C正确，D错误。课堂任务核反应1．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．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．典型的人工转变的核反应(1)卢瑟福发觉质子：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)查德威克发觉中子：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－居里夫妇的人工转变发觉人工放射性同位素：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n。eq\o\al(30,15)P具有放射性(正电子的发觉)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e。4．核反应遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。例2中国科学院上海原子核探讨所制得了一种铂元素的同位素eq\o\al(202,78)Pt。制取过程如下：(1)用质子轰击铍靶eq\o\al(9,4)Be产生快中子；(2)用快中子轰击汞eq\o\al(204,80)Hg，反应过程可能有两种：①生成eq\o\al(202,78)Pt，放出氦原子核；②生成eq\o\al(202,78)Pt，同时放出质子、中子；(3)生成的铂eq\o\al(202,78)Pt发生两次衰变，变成稳定的原子核汞eq\o\al(202,80)Hg。写出上述核反应方程。(1)核反应遵循什么规律？提示：核反应遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。(2)书写核反应方程式须要留意什么？提示：反应前后只能用箭头“→”连接，不能把箭头写成“＝”。[规范解答]依据质量数守恒、电荷数守恒，确定新生核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程，如下：(1)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(9,5)B＋eq\o\al(1,0)n。(2)①eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋eq\o\al(3,2)He；②eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n。(3)eq\o\al(202,78)Pt→eq\o\al(202,79)Au＋eq\o\al(0,－1)e，eq\o\al(202,79)Au→eq\o\al(202,80)Hg＋eq\o\al(0,－1)e。[完备答案]见规范解答书写核反应方程的五条重要原则(1)质量数守恒和电荷数守恒。(2)反应前后用箭头连接，不能写成等号。(3)能量守恒(中学阶段不做要求)。(4)核反应必需是试验中能够发生的。(5)核反应前后相同的核不能消掉。eq\a\vs4\al([变式训练2])在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子，分别填在下列核反应(衰变)方程的横线上。(1)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋________；(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋________；(3)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋________；(4)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋________；(5)eq\o\al(235,92)U＋________→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)n；(6)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋________。答案(1)eq\o\al(4,2)He(2)eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(0,－1)e(4)eq\o\al(0,1)e(5)eq\o\al(1,0)n(6)eq\o\al(1,1)H解析在核反应(衰变)过程中，遵循电荷数守恒、质量数守恒规律。对参加反应的全部粒子用左下角(电荷数)配平，左上角(质量数)配平。未知粒子可依据其电荷数和质量数确定。如(1)电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(eq\o\al(4,2)He)，同理确定其他粒子分别为：中子(eq\o\al(1,0)n)，电子(eq\o\al(0,－1)e)，正电子(eq\o\al(0,1)e)，中子(eq\o\al(1,0)n)，质子(eq\o\al(1,1)H)。课堂任务放射性同位素及其应用1．放射性同位素的分类(1)自然放射性同位素。(2)人工放射性同位素。2．人工放射性同位素的优势(1)放射强度简单限制。(2)可制成各种所需的形态。(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射线的贯穿本事，可用γ射线探伤等。②利用α射线的电离作用，可消退有害静电。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汲取状况，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觉，自然放射性同位素只不过40几种，而今日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、科研等很多方面得到广泛应用。(1)如图是工厂利用放射线自动限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须要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟自然牛胰岛素结晶是同一物质，为此曾采纳放射性同位素碳14作____________。(1)三种射线的贯穿本事如何？提示：α射线贯穿本事最弱，一张黑纸就能拦住α粒子；β粒子贯穿本事较强，能穿透几毫米的铝板；γ射线贯穿本事最强，能穿透几厘米厚的铅板。(2)放射性同位素的化学性质有什么用途？提示：可作为“示踪原子”来检测元素的分布状况。[规范解答](1)β射线起主要作用，因为α射线的贯穿本事很小，一张薄纸就能把