2024-2025學年高中物理第十九章原子核3探測射線的方法4放射性的應用與防護學案新人教版選修3-5

PAGE11-3探測射線的方法4放射性的應用與防護一、探測射線的方法探測器材的設計思路：放射線中的粒子會使氣體或液體電離，以這些離子為核心，過飽和蒸氣會產生霧滴，過熱液體會產生氣泡．射線中的粒子會使照相乳膠感光．射線中的粒子會使熒光物質產生熒光．1．威耳遜云室其結構為一個圓筒狀容器，上蓋透亮，底部可以移動，相當于活塞．試驗時先往容器內加入少量的酒精，使容器內形成飽和蒸氣，然后快速下拉活塞，氣體快速膨脹，溫度降低，酒精蒸氣達到過飽和狀態(tài)．粒子穿過該空間時，沿途使氣體分子電離，過飽和蒸氣就會以這些離子為核心凝聚成霧滴，于是顯示出射線的徑跡．2．氣泡室與云室原理類似，只是容器里裝的是液體，并限制里面液體的溫度和壓強，使溫度略低于液體的沸點．當氣泡室內的壓強突然降低時，液體的沸點變低，因此液體過熱，粒子通過液體時在它四周就有氣泡形成，顯示出粒子的徑跡來．3．蓋革—米勒計數器它的主要部分是一個計數器，外面是玻璃管，里面有一個接在電源負極上的導電圓筒，筒內中間有一根接電源正極的金屬絲，里面充入惰性氣體以及少量酒精或溴蒸氣．當射線通過管內時，會使氣體電離，產生的電子在電場中加速，再與氣體分子碰撞，又使氣體電離……一個粒子進入玻璃管內就會產生大量的電子，這些電子到達陽極，就形成一次瞬間導電，電路中形成一次脈沖放電，電子儀器把這次脈沖記錄下來．粒子在氣泡室里的粒子徑跡為什么是曲線？提示：粒子在氣泡室中的運動受磁場洛倫茲力作用，洛倫茲力方向與速度垂直，故軌跡是曲線．二、放射性的應用與防止1．核反應(1)定義：原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程，稱為核反應．(2)核反應的規(guī)律：在核反應中，質量數守恒、電荷數守恒，還遵循動量守恒．(3)原子核的人工轉變：原子核在某些粒子的轟擊下生成新的原子核，這種核反應稱為人工轉變．2．人工放射性同位素自然放射性同位素種類很少，通過人工轉變，現(xiàn)在每種元素都有了自己的放射性同位素．與自然的相比，它們有以下優(yōu)點：放射強度簡單限制，還可以制造出各種所須要的形態(tài)，半衰期比自然的短得多，因此放射性廢料簡單處理．3．放射性同位素的應用應用共有兩個方面，一方面是應用它的射線，另一方面是作示蹤原子．4．輻射與平安為了防止有害的放射性對人類和自然的破壞，人們采納了有效的防范措施．在生活中對那些有可能有放射性的物質要有防范意識，盡可能遠離放射源．1930年，德國科學家玻特和貝克用α粒子轟擊輕元素鈹核，發(fā)覺并未放射出質子，而放出了一種新的射線．這種射線幾乎不能使氣體電離，在電場和磁場中也不發(fā)生偏轉，是不帶電的，射線的貫穿實力強，他們認為這是γ射線．經檢測，射線的能量在100MeV左右，遠大于自然放射物質衰變時發(fā)出的γ射線的能量．1931年，約里奧夫婦重復了玻特和貝克的試驗，并用這種未知射線去轟擊石蠟．結果竟從中打出能量約5.7MeV的質子．這是異樣驚人的新發(fā)覺，因為其行為完全不同于γ射線，γ射線只能打出電子而打不出質子，γ光子的質量近乎為0，電子也很輕，光子撞擊電子，使它動起來是合乎常理的，但質子質量約是電子的1800倍，一顆子彈怎么能撞動一輛汽車呢？假如認為轟擊石蠟的射線是γ射線，那么光子的能量應達55MeV，這與實際測得的射線能量10MeV相差甚遠．這射線在向約里奧夫婦招手呼喊：我不是γ射線！……惋惜的是，他們擦肩而過，無緣相識．面對55MeV與10MeV的沖突，他們還是非常牽強地說明為其他的緣由，并于1932年1月11日向巴黎科學院提交了試驗狀況和對未知射線判定為γ射線的結論．你認為這是哪種粒子？你對約里奧夫婦的做法有什么看法？提示：中子．約里奧夫婦在這個問題的處理上不夠科學嚴謹．考點一探測射線的方法1．云室中不同粒子徑跡產生的緣由2.不同探測方法的對比威耳遜云室和氣泡室都是依據徑跡探測射線的性質和種類，而蓋革—米勒計數器只能計數，不能區(qū)分射線的種類．【例1】(多選)關于威耳遜云室探測射線，下列敘述正確的是()A．威耳遜云室內充溢過飽和蒸氣，射線經過時可顯示出射線運動的徑跡B．威耳遜云室中徑跡粗而短的是α射線C．威耳遜云室中徑跡細而長的是γ射線D．威耳遜云室中顯示粒子徑跡緣由是電離，所以無法由徑跡推斷射線所帶電荷的正負依據三種射線在云室中的徑跡特點分析．【答案】AB【解析】云室內充溢過飽和蒸氣，射線經過時把氣體電離，過飽和蒸氣以離子為核心凝聚成霧滴，霧滴沿射線的路途排列，顯示出射線的徑跡，故A選項正確．由于α粒子的電離本事大，貫穿本事小，所以α射線在云室中的徑跡粗而短，則B選項正確．由于γ射線的電離本事很弱，所以在云室中一般看不到它的徑跡，而瘦長徑跡是β射線的，所以C選項錯誤．把云室放在磁場中，由射線徑跡的彎曲方向就可推斷射線所帶電荷的正負，所以D選項錯誤．故選AB.總結提能明確云室的工作原理及三種射線在云室中徑跡的特點是解題關鍵．為了說明用α粒子轟擊氮，打出了質子是怎樣的一個物理過程，布拉凱特在充氮云室中，用α粒子轟擊氮，在他拍攝的二萬多張照片中，最終從四十多萬條α粒子徑跡中發(fā)覺了8條產生分叉，這一試驗數據說明白(C)A．α粒子的數目很少，與氮發(fā)生相互作用的機會很少B．氮氣的密度很小，α粒子與氮接觸的機會很少C．氮核很小，α粒子接近氮核的機會很少D．氮氣和α粒子的密度都很小，致使它們接近的機會很少解析：此題考查利用云室探測射線的徑跡，探討射線的性質問題．因為氮原子核很小，所以α粒子接近氮原子核的機會很少，使發(fā)生反應后徑跡分叉的機會很少，故正確答案為C.考點二核反應與核反應方程1．核反應的條件：用α粒子、質子、中子，甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉變．2．核反應的實質：用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開，而是粒子打入原子核內部使核發(fā)生了轉變．3．常見的人工轉變核反應(1)盧瑟福發(fā)覺質子：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)查德威克發(fā)覺中子：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)約里奧·居里夫婦發(fā)覺放射性同位素和正電子：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．人工轉變核反應與衰變的比較(1)不同點：原子核的人工轉變，是一種核反應，是其他粒子與原子核相碰撞的結果，須要肯定的裝置和條件才能發(fā)生，而衰變是原子核的自發(fā)改變，它不受物理化學條件的影響．(2)相同點：人工轉變與衰變過程一樣，在發(fā)生過程中質量數與電荷數都守恒，反應前后粒子總動量守恒．【例2】1934年，約里奧·居里夫婦在用α粒子轟擊鋁箔時，除了測到預料中的中子外，還視察到了正電子．正電子的質量跟電子的質量相同，帶一個單位的正電荷，跟電子的電性正好相反，是電子的反粒子．更意外的是，拿走α粒子放射源以后，鋁箔雖不再放射中子，但仍舊接著放射正電子，而且這種放射性也有肯定的半衰期．原來，鋁箔被α粒子擊中后發(fā)生了如下反應：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n.這里的eq\o\al(30,15)P就是一種人工放射性同位素，正電子就是它衰變過程中放射出來的．(1)寫出放射性同位素eq\o\al(30,15)P放出正電子的核衰變方程；(2)放射性同位素eq\o\al(30,15)P放出正電子的衰變稱為正β衰變，我們知道原子核內只有中子和質子，那么正β衰變中的正電子從何而來？依據原子核衰變的實質及其遵循的規(guī)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)見解析【解析】(1)正β衰變過程質量數、電荷數守恒，eq\o\al(30,15)P放出正電子的核衰變方程為eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e，可見正β衰變后新核質量數不變，電荷數減1.(2)原子核內只有質子和中子，沒有電子，也沒有正電子，正β衰變是原子核內的一個質子轉換成一個中子，同時放出一個正電子，其衰變方程為eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(1,0)n.總結提能在涉及核反應寫核反應方程的問題中，應依據電荷數、質量數守恒，依據已知原子核、粒子寫出未知原子核(或粒子)的電荷數和質量數，然后確定是何原子核(或粒子)．(多選)下列核反應或核衰變方程中，符號“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：依據質量數守恒和電荷數守恒，可以推斷A中X是中子，B中X是質子，C中X是中子，D中X是電子．故正確答案為A、C.點撥：本題考查能依據質量數守恒和電荷數守恒推斷出核反應或核衰變方程中的未知粒子中的電荷數和質量數，并據此分析是何種粒子．要記住的基本微粒有：質子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、電子(eq\a\vs4\al(0)－1e)和正電子(eq\o\al(0,1)e)，除此之外還要知道氫的同位素：氕(eq\o\al(1,1)H)、氘(eq\o\al(2,1)H)、氚(eq\o\al(3,1)H)．考點三放射性同位素及其應用1．放射性同位素的分類(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優(yōu)勢(1)放射強度簡單限制．(2)可制成各種所需的形態(tài)．(3)半衰期短，廢料易處理．3．放射性同位素的主要應用(1)利用它的射線①利用γ射線的貫穿本事，可用γ射線探傷等．②利用α射線的電離作用很強，可消退有害靜電．③利用γ射線對生物組織的物理和化學作用，可用來使種子發(fā)生變異，培育良種、滅菌消毒．④利用放射線的能量，在醫(yī)療上，常用以抑制甚至殺死病變組織，還可以轟擊原子核，誘發(fā)核反應．(2)作示蹤原子①在農業(yè)生產中，探測農作物在不同的季節(jié)對元素的需求．②在工業(yè)上，檢查輸油管道上的漏油位置．③在生物醫(yī)療上，可以檢查人體對某元素的汲取狀況，也可以幫助確定腫瘤的部位和范圍．【例3】用人工方法得到放射性同位素，這是一個很重要的發(fā)覺，自然放射性同位素只不過40幾種，而今日人工制造的同位素已達1000多種，每種元素都有放射性同位素，放射性同位素在農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、科研等很多方面得到廣泛應用．(1)如圖是工廠利用放射線自動限制鋁板厚度的裝置示意圖，如工廠生產的是厚度為1mm的鋁板，在α、β、γ三種射線中，你認為對鋁板的厚度起主要作用的是________射線．(2)在我國首先用人工方法合成牛胰島素時須要證明人工合成的牛胰島素結晶跟自然牛胰島素結晶是同一物質，為此曾采納放射性同位素碳14作________．利用三種射線的特性及放射性同位素的應用與防護分析、推斷．【答案】(1)β(2)示蹤原子【解析】(1)β射線起主要作用，因為α射線的貫穿本事很小，一張薄紙就能把它攔住，更穿不過1mm的鋁板；γ射線的貫穿本事很強，能穿過幾厘米的鉛板，1mm左右的鋁板厚度發(fā)生改變時，透過鋁板的γ射線強度改變不大；β射線的貫穿本事較強，能穿過幾毫米的鋁板，當鋁板厚度發(fā)生改變時，透過鋁板的β射線強度改變較大，探測器可明顯地反映出這種改變，使自動化系統(tǒng)做出相應的反應．(2)把摻入碳14的人工合成牛胰島素與自然牛胰島素混合在一起，經多次重新結晶后，得到了放射性碳14分布勻稱的牛胰島素結晶，這就證明白人工合成的牛胰島素與自然牛胰島素合為一體，它們是同一物質．把這種放射性同位素的原子摻到其他物質中去，讓它們一起運動遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可以知道放射性原子通過什么路徑，運動到哪里了，是怎樣分布的，從而可了解某些不簡單查明的狀況或規(guī)律，人們把這種用途的放射性同位素叫做示蹤原子．總結提能這是一道運用放射線特性解決實際問題的題目．要求同學們對三種放射線的特性以及放射性同位素的應用有所了解，并能敏捷應用．現(xiàn)在很多血管專科醫(yī)院引進了一種被稱為“心臟灌注顯像”的檢測技術，將若干毫升含放射性元素锝(Tc)的注射液注入被檢測者的動脈中，經過40分鐘后，這些含放射性物質的注射液通過血液循環(huán)勻稱地分布到血液中．這時對被檢測者的心臟進行造影，心臟血管正常的位置由于放射性物質隨血液到達而顯示有放射線射出；心臟血管被堵塞的部分由于無放射性物質到達，將無放射線射出．醫(yī)生依據顯像狀況就可判定被檢測者心臟血管有無病變，并判定病變位置．你認為檢測所用放射性元素锝的半衰期應當最接近以下哪個值(B)A．6分鐘 B．6小時C．6天 D．6個月解析：依據題意可知，將若干毫升含放射性元素锝(Tc)的注射液注入被檢測者的動脈中，經過40分鐘后，這些含放射性物質的注射液通過血液循環(huán)勻稱地分布到血液中，可知檢測所用放射性元素锝的半衰期應當大于40分鐘，且不能太長，故選B.重難疑點辨析人工轉變核反應與原子核衰變的比較原子核的人工轉變，是一種核反應，是其他粒子與原子核相碰撞的結果，須要肯定的裝置和條件才能發(fā)生，而衰變是原子核的自發(fā)改變，它不受物理化學條件的影響．【典例】下列方程中屬于衰變的是()，屬于人工轉變的是()，生成原來元素的同位素的是()，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】首先從方程左端去推斷哪種是衰變、哪種是核反應，當方程左端只有一種元素的原子核時，只能是衰變，故②③為衰變，①④為核反應；而同位素的產生，是依據原子序數相同而質量數不同來推斷，所以①會生成該元素的同位素；推斷β衰變，只須要看清衰變方程右端是否產生電子即可，應選③.【答案】②③①④①③人工轉變核反應與衰變的比較(1)不同點：原子核的人工轉變，是一種核反應，是其他粒子與原子核相碰撞的結果，須要肯定的裝置和條件才能發(fā)生，而衰變是原子核的自發(fā)改變，它不受物理化學條件的影響．(2)相同點：人工轉變與衰變過程一樣，在發(fā)生過程中質量數與電荷數都守恒，反應前后粒子總動量守恒．1．下列關于放射線的探測說法錯誤的是(D)A．氣泡室探測射線的原理與云室探測射線原理類似B．由氣泡室內射線徑跡可以分析粒子的帶電、動量、能量等狀況C．蓋革—米勒計數器探測射線的原理中也利用射線的電離本事D．蓋革—米勒計數器不僅能計數，還能用來分析射線的種類2．用人工方法得到放射性同位素，這是一個很重要的發(fā)覺，自然放射性同位素只不過40多種，而今日人工制造的同位素已達1000多種，每種元素都有放射性同位素，放射性同位素在農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、科研的很多方面得到廣泛應用．帶電的驗電器在放射線照耀下電荷會很快消逝，其緣由是(B)A．射線的貫穿作用 B．射線的電離作用C．射線的物理、化學作用 D．以上三個選項都不是解析：因放射線的電離作用，空氣中與驗電器所帶電荷電性相反的離子與之中和，所以使驗電器不顯電性．故選B.3．(多選)放射性同位素電池是一種新型電池，它是利用放射性同位素衰變放出的高速帶電粒子(α射線、β射線)與物質相互作用，射線的動能被汲取后轉變?yōu)闊崮?，再通過換能器轉化為電能的一種裝置．其構造大致是：最外層是由合金制成的愛護層，次外層是防止射線泄漏的輻射屏蔽層，第三層是把熱能轉化成電能的換能器，最里層是放射性同位素．電池運用的三種放射性同位素的半衰期和發(fā)出的射線如下表：同位素90Sr210Po238Pu射線βαα半衰期28年138天89.6年若選擇上述某一種同位素作為放射源，運用相同材料制成的輻射屏蔽層，制造用于執(zhí)行長期航天任務的核電池，則下列論述正確的是(CD)A．90Sr的半衰期較長，運用壽命較長，放出的β射線比α射線的貫穿本事弱，所需的屏蔽材料較薄B．210Po的半衰期最短，運用壽命最長，放出的α射線比β射線的貫穿本事弱，所需的屏蔽材料較薄C．238Pu的半衰期最長，運用壽命最長，放出的α射線比β射線的貫穿本事弱，所需的屏蔽材料較薄D．放射性同位素在發(fā)生衰變時，出現(xiàn)質量虧損，但衰變前后的總質量數不變解析：原子核衰變時，釋放出高速運動的射線，這些射線的能量來自原子核的質量虧損，即質量減小，但質量數不變，D對；表格中顯示Sr的半衰期為28年、Po的半衰期為138天、Pu的半衰期為89.6年，故Pu的半衰期最長，其運用壽命也最長，α射線的穿透實力沒有β射線強，故較薄的屏蔽材料即可攔住α射線的泄漏，C對．4．在下列4個核反應方程中，x表示質子的是(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(23