人教版高中物理选修3-5学案：第十九章 学案3、4

3探测射线的方法
4放射性的应用与防护
[学习目标] 1.了解探测射线的几种方法，熟悉探测射线的几种仪器.2.知道核反应及其遵从的规律，会正确书写核反应方程.3.知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素.4.知道放射性同位素的常见应用．
一、探测射线的方法
[导学探究]肉眼看不见射线，但是射线中的粒子与其他物质作用时的现象，会显示射线的存在．阅读课本，举出一些探测射线的方法．
答案①放射线中的粒子会使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和的蒸气会产生雾滴，过热液体会产生气泡．
②放射线中的粒子会使照相乳胶感光．
③放射线中的粒子会使荧光物质产生荧光．
[知识梳理](1)探测射线的理论依据
①放射线中的粒子会使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和的蒸气会产生雾滴，过热液体会产生气泡．
②放射线中的粒子会使照相乳胶感光．
③放射线中的粒子会使荧光物质产生荧光．
(2)探测射线的方法
①威耳逊云室
a．原理：粒子在云室内的气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精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．
b．粒子的径迹：α粒子的径迹直而清晰；高速β粒子的径迹又细又直，低速β粒子的径迹
又短又粗而且常常弯曲；γ粒子的电离本领很小，一般看不到它的径迹．
②气泡室
气泡室装的是过热液体(如液态氢)，粒子经过液体时就有气泡形成，显示粒子的径迹．
③盖革—米勒计数器
当射线粒子进入管内时，它使管内的气体电离，产生的电子在电场中加速．电子跟管中的气体分子碰撞时，又使气体分子电离，产生电子……这样，一个粒子进入管中可以产生大量电子，这些电子到达阳极，正离子到达阴极，在电路中产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来．
[即学即用]利用威尔逊云室探测射线时能观察到细长而弯曲的径迹，则下列说法正确的是()
A．可知有α射线射入云室中
B．可知是γ射线射入云室中
C．观察到的是射线粒子的运动
D．观察到的是射线粒子运动路径上的酒精雾滴
答案 D
解析因为威尔逊云室中观察到的细而弯曲的径迹是β射线的径迹，A、B选项均错误；射线粒子的运动肉眼是观察不到的，观察到的是酒精的过饱和蒸气在射线粒子运动路径上形成的雾滴，C选项错误，D选项正确．
二、放射性的应用与防护
[导学探究](1)如何实现原子核的人工转变？核反应的实质是什么？它符合哪些规律？常见的人工转变的核反应有哪些？
答案①人为地用α粒子、质子、中子或光子去轰击一些原子核，可以实现原子核的转变．
②它的实质就是将一种原子核在粒子的轰击之下转变成一种新的原子核，并产生新的粒子．
③在转变过程中符合质量数和电荷数守恒规律．
④常见的人工转变的核反应有：
a．卢瑟福发现质子：147N＋42He→178O＋11H
b．查德威克发现中子：94Be＋42He→126C＋10n
c．居里夫妇人工制造同位素：42He＋2713Al→10n＋3015P
30
P具有放射性：3015P→3014Si＋0＋1e.
15
(2)医学上做射线治疗用的放射性元素，应用半衰期长的还是短的？为什么？
答案半衰期短的．半衰期短的放射性废料容易处理．
[知识梳理]核反应及放射性的应用与防护
(1)核反应
①核反应的条件
用α粒子、质子、中子甚至用光子去轰击原子核．
②核反应的实质：以基本粒子(α粒子、质子、中子等)为“炮弹”去轰击原子核(靶核X)，从而促使原子核发生变化，生成新原子核(Y)，并放出某一粒子．
③原子核人工转变的三大发现
a．1919年卢瑟福发现质子的核反应方程：
14
N＋42He→178O＋11H
7
b．1932年查德威克发现中子的核反应方程：
9
Be＋42He→126C＋10n
4
c．1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程：
27
Al＋42He→3015P＋10n；3015P→3014Si＋0＋1e.
13
(2)放射性同位素及应用
①放射性同位素的分类：
a．天然放射性同位素；
b．人工放射性同位素．
②人工放射性同位素的优势：
a．种类多．天然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达1 000多种．
b．放射强度容易控制．
c．可制成各种所需的形状．
d．半衰期短，废料易处理．
③放射性同位素的应用
a．利用它的射线：
工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性；
农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等；
医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症．
b．作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置．
[即学即用](多选)下列说法正确的是()
A．医学上利用射线进行放射治疗时，要控制好放射的剂量
B．发现质子、发现中子和发现放射性同位素3015P的核反应均属于原子核的人工转变
C．衰变和原子核的人工转变没有什么不同
D．放射性同位素作为示踪原子是利用了放射性同位素放出的射线可被仪器探测到的特点
E．γ射线探伤利用了γ射线贯穿能力很强的性质
答案ABDE
一、探测射线的方法
例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
解析由厚纸板能挡住这种射线，可知这种射线是穿透能力最差的α射线，选项A正确，B 错误；因放射性元素原子核个数与单位时间内衰变的次数成正比，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．
答案AC
二、核反应及核反应方程
例2完成下列核反应方程，并指出其中________是发现质子的核反应方程，________是发现中子的核反应方程．
(1)147N＋10n→146C＋________
(2)147N＋42He→178O＋________
(3)105B＋10n→________＋42He
(4)94Be＋42He→________＋10n
(5)5626Fe＋21H→5727Co＋________
解析(1)147N＋10n→146C＋11H
(2)147N＋42He→178O＋11H
(3)105B＋10n→73Li＋42He
(4)94Be＋42He→126C＋10n
(5)5626Fe＋21H→5727Co＋10n
其中发现质子的核反应方程是(2)，发现中子的核反应方程是(4)．
答案见解析
例31993年，中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素20278Pt，制取过程如下：
(1)用质子轰击铍靶94Be产生快中子；
(2)用快中子轰击汞20480Hg，反应过程可能有两种：①生成20278Pt，放出氦原子核；②生成20278Pt，同时放出质子、中子．
(3)生成的铂20278Pt发生两次衰变，变成稳定的原子核汞20280Hg.写出上述核反应方程．
解析根据电荷数守恒、质量数守恒，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)94Be＋11H→95B＋10n
(2)①20480Hg＋10n→20278Pt＋32He
②20480Hg＋10n→20278Pt＋211H＋10n
(3) 20278Pt→20280Hg＋20-1e
答案见解析
总结提升
1．书写核反应方程时要注意：
(1)质量数守恒和电荷数守恒；
(2)中间用箭头，不能写成等号；
(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化．
2．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，在发生的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4正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理是：将放射性同位素15O注入人体，参与人体的代谢过程.15O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图象．根据PET原理，回答下列问题：
(1)写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式．
(2)将放射性同位素15O注入人体，15O的主要用途是()
A．利用它的射线
B．作为示踪原子
C．参与人体的代谢过程
D．有氧呼吸
(3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应__________．(填“长”、“短”或“长短均可”)
解析(1)由题意得158O→157N＋0+1e，0+1e＋0-1e→2γ.(2)将放射性同位素15O注入人体后，由于它能放出正电子，并能与人体内的负电子产生一对光子，从而被探测器探测到，所以它的用途是作为示踪原子，B正确．
(3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，半衰期应该很短．
答案(1) 158O→157N＋0+1e，0+1e＋0-1e→2γ(2)B
(3)短
方法总结
(1)用射线来测量厚度，一般不选取α射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的．
(2)给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取γ射线．
(3)使用放射线时安全是第一位的．
针对训练(多选)关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是()
A．利用γ射线使空气电离，把静电荷导走
B．利用γ射线照射植物的种子，使产量显著增加
C．利用α射线来治疗肺癌、食道癌等疾病
D．利用放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，作为示踪原子
答案BD
1．用α粒子照射充氮的云室，摄得如图1所示的照片，下列说法中正确的是()
图1
A．A是α粒子的径迹，B是质子的径迹，C是新核的径迹
B．B是α粒子的径迹，A是质子的径迹，C是新核的径迹
C．C是α粒子的径迹，A是质子的径迹，B是新核的径迹
D．B是α粒子的径迹，C是质子的径迹，A是新核的径迹
答案 D
解析α粒子的径迹是沿入射方向的．生成的新核径迹的特点是粗而短，根据以上特点可判断D正确．
2．以下是物理学史上3个著名的核反应方程
x＋73Li→2y y＋147N→x＋178O
y＋94Be→z＋126C
x、y和z是3种不同的粒子，其中z是()
A．α粒子B．质子C．中子D．电子
答案 C
解析把前两个方程化简，消去x，即147N＋73Li→y＋178O，可见y是42He，结合第三个方程，根据电荷数守恒、质量数守恒可知z是中子10n.因此选项C正确．
3．(多选)铝箔被α粒子轰击后发生了以下核反应：2713Al＋42He→X＋10n.下列判断正确的是()
A.10n是质子
B.10n是中子
C．X是2814Si的同位素
D．X是3115P的同位素
答案BD
解析由核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒知，X是3015P，故选项C错误，选项D正确；
1
n是中子，故选项A错误，选项B正确．
4．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()
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)图2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为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__________射线．
图2
答案(1)B(2)β
解析(1)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，从而使验电器所带电荷消失．
(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度为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毫米厚的铝板和几毫米厚的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．
一、选择题(1～5为单选题，6～10为多选题)
1．卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，其核反应方程为：42He＋147N→178O＋11H，下列说法错误的是()
A．卢瑟福通过该实验提出了原子核式结构模型
B．实验中是用α粒子轰击氮核
C．卢瑟福通过该实验发现了质子
D．原子核在人工转变的过程中，电荷数一定守恒
答案 A
解析卢瑟福用α粒子轰击金箔散射的实验，提出原子的核式结构模型，故A错误；用α粒子轰击氮核首次实现了原子核的人工转变，并发现了质子，故B、C正确；核反应方程质量数和电荷数是守恒的，故D正确．
2．用中子轰击氧原子核的核反应方程为168O＋10n→a7N＋0b X，对式中X、a、b的判断正确的是()
A．X代表中子，a＝17，b＝1
B．X代表电子，a＝17，b＝－1
C．X代表正电子，a＝17，b＝1
D．X代表质子，a＝17，b＝1
答案 C
解析根据质量数、电荷数守恒可知a＝17，b＝8＋0－7＝1，因此X可表示为0＋1e，为正电子，故C项正确，A、B、D错误．
3．在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子
①31H＋X1→42He＋10n②147N＋42He→178O＋X2
③94Be＋42He→126C＋X3④2412Mg＋42He→2713Al＋X4
则以下判断中正确的是()
A．X1是质子B．X2是中子
C．X3是电子D．X4是质子
答案 D
解析根据核反应的质量数和电荷数守恒知，X1为21H，A错；X2为11H，B错；X3为10n，C 错；X4为11H，D对．
4．用高能8636Kr轰击20882Pb，释放出一个中子后，生成了一个新核，关于新核的推断正确的是()
A．其质子数为122
B．其质量数为294
C．其原子序数为118
D．其中子数为90
答案 C
解析核反应方程为20882Pb＋8636Kr→10n＋293118X，新核质量数为293，质子数为118，中子数为293－118＝175.故正确选项为C.
5．放射性在技术上有很多应用，不同的放射源可用于不同目的．下表列出了一些放射性元素的半衰期和可供利用的射线.
利用适当的放射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀．可利用的元素是()
A．钋210 B．氡222
C．锶90 D．铀238
答案 C
解析要测定聚乙烯薄膜的厚度，则要求射线可以穿透薄膜，因此α射线不合适；另外，射线穿透作用还要受薄膜厚度影响，γ射线穿透作用最强，薄膜厚度不会影响γ射线穿透，所以只能选用β射线，而氡222半衰期太小，铀238半衰期太长，所以只有锶90较合适．6．放射性同位素被用作示踪原子，主要是因为()
A．放射性同位素不改变其化学性质
B．放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期短得多
C．半衰期与元素所处的物理、化学状态无关
D．放射性同位素容易制造
答案ABC
7．下列说法正确的是()
A．通过核反应可以人工制造放射性同位素
B．现在用的射线都是利用的人工放射性同位素
C．人工制造的放射性同位素发出的射线对人体无害
D．人工制造的放射性同位素半衰期短，因此放射性废料容易处理
答案AD
解析放射线有的是用天然放射性同位素，但大部分是用人工放射性同位素，因为人工放射性同位素品种多，并且半衰期短，废料容易处理．
8．对放射性的应用，下列说法中正确的是()
A．放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体的正常细胞不会有伤害作用
B．对放射性的废料，要装入特制的容器中并埋入深地层进行处理
C．γ射线探伤仪中的放射源必须存放在特制的容器里，而不能随意放置
D．对可能产生放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
答案BCD
解析放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，但同时也会对人体的正常细胞造成伤害，A 错．正因为放射性具有伤害作用，选项B、C、D均是正确的．
9．有关放射性同位素3015P的下列说法，正确的是()
A.3015P与3014X互为同位素
B.3015P与其同位素有相同的化学性质
C．用3015P制成化合物后它的半衰期变长
D．含有3015P的磷肥释放正电子，可用作示踪原子，观察磷肥对植物的影响
答案BD
解析同位素有相同的质子数，所以选项A错误．同位素有相同的化学性质，所以选项B 正确．半衰期与元素属于化合物或单质没有关系，所以3015P制成化合物后它的半衰期不变，选项C错误．含有3015P的磷肥由于衰变，可记录磷的踪迹，所以选项D正确．
10．下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的()
A．利用钴60治疗肿瘤等疾病
B．γ射线探伤
C．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
D．把含有放射性同位素的肥料施给农作物用以检测农作物吸收养分的规律
答案CD
解析利用钴60治疗肿瘤和γ射线探伤是利用射线能量高，贯穿本领大的特点，故A、B 错误；C、D两项是利用放射性同位素作为示踪原子，故均正确．
二、非选择题
11．1934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，还探测到了正电子．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：2713Al＋42He→3015P＋10n，这里的3015P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3015P放出正电子的核反应方程；
(2)放射性同位素3015P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？
答案(1)3015P→3014Si＋0＋1e
(2)正电子是原子核内的一个质子转换成一个中子放出的
解析(1)核反应方程为3015P→3014Si＋0＋1e.
(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，同时放出正电子，核反应方程为11H→10n＋0＋1e.
12．静止的氮核147N被速度为v0的中子10n击中生成碳核126C和另一种原子核甲，已知126C与甲核的速度方向与碰撞前中子的速度方向均一致，碰后126C核与甲核的动量之比为2∶1.
(1)写出核反应方程．
(2)求126C与甲核的速度各是多大？
答案(1)147N＋10n→126C＋31H(2)v0
18v0 9
解析(2)设中子质量为m0，126C核质量为m C，甲核质量为m甲，由动量守恒得m0v0＝m C v C＋m甲v甲
即m0v0＝12m0v C＋3m0v甲
又因为12 6C 与甲核动量比为2∶1，所以 m C v C ＝2m 甲v 甲
即12m 0v C ＝2×3m 0v 甲
联立求得：v C ＝v 018，v 甲＝v 09
.。