高中物理第十九章原子核第34节探测射线的方法放射性的应用与防护讲义含解析新人教版选修3_5

探测射线的方法放射性的应用与防护
1．探知射线存在的依据
(1)放射线中的粒子会使气体或液体电离，以这些粒子为核心，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．探测射线的仪器
(1)威耳逊云室：
α粒子的径迹直而粗。

β粒子的径迹比较细，而且常常弯曲。

γ粒子的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹。

(2)气泡室：
粒子通过液体时，在它的周围产生气泡而形成粒子的径迹。

(3)盖革—米勒计数器：
计数器非常灵敏，用它检测射线十分方便。

但不同的射线产生的脉冲现象相同，因此只能用来计数，不能区分射线的种类。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)
1．盖革—米勒计数器只能用来计数，不能区分射线的种类。

(√)
2．利用威耳逊云室不能区分射线的种类。

(×)
[释疑难·对点练]
1．探测原理方面：探测原理都是利用射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，来显示射线的存在。

2．G­M计数器区分粒子方面：G­M计数器不能区分时间间隔小于200 μs的两个粒子。

[试身手]
1．在威耳逊云室中，关于放射源产生的射线径迹，下列说法中正确的是( )
A．由于γ射线的能量大，容易显示其径迹
B．由于β粒子的速度大，其径迹粗而且长
C．由于α粒子的速度小，不易显示其径迹
D．由于α粒子的电离作用强，其径迹直而粗
解析：选D 在云室中显示粒子径迹是由于粒子引起气体电离，电离作用强的α粒子容易显示其径迹，因α粒子质量较大，飞行时不易改变方向，所以径迹直而粗，故只有D 正确。

1．核反应定义
原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。

2．原子核的人工转变
人类第一次实现的原子核的人工转变
14 7
N ＋42He ―→17 8O ＋1
1H 。

3．遵循原则
质量数守恒，电荷数守恒。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)
1．卢瑟福发现质子的核反应：14
7N ＋4
2He ＝17
8O ＋1
1H 。

(×) 2．写核反应方程时要遵循质量数守恒，电荷数守恒。

(√)
[释疑难·对点练]
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．原子核人工转变的三大发现 (1)1919年卢瑟福发现质子的核反应：
14 7
N ＋42He→17 8O ＋1
1H 。

(2)1932年查德威克发现中子的核反应：
94
Be ＋42He→12 6C ＋1
0n 。

(3)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：
2713
Al ＋42He→3015P ＋10n ；3015P→3014Si ＋ 0
＋1e 。

4．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。

[特别提醒]
(1)核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向。

(2)核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒。

[试身手]
2．(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
解析：选BD 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；10n为中子，故选项A错误，选项B正确。

1．放射性同位素的定义
具有放射性的同位素。

2．人工放射性同位素的发现
(1)1934年约里奥—居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷3015P。

(2)发现磷同位素的方程：42He＋2713Al→3015P＋10n。

3．放射性同位素的应用
(1)应用它的射线。

(2)作为示踪原子。

4．辐射与安全
人类一直就生活在有放射性的环境之中，过量的射线对人体组织有破坏作用。

要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)
1．人工放射性同位素具有控制方便，半衰期短等特点，便于人们使用。

(√)
2．因为射线对人体组织破坏作用，人要避免一切射线的照射。

(×)
[释疑难·对点练]
1．放射性同位素
(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。

2．放射性的应用
(1)放射出的射线的利用：
①利用γ射线的贯穿本领：利用60Co放出的很强的γ射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹，这叫γ射线探伤。

利用γ射线可以检查30 cm厚的钢铁部件，利用放射线的贯穿本领，可用来检查各种产品的厚度、密封容器中的液面高度等，从而自动控制生产过程；
②利用射线的电离作用：放射线能使空气电离，从而可以消除静电积累，防止静电产生的危害；
③利用γ射线对生物组织的物理、化学效应使种子发生变异，培育优良品种；
④利用放射性产生的能量轰击原子核，实现原子核的人工转变；
⑤在医疗上，常用以控制病变组织的扩大。

(2)作为示踪原子：
①在工业上，可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情况；
②在农业生产中，可用示踪原子确定植物在生长过程中所需的肥料和合适的施肥时间；
③在医学上，可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围；
④在生物科学研究方面，放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密，阐明生命活动的物质基础，起了极其重要的作用，使生物化学从静态进入动态，从细胞水平进入分子水平。

[特别提醒] 在利用放射性的同时，要注意保护生态环境，从而实现可持续发展。

[试身手]
3．(多选)关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是( )
A．作为示踪原子是利用了放射性同位素贯穿能力很强的性质
B．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
C．γ射线探伤利用了γ射线贯穿能力很强的性质
D．γ射线探伤利用了γ射线电离能力很强的性质
解析：选BC 作为示踪原子是利用放射性同位素放出的射线可被仪器探测到的特点，利用γ射线探伤是利用了γ射线的贯穿能力强的性质，正确选项为B、C。

[典例1]
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204
80Hg ，反应过程可能有两种： ①生成202
78Pt ，放出氦原子核； ②生成202 78Pt ，同时放出质子、中子。

(3)生成的202
78Pt 发生两次衰变，变成稳定的原子核汞202
80Hg 。

写出上述核反应方程。

[思路点拨] 根据每个过程中已知的原子核、粒子，依据电荷数和质量数守恒的原则写出核反应的方程。

[解析] 根据质量数守恒、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)9
4Be ＋1
1H→9
5B ＋1
0n (2)①204
80Hg ＋1
0n→202
78Pt ＋3
2He ②204
80Hg ＋1
0n→202
78Pt ＋21
1H ＋1
0n (3)202
78Pt→202
79Au ＋ 0
－1e ，
202 79
Au→202 80Hg ＋ 0
－1e
[答案] 见解析
在涉及核反应写核反应方程的问题中，需根据电荷数、质量数守恒，依据已知的原子核、粒子写出未知原子核(或粒子)的电荷数和质量数，然后确定是何种原子核(或粒子)。

[典例2] 只不过40几种，而今天人工制造的同位素已达1 000多种，每种元素都有放射性同位素，放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等许多方面得到广泛应用。

(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)如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，若工厂生产的是厚度为1 mm 的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起控制作用的是________射线。

[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，所以使验电器所带电荷消失。

应选B 项。

(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度为1 mm 的铝板，因而探测器不能探到；γ射线穿透本领最强，穿透1 mm 厚的铝板和几毫米厚铝板在探测器上很难分辨；β射线也能穿透几毫米厚的铝板，但厚度不同，穿透铝板后β射线中的电子数目不同，探测器容易
分辨。

[答案] (1)B (2)β
[课堂对点巩固]
1．原子核A Z X与氘核21H反应生成一个α粒子和一个质子。

由此可知( )
A．A＝2，Z＝1 B．A＝2，Z＝2
C．A＝3，Z＝3 D．A＝3，Z＝2
解析：选D 写出核反应方程：A Z X＋21H→42He＋11H，由质量数守恒和电荷数守恒，列方程A ＋2＝4＋1，Z＋1＝2＋1，解得：A＝3，Z＝2，故答案为D。

2．(多选)用γ刀治疗肿瘤时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”。

据报道，我国自己研制了旋式γ刀，已进入各大医院为患者服务。

γ刀治疗脑肿瘤主要是利用( )
A．γ射线具有很强的贯穿本领
B．γ射线具有很强的电离作用
C．γ射线具有很高的能量
D．γ射线能很容易地绕过阻碍物到达目的地
解析：选AC γ射线是一种波长很短的电磁波，不容易发生衍射现象，它具有较高的能量，贯穿本领很强，但它的电离作用很小。

γ刀治疗肿瘤是应用了其贯穿本领和很高的能量，故A、C正确。

3．(多选)关于放射性同位素，以下说法正确的是( )
A．放射性同位素与放射性元素一样，都具有一定的半衰期，衰变规律一样
B．放射性同位素衰变可生成另一种新元素
C．放射性同位素只能是天然衰变时产生的，不能用人工方法制得
D．以上说法均不对
解析：选AB 放射性同位素也具有放射性，半衰期也不受物理和化学因素的影响，衰变后形成新元素，选项A、B正确；现在的大部分放射性同位素都是人工转变后获得的，C、D错误。

4．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，这一实验说明了( )
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．氮原子核很小，α粒子接近氮原子核的机会很少
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：选C 氮原子核很小，所以α粒子接近氮原子核的机会很少，使得发生反应的机会很少，也就是径迹分叉的机会很少，故正确选项为C。

­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­[课堂小结]­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­
[课时跟踪检测十五]
一、单项选择题
1．威耳逊云室能够观察到射线径迹，是利用( )
A．射线在云室里的穿透本领
B．射线在云室里的化学效应
C．射线在云室里的热效应
D．射线在云室里的电离作用
解析：选D 威耳逊云室内的酒精蒸气达到过饱和状态时，如果有射线粒子从室内气体中飞过，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，这些雾滴沿射线经过的路线排列，就显示出了射线的径迹。

正确选项为D。

2．关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是( )
A．利用γ射线使空气电离，消除静电
B．利用α射线照射植物的种子，使产量显著增加
C．利用α射线来治肺癌、食道癌
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，可以作为示踪原子
解析：选D β或α射线的电离本领较大，可以消除工业上有害的静电积累，选项A 错误；β射线或γ射线的穿透性强，可以用来辐射育种、辐射保鲜、消毒杀菌和医治肿瘤等，选项B、C错误；放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，可以作为示踪原子，选项D正确。

3．用中子轰击铝27，产生钠24和X粒子，钠24具有放射性，它衰变后变成镁24，则X粒子和钠的衰变过程分别是( )
A．质子、α衰变 B．电子、α衰变
C．α粒子、β衰变 D．正电子、β衰变
解析：选C 实现原子核的人工转变，核反应前后质量数、电荷数守恒。

中子轰击铝27的核反应方程为：2713Al＋10n→2411Na＋42He，钠24衰变后变成镁24的核反应方程为：2411Na→2412Mg ＋0－1e，所以X粒子是α粒子，钠的衰变为β衰变，选项C正确。

4．在下列4个核反应方程中，x表示质子的是( )
A.3015P→3014Si＋x
B.238 92U→234 90Th＋x
C.2713Al＋10n→2712Mg＋x
D.2713Al＋42He→3015P＋x
解析：选C 由质量数守恒和电荷数守恒知，A中x为正电子0＋1e，B中x为42He，C中x 为质子11H，D中x为中子10n。

故C正确。

5.用α粒子照射充氮的云室，得到如图所示的照片，下列说法中正确的是( )
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
解析：选D α粒子轰击氮核产生一个新核并放出质子，入射的是α粒子，所以B是α粒子的径迹，产生的新核质量大电离作用强，所以径迹粗而短，故A是新核径迹，质子电离作用弱一些，贯穿作用强，所以细而长的径迹是质子的径迹，所以正确选项为D。

6．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＋10n
②14 7N＋42He―→17 8O＋X2
③94Be＋42He→12 6C＋X3
④2412Mg＋42He→2713Al＋X4
以下判断正确的是( )
A．X1是质子 B．X2是中子
C．X3是电子 D．X4是质子
解析：选D 由质量数和电荷数守恒可知：X1是21H(氘核)；X2是11H(质子)；X3是10n(中子)；X4是11H(质子)；故选项D正确。

7.如图，科学史上一张著名的实验照片，显示一个带电粒子在云室
中穿过某种金属板运动的径迹，云室放置在匀强磁场中，磁场方向垂直
照片向里。

云室中横放的金属板对粒子的运动起阻碍作用。

分析此径迹
可知粒子( )
A．带正电，由下向上运动
B．带正电，由上向下运动
C．带负电，由上向下运动
D．带负电，由下向上运动
解析：选A 由题图可以看出粒子在金属板上方的运动半径比在金属板下方时小，由带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式R ＝mv
qB
，可知粒子在金属板上方运动的速率小，所以粒子由下往上运动，B 、C 错误；磁场方向垂直照片向里，结合粒子运动方向，根据左手定则可知粒子带正电，A 正确，D 错误。

二、多项选择题
8．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
解析：选CD 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，A 、B 错误；C 、D 两项是利用放射性同位素作为示踪原子，C 、D 正确。

9．用盖革—米勒计数器测定放射源的放射强度为每分钟404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放射性元素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：选AC 因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14，说明10天后放射性元素的原子核个数只有原来的1
4，由半衰期公式知，
已经过了两个半衰期，故半衰期是5天。

选项C 正确，D 错误。

10．把放射性同位素作为示踪原子，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
解析：选ABC 放射性同位素作为示踪原子，主要是用放射性同位素替代没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物的过程，既要利用同位素间化学性质相同，也要利用衰变规律不受物理、化学变化的影响，同时还要考虑放射性的危害，因此，选项A 、B 、C 正确，选项D 错误。

三、非选择题
11．在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子，把粒子符号分别填在下列核反应式的横线上。

(1)238
92U→234
90Th ＋________； (2)9
4Be ＋4
2He→12
6C ＋________； (3)234
90Th→234
91Pa ＋________；
(4)235
92U ＋________→141
56Ba ＋92
36Kr ＋31
0n ； (5)14
7N ＋1
0n→14
6C ＋________。

解析：在核反应过程中，遵循反应前后电荷数守恒、质量数守恒规律。

对参与反应的所有基本粒子采用左下角(电荷数)配平，左上角(质量数)配平。

未知粒子可根据其电荷数和质量数确定。

(1)中未知粒子的电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(4
2He)，同理，确定其他粒子分别为：(2)中子(1
0n)，(3)电子(
0－1e)，(4)中子(1
0n)，(5)质子(11H)。

答案：(1)4
2He (2)1
0n (3)
0－1e (4)1
0n (5)1
1H
12．一个原来静止的锂核(6
3Li)俘获一个速度为7.7×104
m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核。

已知氚核的速度大小为1.0×103
m/s ，方向与中子的运动方向相反。

(1)试写出核反应方程； (2)求出氦核的速度。

解析：(1)6
3Li ＋1
0n ―→3
1H ＋4
2He 。

(2)由动量守恒定律得
m n v 0＝－m H v 1＋m He v 2
则v 2＝
m n v 0＋m H v 1m He
≈2×104
m/s 。

答案：(1)6
3Li ＋1
0n ―→3
1H ＋4
2He (2)2×104
m/s。