【新步步高】2015-2016学年高二物理人教版选修3-5学案：第十九章 3、4 探测射线的方法、放射性的应用与防护

3探测射线的方法
4放射性的应用与防护
[目标定位] 1.了解探测射线的几种方法，熟悉探测射线的几种仪器.2.知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素.3.了解放射性在生产和科学领域的应用.4.知道核反应及其遵从的规律，会正确书写核反应方程．
一、探测射线的方法
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(2)气泡室(3)盖革－米勒计数器
二、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．
2．遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒．
3．原子核的人工转变
1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素，同时产生了一个质子，核反应方程：42He＋147N―→178O＋11H，第一次实现了原子核的人工转变．
三、人工放射性同位素
1．有些同位素具有放射性，叫放射性同位素．
2．1934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.方程42He＋2713Al―→3015P＋10n.
想一想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．因为半衰期短的放射性废料容易处理．
四、放射性同位素的应用
1．在工业上可以用γ射线来探测工件内部裂痕，称为γ探伤，也可以用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，从而培育出新品种．
2．农业上利用3015P作为示踪原子来研究农作物对磷肥的吸收情况．
3．辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，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．
想一想原子核的人工转变与放射性元素的衰变有何区别？
答案原子核的人工转变是指在其他粒子轰击下变成新核的过程，放射性元素的衰变是指核自动转化为新核的过程．
一、探测射线的方法
1．利用威尔逊云室
(1)α粒子显示的径迹直而粗
因为α粒子带电荷量多，它的电离本领强，穿越云室时，在1cm路程上能使气体分子产生104对离子，过饱和酒精蒸气凝结在这些离子上，形成很粗的径迹．且由于α粒子质量大，穿越云室时不易改变方向，所以显示的径迹很直．
(2)β粒子显示的径迹
β粒子的质量小，跟气体碰撞时容易改变方向，并且电离本领小，沿途产生的离子少，所以高速β粒子的径迹又细又直，低速β粒子的径迹又短又粗而且是弯曲的．
(3)γ粒子的电离本领更小，在云室中一般看不到它的径迹．
2．利用气泡室
气泡室装的是过热液体，粒子经过液体时有气泡形成，显示粒子的径迹．
3．盖革·米勒计数器
当某种粒子经过管中时，管内气体分子电离，产生电子，这些电子到达阳极，正离子到达阴极，在外电路中产生了一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来．
例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
答案 D
解析在云室中显示粒子径迹是由于引起气体电离，电离作用强的α粒子容易显示其径迹，因质量较大，飞行时不易改变方向，所以径迹直而粗，故只有D正确．
借题发挥三种射线粒子肉眼都看不见，探测射线粒子的方法都是利用它们和其他物质发生作用时产生的现象，来显示射线粒子的存在．
二、核反应及核反应方程
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．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
N＋42He―→178O＋11H
7
(2)1932年查德威克发现中子的核反应：
9
Be＋42He―→126C＋10n
4
(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：2713Al＋42He―→3015P＋10n；3015 P―→3014Si＋0＋1e.
4．人工转变核反应与衰变的比较
(1)不同点：人工转变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完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子和正电子的．
(1)105B＋42He―→137N＋()
(2)94Be＋()―→126C＋10n
(3)2713Al＋()―→2712Mg＋11H
(4)147N＋42He―→178O＋()
(5)2311Na＋()―→2411Na＋11H
(6)2713Al＋42He―→10n＋()；3015P―→3014Si＋()
答案(1)10n(2)42He(3)10n
(4)11H(5)21H(6)3015P，0＋1e
解析(1)105B＋42He―→137N＋10n
(2)94Be＋42He―→126C＋10n
此核反应使查德威克首次发现了中子．
(3)2713Al＋10n―→2712Mg＋11H
(4)147N＋42He―→178O＋11H
此核反应使卢瑟福首次发现了质子．
(5)2311Na＋21H―→2411Na＋11H
(6)2713Al＋42He―→10n＋3015P；
30
P―→3014Si＋0＋1e(正电子)
15
此核反应使约里奥—居里夫妇首次发现了正电子．
借题发挥书写核反应方程四条重要原则
(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)能量守恒(中学阶段不做要求)；
(4)核反应必须是实验中能够发生的．
针对训练以下是物理学史上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．
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．人造放射性同位素的优点
(1)放射强度容易控制．(2)可以制成各种所需的形状．(3)半衰期很短，废料容易处理．3．放射性同位素的主要作用
(1)工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性．
(2)农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死腐败细菌、抑制发芽等．
(3)做示踪原子——利用放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质．
例3下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的()
A．γ射线探伤仪
B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
C．利用钴60治疗肿瘤等疾病
D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律
答案BD
解析A是利用了γ射线的穿透性；C利用了γ射线的生物作用；B、D是利用示踪原子．借题发挥利用放射性同位素作示踪原子一是利用了它的放射性，二是利用放射性同位素放出的射线．
探测射线的方法
1．关于威耳逊云室探测射线，下述说法正确的是()
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且直的是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
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且直，即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，D错．
核反应方程
2．下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是()
A.94Be＋42He―→126C＋X
B.147N＋42He―→178O＋X
C.20480Hg＋10n―→20278Pt＋211H＋X
D.23992U―→23993Np＋X
答案AC
解析根据核反应方程质量数和电荷数守恒可得．
3．[2013·新课标35(1)]一质子束入射到静止靶核2713Al上，产生如下核反应：
P＋2713Al―→X＋n式中P代表质子，n代表中子，X代表核反应产生的新核．由反应式可知，新核X的质子数为________，中子数为________．
答案1413
解析根据核反应过程电荷数守恒和质量数守恒，新核X的质子数为1＋13－0＝14，质量数为1＋27－1＝27，所以中子数＝27－14＝13.
放射性同位素的应用
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1000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
图19－3、4－1
(2)图19－3、4－1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．
(3)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的结晶是同一种物质，为此曾采用放射性同位素14C做________．
答案(1)B(2)β(3)示踪原子
解析(1)因放射线的电离作用，空气中的与验电器所带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．
(3)把掺入14C的人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经过多次重新结晶后，得到了放射性14C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完全融为一体，它们是同一种物质．这种把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，从而可以了解某些不容易查明的情况或规律．人们把作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．
(时间：60分钟)
题组一射线的探测及应用
1．下列关于放射线的探测说法错误的是()
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
答案 D
2.
图19－3、4－2
用α粒子照射充氮的云室，摄得如图19－3、4－2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
答案 D
解析α粒子轰击氮的核反应方程为42He＋147N→178O＋11H，入射的是α粒子，所以B是α粒子产生的径迹，质量大电离作用强的新核178O，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.
3．医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA 抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是()
A．示踪原子B．电离作用
C．催化作用D．贯穿作用
答案 A
解析用14C标记C60来查明元素的行踪，发现可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是作示踪原子，故选项A正确．
4．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，即选项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．
5．近几年，我国北京、上海、山东、洛阳、广州等地引进了十多台γ刀，治疗患者5000余例，效果极好，成为治疗脑肿瘤的最佳仪器．令人感叹的是，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半个小时内完成手术，无须住院，因而γ刀被誉为“神刀”．据报道，我国自己研究的旋式γ刀性能更好，将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
答案AC
6．目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装修材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病．根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是()
A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就一定剩下一个原子核了
B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的
C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力也最强
D．发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4
答案 B
解析半衰期是对大量原子核的统计规律，A项错误；β衰变是核内中子转化来的，B项正确；γ射线的电离作用弱，C错误；对α衰变，质量数减少4，中子数减少2，D错误．
题组二核反应方程
7．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．
8．用中子轰击氧原子核的核反应方程式为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三项错误．
9．一个质子以1.0×107m/s的速度撞一个静止的铝原子核后被俘获，铝原子核变成硅原子核．已知铝原子核的质量是质子的27倍，硅原子核的质量是质子的28倍，则下列判断正确的是()
A．核反应方程为2713Al＋11H―→2814Si
B．核反应方程为2713Al＋10n―→2814Si
C．硅原子核速度的数量级为107m/s，方向跟质子的初速度方向一致
D．硅原子核速度的数量级为105m/s，方向跟质子的初速度方向一致
答案AD
解析由核反应中电荷数和质量数守恒可知A选项正确、B选项错误；由动量守恒定律求得硅原子速度的数量级为105m/s，即D选项正确．
10．(2013·上海，21)放射性元素21084Po衰变为20682Pb，此衰变过程的核反应方程是________；用此衰变过程中发出的射线轰击199F，可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是________．
答案21084Po―→20682Pb＋42He
42He ＋199F ―→2210Ne ＋11H
解析 根据衰变规律，此衰变过程的核反应方程是21084Po ―→20682Pb ＋42He.用α射线轰击199F ，
可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是：42He ＋199F ―
→2210Ne ＋11H.
题组三 综合应用
11．将威耳逊云室置于磁场中，一个静止在磁场中的放射性同位素原子核3015P ，放出一个正电子后变成原子核3014Si ，如图所示能近似反映正电子和Si 核轨迹的是( )
答案 B
解析 把放出的正电子和衰变生成物Si 核看成一个系统，衰变过程中系统的动量守恒，放出的正电子的方向跟Si 核运动方向一定相反．由于它们都带正电荷，在洛伦兹力作用下一定形成两个外切圆的轨道，C 、D 可排除．
因为洛伦兹力提供向心力，即q v B ＝m v 2r
. 所以做匀速圆周运动的半径为r ＝m v qB
. 衰变时，放出的正电子与反冲核Si 的动量大小相等，因此在同一个磁场中做圆周运动的半
径与它们的电荷量成反比，即r e r Si ＝q Si q e ＝141
.可见正电子运动的圆半径较大． 12．1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用6027Co 的衰变来
验证，其核反应方程是6027Co ―→A Z Ni ＋
0－1e ＋νe .其中νe 是反中微子，它的电荷量为零，静止
质量可认为是零．
(1)在上述衰变方程中，衰变产物A Z Ni 的质量数A 是________，核电荷数Z 是________．
(2)在衰变前6027Co 核静止，根据云室照片可以看出，衰变产物Ni 和
0－1e 的运动径迹不在一条直线上，如果认为衰变产物只有Ni 和
0－1e ，那么衰变过程将违背________守恒定律． (3)6027Co 是典型的γ放射源，可用于作物诱变育种．我国应用该方法培育出了许多农作物新品种，如棉花高产品种“鲁棉1号”，年种植面积曾达到3000多万亩，在我国自己培育的
棉花品种中栽培面积最大．γ射线处理作物后主要引起________，从而产生可遗传的变异．答案(1)6028(2)动量(3)基因突变
解析(1)根据质量数和电荷数守恒，核反应方程写成：6027Co―→6028Ni＋0－1e＋νe，由此得出两空分别为60和28.
(2)衰变过程遵循动量守恒定律．原来静止的核动量为零，分裂成两个粒子后，这两个粒子的动量和应还是零，则两粒子径迹必在同一直线上．现在发现Ni和0－1e的运动径迹不在同一直线上，如果认为衰变产物只有Ni和0－1e，就一定会违背动量守恒守律．
(3)用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生突变，从而培育出优良品种．
13．1934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正电子．
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。