高中物理人教版教学案：第十九章 第3、4节 探测射线的方法 放射性的应用与防护

第3、4节探测射线的方法__放射性的应用与防护1．1912年英国物理学家威耳逊发明了威耳逊云室。

2．射线可使气体或液体电离，使照相乳胶感光，使荧光物质产生荧光。

3．原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。

4．在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒。

5．1928年由德国物理学家盖革与米勒研制成功了用于探测射线的盖革－米勒计数器。

6．1934年，约里奥—居里夫妇发现了人工放射性同位素。

7．放射性同位素有很多应用，如应用它的射线，或把它作为示踪原子；放射性同位素也有很多危害。

过量的射线对人体组织有破坏作用，同时对水源、空气等也有污染。

一、探测射线的方法1．探测方法(1)组成射线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)射线能使照相乳胶感光。

(3)射线能使荧光物质产生荧光。

2．探测仪器(1)威耳逊云室①原理：粒子在云室内气体中飞过，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，于是显示出射线的径迹。

②粒子径迹形状：(2)气泡室：气泡室的原理同云室的原理类似，所不同的是气泡室里装的是液体，如液态氢。

粒子通过过热液体时，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①原理：在金属丝和圆筒间加上一定的电压，这个电压稍低于管内气体的电离电压，当某种射线粒子进入管内时，它使管内的气体电离，产生电子……这样，一个射线粒子进入管中后可以产生大量电子，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。

②优点：G­M计数器非常灵敏，使用方便。

③缺点：只能用来计数，不能区分射线的种类。

二、核反应和放射线的应用与防护1．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)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，同时产生一个质子。

卢瑟福发现质子的核反应方程：14 7N＋42He→17 8O＋11H。

遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。

2．人工放射性同位素(1)放射性同位素的定义：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。

(2)人工放射性同位素的发现：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。

(3)发现磷同位素的方程：42He＋2713Al→3015P＋10n。

3．放射性同位素的应用与防护(1)应用射线应用射线可以测厚度、医疗方面的放射治疗、照射种子培育优良品种等。

(2)示踪原子：有关生物大分子的结构及其功能的研究，要借助于示踪原子。

(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。

1．自主思考——判一判(1)云室和气泡室都是应用射线的穿透能力研究射线的轨迹。

(×)(2)盖革－米勒计数器既可以统计粒子的数量，也可以区分射线的种类。

(×)(3)衰变和原子核的人工转变均满足质量数守恒和电荷数守恒。

(√)(4)医学上利用射线进行放射治疗时，要控制好放射的剂量。

(√)(5)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。

(√)(6)同一种元素的放射性同位素具有相同的半衰期。

(×)2．合作探究——议一议(1)如何利用云室区别射线的种类？提示：利用射线在云室中的径迹区别，直而粗的为α射线，细而长的为β射线。

(2)衰变和原子核的人工转变有什么不同？提示：衰变是具有放射性的不稳定核自发进行的变化，原子核的人工转变是利用α粒子、质子、中子或γ光子轰击靶核发生的变化。

所有的原子核都可能发生人工转变。

(3)医学上做射线治疗用的放射性元素，使用一段时间后当射线强度降低到一定程度时就需要更换放射材料，原来的材料成为核废料，这些放射治疗选用的放射性元素的半衰期应该很长还是较短？为什么？提示：应选用半衰期较短的。

因为半衰期短的放射性废料容易处理。

当然也不能选用太短的，否则就需要频繁更换放射原料了。

[典例] (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[思路点拨] 解答本题时应注意以下两点：(1)根据α射线、β射线的穿透能力确定射线的种类。

(2)由半衰期的定义求出该元素的半衰期。

[解析] 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] AC1．(多选)下列关于放射线的探测说法中正确的是( )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也是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性质解析：选ABC 气泡室探测射线原理与云室探测射线原理类似，不同的是气泡室中是在射线经过时产生气泡来显示射线径迹的，故选项A正确；由气泡室内径迹中气泡的多少及径迹在磁场中的弯曲方向等，可分析射线的带电、动量、能量等情况，故选项B正确；盖革－米勒计数器利用射线电离作用，产生电脉冲进而计数，所以选项C正确；由于对于不同射线产生的脉冲现象相同，因此计数器只能用来计数，不能分析射线的性质，所以选项D错误。

2.如图19­3­1是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( )图19­3­1A ．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轨道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。

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个典型核反应(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应：147N ＋42He→17 8O ＋11H (2)1932年查德威克发现中子的核反应：94Be ＋42He→12 6C ＋10n(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 ；3015P→3014Si ＋01e 。

4．人工转变核反应与衰变的比较[典例] 1993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202 78Pt。

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。

[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)94Be＋11H→95B＋10n。

(2)①204 80Hg＋10n→202 78Pt＋32He。

②204 80Hg＋10n→202 78Pt＋211H＋10n。

(3)202 78Pt→202 79Au＋0－1e，202 79Au→202 80Hg＋0－1e。

[答案] 见解析写核反应方程时应注意以下三点(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)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰。

(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。

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＝2C．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．以下是物理学史上3个著名的核反应方程x＋73Li→2y y＋14 7N→x＋17 8Oy＋94Be→z＋12 6Cx、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．电子解析：选C 把前两个方程化简，消去x，即14 7N＋73Li→y＋17 8O，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。

3．1956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放射源进行了实验验证。

次年李、杨两人为此获得诺贝尔物理奖。

6027Co的衰变方程是6027Co→A Z Ni＋0－1e＋νe，其中νe是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可以认为是零。

6027Co的核外电子数为________，在上述衰变方程中，衰变产物AZ Ni的质量数是________，核电荷数是________。

解析：6027Co的核外电子数为27。

由质量数守恒，知A Z Ni的质量数为A＝60。

由核电荷数守恒，知A Z Ni的核电荷数为Z＝27＋1＝28。

答案：27 60 281．分类可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素两种，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，每种元素都有自己的放射性同位素。

2．人工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)半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理。

因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素。

3．放射性同位素的主要应用(1)利用它的射线：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，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等。