选修3-5第十九章原子核 探测射线的方法、放射性的应用与防护 教学课件
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研究等. 棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥， 把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸 收．但是，什么时候的吸收率最高、磷在作 物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分 布情况等，用通常的方法很难研究．如果用 磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上， 然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位 的放射性强度，上面的问题就很容易解决．
“机遇只偏爱有准备的头脑”
中子的发现，有重大的意义，中子不带电，用它去轰 击原子核，不受库仑力的影响，是研究原子核的强有 力的“炮弹”。在此以前，可供研究用的“炮弹”只 有天然放射元素发出的α、β、γ三种射线，中子流则 是穿透本领更大，轰击原子核更有效的“炮弹”，人 们用它轰击各种原子核，获得许许多多人工放射性同 位素，用它轰开铀核，实现了原子能的利用。
2、与天然的放射性物质相比，人造放射性 同位素： 放射强度容易控制
可以制成各种需要的形状
半衰期更短 放射性废料容易处理
3、放射性同位素的应用
（1）利用它的射线
A、由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金 属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤 仪． B、利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来 检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等， 从而实现自动控制 C、利用射线使空气电离而把空气变成导电气体， 以消除化纤、纺织品上的静电 D、利用射线照射植物，引起植物变异而培育良 种，也可以利用它杀菌、治病等
1 Be+ 4 He12 C+ 0 n 2 6
2、放射性同位素的应用
实验时，加入少量酒精， 使酒精蒸汽达到过饱和 状态。
a射线在云室中的径迹：直而粗
原因：a粒子质量大，不易改变方向，电离 本领大，沿涂产生的粒子多
ß射线在云室中的径迹：比较细，而且常 常弯曲 原因：粒子质量小，跟气体碰撞易改变 方向，电离本领小，沿途产生的离子少
二、气泡室-----高能物理实验的最风行的探测设备
19.3 探测射线的方法
射线中的粒子与其它物质作用会产生的现 象： 1、粒子使气体或液体电离，以这些 离子为核心，过饱和汽会产生云雾， 过热液体会产生气泡 2、使照相底片感光
3、使荧光物质产生荧光
一、威尔逊云室：
利用射线的电离本领 构造：一个圆筒状容器， 低部可以上下移动，上 盖是透明的，内有干净 空气
9 4
Be+ He C+ n
4 2 12 6 1 0
一、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，------------核反应 2、规律：在核反应中，质量数和电荷数都守恒 3、几个人工核转变方程
14 7
N+ He
4 2
17 8
O+ H
1 1
9 4
Be+ He C+ n
为了认定新粒子，把新粒子引进电场和磁场，测出了它的质量 和电量，确认与氢核相同：带有一个单位的正电量，质量是电 子质量的1800 多倍。卢瑟福把它叫做质子．质子的符号是 H 或P 在云室里做卢瑟福实验，还可以根据径迹了解整个人工转变的 过程．英国物理学家布拉凯特在所拍摄的两万多张照片的40多 万条α粒子径迹中，发现了８条产生分叉的记录． 分叉情况表明，α粒子击中氮核后，生成一个新核， 同时放出质子。新核的电量较大速度较慢，径迹短而粗； 质子速度大，电量小，故径迹细而长．根据核反应中质量 数守恒和电荷数守恒，可以写出这个发现质子的核反应方 程并得知氮核放出质子后变成了氧核．
材料——中子的发现
1931年，约里奥夫妇重复了玻特和贝克的实验，并用这种 未知射线去轰击石蜡。结果竟从中打出能量约5.7 MeV的质 子．这是异常惊人的新发现，因为其行为完全不同于γ射线，γ 射线只能打出电子而打不出质子，γ光子的质量近乎０，电子也 很轻，光子撞击电子，使它动起来是合乎常理的，但质子质量 是电子的1800倍，一颗子弹怎么能撞动一辆汽车呢？如果认为 轰击石蜡的射线是γ射线，那么光子的能量应达55 MeV，这与 实际测得的射线能量10 MeV相去甚远．这射线在向约里奥夫妇 招手呼喊：我不是γ射线……！可惜的是，他们擦肩而过，无缘 相识。面对55eV与10eV的矛盾 ，他们还是十分牵强地解释为其 它的原因，并于1932年１月11日向巴黎科学院提交了实验情况 和对未知射线判定为γ射线的结论。
人体甲状腺的工作需要碘．碘被吸收后会聚 集在甲状腺内．给人注射碘的放射性同位素 碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻 近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器 质性和功能性疾病．
（3）放射性污染和防护
原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污染， 在利用放射性同位素给病人做“放疗”时，如 果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈， 导致病人因放射性损害而死去。有些矿石中含 有过量的放射性物质，如果不注意也会对人体 造成巨大的危害。
正
强
弱
4 2
He
C/10
氦核流
负
弱
强
0 1
e
接近C
电子流
中
最弱
极强
ຫໍສະໝຸດ Baidu光子
C
光子流
例： 天然放射性元素 Th (钍)经过一系列α 208 衰变和β衰变之后变成 82 Pb （铅）．下列 论断中正确的是（ BD ） A.铅核比钍核少24个中子 B.铅核比钍核少8个质子
232 90
C.衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变
如图是《北京青年报》2001年9月 6日的一则报道。
核反应堆外层的厚厚的水泥建筑
小结：
1、核反应基本上可分为两大类：
一是自然衰变（天然放射性衰变），
238 92
14 7
9 4
U Th+ He
234 90 4 2
（发现质子的核反应） （发现中子的核反应）
二是人工衰变（人工转变）
N+ 4 He17 O+1 H 2 8 1
D.衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变
在下列核反应方程中,X代表质子的 方程是（BC）
(A) Al+ He P + X 14 4 17 (B) 7 N +2 He 8 O + X 2 1 (C)1 H + 0 n + X 3 4 (D)1 H + X2 He+10 n
27 13 4 2 30 15
复习回顾：
1、什么是原子核的衰变？
原子核放出a粒子或ß粒子，由于核电荷 数变了，而变成另一种原子核。
2、原子核的衰变有什么样的规律 1）、衰变时电荷数和质量数都守恒 2）、衰变过程不可逆，所以用箭头，不用等号
3）、由实验决定，不凭空编造
复习回顾：
名称 带电 性 电离 能力 穿透 能力 构成 速度 实质
半衰期、它表征放射性元素的原子核有 一半发生衰变所需的时间。它是从大量 原子核衰变中得出的统计规律，对个别 的放射性原子核的衰变无实际物理意义。 半衰期由原子核的内部因素决定，与外 界条件及与物质的物理、化学状态无关。 即使处于物理运动，化学变化中也不会 影响它的半衰期。因此它是反映某种元 素原子核特征的重要物理量。
19.4 放射性的应用与防护
问题情景： 为了使水果、蔬菜或其它的食物能存放的 时间长一些，能在长时间保持新鲜，你有 什么办法？ 辐 射 方 法 处 理 粮 食
一、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，------------核反应 2、规律：在核反应中，质量数和电荷数都守恒
27 13
Al+ He P+ n
4 2 30 15 1 0
反应生成物P是磷的一种同位素，也有放射性， 像天然放射性元素一样发生衰变，衰变时放出 正电子，核衰变方程如下：
30 15
P Si + e
30 14 0 1
用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重 要的发现．后来人们用质子、氘核、中子和光 子轰击原子核，也得到了放射性同位素．
气泡室是由一密闭容器 组成，容器中盛有工作 液体
液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在 一定的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，液 体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液 体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰 撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在 复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形 成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长 大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进 行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得 到记录有高能带电粒子轨迹的底片。 照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液 体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状 态，准备作下一次探测。
气泡室的优点： 气 泡 室 中 带 电 粒 子 的 径 迹
它的空间和时间 分辨率高；
工作循环周期短， 本底干净、径迹清 晰，可反复操作。
但也有不足之处：
那就是扫描和测 量时间还嫌太长； 体积有限，而且 甚为昂贵，
三、盖革-米勒计数器
一种能自动把放射 微粒计数出来的仪 器，利用了射线的 电离本领
材料——中子的发现
1932年１月底，查得威克得到这一 论文，约里奥夫妇的实验使他心跳，他 认为约里奥夫妇的结论肯定有误，违反 能量守恒啊！他敏感到这很可能是导师 卢瑟福预言、自己苦苦寻找了12年的中 子。他决定用云室的方法探测射线的速 度和质量。 他先测出射线的速度不到光速的十分之一，排除了是γ 射线的可能，又用弹性碰撞动量守恒的方法测出不带电粒 子的质量与质子质量差不多。他还根据自旋确定不带电的 粒子不可能是由质子和电子组合而成，只能是另一种新的 独立粒子，他称之为中子。就这样，仅用了十天时间，成 功地证实了这种中性射线就是中子流。他当之无愧地成为 “中子之父”，并因此获1935年诺贝尔物理奖。
被不同剂量γ射线照射后的马铃薯8个月后的
情况，左上方的马铃薯没经过γ射线照射，右下
方的被γ射线照射的剂量最大，左下方保存最好的
马铃薯被γ射线照射的剂量适中。
“鲁棉一号”就是山东省棉花研究所的科技人 员应用放射性同位素钴-60放出的伽玛射线处 理棉花杂交的后代育成的．
（2）作为示踪原子：用于工业、农业及生物
材料——质子的发现
用α粒子、质子、中子等去轰击其它元素的原子核，也都产 生类似的转变，并产生质子，说明质子是各种原子核里都有 的成分，质子是人类继电子、光子后发现的第三个基本粒子。
14 7
N+ He
4 2
17 8
O+ H
1 1
材料——中子的发现
1930年，德国科学家玻特和贝克用α粒子轰击轻元 素铍核，发现并未发射出质子，而放出了一种新的射 线．这种射线几乎不能使气体电离，在电场和磁场中 也不发生偏转，是不带电的，射线的贯穿能力强，他 们认为这是γ射线．经检测，射线的能量在10ＭeV左 右，远大于天然放射物质衰变时发出的γ射线的能量．
4 2 12 6 1 0
二、人工放射性同位素及其应用
1、放射性同位素
天然存在的放射性元素只有四十几种，但用人工方法得到的 放射性性同位素又一千多种，因而放射性同位素有着广泛的 用途。由于同位素的核电荷数相同，所以化学性质相同。
材料
1934年，约里奥· 居里和伊丽芙· 居里在用粒子轰击铝箔时，除 探测到预料中的中子外，还探测到了正电子，正电子的质量 跟电子相同，所带电荷与电子相反，为一个单位的正电荷， 更意外的是，拿走放射源后，铝箔虽不再发射中子，但仍继 续发射正电子，而且这种放射性也有一定的半衰期．原来， 铝核被粒子击中后发生了下面的反应
材料——质子的发现
卢瑟福在实验中发现，往容器Ｃ中通入氮气后，在荧光屏Ｓ 上出现了闪光，这表明，有一种新的能量比α粒子大的粒子穿 过铝箔，撞击在Ｓ屏上，这种粒子肯定是在α粒子击中某个氮 核而使该核发生变化时放出的。这样，卢瑟福通过人工方法 实现了原子核的转变，人类第一次打开了原子核的大门。
材料——质子的发现
“机遇只偏爱有准备的头脑”
中子的发现，有重大的意义，中子不带电，用它去轰 击原子核，不受库仑力的影响，是研究原子核的强有 力的“炮弹”。在此以前，可供研究用的“炮弹”只 有天然放射元素发出的α、β、γ三种射线，中子流则 是穿透本领更大，轰击原子核更有效的“炮弹”，人 们用它轰击各种原子核，获得许许多多人工放射性同 位素，用它轰开铀核，实现了原子能的利用。
2、与天然的放射性物质相比，人造放射性 同位素： 放射强度容易控制
可以制成各种需要的形状
半衰期更短 放射性废料容易处理
3、放射性同位素的应用
（1）利用它的射线
A、由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金 属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤 仪． B、利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来 检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等， 从而实现自动控制 C、利用射线使空气电离而把空气变成导电气体， 以消除化纤、纺织品上的静电 D、利用射线照射植物，引起植物变异而培育良 种，也可以利用它杀菌、治病等
1 Be+ 4 He12 C+ 0 n 2 6
2、放射性同位素的应用
实验时，加入少量酒精， 使酒精蒸汽达到过饱和 状态。
a射线在云室中的径迹：直而粗
原因：a粒子质量大，不易改变方向，电离 本领大，沿涂产生的粒子多
ß射线在云室中的径迹：比较细，而且常 常弯曲 原因：粒子质量小，跟气体碰撞易改变 方向，电离本领小，沿途产生的离子少
二、气泡室-----高能物理实验的最风行的探测设备
19.3 探测射线的方法
射线中的粒子与其它物质作用会产生的现 象： 1、粒子使气体或液体电离，以这些 离子为核心，过饱和汽会产生云雾， 过热液体会产生气泡 2、使照相底片感光
3、使荧光物质产生荧光
一、威尔逊云室：
利用射线的电离本领 构造：一个圆筒状容器， 低部可以上下移动，上 盖是透明的，内有干净 空气
9 4
Be+ He C+ n
4 2 12 6 1 0
一、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，------------核反应 2、规律：在核反应中，质量数和电荷数都守恒 3、几个人工核转变方程
14 7
N+ He
4 2
17 8
O+ H
1 1
9 4
Be+ He C+ n
为了认定新粒子，把新粒子引进电场和磁场，测出了它的质量 和电量，确认与氢核相同：带有一个单位的正电量，质量是电 子质量的1800 多倍。卢瑟福把它叫做质子．质子的符号是 H 或P 在云室里做卢瑟福实验，还可以根据径迹了解整个人工转变的 过程．英国物理学家布拉凯特在所拍摄的两万多张照片的40多 万条α粒子径迹中，发现了８条产生分叉的记录． 分叉情况表明，α粒子击中氮核后，生成一个新核， 同时放出质子。新核的电量较大速度较慢，径迹短而粗； 质子速度大，电量小，故径迹细而长．根据核反应中质量 数守恒和电荷数守恒，可以写出这个发现质子的核反应方 程并得知氮核放出质子后变成了氧核．
材料——中子的发现
1931年，约里奥夫妇重复了玻特和贝克的实验，并用这种 未知射线去轰击石蜡。结果竟从中打出能量约5.7 MeV的质 子．这是异常惊人的新发现，因为其行为完全不同于γ射线，γ 射线只能打出电子而打不出质子，γ光子的质量近乎０，电子也 很轻，光子撞击电子，使它动起来是合乎常理的，但质子质量 是电子的1800倍，一颗子弹怎么能撞动一辆汽车呢？如果认为 轰击石蜡的射线是γ射线，那么光子的能量应达55 MeV，这与 实际测得的射线能量10 MeV相去甚远．这射线在向约里奥夫妇 招手呼喊：我不是γ射线……！可惜的是，他们擦肩而过，无缘 相识。面对55eV与10eV的矛盾 ，他们还是十分牵强地解释为其 它的原因，并于1932年１月11日向巴黎科学院提交了实验情况 和对未知射线判定为γ射线的结论。
人体甲状腺的工作需要碘．碘被吸收后会聚 集在甲状腺内．给人注射碘的放射性同位素 碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻 近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器 质性和功能性疾病．
（3）放射性污染和防护
原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污染， 在利用放射性同位素给病人做“放疗”时，如 果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈， 导致病人因放射性损害而死去。有些矿石中含 有过量的放射性物质，如果不注意也会对人体 造成巨大的危害。
正
强
弱
4 2
He
C/10
氦核流
负
弱
强
0 1
e
接近C
电子流
中
最弱
极强
ຫໍສະໝຸດ Baidu光子
C
光子流
例： 天然放射性元素 Th (钍)经过一系列α 208 衰变和β衰变之后变成 82 Pb （铅）．下列 论断中正确的是（ BD ） A.铅核比钍核少24个中子 B.铅核比钍核少8个质子
232 90
C.衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变
如图是《北京青年报》2001年9月 6日的一则报道。
核反应堆外层的厚厚的水泥建筑
小结：
1、核反应基本上可分为两大类：
一是自然衰变（天然放射性衰变），
238 92
14 7
9 4
U Th+ He
234 90 4 2
（发现质子的核反应） （发现中子的核反应）
二是人工衰变（人工转变）
N+ 4 He17 O+1 H 2 8 1
D.衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变
在下列核反应方程中,X代表质子的 方程是（BC）
(A) Al+ He P + X 14 4 17 (B) 7 N +2 He 8 O + X 2 1 (C)1 H + 0 n + X 3 4 (D)1 H + X2 He+10 n
27 13 4 2 30 15
复习回顾：
1、什么是原子核的衰变？
原子核放出a粒子或ß粒子，由于核电荷 数变了，而变成另一种原子核。
2、原子核的衰变有什么样的规律 1）、衰变时电荷数和质量数都守恒 2）、衰变过程不可逆，所以用箭头，不用等号
3）、由实验决定，不凭空编造
复习回顾：
名称 带电 性 电离 能力 穿透 能力 构成 速度 实质
半衰期、它表征放射性元素的原子核有 一半发生衰变所需的时间。它是从大量 原子核衰变中得出的统计规律，对个别 的放射性原子核的衰变无实际物理意义。 半衰期由原子核的内部因素决定，与外 界条件及与物质的物理、化学状态无关。 即使处于物理运动，化学变化中也不会 影响它的半衰期。因此它是反映某种元 素原子核特征的重要物理量。
19.4 放射性的应用与防护
问题情景： 为了使水果、蔬菜或其它的食物能存放的 时间长一些，能在长时间保持新鲜，你有 什么办法？ 辐 射 方 法 处 理 粮 食
一、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，------------核反应 2、规律：在核反应中，质量数和电荷数都守恒
27 13
Al+ He P+ n
4 2 30 15 1 0
反应生成物P是磷的一种同位素，也有放射性， 像天然放射性元素一样发生衰变，衰变时放出 正电子，核衰变方程如下：
30 15
P Si + e
30 14 0 1
用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重 要的发现．后来人们用质子、氘核、中子和光 子轰击原子核，也得到了放射性同位素．
气泡室是由一密闭容器 组成，容器中盛有工作 液体
液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在 一定的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，液 体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液 体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰 撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在 复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形 成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长 大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进 行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得 到记录有高能带电粒子轨迹的底片。 照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液 体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状 态，准备作下一次探测。
气泡室的优点： 气 泡 室 中 带 电 粒 子 的 径 迹
它的空间和时间 分辨率高；
工作循环周期短， 本底干净、径迹清 晰，可反复操作。
但也有不足之处：
那就是扫描和测 量时间还嫌太长； 体积有限，而且 甚为昂贵，
三、盖革-米勒计数器
一种能自动把放射 微粒计数出来的仪 器，利用了射线的 电离本领
材料——中子的发现
1932年１月底，查得威克得到这一 论文，约里奥夫妇的实验使他心跳，他 认为约里奥夫妇的结论肯定有误，违反 能量守恒啊！他敏感到这很可能是导师 卢瑟福预言、自己苦苦寻找了12年的中 子。他决定用云室的方法探测射线的速 度和质量。 他先测出射线的速度不到光速的十分之一，排除了是γ 射线的可能，又用弹性碰撞动量守恒的方法测出不带电粒 子的质量与质子质量差不多。他还根据自旋确定不带电的 粒子不可能是由质子和电子组合而成，只能是另一种新的 独立粒子，他称之为中子。就这样，仅用了十天时间，成 功地证实了这种中性射线就是中子流。他当之无愧地成为 “中子之父”，并因此获1935年诺贝尔物理奖。
被不同剂量γ射线照射后的马铃薯8个月后的
情况，左上方的马铃薯没经过γ射线照射，右下
方的被γ射线照射的剂量最大，左下方保存最好的
马铃薯被γ射线照射的剂量适中。
“鲁棉一号”就是山东省棉花研究所的科技人 员应用放射性同位素钴-60放出的伽玛射线处 理棉花杂交的后代育成的．
（2）作为示踪原子：用于工业、农业及生物
材料——质子的发现
用α粒子、质子、中子等去轰击其它元素的原子核，也都产 生类似的转变，并产生质子，说明质子是各种原子核里都有 的成分，质子是人类继电子、光子后发现的第三个基本粒子。
14 7
N+ He
4 2
17 8
O+ H
1 1
材料——中子的发现
1930年，德国科学家玻特和贝克用α粒子轰击轻元 素铍核，发现并未发射出质子，而放出了一种新的射 线．这种射线几乎不能使气体电离，在电场和磁场中 也不发生偏转，是不带电的，射线的贯穿能力强，他 们认为这是γ射线．经检测，射线的能量在10ＭeV左 右，远大于天然放射物质衰变时发出的γ射线的能量．
4 2 12 6 1 0
二、人工放射性同位素及其应用
1、放射性同位素
天然存在的放射性元素只有四十几种，但用人工方法得到的 放射性性同位素又一千多种，因而放射性同位素有着广泛的 用途。由于同位素的核电荷数相同，所以化学性质相同。
材料
1934年，约里奥· 居里和伊丽芙· 居里在用粒子轰击铝箔时，除 探测到预料中的中子外，还探测到了正电子，正电子的质量 跟电子相同，所带电荷与电子相反，为一个单位的正电荷， 更意外的是，拿走放射源后，铝箔虽不再发射中子，但仍继 续发射正电子，而且这种放射性也有一定的半衰期．原来， 铝核被粒子击中后发生了下面的反应
材料——质子的发现
卢瑟福在实验中发现，往容器Ｃ中通入氮气后，在荧光屏Ｓ 上出现了闪光，这表明，有一种新的能量比α粒子大的粒子穿 过铝箔，撞击在Ｓ屏上，这种粒子肯定是在α粒子击中某个氮 核而使该核发生变化时放出的。这样，卢瑟福通过人工方法 实现了原子核的转变，人类第一次打开了原子核的大门。
材料——质子的发现