2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核第3節(jié)第4節(jié)探測射線的方法放射性的應(yīng)用與防護(hù)學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE8-第3節(jié)探測射線的方法第4節(jié)放射性的應(yīng)用與防護(hù)1．了解探測射線的幾種方法，熟識探測射線的幾種儀器。2．知道核反應(yīng)及其遵循的規(guī)律，會書寫核反應(yīng)方程。3．知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素。4．了解放射性同位素在科學(xué)與生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，了解輻射過量的危害。一、探測射線的方法探測器材的設(shè)計(jì)思路：放射線中的粒子會使氣體或液體電離，以這些離子為核心，過飽和蒸氣會產(chǎn)生eq\o(□,\s\up3(01))霧滴，過熱液體會產(chǎn)生氣泡。射線中的粒子會使照相乳膠感光。射線中的粒子會使eq\o(□,\s\up3(02))熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光。1．威耳遜云室其結(jié)構(gòu)為一個(gè)圓筒狀容器，上蓋透亮，底部可以上下移動，相當(dāng)于eq\o(□,\s\up3(03))活塞。試驗(yàn)時(shí)先往容器內(nèi)加入少量酒精，使容器內(nèi)充溢酒精的飽和蒸氣，然后快速下拉活塞，氣體快速膨脹，溫度降低，酒精蒸氣達(dá)到eq\o(□,\s\up3(04))過飽和狀態(tài)。粒子穿過該空間時(shí)，沿途使氣體分子eq\o(□,\s\up3(05))電離，過飽和蒸氣就會以這些離子為核心eq\o(□,\s\up3(06))凝成霧滴，于是顯示出射線的徑跡。2．氣泡室與云室原理類似，只是容器里裝的是液體，并限制里面液體的溫度和壓強(qiáng)，使溫度略低于液體的沸點(diǎn)。當(dāng)氣泡室內(nèi)的eq\o(□,\s\up3(07))壓強(qiáng)突然降低時(shí)，液體的eq\o(□,\s\up3(08))沸點(diǎn)變低，因此液體過熱，粒子通過液體時(shí)在它四周就有eq\o(□,\s\up3(09))氣泡形成，顯示出粒子的徑跡。3．蓋革－米勒計(jì)數(shù)器它的主要部分是蓋革－米勒計(jì)數(shù)管，外面是玻璃管，里面有一個(gè)接在電源負(fù)極上的eq\o(□,\s\up3(10))導(dǎo)電圓筒，筒的中間有一條接電源正極的eq\o(□,\s\up3(11))金屬絲，里面充入eq\o(□,\s\up3(12))惰性氣體以及少量eq\o(□,\s\up3(13))酒精或溴蒸氣。當(dāng)射線進(jìn)入管內(nèi)時(shí)，會使管內(nèi)氣體eq\o(□,\s\up3(14))電離，產(chǎn)生的eq\o(□,\s\up3(15))電子在電場中加速，再與管內(nèi)氣體分子碰撞，又使氣體電離，產(chǎn)生電子……一個(gè)粒子進(jìn)入玻璃管內(nèi)就會產(chǎn)生大量的電子，這些電子到達(dá)陽極，正離子到達(dá)陰極，電路中形成一次脈沖eq\o(□,\s\up3(16))放電，電子儀器把脈沖次數(shù)記錄下來。二、核反應(yīng)1．定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生eq\o(□,\s\up3(01))新原子核的過程。2．原子核的人工轉(zhuǎn)變(1)1919年eq\o(□,\s\up3(02))盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，產(chǎn)生了氧的一種同位素，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子。(2)盧瑟福發(fā)覺質(zhì)子的核反應(yīng)方程eq\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o(□,\s\up3(03))eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(17,8)O。3．遵循規(guī)律：eq\o(□,\s\up3(04))質(zhì)量數(shù)守恒，eq\o(□,\s\up3(05))電荷數(shù)守恒。三、人工放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)1．放射性同位素的定義：有些同位素具有eq\o(□,\s\up3(01))放射性，叫做放射性同位素。2．人工放射性同位素的發(fā)覺(1)1934年，約里奧－居里夫婦發(fā)覺經(jīng)過α粒子轟擊的鋁片中含有放射性磷eq\o\al(30,15)P。(2)發(fā)覺磷同位素的方程：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o(□,\s\up3(02))eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n。3．放射性同位素的應(yīng)用(1)應(yīng)用它的eq\o(□,\s\up3(03))射線。(2)作eq\o(□,\s\up3(04))示蹤原子。4．輻射與平安：人類從來就生活在有放射性的環(huán)境之中，eq\o(□,\s\up3(05))過量的射線對人體組織有破壞作用。要防止eq\o(□,\s\up3(06))放射性物質(zhì)對水源、空氣、用具等的污染。判一判(1)依據(jù)放射線在威耳遜云室中徑跡的長短和粗細(xì)，可以知道粒子的性質(zhì)，把云室放在磁場中，依據(jù)帶電粒子運(yùn)動徑跡的彎曲方向，還可以知道粒子所帶電荷的正負(fù)。()(2)書寫核反應(yīng)方程時(shí)不能用等號，是因?yàn)楹朔磻?yīng)通常是不行逆的，且箭頭“→”表示反應(yīng)進(jìn)行的方向。()(3)原子核的人工轉(zhuǎn)變是自發(fā)進(jìn)行的，反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒。()(4)γ射線探傷是利用γ射線的電離實(shí)力。()(5)人工放射性同位素比自然放射性元素半衰期長。()提示：(1)√(2)√(3)×(4)×(5)×想一想(1)G-M計(jì)數(shù)器為什么不能區(qū)分射線的種類？提示：不同的射線在蓋革－米勒計(jì)數(shù)器中產(chǎn)生的脈沖現(xiàn)象相同，因此它只能用于計(jì)數(shù)，不能區(qū)分射線種類。(2)醫(yī)學(xué)上做射線治療的放射性元素，應(yīng)用半衰期長的還是短的？為什么？提示：用半衰期短的。因?yàn)榘胨テ诙痰姆派湫詮U料簡單處理。課堂任務(wù)探測射線的方法1．三種射線在云室中的徑跡比較(1)α粒子的質(zhì)量比較大，在氣體中飛行時(shí)不易變更方向。由于它的電離本事大，沿途產(chǎn)生的離子多，所以它在云室中的徑跡直而粗。(2)β粒子的質(zhì)量小，跟氣體碰撞時(shí)簡單變更方向，并且電離本事小，沿途產(chǎn)生的離子少，所以高速β粒子在云室中的徑跡又細(xì)又直，低速β粒子的徑跡又短又粗而且是彎曲的。(3)γ粒子的電離本事更小，在云室中一般看不到它的徑跡。2．不同探測方法的對比威耳遜云室和氣泡室都是依據(jù)徑跡探測射線的性質(zhì)和種類的。3．蓋革－米勒計(jì)數(shù)器(1)優(yōu)點(diǎn)：放大倍數(shù)很大，特別靈敏，用它檢測射線特別便利。(2)缺點(diǎn)①不同射線產(chǎn)生的脈沖現(xiàn)象相同，只能用來計(jì)數(shù)，不能區(qū)分射線種類。②假如同時(shí)有大量粒子或兩個(gè)粒子射來的時(shí)間間隔小于200μs，則計(jì)數(shù)器不能區(qū)分它們。例1(多選)關(guān)于威耳遜云室探測射線，下列說法正確的是()A．威耳遜云室內(nèi)充溢過飽和蒸氣，射線經(jīng)過時(shí)可顯示出射線運(yùn)動的徑跡B．威耳遜云室中徑跡直而粗的是α射線C．威耳遜云室中徑跡細(xì)而彎曲的是γ射線D．威耳遜云室中顯示粒子徑跡的緣由是電離，所以無法由威耳遜云室推斷射線所帶電荷的正負(fù)(1)威耳遜云室顯示粒子的運(yùn)動軌跡應(yīng)用的是電離，粒子的電離強(qiáng)弱對軌跡有何影響？提示：電離作用強(qiáng)的粒子在它的路徑上電離的離子多，凝聚的霧滴多，顯示的徑跡粗；電離作用弱的粒子在它的路徑上電離的離子少，凝聚的霧滴少，顯示的徑跡細(xì)。(2)如何區(qū)分射線種類及所帶電性？提示：依據(jù)粒子徑跡粗瘦長短區(qū)分射線種類；將云室置于磁場中，依據(jù)粒子偏轉(zhuǎn)狀況推斷電性。[規(guī)范解答]云室內(nèi)充溢過飽和蒸氣，射線經(jīng)過時(shí)把氣體分子電離，過飽和蒸氣以離子為核心凝聚成霧滴，霧滴沿射線的路徑排列，顯示出射線的徑跡，故A正確；由于α粒子的質(zhì)量大，在氣體中飛行時(shí)不易變更方向，電離本事大，貫穿本事小，故α粒子在云室中的徑跡直而粗，即B正確；γ射線的電離本事很弱，所以在云室中一般看不到它的徑跡，而細(xì)而彎曲的是β射線，故C錯(cuò)誤；把云室放到磁場中，由射線徑跡的彎曲方向就可以推斷射線所帶電荷的正負(fù)，故D錯(cuò)誤。[完備答案]AB推斷射線探測儀中粒子徑跡的方法(1)明確儀器工作原理。(2)記清三種射線電離本事、貫穿本事的強(qiáng)弱狀況。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])(多選)用蓋革－米勒計(jì)數(shù)器測定放射源的放射強(qiáng)度為每分鐘405次，若將一張厚紙板放在計(jì)數(shù)器與放射源之間，計(jì)數(shù)器幾乎測不到射線。10天后再次測量，測得該放射源的放射強(qiáng)度為每分鐘101次，則下列關(guān)于射線性質(zhì)及它的半衰期的說法正確的是()A．放射源射出的是α射線B．放射源射出的是β射線C．這種放射性元素的半衰期是5天D．這種放射性元素的半衰期是2.5天答案AC解析因厚紙板能攔住這種射線，知這種射線是穿透實(shí)力最差的α射線，A正確，B錯(cuò)誤；10天后測出放射強(qiáng)度為原來的四分之一，說明10天后放射性元素的原子核個(gè)數(shù)只有原來的四分之一，由半衰期公式知已經(jīng)過了兩個(gè)半衰期，故半衰期是5天，C正確，D錯(cuò)誤。課堂任務(wù)核反應(yīng)1．條件：用α粒子、質(zhì)子、中子，甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變。2．實(shí)質(zhì)：用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開，而是粒子打入原子核內(nèi)部使核發(fā)生了轉(zhuǎn)變。3．典型的人工轉(zhuǎn)變的核反應(yīng)(1)盧瑟福發(fā)覺質(zhì)子：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H。(2)查德威克發(fā)覺中子：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n。(3)約里奧－居里夫婦的人工轉(zhuǎn)變發(fā)覺人工放射性同位素：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n。eq\o\al(30,15)P具有放射性(正電子的發(fā)覺)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e。4．核反應(yīng)遵循規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。例2中國科學(xué)院上海原子核探討所制得了一種鉑元素的同位素eq\o\al(202,78)Pt。制取過程如下：(1)用質(zhì)子轟擊鈹靶eq\o\al(9,4)Be產(chǎn)生快中子；(2)用快中子轟擊汞eq\o\al(204,80)Hg，反應(yīng)過程可能有兩種：①生成eq\o\al(202,78)Pt，放出氦原子核；②生成eq\o\al(202,78)Pt，同時(shí)放出質(zhì)子、中子；(3)生成的鉑eq\o\al(202,78)Pt發(fā)生兩次衰變，變成穩(wěn)定的原子核汞eq\o\al(202,80)Hg。寫出上述核反應(yīng)方程。(1)核反應(yīng)遵循什么規(guī)律？提示：核反應(yīng)遵循規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。(2)書寫核反應(yīng)方程式須要留意什么？提示：反應(yīng)前后只能用箭頭“→”連接，不能把箭頭寫成“＝”。[規(guī)范解答]依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，確定新生核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，然后寫出核反應(yīng)方程，如下：(1)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(9,5)B＋eq\o\al(1,0)n。(2)①eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋eq\o\al(3,2)He；②eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n。(3)eq\o\al(202,78)Pt→eq\o\al(202,79)Au＋eq\o\al(0,－1)e，eq\o\al(202,79)Au→eq\o\al(202,80)Hg＋eq\o\al(0,－1)e。[完備答案]見規(guī)范解答書寫核反應(yīng)方程的五條重要原則(1)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。(2)反應(yīng)前后用箭頭連接，不能寫成等號。(3)能量守恒(中學(xué)階段不做要求)。(4)核反應(yīng)必需是試驗(yàn)中能夠發(fā)生的。(5)核反應(yīng)前后相同的核不能消掉。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])在中子、質(zhì)子、電子、正電子、α粒子中選出一個(gè)適當(dāng)?shù)牧Ｗ?，分別填在下列核反應(yīng)(衰變)方程的橫線上。(1)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋________；(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋________；(3)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋________；(4)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋________；(5)eq\o\al(235,92)U＋________→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)n；(6)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋________。答案(1)eq\o\al(4,2)He(2)eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(0,－1)e(4)eq\o\al(0,1)e(5)eq\o\al(1,0)n(6)eq\o\al(1,1)H解析在核反應(yīng)(衰變)過程中，遵循電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒規(guī)律。對參加反應(yīng)的全部粒子用左下角(電荷數(shù))配平，左上角(質(zhì)量數(shù))配平。未知粒子可依據(jù)其電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)確定。如(1)電荷數(shù)為92－90＝2，質(zhì)量數(shù)為238－234＝4，由此可知為α粒子(eq\o\al(4,2)He)，同理確定其他粒子分別為：中子(eq\o\al(1,0)n)，電子(eq\o\al(0,－1)e)，正電子(eq\o\al(0,1)e)，中子(eq\o\al(1,0)n)，質(zhì)子(eq\o\al(1,1)H)。課堂任務(wù)放射性同位素及其應(yīng)用1．放射性同位素的分類(1)自然放射性同位素。(2)人工放射性同位素。2．人工放射性同位素的優(yōu)勢(1)放射強(qiáng)度簡單限制。(2)可制成各種所需的形態(tài)。(3)半衰期短，廢料易處理。3．放射性同位素的主要應(yīng)用(1)利用它的射線①利用γ射線的貫穿本事，可用γ射線探傷等。②利用α射線的電離作用，可消退有害靜電。③利用γ射線對生物組織的物理和化學(xué)作用，可用來使種子發(fā)生變異，培育良種、滅菌消毒。④利用放射線的能量，在醫(yī)療上，常用以抑制甚至殺死病變組織，還可以轟擊原子核，誘發(fā)核反應(yīng)。(2)作示蹤原子①在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，探測農(nóng)作物在不同的季節(jié)對元素的需求。②在工業(yè)上，檢查輸油管道上的漏油位置。③在生物醫(yī)療上，可以檢查人體對某元素的汲取狀況，也可以幫助確定腫瘤的部位和范圍。例3用人工方法得到放射性同位素，這是一個(gè)很重要的發(fā)覺，自然放射性同位素只不過40幾種，而今日人工制造的同位素已達(dá)1000多種，每種元素都有放射性同位素，放射性同位素在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、科研等很多方面得到廣泛應(yīng)用。(1)如圖是工廠利用放射線自動限制鋁板厚度的裝置示意圖，如工廠生產(chǎn)的是厚度為1mm的鋁板，在α、β、γ三種射線中，你認(rèn)為對鋁板的厚度起主要作用的是________射線。(2)在我國首先用人工方法合成牛胰島素時(shí)須要證明人工合成的牛胰島素結(jié)晶跟自然牛胰島素結(jié)晶是同一物質(zhì)，為此曾采納放射性同位素碳14作____________。(1)三種射線的貫穿本事如何？提示：α射線貫穿本事最弱，一張黑紙就能攔住α粒子；β粒子貫穿本事較強(qiáng)，能穿透幾毫米的鋁板；γ射線貫穿本事最強(qiáng)，能穿透幾厘米厚的鉛板。(2)放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)有什么用途？提示：可作為“示蹤原子”來檢測元素的分布狀況。[規(guī)范解答](1)β射線起主要作用，因?yàn)棣辽渚€的貫穿本事很小，一張薄紙就能把