高中物理 19.3 探测射线的方法 19.4 放射性的应用与防护课件 新人教版选修35.ppt

一 威耳逊云室和盖革 米勒计数器 1 威耳逊云室 1 构造云室的主要结构如图所示 圆筒形容器的下底是一个可在小范围活动的活塞 上盖是透明的 通过它可观察云室内发生的现象或进行照相 放射源可放在室内侧壁附近 也可放在室外侧壁的窗口 2 原理实验时 在云室内加一些酒精 使室内充满饱和汽 然后使活塞迅速向下移动一段距离 室内气体由于突然膨胀而温度降低 使酒精的饱和汽处于过饱和状态 这时如果有能量较高的粒子从室内气体中飞过 就会使沿途的气体分子电离产生离子 过饱和汽便以这些离子为核心凝成一条雾迹 3 放射线在云室中的径迹 粒子的质量比较大 在气体中飞行时不易改变方向 由于它的电离本领大 沿途产生的离子多 所以它在云室中的径迹直而粗 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 所以它在云室中的径迹比较细 而且常常弯曲 粒子的电离本领更小 在云室中一般看不到它的径迹 2 盖革 米勒计数器 1 构造计数器的主要部分是计数管 其结构如图所示 它是一支玻璃管 里面有一个铜圆筒 或在管壁上涂有一层导电薄膜 这是阴极 穿过圆筒轴心的钨丝是阳极 管内充有低压的惰性气体 工作时在两极间加上的电压通常略低于管内气体的电离电压 2 原理当某种射线粒子进入管内时 它使管内的气体电离 产生的电子在电场中被加速 能量越来越大 电子跟管中的气体分子碰撞时 又使气体分子电离 产生电子 这样 一个粒子进入管中后可以产生大量电子 这些电子到达阳极 阳离子到达阴极 在电路中就产生一次脉冲放电 利用电子仪器可以把放电次数记录下来 3 优缺点 优点 放大倍数很大 非常灵敏 用它来检测放射性是很方便的 缺点 它对于不同的射线产生的脉冲现象相同 因此只能用来计数 而不能区分射线的种类 如果同时有大量粒子 或两个粒子射来的时间间隔很短 小于200 s 时 也不能区分它们 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 而云室里装的是气体 典例1 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 射线b 放射源射出的是 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 解题指导 解答该题时要关注以下两点 1 根据 射线 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 标准解答 选a c 因厚纸板能挡住这种射线 知这种射线是穿透能力最差的 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 变式训练 用 粒子照射充氮的云室 摄得如图所示的照片 下列说法中正确的是 a a是 粒子的径迹 b是质子的径迹 c是新核的径迹b b是 粒子的径迹 a是质子的径迹 c是新核的径迹c c是 粒子的径迹 a是质子的径迹 b是新核的径迹d b是 粒子的径迹 c是质子的径迹 a是新核的径迹 解析 选d 粒子轰击氮核产生一个新核并放出质子 入射的是 粒子 所以b是 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 二 核反应及核反应方程 1 核反应的条件 用 粒子 质子 中子 甚至用 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 147n 42he178o 11h 2 1932年查德威克发现中子的核反应 94be 42he126c 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 42he3015p 10n 3015p3014si 01e 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 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而不是质量守恒 核反应过程中 一般会发生质量的变化 典例2 2010 全国高考 原子核azx与氘核21h反应生成一个 粒子和一个质子 由此可知 a a 2 z 1b a 2 z 2c a 3 z 3d a 3 z 2 解题指导 解答本题时 可参照以下解题步骤 标准解答 选d 写出核反应方程 azx 21h42he 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 规律方法 书写核反应方程的原则 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 变式训练 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20480hg 反应过程可能有两种 生成20278pt 放出氦原子核 生成20278pt 放出质子 中子 3 生成的20278pt发生两次 衰变 变成稳定的原子核汞20280hg 写出上述核反应方程式 解析 根据质量数守恒和电荷数守恒 算出新核的电荷数和质量数 然后写出核反应方程 1 94be 11h95b 10n 2 20480hg 10n20278pt 32he20480hg 10n20278pt 211h 10n 3 20278pt20279au 0 1e 20279au20280hg 0 1e答案 见解析 三 放射性同位素及其应用 1 放射性同位素 1 放射性同位素的分类 天然放射性同位素 人工放射性同位素 2 人工放射性同位素的优势 放射强度容易控制 可制成各种所需的形状 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 利用 射线的贯穿本领 利用60co放出的很强的 射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹 这叫 射线探伤 利用 射线可以检查30cm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 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 利用 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 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 在医疗上 常用以控制病变组织的扩大 2 作为示踪原子 在工业上 可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情况 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 在医学上 可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围 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 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 典例3 关于放射性同位素应用的下列说法中正确的是 a 放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电 从而达到消除有害静电的目的b 利用 射线的贯穿性可以为金属探伤 也能进行人体透视c 用放射线照射作物种子使其dna发生变异 其结果一定是更优良的品种d 用 射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量 以免对人体正常组织造成太大的伤害 解题指导 在深刻理解射线特性的基础上分析此题 标准解答 选d 利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性 使空气分子电离成为导体 将静电导出 a错误 射线对人体细胞伤害太大 不能用来进行人体透视 b错误 作物种子发生的dna突变不一定都是有益的 还要经过筛选才能培育出优秀品种 c错误 用 射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用 因此要科学地控制剂量 d正确 变式训练 2011 沈阳高二检测 正电子发射计算机断层显像 pet 的基本原理是 将放射性同位素15o注入人体 参与人体的代谢过程 15o在人体内衰变放出正电子 与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子 被探测器探测到 经计算机处理后产生清晰的图像 根据pet原理 回答下列问题 1 写出15o的衰变和正负电子湮灭的方程式 2 将放射性同位素15o注入人体 15o的主要用途是 a 利用它的射线b 作为示踪原子c 参与人体的代谢过程d 有氧呼吸 3 pet中所选的放射性同位素的半衰期应 填 长 或 短 或 长短均可 解析 1 由题意得 158o157n 0 1e 0 1e 0 1e2 2 选b 将放射性同位素15o注入人体后 由于它能放出正电子 并能与人体内的负电子产生一对光子 从而被探测器探测到 所以它的用途为作为示踪原子 b对 3 根据同位素的用途 为了减小对人体的伤害 半衰期应该很短 答案 1 158o157n 0 1e 0 1e 0 1e2 2 b 3 短 变式备选 2011 贵阳高二检测 一块含铀的矿石质量为m 其中铀元素的质量为m 铀发生一系列衰变 生成物为铅 已知铀的半衰期为t 那么下列说法中正确的有 a 经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了b 经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m 4发生了衰变c 经过三个半衰期后 其中铀元素的质量还剩m 8d 经过一个半衰期后该矿石的质量剩下m 2 解析 选c 经过两个半衰期后 这块矿石中剩下的铀 已有的铀生成了铅 a b均错 经过三个半衰期后 铀元素的质量还剩c对 经过一个半衰期后 该矿石中有的铀元素变成了铅 故该矿石的剩余质量不是d错 典例 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6027coazni 0 1e 其中是反中微子 它的电量为零 静止质量可认为是零 1 6027co的核外电子数为 在上述衰变方程中 衰变产物azni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 解题指导 本题主要考查了衰变方程两侧满足质量数和电荷数守恒及动量守恒定律适用条件 标准解答 1 由6027co可知它的质子数为27 又因为核外电子数与质子数相等 故6027co的核外电子数为27 由6027coazni 0 1e 可推得azni中a为60 z为28 2 衰变前6027co核静止 动量为零 衰变后 ni和0 1e运动径迹不在一条直线上 此时它们两个动量之和不为零 如果衰变产物只有ni和0 1e 则动量不守恒 故还应有其他产物 答案 1 276028 2 动量 一 选择题1 为了说明用 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 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 粒子径迹中发现了8条产生分叉 这一实验数据说明了 a 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 粒子与氮接触的机会很少c 氮核很小 粒子接近氮核的机会很少d 氮气和 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 粒子接近氮原子核的机会很少 使得发生反应后径迹分叉的机会很少 故正确选项为c 2 关于同位素的下列说法中 正确的是 a 一种元素的几种同位素在元素周期表中的位置相同b 一种元素的几种同位素的化学性质 物理性质都相同c 同位素都具有放射性d 互称同位素的原子含有相同的质子数 解析 选a d 质子数相同 中子数不同的原子互称同位素 由于它们的原子序数相同 因此在元素周期表中的位置相同 虽然核电荷数相同 但由于中子数不同 因此物理性质不同 一种元素的同位素不都具有放射性 具有放射性的同位素叫做放射性同位素 故正确答案为a d 3 放射性同位素被用作示踪原子 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a b c 放射性同位素用作示踪原子 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废料容易处理等 因此 选项a b c正确 d不正确 4 2011 焦作高二检测 在下列四个核反应方程中 x1 x2 x3和x4各代表某种粒子 31h x142he 10n 147n 42he178o x2 94be 42he126c x3 2412mg 42he2713al x4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 解析 选d 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 5 2011 哈尔滨高二检测 铝箔被 粒子轰击后发生了以下核反应 2713al 42hex 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b d 10n是中子 11h才是质子 a错b对 由质量数守恒和电荷数守恒得x的质量数为30 核电荷数为15 即是3115p的同位素3015p c错d对 6 近几年 我国北京 上海 山东 洛阳 广州等地引进了十多台 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 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 刀被誉为 神刀 据报道 我国自己研究的旋式 刀性能更好 将进入各大医院为患者服务 刀治疗脑肿瘤主要是利用 a 射线具有很强的贯穿本领b 射线具有很强的电离作用c 射线具有很高的能量d 射线能很容易地绕过阻碍物到达目的地 解析 选a c 射线是一种波长很短的电磁波 具有较高的能量 它的贯穿本领很高 甚至可以穿透几厘米的铅板 但它的电离作用很小 刀治疗肿瘤时 通常是同时用多束 射线 使它们穿透脑颅和健康区域在病灶处会聚 利用 射线的高能量杀死肿瘤细胞 综上所述 本题正确选项为a c 7 用中子轰击氧原子核的核反应方程式为168o 10na7n 0bx 对式中x a b的判断正确的是 a x代表中子 a 17 b 1b x代表正电子 a 17 b 1c x代表正电子 a 17 b 1d x代表质子 a 17 b 1 解析 选c 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01e 为正电子 故c项正确 a b d三项错 8 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 能近似反映正电子和si核轨迹的是 解析 选b 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 放出的正电子的运动方向跟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 因为有洛伦兹力作为向心力 即所以做匀速圆周运动的半径为衰变时 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 即可见正电子运动的圆半径较大 故选b 二 非选择题9 正