4　放射性的应用与防护

1 第十九章第十九章 原子核原子核 第第 1 节节 原子核的组成原子核的组成 与现行教材大致相同与现行教材大致相同 P79 第第 1 4 题 题 1 有什么事实和理由可以说明放射性元素放出的射线来自原子核的内部 有什么事实和理由可以说明放射性元素放出的射线来自原子核的内部 天然放射现象的发现对物质微观结构的研究有什么意义 天然放射现象的发现对物质微观结构的研究有什么意义 4 当我们发现了质子 并在很多原子核中打出了质子以后 有什么理由可当我们发现了质子 并在很多原子核中打出了质子以后 有什么理由可 以认定原子核中一定还存在着另外不同种类的粒子 以认定原子核中一定还存在着另外不同种类的粒子 体现了教学中科学探究的精神体现了教学中科学探究的精神 第第 2 节节 放射性元素的衰变放射性元素的衰变 P80 明确提出了衰变时电荷数明确提出了衰变时电荷数守恒守恒和质量数和质量数守恒守恒的规律 的规律 P80 思考与讨论思考与讨论 在在 衰衰变变中 新核的中 新核的质质量数与原来的核的量数与原来的核的质质量量 数有什么关系 相数有什么关系 相对对于原来的核在周期表中的位置 新核在周期表中于原来的核在周期表中的位置 新核在周期表中 的位置的位置应应当向前移当向前移还还是向后移 要移是向后移 要移动动几位 你能概括出几位 你能概括出 衰衰变变的的 质质量数 核量数 核电电荷数荷数变变化的一般化的一般规规律律吗吗 在在 衰衰变变中 中 质质量数 核量数 核电电荷数有什么荷数有什么变变化化规规律 律 我们提倡的学习方式 我们提倡的学习方式 P81 半衰期半衰期 要求能定量地解决问题 例如要求能定量地解决问题 例如 P83 第第 5 6 题题 5 已知钍已知钍 234 的半衰期是的半衰期是 24 天 天 1 g 钍经过钍经过 120 天后还剩多少 天后还剩多少 6 铋铋 210 的半衰期是的半衰期是 5 天 经过多少天后 天 经过多少天后 20 g 铋还剩铋还剩 1 25 g 题目中的天数是半衰期的整数倍题目中的天数是半衰期的整数倍 第第 3 节节 探测射线的方法探测射线的方法 整节都是一般性了解的要求整节都是一般性了解的要求 P85 做一做 用传感器测量放射性做一做 用传感器测量放射性 2 G M 管可以把射入的粒子的数目管可以把射入的粒子的数目转换为电转换为电脉冲的数目 所以它是一种脉冲的数目 所以它是一种辐辐射射 传传感器感器 可可对对不同不同辐辐射源的射源的强强度度进进行行对对比 比 传传感器盒子里面装着感器盒子里面装着 G M 管 开始管 开始计计数后 数后 计计算机算机荧荧光屏上每隔光屏上每隔 1 min 跳出一个跳出一个竖竖直放置的狭直放置的狭长长矩形 表示矩形 表示 G M 管在管在这这 1 min 内接收粒子的数目 内接收粒子的数目 放射源可用学校放射源可用学校实验实验室与威室与威尔孙尔孙云室配套的弱放射源 此外 目前有些地区云室配套的弱放射源 此外 目前有些地区 还还可以可以买买到气灯罩 它含有硝酸到气灯罩 它含有硝酸钍钍 Th NO3 4 具有微弱的放射性 具有微弱的放射性 图图 19 3 6 就是就是 对对气灯罩的射气灯罩的射线计线计数得到的直方数得到的直方图图 图图 19 3 6 的下部用的下部用绿绿色色标标出 即使没有放射源 出 即使没有放射源 G M 管也会管也会记录记录微弱的微弱的辐辐射 射 但不会高于但不会高于这这个区域 个区域 这这些些辐辐射称射称为为本底本底辐辐射 来自宇宙射射 来自宇宙射线线或地壳中的放射性或地壳中的放射性 物物质质 用用传传感器感器还还可以研究射可以研究射线强线强度与距离的关系 不同物度与距离的关系 不同物质对质对射射线线的吸收能力等的吸收能力等 许许多多课题课题 第第 4 节节 放射性的应用与防护放射性的应用与防护 P86 本书中核反应的定义 本书中核反应的定义 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核在其他粒子的轰击下产生新 原子核的过程 称为核反应原子核的过程 称为核反应 有的书把放射现象也称为核反应 不 有的书把放射现象也称为核反应 不 必拘泥 必拘泥 再次强调再次强调 质量数守恒 电荷数守恒质量数守恒 电荷数守恒 掌握两个守恒即可 不必记忆具体的核反应方程 还受其他条掌握两个守恒即可 不必记忆具体的核反应方程 还受其他条 件限制 件限制 全节都是一般性了解全节都是一般性了解 第第 5 节节 核力与结合能核力与结合能 P90 只是个示意图只是个示意图 图图 19 3 5 安放安放 G M 管的盒子管的盒子图图 19 3 6 过去过去 16 min 内每分种辐射次内每分种辐射次 数的直方图数的直方图 3 P90 旁批 旁批 物理学家一直梦想将自然界中的四种相互作用物理学家一直梦想将自然界中的四种相互作用纳纳入某种入某种 统统一的理一的理论论之中 之中 爱爱因斯坦因斯坦为为此做了大半生的努力 但没有成功 此做了大半生的努力 但没有成功 1967 年 温伯年 温伯 格和格和萨萨拉姆首先解决了弱力与拉姆首先解决了弱力与电电磁力的磁力的统统一一问题问题 科学的追求 审美的体验科学的追求 审美的体验 P91 原子核中质子与中子的比例原子核中质子与中子的比例 新内容 新内容 横坐标横坐标 Z 纵坐标 纵坐标 N 一个质子与一个中子结合在一起是氢一个质子与一个中子结合在一起是氢 的一种同位素的一种同位素 氘 两对质子 中子相氘 两对质子 中子相 结合就是氦 结合就是氦 8 对质子 中子的结合是氧 对质子 中子的结合是氧 这些都是自然界中存在的原子核 这样质这些都是自然界中存在的原子核 这样质 子数与中子数相等的结构 能够形成很大子数与中子数相等的结构 能够形成很大 的原子核吗 的原子核吗 自然界中较轻的原子核 质子数与中自然界中较轻的原子核 质子数与中 子数大致相等 但对于较重的原子核 中子数大致相等 但对于较重的原子核 中 子数大于质子数 越重的元素 两者相差子数大于质子数 越重的元素 两者相差 越多越多 可以设想 我们把质子与中子成对地可以设想 我们把质子与中子成对地 放在一起 人工构建原子核 它的质子数放在一起 人工构建原子核 它的质子数 与中子数相等 人工核越来越大 有些核子间的距离越来越远 随着距离的增与中子数相等 人工核越来越大 有些核子间的距离越来越远 随着距离的增 加 核力与电磁力都会减小 但核力减小得更快 所以 原子核大到一定程度加 核力与电磁力都会减小 但核力减小得更快 所以 原子核大到一定程度 时 相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力 这个原子核就不时 相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力 这个原子核就不 稳定了 这时 如果不再成对地增加核子 而只增加中子 稳定了 这时 如果不再成对地增加核子 而只增加中子 中子与其他核子没中子与其他核子没 有库仑斥力 但有相互吸引的核力 有助于维系原子核的稳定有库仑斥力 但有相互吸引的核力 有助于维系原子核的稳定 由于这个原因 由于这个原因 稳定的重原子核里 中子数要比质子数多 稳定的重原子核里 中子数要比质子数多 由于核力的作用范围是有限的 如果继续增大原子核 一些核子间的距离由于核力的作用范围是有限的 如果继续增大原子核 一些核子间的距离 会大到其间根本没有核力的作用 这时即使再增加中子也无济于事 这样的核会大到其间根本没有核力的作用 这时即使再增加中子也无济于事 这样的核 必然是不稳定的 必然是不稳定的 在宇宙演化的进程中 各种粒子有机会进行各种组合 但那些不稳定的组在宇宙演化的进程中 各种粒子有机会进行各种组合 但那些不稳定的组 合很快就瓦解了 只有合很快就瓦解了 只有 200 多种稳定的原子核长久地留了下来 现在观察到的多种稳定的原子核长久地留了下来 现在观察到的 天然放射性元素 则正在天然放射性元素 则正在 瓦解之中 瓦解之中 P91 结合能结合能 结结合能并不是由于合能并不是由于 核子核子结结合成原子核而合成原子核而具有具有 的能量 而是的能量 而是为为把核子分把核子分 开而开而需要需要的能量 的能量 图图 19 5 2 稳定核的质子数与中子数的稳定核的质子数与中子数的 关系关系 图图 19 5 3 原子核的比结合能原子核的比结合能 4 结结合能合能 比结合能比结合能 质质量量亏损亏损 核能核能 第第 6 节节 重核的裂变重核的裂变 P96 STS 原子弹与科学家的责任 原子弹与科学家的责任 第二次世界大第二次世界大战时战时核裂核裂变变的研究已的研究已经经成熟成熟 一些科学家一些科学家 预预感到制造感到制造 原子原子弹弹的危的危险险 尤其是 尤其是风传风传德国正在加德国正在加紧链紧链式反式反应应的研究 又的研究 又获获悉德国采取了禁悉德国采取了禁 止止铀矿铀矿石出口等措施 更使他石出口等措施 更使他们们焦焦虑虑万分 万分 1939 年年 7 月 核物理学家西拉德 月 核物理学家西拉德 L Szilard 等人一起找到 等人一起找到爱爱因斯坦 想借助他的名声敦促美国赶在德国之前造出原因斯坦 想借助他的名声敦促美国赶在德国之前造出原 子子弹弹 于是 于是爱爱因斯坦在因斯坦在 1939 年年 8 月月 2 日日签签署了署了给给美国美国总统罗总统罗斯福的著名信件 斯福的著名信件 罗罗斯福斯福总统总统采采纳纳了他了他们们的建的建议议 1945 年年 7 月月 16 日 第一日 第一颗颗原子原子弹弹在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功 其爆炸在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功 其爆炸 力相当于力相当于 1 8 万吨万吨 TNT 炸炸药药 爆炸 爆炸时时支承原子支承原子弹弹的的钢钢塔全部熔化 在半径塔全部熔化 在半径 400 m 的范的范围围内 沙石都被内 沙石都被烧烧成黄成黄绿绿色的玻璃状物色的玻璃状物质质 半径 半径 1 600 m 范范围围内所有内所有动动植植 物全部死亡 物全部死亡 原子原子弹弹的巨大威力震惊了世界 也使反的巨大威力震惊了世界 也使反对对原子武器的呼声空前高原子武器的呼声空前高涨涨 舆论舆论不不 仅谴责仅谴责下令使用原子下令使用原子弹弹的人 也要追究科学家的的人 也要追究科学家的责责任 大部分原子任 大部分原子弹弹研制的研制的创议创议 者成了反核者成了反核战战争的争的积积极分子 奥本海默本人极分子 奥本海默本人则则辞去了辞去了职务职务 去 去进进行宇宙行宇宙线线的的纯纯科科 学研究 学研究 为为了打破核了打破核垄垄断 最断 最终终消消灭灭核武器 核武器 1964 年年 10 月月 16 日我国第一日我国第一颗颗原子原子弹弹爆爆 炸成功 同炸成功 同时时 我国政府 我国政府郑郑重宣布 中国在任何重宣布 中国在任何时时候 任何情况下 都不会首先使候 任何情况下 都不会首先使 用核武器 我国研制成功原子用核武器 我国研制成功原子弹弹 极大地增 极大地增强强了我