人教版高中物理选修3-5教学案：第十九章第3、4节探测射线的方法-含解析

第3、4节 探测射线的方法 放射性的应用与防护11．1912年英国物理学家威耳逊制造了威耳逊云室。使荧光物质产生荧光。原子核在其他粒子的轰击下产生原子核的过程，称为核反响。在核反响中，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—居里夫妇觉察了人工放射性同位素。7或把它作为示踪原子；放射性同位素也有很多同时对水源、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。射线能使照相乳胶感光。射线能使荧光物质产生荧光。2．探测仪器威耳逊云室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分散成雾滴，于是显示出射线的径迹。②粒子径迹外形：αα粒子的径迹直而粗β粒子的径迹比较细，而且常常弯曲γ粒子的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹气泡室：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，在它的四周产生气泡而形成粒子的径迹。盖革－米勒计数器①原理：在金属丝和圆筒间加上确定的电压，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：G-M计数器格外灵敏，使用便利。③缺点：只能用来计数，不能区分射线的种类。二、核反响和放射线的应用与防护核反响(1)定义：原子核在其他粒子的轰击下产生原子核的过程。(2)原子核的人工转变1919α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。卢瑟福觉察质子的核反响方程：14N＋4He→17O＋1H。7 2 8 1遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。人工放射性同位素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。人工放射性同位素的觉察：1934年，约里奥—α粒子轰击的铝片中含有放射性磷30P。15觉察磷同位素的方程：4He＋27Al→30P＋1n。2 13放射性同位素的应用与防护(1)应用射线

15 0应用射线可以测厚度、医疗方面的放射治疗、照耀种子培育优良品种等。示踪原子：有关生物大分子的构造及其功能的争论，要借助于示踪原子。辐射与安全：人类始终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。自主思考——判一判云室和气泡室都是应用射线的穿透力气争论射线的轨迹。(×)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。(√)医学上利用射线进展放射治疗时，要把握好放射的剂量。(√)30P(√)15同一种元素的放射性同位素具有一样的半衰期。(×)2．合作探究——议一议如何利用云室区分射线的种类？提示：利用射线在云室中的径迹区分，直而粗的为αβ射线。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展的变化，原子核的人工转变是利用α粒γ光子轰击靶核发生的变化。全部的原子核都可能发生人工转变。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确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当很长还是较短？为什么？探测射线的方法和仪器提示：应选用半衰期较短的。由于半衰期短的放射性废料简洁处理。固然也不能选用太短的，否则就需要频繁更换放射原料了。探测射线的方法和仪器[典例](多项选择)405次，假设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101次，则以下关于射线性质及它的半衰期的说法正确的选项是()α射线放射源射出的是β射线C．5天D．2.5天[思路点拨] 解答此题时应留意以下两点：α射线、β射线的穿透力气确定射线的种类。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力气最差的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10天后放射性元素的原子核个数只有原来的四分之一，由5天。[答案] AC盖革—盖革—米勒计数器的优缺点优点：放大倍数很大，格外灵敏，用它检测射线格外便利。缺点：a.不同射线产生的脉冲现象一样，只能用来计数，不能区分射线种类。b.假设同200μs，则计数器不能区分它们。1．(多项选择)以下关于放射线的探测说法中正确的选项是( )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、能量等状况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，应选项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、能量等状况，应选项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一样，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。如图19-3-1是科学史上一张著名的试验照片，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( )19-3-1A．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mv带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式R＝qB可知粒子在金属板上方运动的速率小，所以原子核的人工转变和核反响方程粒子由下往上运动，B、C错误；磁场方向垂直照片向里，结合粒子运动方向，依据左手定则可知粒子带正电，A正确，D错误。原子核的人工转变和核反响方程核反响的条件：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。核反响的实质：用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核翻开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变。原子核人工转变的三个典型核反响(1)1919年卢瑟福觉察质子的核反响：14N＋4He→17O＋1H7 2 8 11932年查德威克觉察中子的核反响：9Be＋4He→12C＋1n4 2 6 01934年约里奥—居里夫妇觉察放射性同位素和正电子的核反响：27Al＋4He→30P＋1n；30P→30Si＋0e。

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15 015 14 1人工转变核反响与衰变的比较原子核的人工转变是一种核反响，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要确定原子核的人工转变是一种核反响，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要确定不同点的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理和化学条件的影响。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，反响前后粒子一样点总动量守恒。[典例] 1993年，中国科学院上海原子核争论所制得了一种的铂元素的同位素202Pt。78制取过程如下：用质子轰击铍靶9Be产生快中子；4用快中子轰击汞204Hg，反响过程可能有两种：80①生成202Pt，放出氦原子核；78②生成202Pt，同时放出质子、中子。78生成的202Pt发生两次衰变，变成稳定的原子核汞202Hg。写出上述核反响方程。78 80[解析] 依据质量数守恒、电荷数守恒，确定生核的电荷数和质量数，然后写出核反响方程。如下：(1)9Be＋1H→9B＋1n。4 1 5 0(2)①204Hg＋1n→202Pt＋3He。80 0 78 2②204Hg＋1n→202Pt＋21H＋1n。80 0 78 1 0(3)202Pt→202Au＋0e，202Au→202Hg＋0e。78

－1

80 －1[答案] 见解析写核反响方程时应留意以下三点核反响过程一般都是不行逆的，核反响方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反响方向。核反响方程应以试验事实为根底，不能凭空杜撰。核反响方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反响过程中，一般会发生质量的变化。1．原子核AX与氘核2H反响生成一个α粒子和一个质子。由此可知( )Z 1A．A＝2，Z＝1C．A＝3，Z＝3

B．A＝2，Z＝2D．A＝3，Z＝2写出核反响方程：AX＋2H→4He＋1H，由质量数守恒和电荷数守恒，列方Z 1 2 1A＋2＝4＋1，Z＋1＝2＋1，解得：A＝3，Z＝2D。23个著名的核反响方程x＋7Li→2y y＋14N→x＋17O3 7 8y＋9Be→z＋12C4 6x、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14N＋7Li→y＋17O，可见y是4He，结合第7 3 8 2z是中子1nC正确。03．195660Co放射源27进展了试验验证。次年李、杨两人为此获得诺贝尔物理奖。60Co的衰变方程是60Co→ANi＋27 27 Z0e＋νν是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可以认为是零。60Co的核外电子－1 e e 27数为 ，在上述衰变方程中，衰变产物ANi的质量数是 ，核电荷数是Z 。解析：60Co27。27由质量数守恒，知ANiA＝60。Z由核电荷数守恒，知ANiZ＝27＋1＝28。Z答案：27 60 28放射性同位素的应用放射性同位素的应用分类40多种，1000多种，每种元素都有自己的放射性同位素。人工放射性同位素的优点(1)放射强度简洁把握；可以制成各种所需的外形；半衰期比自然放射性物质短得多，放射性废料简洁处理。因此，但凡用到射线时，用的都是人工放射性同位素。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——γ射线的穿透特性。②农业应用——γ发芽，延长保存期等。③医疗上——γ射线的高能量治疗癌症。(2)作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有一样的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置。[典例] 以下说法正确的选项是( )给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，是由于农作物吸取放射性同位素后生长更好输油管道漏油时，可以在输的油中放一些放射性同位素探测其射线，确定漏油位置C．自然放射元素也可以作为示踪原子加以利用，只是较少，经济上不划算D．放射性元素被植物吸取，其放射性将发生转变[思路点拨]放射性元素和它的同位素化学性质一样。放射性同位素含量简洁把握，衰变周期较短。[解析] 放射性元素与它的同位素的化学性质一样但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节吸取含有哪种元素的肥料。无论植物吸取含放射性元素的肥料，还是无放射性肥料，植物生长是一样的，A错；人工放射性同位素，含量易把握，衰变周期短，不会对环境造成永久污染，而自然放射性元素，剂量不易把握、衰变周期长、会污染环境，所以不用自然放射元素，C错；放射性是原子核的本身性质，与元素的状态、组成等无关，D错；放射性同位素可作为示踪原子，故B正确。[答案] B放射性同位素的应用技巧αγ射β射线的。给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取γ射线。(3)使用放射线时安全是第一位的。关于放射性同位素的应用，以下说法中正确的有( )A．放射线转变了布料的性质使其不再因摩擦而生电因此到达了消退有害静电的目的B．利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进展人体的透视C．用放射线照耀作物种子能使其DNA发生变异，其结果确定是成为更优秀的品种D．用γ射线治疗肿瘤时确定要严格把握剂量，以免对人体正常组织造成太大的损害解析：选D 利用放射线消退有害静电是利用α射线的电离性，使空气分子电离成导体，将静电泄出，A错误；γ射线对人体细胞损害太大，因此不能用来人体透视，在用于治疗肿瘤时要严格把握剂量，B错误，D正确；DNA变异并不愿定都是有益的，C错误。2．(多项选择)近几年来，我国北京、上海、山东、洛阳、广州等地引进了十多台γ刀，治5000余例，效果极好，成为治疗脑肿瘤的最正确仪器。令人感慨的是，用γ刀治疗时不用麻醉，病人糊涂，时间短，半小时完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”。据报道，我国自己研制的旋式γγ刀治疗脑肿瘤主要是利用()γ射线具有很强的穿透力气γ射线具有很强的电离作用γ射线具有很高的能量γ射线能很简洁绕过阻碍物到达目的地解析：ACγγ射线，γ射线的特点是穿透力气强，γ射线波长短，光子的能量高，杀伤力强，应用γ刀治疗脑肿瘤就是利用其穿透力气强和杀伤力强。3．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的觉察，自然放射性同位素只不过401000多种，每种元素都有放射性同位素，放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等很多方面得到广泛应用。带电的验电器在放射线照耀下电荷会很快消逝，其缘由是( A．射线的贯穿作用B．射线的电离作用C．射线的物理、化学作用D．以上三个选项都不是如图19-3-2是工厂利用放射线自动把握铝板厚度的装置示意图如工厂生产的是厚度为1mm的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起把握作用的是 射线。19-3-2解析：(1)因放射线的电离作用，空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和，所以使验电器所带电荷消逝。应选B项。(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1mm的铝板，因而探测器不能探到；γ射1mm的铝板和几毫米厚铝板打在探测器上很难区分；β射线也能穿透几毫米厚的铝板，但厚度不同，穿透后β射线中的电子数目不同，探测器简洁区分。答案：(1)B (2)β1．以下应用放射性同位素不是作为示踪原子的是( )A．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油状况B．把含有放射性元素的肥料施给农作物，依据探测器的测量，找出合理的施肥规律C．利用射线探伤法检查金属中的砂眼和裂纹D131，诊断甲状腺疾病解析：选Cγ射线穿透力气强的特点，因此选项C不属于示踪原子的应用。选项A、B、D中都是利用了放射性同位素作为示踪原子。2．(多项选择)放射性同位素被用做示踪原子，主要是由于( )A．放射性同位素不转变其化学性质B．放射性同位素的半衰期比自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．放射性同位素简洁制造解析：选ABC 放射性同位素用做示踪原子，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，既要利用化学性质一样，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的危害，因此，选项A、B、C正确，D错误。用α粒子照耀充氮的云室，得到如图1所示的照片，以下说法中正确的选项是( )1A．Aα粒子的径迹，B是质子的径迹，C是核的径迹B．Bα粒子的径迹，A是质子的径迹，C是核的径迹C．Cα粒子的径迹，A是质子的径迹，B是核的径迹D．Bα粒子的径迹，C是质子的径迹，A是核的径迹解析：DααBα粒子的径迹，产生的核质量大电离作用强，所以径迹粗而短，故A是核径迹，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。2724X2424，X粒子和钠的衰变过程分别是()质子，α衰变C．α粒子，β衰变

电子，α衰变D．正电子，β衰变解析：CX2，质量4，所以Xα2424，质量数不变，所以只能是β衰变，故只C正确。5．(多项选择)有关放射性同位素30P的以下说法正确的选项是( )150P与30X互为同位素15 140P与其同位素有一样的化学性质15用30P制成化合物后它的半衰期变长15含有30P的磷肥释放正电子，可用作示踪原子，观看磷肥对植物的影响15解析：选BD 同位素应具有一样的质子数，故A错；同位素具有一样的化学性质，B对；元素的半衰期与其所处的状态无关，C错；放射性同位素可作为示踪原子，故D对。6．在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子，分别填在以下核反应式的横线上。(1)238U→234Th＋ ；92 90(2)9Be＋4He→12C＋ ；4 2 6(3)234Th→234Pa＋ ；90 91(4)30P→30Si＋ ；15 14(5)235U＋ →90Sr＋136Xe＋101n；92 38 54 0(6)14N＋4He→17O＋ 。7 2 8解析：在核反响过程中，遵循反响前后电荷数守恒、质量数守恒规律。对参与反响的全部根本粒子承受左下角(电荷数)配平，左上角(质量数)配平。未知粒子可依据其电荷数和α(1)92－90＝2238－234＝4，由此可知为粒子(4He)，α2同理确定其他粒子分别为：中子(1n)，电子(0e)，正电子(0e)，中子(1n)，质子(1H)。0 －1 1 0 1答案：(1)4He (2)1n (3)0e (4)0e (5)1n (6)1H2 0 －1 ＋1 0 17．(多项选择)一个质子以1.0×107m/s的速度撞一个静止的铝原子核后被俘获，铝原子核2728倍，则以下推断正确的选项是()核反响方程为27Al＋1H→28Si13 1 14核反响方程为27Al＋1n→28Si13 0 14硅原子核速度的数量级为107m/s，方向跟质子的初速度方向全都硅原子核速度的数量级为105m/s，方向跟质子的初速度方向全都解析：AD由核反响中电荷数和质量数守恒可知A选项正确，B105m/sD选项正确。某校学生在进展社会综合实践活动时，收集列出了一些放射性同位素