山东省专用2024-2025学年高中物理第十九章原子核第34节探测射线的方法放射性的应用与防护讲义含解析新人教版选修3-5

PAGE1-第3、4节探测射线的方法放射性的应用与防护1．1912年英国物理学家威耳逊独创了威耳逊云室。2．射线可使气体或液体电离，使照相乳胶感光，使荧光物质产生荧光。3．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。4．在核反应中，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胜利了用于探测射线的盖革－米勒计数器。6．1934年，约里奥—居里夫妇发觉了人工放射性同位素。7．放射性同位素有许多应用，如应用它的射线，或把它作为示踪原子；放射性同位素也有许多危害。过量的射线对人体组织有破坏作用，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(1)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。(2)射线能使照相乳胶感光。(3)射线能使荧光物质产生荧光。2．探测仪器(1)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凝聚成雾滴，于是显示出射线的径迹。②粒子径迹形态：α粒子的径迹直而粗β粒子的径迹比较细，而且经常弯曲γ粒子的电离本事很小，在云室中一般看不到它的径迹(2)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。(3)盖革－米勒计数器①优点：G­M计数器特别灵敏，运用便利。②缺点：只能用来计数，不能区分射线的种类。二、核反应和放射线的应用与防护1．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。(2)原子核的人工转变1919年卢瑟福用α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。卢瑟福发觉质子的核反应方程：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H。遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。2．人工放射性同位素(1)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。(2)人工放射性同位素的发觉：1934年，约里奥—居里夫妇发觉经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷eq\o\al(30,15)P。(3)发觉磷同位素的方程：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n。3．放射性同位素的应用与防护(1)应用射线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。(2)示踪原子：有关生物大分子的结构及其功能的探讨，要借助于示踪原子。(3)辐射与平安：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。1．自主思索——判一判(1)云室和气泡室都是应用射线的穿透实力探讨射线的轨迹。(×)(2)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意质量数守恒和电荷数守恒。(√)(4)医学上利用射线进行放射治疗时，要限制好放射的剂量。(√)(5)发觉质子、发觉中子和发觉放射性同位素eq\o\al(30,15)P的核反应均属于原子核的人工转变。(√)(6)同一种元素的放射性同位素具有相同的半衰期。(×)2．合作探究——议一议(1)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α射线，细而长的为β射线。(2)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行的变更，原子核的人工转变是利用α粒子、质子、中子或γ光子轰击靶核发生的变更。全部的原子核都可能发生人工转变。(3)医学上做射线治疗用的放射性元素，运用一段时间后当射线强度降低到肯定程度时就须要更换放射材料，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？提示：应选用半衰期较短的。因为半衰期短的放射性废料简单处理。当然也不能选用太短的，否则就须要频繁更换放射原料了。探测射线的三种仪器1．威耳逊云室(1)原理：试验时先往云室里加入少量的酒精，使室内充溢酒精的饱和蒸气，然后使活塞快速向下运动，室内气体由于快速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态。这时让射线粒子从室内的气体中飞过，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凝聚成雾滴，这些雾滴沿射线经过的路途排列，于是就显示出了射线的径迹，可用照相机拍摄下其运动的径迹进行视察分析。(2)三种射线在云室中的径迹比较：①α粒子的质量比较大，在气体中飞行时不易变更方向。由于它的电离本事大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而粗。②β粒子的质量小，跟气体碰撞时简单变更方向，并且电离本事小，沿途产生的离子少，所以它在云室中的径迹比较细，而且速度减小后的轨迹经常弯曲。③γ粒子的电离本事更小，在云室中一般看不到它的径迹。2．气泡室(1)原理：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，限制气泡室内液体的温度和压强，使室内温度略低于液体的沸点。当气泡室内压强突然降低时，液体的沸点变低，使液体过热，此时让射线粒子射入室内，粒子四周就有气泡形成。用照相机拍摄出径迹照片，依据照片上记录的状况，可以分析粒子的性质。(2)气泡室和云室的比较：气泡室的工作原理与云室相类似，云室内装有干净的空气，而气泡室内装的是液体。相同之处在于都可以形成射线粒子的运动径迹，通过探讨径迹，探讨射线的性质。3．盖革—米勒计数器(1)原理：在金属丝和圆筒间加上肯定的电压，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，在外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)优缺点：优点：放大倍数很大，特别灵敏，用它检测射线特别便利。缺点：①不同射线产生的脉冲现象相同，只能用来计数，不能区分射线种类；②假如同时有大量粒子或两个粒子射来的时间间隔小于200μs，则计数器不能区分它们。[典例][多选]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α射线B．放射源射出的是β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[思路点拨]解答本题时应留意以下两点：(1)依据α射线、β射线的穿透实力确定射线的种类。(2)由半衰期的定义求出该元素的半衰期。[解析]因厚纸板能拦住这种射线，可知这种射线是穿透实力最差的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。[答案]AC1．[多选]下列关于放射线的探测说法中正确的是()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事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，故选项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，故选项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相同，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。2．如图是科学史上一张闻名的试验照片，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()A．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，由带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式R＝eq\f(mv,qB)可知粒子在金属板上方运动的速率小，所以粒子由下往上运动，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应方程1．核反应的条件：用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。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个典型核反应(1)1919年卢瑟福发觉质子的核反应：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)1932年查德威克发觉中子的核反应：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)1934年约里奥—居里夫妇发觉放射性同位素和正电子的核反应：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n；eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e。4．人工转变核反应与衰变的比较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，须要肯定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变更，它不受物理和化学条件的影响。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。[典例]某试验室工作人员，用初速度为v0＝0.09c(c为真空中的光速)的α粒子轰击静止在匀强磁场中的Na，产生了质子。若某次碰撞可看作对心正碰，碰后新核的运动方向与α粒子的初速度方向相同，质子的运动方向与新核运动方向相反，它们在垂直于磁场的平面内分别做匀速圆周运动。通过分析轨迹半径，可得出新核与质子的速度大小之比为1∶10，已知质子质量为m。(1)写出核反应方程。(2)求出质子的速度v(结果保留两位有效数字)。[解析](1)核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(23,11)Na→eq\o\al(26,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H。(2)α粒子、新核的质量分别为4m、26m，质子的速率为v，因为是对心正碰，由动量守恒定律得4mv0＝26m×eq\f(v,10)－mv解得v＝0.23c。[答案](1)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(23,11)Na→eq\o\al(26,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(2)0.23c写核反应方程时应留意以下三点(1)核反应过程一般都是不行逆的，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)核反应方程应以试验事实为基础，不能凭空杜撰。(3)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更。1．[多选]用α粒子轰击铍核(eq\o\al(9,4)Be)，生成一个碳核(eq\o\al(12,6)C)和一个粒子，则该粒子()A．带正电，能在磁场中发生偏转B．在随意方向的磁场中都不会发生偏转C．电离本事特殊强，是原子核的组成部分之一D．卢瑟福预言，查德威克发觉解析：选BD核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n，这种粒子是中子，故B、D正确。2．以下是物理学史上3个闻名的核反应方程x＋eq\o\al(7,3)Li→2yy＋eq\o\al(14,7)N→x＋eq\o\al(17,8)Oy＋eq\o\al(9,4)Be→z＋eq\o\al(12,6)Cx、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eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(7,3)Li→y＋eq\o\al(17,8)O，可见y是eq\o\al(4,2)He，结合第三个方程，依据电荷数守恒、质量数守恒可知z是中子eq\o\al(1,0)n。因此选项C正确。3．1956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eq\o\al(60,27)Co放射源进行了试验验证。次年李、杨两人为此获得诺贝尔物理奖。eq\o\al(60,27)Co的衰变方程是eq\o\al(60,27)Co→eq\o\al(A,Z)Ni＋eq\o\al(0,－1)e＋νe，其中νe是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可以认为是零。eq\o\al(60,27)Co的核外电子数为________，在上述衰变方程中，衰变产物eq\o\al(A,Z)Ni的质量数是________，核电荷数是________。解析：eq\o\al(60,27)Co的核外电子数为27。由质量数守恒，知eq\o\al(A,Z)Ni的质量数为A＝60。由核电荷数守恒，知eq\o\al(A,Z)Ni的核电荷数为Z＝27＋1＝28。答案：276028放射性同位素的应用1．分类可分为自然放射性同位素和人工放射性同位素两种，自然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达1000多种，每种元素都有自己的放射性同位素。2．人工放射性同位素的优点(1)放射强度简单限制；(2)可以制成各种所需的形态；(3)半衰期比自然放射性物质短得多，放射性废料简单处理。因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素。3．放射性同位素的主要应用(1)利用它的射线：①工业部门运用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性。②农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等。③医疗上——利用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相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置。[典例]下列说法正确的是()A．给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，是因为农作物汲取放射性同位素后生长更好B．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．放射性元素被植物汲取，其放射性将发生变更[思路点拨](1)放射性元素和它的同位素化学性质相同。(2)放射性同位素含量简单限制，衰变周期较短。[解析]放射性元素与它的同位素的化学性质相同，但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节汲取含有哪种元素的肥料。无论植物汲取含放射性元素的肥料，还是无放射性肥料，植物生长是相同的，A错；人工放射性同位素，含量易限制，衰变周期短，不会对环境造成永久污染，而自然放射性元素，剂量不易限制、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(1)用射线来测量厚度，一般不选取α射线是因为其穿透实力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的。(2)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)运用放射线时平安是第一位的。1．医学界通过14C标记的C60发觉一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是()A．示踪原子 B．电离作用C．催化作用 D．贯穿作用解析：选A用14C标记C60来查明元素的行踪，发觉可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的用途是示踪原子，故选项A正确。2．用“γ刀”进行手术，可以使病人在醒悟状态下经过较短的时间完成手术，在此过程中，主要利用：①γ射线具有较强的穿透本事；②γ射线很简单绕过障碍物到达病灶区域；③γ射线具有很强的电离实力，从而使病变细胞电离而被破坏；④γ射线具有很高的能量。上述描述正确的是()A．①② B．②③C．①②③ D．①④解析：选D用“γ刀”进行手术，利用的是γ射线具有较强的穿透本事能够进入病灶区，再利用γ射线具有很高的能量杀死病变细胞；γ射线的电离本事最弱。故选项D正确。3．在轧制钢板时须要动态地监测钢板厚度，其监测装置由放射源、探测器等构成，如图所示。该装置中探测器接收到的是()A．X射线 B．α射线C．β射线 D．γ射线解析：选D放射源按放射线分为α、β、γ和中子源，没有X射线源，α射线的穿透实力弱，不能穿透钢板，β射线只能穿透3mm厚的铝板，而γ射线才能穿透钢板，故D正确。1．威耳逊云室能够视察到射线径迹，是利用()A．射线在云室里的穿透本事B．射线在云室里的化学效应C．射线在云室里的热效应D．射线在云室里的电离作用解析：选D在云室中能够视察到射线的径迹是利用射线在云室里发生电离作用，故D正确。2．[多选]下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是()A．射线探伤仪B．利用含有放射性eq\o\al(131,53)I的油，检测地下输油管的漏油状况C．利用eq\o\al(60,27)Co治疗肿瘤等疾病D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用以检测确定农作物汲取养分的规律解析：选BD射线探伤仪利用了射线的穿透实力，选项A不符合题意。利用含有放射性eq\o\al(131,53)I的油，可以记录油的运动踪迹，进而检查管道的漏油状况，选项B符合题意。利用eq\o\al(60,27)Co治疗肿瘤等疾病，利用了射线的穿透实力和高能量，选项C不符合题意。把含有放射性元素的肥料施给农作物，可以记录放射性元素的踪迹，用以检测确定农作物汲取养分的规律，选项D符合题意。3．用α粒子照耀充氮的云室，得到如图所示的照片，下列说法中正确的是()A．A是α粒子的径迹，B是质子的径迹，C是新核的径迹B．B是α粒子的径迹，A是质子的径迹，C是新核的径迹C．C是α粒子的径迹，A是质子的径迹，B是新核的径迹D．B是α粒子的径迹，C是质子的径迹，A是新核的径迹解析：选Dα粒子轰击氮核产生一个新核并放出质子，入射的是α粒子，所以B是α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。4．用中子轰击铝27，产生钠24和X粒子，钠24具有放射性，它衰变后生成镁24，则X粒子和钠的衰变过程分别是()A．质子，α衰变 B．电子，α衰变C．α粒子，β衰变 D．正电子，β衰变解析：选C依据核反应方程的质量数和电荷数守恒可知X粒子的电荷数为2，质量数为4，所以X为α粒子，钠24衰变后生成镁24，质量数不变，所以只能是β衰变，故只有C正确。5．[多选]关于放射性同位素的一些应用，下列说法正确的是()A．利用放射性消退静电是利用射线的穿透作用B．利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用C．利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异D．在探讨农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子解析：选BCD消退静电是利用射线的电离作用使空气电离，A错误。探测机器部件内部的砂眼或裂纹和改良品种分别是利用它的穿透作用和射线可使DNA发生变异的性质，B、C正确。探讨农作物合理施肥中是利用放射性同位素作为示踪原子，D正确。6．在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子，分别填在下列核反应式的横线上。(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＋________。解析：在核反应过程中，遵循反应前后电荷数守恒、质量数守恒规律。对参加反应的全部基本粒子采纳左下角(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质量数确定。如(1)中电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(eq\o\al(4,2)He)，同理确定其他粒子分别为：中子(eq\o\al(1,0)n)，电子(eq\o\al(0,－1)e)，正电子(eq\o\al(0,1)e)，中子(eq\o\al(1,0)n)，质子(eq\o\al(1,1)H)。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)H7．[多选]关于威耳逊云室的原理，下列说法正确的是()A．往云室加少量酒精，使其达到饱和状态，然后压缩活塞，使其达到过饱和状态B．往云室