物理选修33 探测射线的方法学案

这是一份物理选修33 探测射线的方法学案，共11页。

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结成雾滴，于是显示出射线的径迹．
eq \\ac(○,2)径迹仪器
(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，在它的周围产生气泡而形成粒子的径迹．
(3)盖革­米勒计数器
①优点：G—M计数器非常灵敏，使用方便．
②缺点：只能用来计数，不能区分射线的种类．
二、核反应和人工放射性同位素
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．
卢瑟福发现质子的核反应方程：eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋eq \\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：具有放射性的同位素．
(2)人工放射性同位素的发现：1934年，约里奥·居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷eq \\al(30,15)P.
发现磷同位素的方程：eq \\al(4,2)He＋eq \\al(27,13)Al→eq \\al(30,15)P＋eq \\al(1,0)n.
三、放射性同位素的应用与防护
1．应用射线：利用γ射线的穿透本领可以测厚度等，还可以用于放射治疗、照射种子培育优良品种等．
2．示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后，可以探测出原子到达的位置．
3．辐射与安全：人类一直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．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)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．(√)
(2)卢瑟福发现质子的过程就是原子核的人工转变过程．(√)
(3)衰变反应过程和原子核的人工转变过程都遵循质量守恒和电荷守恒规律．(×)
(4)同一种元素的放射性同位素具有相同的半衰期．(×)
(5)在用到射线时，利用人工放射性同位素和天然放射性物质都可以．(×)
(6)用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物做“示踪原子”．(√)
2．(多选)在威耳逊云室中，关于放射源产生的射线径迹，下列说法中正确的是( )
A．由于γ射线的能量大，容易显示其径迹
B．γ射线的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹
C．由于β粒子的速度大，其径迹细而且长
D．由于α粒子的速度小，不易显示其径迹
[解析] 在云室中显示粒子径迹是由于引起气体电离，以这些离子为核心凝结成雾滴，电离作用强的α粒子容易显示其径迹，因质量较大，飞行时不易改变方向，所以径迹直而粗，故只有B、C正确．
[答案] BC
3．(多选)以下是物理学史上3个著名的核反应方程
x＋eq \\al(7,3)Li→2y y＋eq \\al(14, 7)N→x＋eq \\al(17, 8)O y＋eq \\al(9,4)Be→z＋eq \\al(12, 6)C
x、y和z是3种不同的粒子，下列说法正确的是( )
A．x为α粒子
B．x为质子
C．y为α粒子
D．z为中子
[解析] 根据质量数守恒和电荷数守恒可以确定x为质子eq \\al(1,1)H，y为eq \\al(4,2)He核即α粒子，z为中子eq \\al(1,0)n.
[答案] BCD
1．三种射线在云室中的径迹比较
(1)α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．
(2)β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，而且速度减小后的轨迹常常弯曲．
(3)γ粒子的电离本领更小，在云室中一般看不到它的径迹．
2．不同探测方法的对比
威耳逊云室和气泡室都是依据径迹探测射线的性质和种类，而盖革­米勒计数器只能计数，不能区分射线的种类．
【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，则该放射性元素的半衰期是________天，放出的射线是________射线．
[解析] 因厚纸板能挡住这种射线，可知这种射线是穿透能力最差的α射线；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] 5 α
1．(多选)利用威耳逊云室探测射线时若观察到细长和弯曲的径迹，则下列说法正确的是( )
A．可知有α射线射入云室
B．可知有β射线射入云室
C．观察到的是射线粒子的运动
D．观察到的是射线粒子运动路径上的酒精雾滴
[解析] 因为观察到威耳逊云室中存在细长和弯曲的径迹，可知是β射线的径迹，A错，B对；射线粒子的运动是观察不到的，观察到的是酒精过饱和蒸气在射线粒子运动路径上形成的雾滴，C错，D对．
[答案] BD
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大发现
(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应：
eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H
(2)1932年查德威克发现中子的核反应：
eq \\al(9,4)Be＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n
(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：eq \\al(27,13)Al＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(30,15)P＋eq \\al(1,0)n；eq \\al(30,15)P→eq \\al(30,14)Si＋eq \\al( 0,＋1)e.
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，它不受物理和化学条件的影响．
(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．
【例2】 完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子和正电子的．
(1)eq \\al(10, 5)B＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(13, 7)N＋( )
(2)eq \\al(9,4)Be＋( )→eq \\al(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n
(3)eq \\al(27,13)Al＋( )→eq \\al(27,12)Mg＋eq \\al(1,1)H
(4)eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋( )
(5)eq \\al(23,11)Na＋( )→eq \\al(24,11)Na＋eq \\al(1,1)H
(6)eq \\al(27,13)Al＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(1,0)n＋( )；eq \\al(30,15)P→eq \\al(30,14)Si＋( )
[解析] (1)eq \\al(10, 5)B＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(13, 7)N＋eq \\al(1,0)n
(2)eq \\al(9,4)Be＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n
由此核反应使查德威克首次发现了中子．
(3)eq \\al(27,13)Al＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(27,12)Mg＋eq \\al(1,1)H
(4)eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H
此核反应使卢瑟福首次发现了质子．
(5)eq \\al(23,11)Na＋eq \\al(2,1)H→eq \\al(24,11)Na＋eq \\al(1,1)H
(6)eq \\al(27,13)Al＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(1,0)n＋eq \\al(30,15)P；
eq \\al(30,15)P→eq \\al(30,14)Si＋eq \\al( 0,＋1)e(正电子)
此核反应使约里奥—居里夫妇首次发现了正电子．
书写核反应方程的四条重要原则
(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(中学阶段不作要求)；
(4)核反应必须是实验中能够发生的．
2．图为查德威克实验示意图，由于天然放射性元素钋(P)放出的α射线轰击铍时会产生粒子流A，用粒子流A轰击石蜡时会打出粒子流B，经研究知道( )
A．A为中子，B为质子
B．A为质子，B为中子
C．A为γ射线，B为中子
D．A为中子，B为γ射线
[解析] α射线轰击铍时的核反应方程：eq \\al(9,4)Be＋eq \\al(4,2)He→(eq \\al(13, )6C)→eq \\al(12, )6C＋eq \\al(1,0) n，得知A为中子，中子轰击石蜡时会打出质子流，所以A正确；其他选项错误．
[答案] A
1．放射性同位素的分类
可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素两种，天然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达1 000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)放射强度容易控制；
(2)可以制成各种所需的形状；
(3)半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理．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工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性；
②农业应用——利用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．
【例3】 (多选)关于放射性同位素的应用下列说法中正确的有( )
A．放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到了消除有害静电的目的
B．利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤
C．用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种
D．用γ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
[解析] 利用放射线消除有害静电是利用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；利用γ射线的穿透性可以为金属探伤，γ射线对人体细胞伤害太大，因此不能用来人体透视，在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量，B、D正确；DNA变异并不一定都是有益的，C错误．
[答案] BD
放射性同位素的两类应用
(1)利用它的射线：α射线的电离作用，γ射线的贯穿本领和生物作用，β射线的贯穿本领．
(2)作为示踪原子：多数情况下用β射线，因为γ射线难以探测到．
3．(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子( )
A．γ射线探伤仪
B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
C．利用钴60治疗肿瘤等疾病
D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律
[解析] A是利用了γ射线的穿透性；C利用了γ射线的生物作用；B、D是利用示踪原子．
[答案] BD
1．(多选)关于放射性的应用，下列说法正确的是( )
A．利用α射线使空气电离，把静电荷导走
B．利用β射线照射植物的种子，使产量显著增加
C．利用γ射线来治疗肺癌、食道癌等疾病
D．利用放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，作为示踪原子
[解析] α射线的电离作用很强，利用α射线的电离作用，A对；γ射线对生物具有物理化学作用，照射种子可使基因变异，可用于放射性治疗，β射线不具有生物作用，B错，C对；同位素的核外电子数相同，化学性质相同，放射性同位素带有“放射性标记”，可用探测器探测，D对．
[答案] ACD
2．(多选)用高能eq \\al(86,36)Kr(氪)离子轰击eq \\al(208, 82)Pb(铅)，释放出一个中子后，生成了一个新核，关于新核的推断正确的是( )
A．其质子数为118 B．其质量数为293
C．其原子序数为118D．其中子数为90
[解析] 核反应方程为eq \\al(208, 82)Pb＋eq \\al(86,36)Kr→eq \\al(1,0)n＋eq \\al(293,118)X，新核质量数为293，质子数为118，中子数为293－118＝175.故正确选项为A、B、C.
[答案] ABC
3．(多选)用α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α粒子的径迹
B．B是α粒子的径迹
C．C是α粒子的径迹
D．C是质子的径迹
[解析] α粒子轰击氮的核反应方程为eq \\al(4,2)He＋eq \\al(14, 7)N→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H，入射的是α粒子．所以B是α粒子产生的径迹，质量大、电离作用强的新核eq \\al(17, 8)O，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B、D.
[答案] BD
4．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”“短”或“长短均可”)
[解析] (1)由题意得eq \\al(15, 8)O→eq \\al(15, 7)N＋eq \\al( 0,＋1)e，eq \\al( 0,＋1)e＋eq \\al( 0,－1)e→2γ.
(2)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正确．
(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)eq \\al(15, 8)O→eq \\al(15, 7)N＋eq \\al( 0,＋1)e，eq \\al( 0,＋1)e＋eq \\al( 0,－1)e→2γ
(2)B (3)短
探测射线的方法
原子核的人工转变与核反应方程
放射性同位素的应用
课 堂 小 结
1.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．
2．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．
3．在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒．
4．放射性同位素有很多应用，如应用它的射线或把它作为示踪原子；放射性同位素也有很多危害．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.
知 识 脉 络