高中物理 第十九章 原子核 3 探测射线的方法 4 放射性的应用与防护教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

高中物理 第十九章 原子核 3 探测射线的方法 4 放射性的应用与防护教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

‎3 探测射线的方法 ‎ ‎4 放射性的应用与防护 疱丁巧解牛 知识·巧学 一、射线的效应 ‎1.离子使气体或液体电离，以这些粒子为核心，过饱和汽会产生云雾，过热液体会产生气泡.‎ ‎2.使照相底片感光.‎ ‎3.使荧光物质产生荧光.‎ 二、威耳逊云室 ‎1.构造：主要部分是一个塑料或玻璃制成的容器，它的下部是一个可以上下移动的活塞，上盖是透明的，可以通过它来观察和拍摄粒子运动的径迹，云室里面有干净的空气.‎ ‎2.原理：把一小块放射性物质(放射源)放在室内侧壁附近(或放在室外，让放射线从窗口射入)，先往云室里加少量的酒精，使室内充满酒精的饱和蒸汽，然后使活塞迅速向下运动，室内气体由于迅速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态，这时如果有射线粒子从室内气体中飞过，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，这些雾滴沿射线经过的路线排列，于是就显示出了射线的径迹.这种云室是英国物理学家威耳逊于1912年发明的，故叫威耳逊云室.‎ 三、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)，控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，因此液体过热，在通过室内射线粒子周围就有气泡形成，从而显示射线径迹.‎ 四、盖革·米勒计数器 ‎1.构造：主要部分是盖革管，外面是一根玻璃管，里面是一个接在电源负极的导电圆筒，筒的中间有一条接正极的金属丝，管中装有低压的惰性气体和少量的酒精蒸气或溴蒸气，如图‎19-3-1‎.‎ 图‎19-3-1‎ ‎2.原理：在金属丝和圆筒两极间加上一定的电压，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，阳离子到达阴极，在外电路中产生了一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来.‎ 五、核反应 ‎1.核反应 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程叫做核反应.‎ 人类第一次实现的原子核的人工转变：+→+‎ 要点提示 天然放射性元素会产生自发核衰变，不属于核反应.‎ 误区警示 (1)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接.‎ ‎(2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能只依据两个守恒定律凭空杜撰出生成物来写核反应方程.‎ ‎(3)核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化而释放出或吸收能量.‎ ‎2.核反应方程 ‎(1)在核反应中，参与反应的原子核内的核子(质子和中子)将重新排列或发生转化.用原子核的符号来表示核反应前后各原子核变化情况的式子称为核反应方程.‎ 原子核反应方程一般用下列方程表示：‎ i+T→1+R 式中i为入射粒子，T为靶原子核，R为生成原子核，l为出射粒子.‎ 出射粒子l可以与入射粒子i相同，此种过程称为散射，如果散射中动能不变，称为弹性散射，如果散射中动能改变，则称为非弹性散射，若在散射过程中，原子核种类不变，但也广义地称为核反应.‎ ‎(2)常见的核反应方程 用α粒子轰击氮核而发现质子：+→+.‎ 用α粒子轰击铍从而发现中子：+→+.‎ 铀238原子核的α衰变：→+.‎ 钍234原子核的β衰变方程：→++υ.‎ ‎3.核反应遵守的规律 ‎(1)电荷数守恒：反应前后体系的总电荷数守恒，即粒子与核的电荷数代数和不变.‎ ‎(2)质量数守恒：反应前后体系的总质量数不变.‎ ‎(3)动量守恒：反应前后粒子动量之和不变.‎ 六、人工放射性同位素 ‎1.放射性同位素 具有放射性的同位素，叫做放射性同位素.‎ 用人工的方法可以得到放射性同位素.用质子、氘核、中子和γ光子轰击原子核，可得到各种放射性同位素.‎ 深化升华 并不一定只有放射性元素才有放射性同位素.非放射性元素也可有放射性同位素.‎ 辨析比较 与天然放射性物质相比，人造放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状.特别是它的半衰期比天然放射性物质短得多，废料容易处理.‎ ‎2.常见的人工转变方程 铝核被α粒子轰击：+→+.‎ 的衰变反应方程：→+01e+υ.‎ 联想发散 ‎ 天然放射性同位素只不过六十多种，而人工制造的放射性同位素已达一千多种.‎ 七、放射性同位素的应用 放射性同位素的应用主要分为两类：一是利用射线的电离作用、穿透能力等特性，二是作为示踪原子.‎ ‎1.放射线特性的应用 放射线 应用 特性 电离作用 辐射育种 利用γ射线照射种子，可以使种子内的遗传物质发生变异，培育出新优良品种 食品辐射保存 用射线对食品进行照射，可以抑制发芽，杀虫灭菌 放射性治疗 射线照射可以治疗恶性肿瘤，使癌细胞受到抑制或死亡，这就是放射性治疗，简称“放疗”‎ 改善塑料性能 射线可以促进交织化合物体的聚合反应，以制造各种塑料或改善塑料性能 增加汽油产量 利用射线使石油分裂，增加汽油的产量 消除静电 利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以除去化纤、纺织品上的静电 放射性同位素衰变时释放能量 放射性同位素电池 将放射性同位素衰变时释放的能量转换成电能 穿透能力 γ射线探伤 利用γ射线可以检查金属内部有没有缺陷或裂纹 γ射线检测 由于射线透过物体的射线的强度跟物体的密度和厚密有关，因此可以用射线来检查产品的厚度，密封容器中液面的高度等 深化升华 ‎ 射线的应用主要是应用射线的穿透能力、电离能力和物理、化学、生物作用.‎ ‎2.示踪原子 由于放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质，如果在某种元素里掺进一些放射性同位素，那么无论走到哪里，它的放射性同位素也经过同样的过程，而放射性元素不断地放出射线，再用仪器探测这些射线，即可知道元素的行踪，这种用途的放射性同位素叫示踪原子.‎ 例如，在内燃机的活塞上装有放射性同位素铁59的活塞环时，通过测量润滑油中的放射性就可以弄清楚活塞跟汽缸壁的磨损情况，不必拆开内燃机去检查.‎ 在农业施肥中，在肥料中加一些放射性同位素，就会知道哪种农作物在什么季节最能吸收含有哪种元素的肥料.‎ 在医学中，利用放射性同位素可以了解病人的血液循环情况和食物消化情况，以及诊断某些疾病的病变情况.‎ 八、辐射与安全 ‎1.放射线的危害 射线具有特定的能量，对物体具有不同的穿透能力和电离能力，从而使物体或机体发生一些物理、化学、生化变化.如果人体受到长时间大剂量的射线照射，就会使细胞器官组织受到损伤，破坏人体DNA分子结构，有时甚至会引发癌症，或者造成下一代遗传上的缺陷，过度照射时，人常常会出现头痛、四肢无力、贫血等多种症状，过度甚至死亡.对于放射性的污染与防护如下表：‎ 污染与防护 举例与措施 说明 污染 核爆炸 核爆炸的最初几秒钟辐射出来的主要是强烈的γ射线和中子流 核泄漏 核工业生产和核科学研究中使用放射性原材料，一旦泄漏就会造成严重污染 医疗照射 医疗中如果放射线的剂量过大，也会导致病人受到损害，甚至造成病人的死亡 防护 密封防护 把放射源密封在特殊的包壳里，或者用特殊的方法覆盖，以防止射线泄漏 距离防护 距放射源越远，人体吸收的剂量就越少，受到的危害就越轻 时间防护 尽量减少受辐射的时间 屏蔽防护 在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用，铅的屏蔽作用最好 ‎2.防护 辐射防护的基本方法有时间防护、距离、屏蔽防护.要防止放射性物质对水源、空气、用具、工作场所的污染，要防止射线过多地长时间地照射人体.‎ 学法一得 根据不同的需要可以有目的地利用各种放射性物质，在利用放射性物质的同时，还应注意对射线进行防护，增强安全防范意识.‎ 典题·热题 知识点一 核反应方程 例1 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.制取过程如下：‎ ‎(1)用质子轰击铍靶产生快中子；‎ ‎(2)用快中子轰击汞，反应过程可能有两种：①生成，放出氦原子核；②生成，放出质子和中子；③生成的发生两次衰变，变成稳定的原子核汞.写出上述核反应方程.‎ 解析：根据质量数守恒和电荷数守恒，算出新生核的电荷数和质量数，然后写出上述核反应方程如下：‎ ‎(1)+→+‎ ‎(2)①+→+ ②+→+2+‎ ‎③→+ →+‎ 巧妙变式 此题只要严格按照写核反应的原则进行，一般是不会出错的.写核反应方程的原则是：‎ ‎(1)质量数守恒和电荷守恒；‎ ‎(2)中间箭头，不能写成等号.因两端仅仅是质量数守恒，没有体现质量相等；也不能仅画一横线，因箭头的方向还表示反应进行的方向；‎ ‎(3)能量守恒，但中学阶段不做要求；‎ ‎(4)核反应必须是实验能够发生的，不能毫无根据地随意乱写未经实验证实的核反应方程.‎ 知识点二 放射性同位素 例2 放射性同位素被用做示踪原子，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：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的正常的物理、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的危害，因此，选项A、B、C正确，选项D错误.‎ 答案：ABC 例3 近几年，我国北京、上海、山东、洛阳、广州等地引进了十多台γ刀，治疗患者5 000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γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，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γ刀性能更好，即将进入各大医院为患者服务.问：γ刀治疗脑肿瘤主要是利用( )‎ A.γ射线具有很强的贯穿本领 B.γ射线具有很强的电离作用 C.γ射线具有很高的能量 D.γ射线能容易地绕过障碍物到达目的地 解析：γ射线是一种波长很短的电磁波，具有较高的能量，它的贯穿本领很强，甚至可以穿透几厘米的铅板，但它的电离作用很小.‎ γ刀治疗肿瘤时，通常是同时用多束γ射线，使它们穿透脑颅和健康区域在病灶处汇聚，利用γ射线的高能量杀死肿瘤细胞.综上所述，正确选项为A、C.‎ 答案：AC 巧解提示 γ刀是物理学家创造的高科技产品，这里的“刀”的本质显然就是大量能量的汇聚，能量汇聚在具有确定边界的小体积内，并将小体积物块损毁，就达到了外科手术的效果.实际上将X光子、质子、中子、α粒子等高能粒子射线进行交会也能形成类似的“刀”，称之为“粒子手术刀”，而γ刀是较早产生的其中一员，可以预见物理学家创造的“刀”将会更广泛地应用于其他疾病治疗中，造福人类.‎ 例4 用人工方法得到放射性同位素，这是一个重要的发现，天然放射性同位素只不过六十几种，而今天人工制造的同位素已达一千多种，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、科研的许多方面得到广泛的应用.‎ ‎(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失，其原因是( )‎ A.放射线的贯穿作用 B.放射线的电离作用 C.放射线的物理、化学作用 D.以上三个选项都不是 ‎(2)如图‎19-3-2‎所示是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，如工厂生产的厚度1 ｍｍ的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起主要作用的是________射线.‎ 图‎19-3-2‎ ‎(3)在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素的结晶是同一种物质，为此曾采用放射性同位素‎14C 作___________________.‎ 解析：(1)因反射线的电离作用，空气中与验电器所带电电性相反的离子与之中和，所以使验电器所带电荷消失.‎ ‎(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1 ｍｍ的铝板，因而探测器不能探到，γ射线穿透本领最弱，穿透1 ｍｍ的铝板和几毫米厚铝板打在探测器上很难分辨，β射线也能穿透几毫米厚的铝板，但厚度不同，穿透后β射线中的电子运动状态不同，探测器容易分辨，所以起主要作用的是β射线.‎ ‎(3)把掺入‎14C的人工合成牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经多次更新结晶后，得到了反射性‎14C分布均匀的牛胰岛素结晶，这就证明了人工合成牛胰岛素与天然牛胰岛素合为一体，它们是同一物质，把这种放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动迁移，再用放射性探测仪器进行跟踪，就可以知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易察明的情况和规律，人们把这种用途的放射性同位素叫做示踪原子.‎ 答案：(1)B (2)β (3)示踪原子 巧解提示 抓住射线的穿透能力和电离能力是解决此类题目的关键.‎ 问题·探究 思想方法探究 问题1 示踪原子的应用体现了哪些物理思想？‎ 探究过程：‎ 一种元素的各种同位素都有相同的化学性质，这样，我们可以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，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，但却带有“放射性标记”，可以用仪器探测出来，这种原子就是示踪原子.因此，示踪原子的应用体现了等效替代的物理思想，并且利用了示踪原子的放射性这一物理性质.‎ 探究结论:示踪原子的应用体现了等效替代的物理思想，并且利用了示踪原子的放射性这一物理性质.‎ 误区陷阱探究 问题2 放射性同位素具有放射性，因此放射性元素是指放射性元素的同位素，这种说法正确吗？‎ 探究过程：某些非放射性元素比较稳定，但在人工转变的条件下，会使有些原子核发生变化，形成这种非放射性元素的同位素，但这种同位素可能不稳定，会发生衰变，因此称这种同位素为放射性同位素.由此可以看出，放射性同位素并不表示放射性元素的同位素，而是指这种同位素具有放射性.如磷是稳定的，不具有放射性.若用α粒子轰击铝核，会生成，它是磷的同位素，但它具有放射性，因此称为磷的放射性同位素.‎ 探究结论:放射性元素是指放射性元素的同位素的说法是错误的.‎