高二物理課件 19.3 《探測射線的方法》 19.4 放射性的應用與防護 （人教選修3-5）

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歡迎進入物理課堂 一 威耳遜云室和蓋革 米勒計數(shù)器 1 威耳遜云室 1 構造云室的主要結構如圖所示 圓筒形容器的下底是一個可在小范圍活動的活塞 上蓋是透明的 通過它可觀察云室內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象或進行照相 放射源可放在室內(nèi)側(cè)壁附近 也可放在室外側(cè)壁的窗口 2 原理實驗時 在云室內(nèi)加一些酒精 使室內(nèi)充滿飽和汽 然后使活塞迅速向下移動一段距離 室內(nèi)氣體由于突然膨脹而溫度降低 使酒精的飽和汽處于過飽和狀態(tài) 這時如果有能量較高的粒子從室內(nèi)氣體中飛過 就會使沿途的氣體分子電離產(chǎn)生離子 過飽和汽便以這些離子為核心凝成一條霧跡 3 放射線在云室中的徑跡 粒子的質(zhì)量比較大 在氣體中飛行時不易改變方向 由于它的電離本領大 沿途產(chǎn)生的離子多 所以它在云室中的徑跡直而粗 粒子的質(zhì)量小 跟氣體碰撞時容易改變方向 并且電離本領小 沿途產(chǎn)生的離子少 所以它在云室中的徑跡比較細 而且常常彎曲 粒子的電離本領更小 在云室中一般看不到它的徑跡 2 蓋革 米勒計數(shù)器 1 構造計數(shù)器的主要部分是計數(shù)管 其結構如圖所示 它是一支玻璃管 里面有一個銅圓筒 或在管壁上涂有一層導電薄膜 這是陰極 穿過圓筒軸心的鎢絲是陽極 管內(nèi)充有低壓的惰性氣體 工作時在兩極間加上的電壓通常略低于管內(nèi)氣體的電離電壓 2 原理當某種射線粒子進入管內(nèi)時 它使管內(nèi)的氣體電離 產(chǎn)生的電子在電場中被加速 能量越來越大 電子跟管中的氣體分子碰撞時 又使氣體分子電離 產(chǎn)生電子 這樣 一個粒子進入管中后可以產(chǎn)生大量電子 這些電子到達陽極 陽離子到達陰極 在電路中就產(chǎn)生一次脈沖放電 利用電子儀器可以把放電次數(shù)記錄下來 3 優(yōu)缺點 優(yōu)點 放大倍數(shù)很大 非常靈敏 用它來檢測放射性是很方便的 缺點 它對于不同的射線產(chǎn)生的脈沖現(xiàn)象相同 因此只能用來計數(shù) 而不能區(qū)分射線的種類 如果同時有大量粒子 或兩個粒子射來的時間間隔很短 小于200 s 時 也不能區(qū)分它們 氣泡室的原理同云室的原理類似 所不同的是氣泡室里裝的是液體 如液態(tài)氫 而云室里裝的是氣體 典例1 用蓋革 米勒計數(shù)器測定放射源的放射強度為每分鐘405次 若將一張厚紙板放在計數(shù)器與放射源之間 計數(shù)器幾乎測不到射線 10天后再次測量 測得該放射源的放射強度為每分鐘101次 則下列關于射線性質(zhì)及它的半衰期的說法正確的是 A 放射源射出的是 射線B 放射源射出的是 射線C 這種放射性元素的半衰期是5天D 這種放射性元素的半衰期是2 5天 解題指導 解答該題時要關注以下兩點 1 根據(jù) 射線 射線的穿透能力確定射線的種類 2 由半衰期的定義求出該元素的半衰期 標準解答 選A C 因厚紙板能擋住這種射線 知這種射線是穿透能力最差的 射線 選項A正確 B錯誤 因放射性元素原子核個數(shù)與單位時間內(nèi)衰變的次數(shù)成正比 10天后測出放射強度為原來的四分之一 說明10天后放射性元素的原子核個數(shù)只有原來的四分之一 由半衰期公式知已經(jīng)過了兩個半衰期 故半衰期是5天 變式訓練 用 粒子照射充氮的云室 攝得如圖所示的照片 下列說法中正確的是 A A是 粒子的徑跡 B是質(zhì)子的徑跡 C是新核的徑跡B B是 粒子的徑跡 A是質(zhì)子的徑跡 C是新核的徑跡C C是 粒子的徑跡 A是質(zhì)子的徑跡 B是新核的徑跡D B是 粒子的徑跡 C是質(zhì)子的徑跡 A是新核的徑跡 解析 選D 粒子轟擊氮核產(chǎn)生一個新核并放出質(zhì)子 入射的是 粒子 所以B是 粒子的徑跡 產(chǎn)生的新核質(zhì)量大電離作用強 所以徑跡粗而短 故A是新核徑跡 質(zhì)子電離作用弱一些 貫穿作用強 所以細而長的徑跡是質(zhì)子的徑跡 所以正確選項為D 二 核反應及核反應方程 1 核反應的條件 用 粒子 質(zhì)子 中子 甚至用 光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變 2 核反應的實質(zhì) 用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開 而是粒子打入原子核內(nèi)部使核發(fā)生了轉(zhuǎn)變 3 原子核人工轉(zhuǎn)變的三大發(fā)現(xiàn) 1 1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應 147N 42He178O 11H 2 1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應 94Be 42He126C 10n 3 1934年約里奧 居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應 2713Al 42He3015P 10n 3015P3014Si 01e 4 人工轉(zhuǎn)變核反應與衰變的比較 1 不同點 原子核的人工轉(zhuǎn)變 是一種核反應 是其他粒子與原子核相碰撞的結果 需要一定的裝置和條件才能發(fā)生 而衰變是原子核的自發(fā)變化 它不受物理化學條件的影響 2 相同點 人工轉(zhuǎn)變與衰變過程一樣 在發(fā)生過程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒 反應前后粒子總動量守恒 1 核反應過程一般都是不可逆的 核反應方程不能用等號連接 只能用單向箭頭表示反應方向 2 核反應方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒 核反應過程中 一般會發(fā)生質(zhì)量的變化 典例2 2010 全國高考 原子核AZX與氘核21H反應生成一個 粒子和一個質(zhì)子 由此可知 A A 2 Z 1B A 2 Z 2C A 3 Z 3D A 3 Z 2 解題指導 解答本題時 可參照以下解題步驟 標準解答 選D 寫出核反應方程 AZX 21H42He 11H 由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒 列方程A 2 4 1 Z 1 2 1 解得 A 3 Z 2 故答案為D 規(guī)律方法 書寫核反應方程的原則 1 質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒 2 中間用箭頭 不能寫成等號 3 能量守恒 中學階段不做要求 4 核反應必須是實驗中能夠發(fā)生的 變式訓練 1993年 中國科學院上海原子核研究所制得了一種新的鉑元素的同位素20278Pt 制取過程如下 1 用質(zhì)子轟擊鈹靶94Be產(chǎn)生快中子 2 用快中子轟擊汞20480Hg 反應過程可能有兩種 生成20278Pt 放出氦原子核 生成20278Pt 放出質(zhì)子 中子 3 生成的20278Pt發(fā)生兩次 衰變 變成穩(wěn)定的原子核汞20280Hg 寫出上述核反應方程式 解析 根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒 算出新核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù) 然后寫出核反應方程 1 94Be 11H95B 10n 2 20480Hg 10n20278Pt 32He20480Hg 10n20278Pt 211H 10n 3 20278Pt20279Au 0 1e 20279Au20280Hg 0 1e答案 見解析 三 放射性同位素及其應用 1 放射性同位素 1 放射性同位素的分類 天然放射性同位素 人工放射性同位素 2 人工放射性同位素的優(yōu)勢 放射強度容易控制 可制成各種所需的形狀 半衰期短 廢料易處理 2 放射性的應用 1 放射出的射線的利用 利用 射線的貫穿本領 利用60Co放出的很強的 射線來檢查金屬內(nèi)部有沒有砂眼和裂紋 這叫 射線探傷 利用 射線可以檢查30cm厚的鋼鐵部件 利用放射線的貫穿本領 可用來檢查各種產(chǎn)品的厚度 密封容器中的液面高度等 從而自動控制生產(chǎn)過程 利用射線的電離作用 放射線能使空氣電離 從而可以消除靜電積累 防止靜電產(chǎn)生的危害 利用 射線對生物組織的物理 化學效應使種子發(fā)生變異 培育優(yōu)良品種 利用放射性產(chǎn)生的能量轟擊原子核 實現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變 在醫(yī)療上 常用以控制病變組織的擴大 2 作為示蹤原子 在工業(yè)上 可用示蹤原子檢查地下輸油管道的漏油情況 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 可用示蹤原子確定植物在生長過程中所需的肥料和合適的施肥時間 在醫(yī)學上 可用示蹤原子幫助確定腫瘤的部位和范圍 在生物科學研究方面 放射性同位素示蹤法在生物化學和分子生物學領域應用極為廣泛 它為揭示體內(nèi)和細胞內(nèi)理化過程的秘密 闡明生命活動的物質(zhì)基礎 起了極其重要的作用 使生物化學從靜態(tài)進入動態(tài) 從細胞水平進入分子水平 在利用放射性的同時 要注意保護生態(tài)環(huán)境 從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 典例3 關于放射性同位素應用的下列說法中正確的是 A 放射線改變了布料的性質(zhì)使其不再因摩擦而生電 從而達到消除有害靜電的目的B 利用 射線的貫穿性可以為金屬探傷 也能進行人體透視C 用放射線照射作物種子使其DNA發(fā)生變異 其結果一定是更優(yōu)良的品種D 用 射線治療腫瘤時一定要嚴格控制劑量 以免對人體正常組織造成太大的傷害 解題指導 在深刻理解射線特性的基礎上分析此題 標準解答 選D 利用放射線消除有害靜電是利用放射線的電離性 使空氣分子電離成為導體 將靜電導出 A錯誤 射線對人體細胞傷害太大 不能用來進行人體透視 B錯誤 作物種子發(fā)生的DNA突變不一定都是有益的 還要經(jīng)過篩選才能培育出優(yōu)秀品種 C錯誤 用 射線治療腫瘤對人體肯定有副作用 因此要科學地控制劑量 D正確 變式訓練 2011 沈陽高二檢測 正電子發(fā)射計算機斷層顯像 PET 的基本原理是 將放射性同位素15O注入人體 參與人體的代謝過程 15O在人體內(nèi)衰變放出正電子 與人體內(nèi)負電子相遇而湮滅轉(zhuǎn)化為一對光子 被探測器探測到 經(jīng)計算機處理后產(chǎn)生清晰的圖像 根據(jù)PET原理 回答下列問題 1 寫出15O的衰變和正負電子湮滅的方程式 2 將放射性同位素15O注入人體 15O的主要用途是 A 利用它的射線B 作為示蹤原子C 參與人體的代謝過程D 有氧呼吸 3 PET中所選的放射性同位素的半衰期應 填 長 或 短 或 長短均可 解析 1 由題意得 158O157N 0 1e 0 1e 0 1e2 2 選B 將放射性同位素15O注入人體后 由于它能放出正電子 并能與人體內(nèi)的負電子產(chǎn)生一對光子 從而被探測器探測到 所以它的用途為作為示蹤原子 B對 3 根據(jù)同位素的用途 為了減小對人體的傷害 半衰期應該很短 答案 1 158O157N 0 1e 0 1e 0 1e2 2 B 3 短 變式備選 2011 貴陽高二檢測 一塊含鈾的礦石質(zhì)量為M 其中鈾元素的質(zhì)量為m 鈾發(fā)生一系列衰變 生成物為鉛 已知鈾的半衰期為T 那么下列說法中正確的有 A 經(jīng)過兩個半衰期后這塊礦石中基本不再含有鈾了B 經(jīng)過兩個半衰期后原來所含的鈾元素的原子核有m 4發(fā)生了衰變C 經(jīng)過三個半衰期后 其中鈾元素的質(zhì)量還剩m 8D 經(jīng)過一個半衰期后該礦石的質(zhì)量剩下M 2 解析 選C 經(jīng)過兩個半衰期后 這塊礦石中剩下的鈾 已有的鈾生成了鉛 A B均錯 經(jīng)過三個半衰期后 鈾元素的質(zhì)量還剩C對 經(jīng)過一個半衰期后 該礦石中有的鈾元素變成了鉛 故該礦石的剩余質(zhì)量不是D錯 典例 1956年李政道和楊振寧提出在弱相互作用中宇稱不守恒 并由吳健雄用6027Co的衰變來驗證 其核反應方程是6027CoAZNi 0 1e 其中是反中微子 它的電量為零 靜止質(zhì)量可認為是零 1 6027Co的核外電子數(shù)為 在上述衰變方程中 衰變產(chǎn)物AZNi的質(zhì)量數(shù)A是 核電荷數(shù)Z是 2 在衰變前6027Co核靜止 根據(jù)云室照片可以看出 衰變產(chǎn)物Ni和0 1e的運動徑跡不在一條直線上 如果認為衰變產(chǎn)物只有Ni和0 1e 那么衰變過程將違背 守恒定律 解題指導 本題主要考查了衰變方程兩側(cè)滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒及動量守恒定律適用條件 標準解答 1 由6027Co可知它的質(zhì)子數(shù)為27 又因為核外電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等 故6027Co的核外電子數(shù)為27 由6027CoAZNi 0 1e 可推得AZNi中A為60 Z為28 2 衰變前6027Co核靜止 動量為零 衰變后 Ni和0 1e運動徑跡不在一條直線上 此時它們兩個動量之和不為零 如果衰變產(chǎn)物只有Ni和0 1e 則動量不守恒 故還應有其他產(chǎn)物 答案 1 276028 2 動量 一 選擇題1 為了說明用 粒子轟擊氮打出了質(zhì)子是怎樣的一個物理過程 布拉凱特在充氮云室中 用 粒子轟擊氮 在他拍攝的二萬多張照片中 終于從四十多萬條 粒子徑跡中發(fā)現(xiàn)了8條產(chǎn)生分叉 這一實驗數(shù)據(jù)說明了 A 粒子的數(shù)目很少 與氮發(fā)生相互作用的機會很少B 氮氣的密度很小 粒子與氮接觸的機會很少C 氮核很小 粒子接近氮核的機會很少D 氮氣和 粒子的密度都很小 致使它們接近的機會很少 解析 選C 氮原子核很小 所以 粒子接近氮原子核的機會很少 使得發(fā)生反應后徑跡分叉的機會很少 故正確選項為C 2 關于同位素的下列說法中 正確的是 A 一種元素的幾種同位素在元素周期表中的位置相同B 一種元素的幾種同位素的化學性質(zhì) 物理性質(zhì)都相同C 同位素都具有放射性D 互稱同位素的原子含有相同的質(zhì)子數(shù) 解析 選A D 質(zhì)子數(shù)相同 中子數(shù)不同的原子互稱同位素 由于它們的原子序數(shù)相同 因此在元素周期表中的位置相同 雖然核電荷數(shù)相同 但由于中子數(shù)不同 因此物理性質(zhì)不同 一種元素的同位素不都具有放射性 具有放射性的同位素叫做放射性同位素 故正確答案為A D 3 放射性同位素被用作示蹤原子 主要是因為 A 放射性同位素不改變其化學性質(zhì)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 半衰期與元素所處的物理 化學狀態(tài)無關D 放射性同位素容易制造 解析 選A B C 放射性同位素用作示蹤原子 主要是用放射性同位素替代沒有放射性的同位素參與正常的物理 化學 生物的過程 既要利用化學性質(zhì)相同 也要利用衰變規(guī)律不受物理 化學變化的影響 同時還要考慮放射性廢料容易處理等 因此 選項A B C正確 D不正確 4 2011 焦作高二檢測 在下列四個核反應方程中 X1 X2 X3和X4各代表某種粒子 31H X142He 10n 147N 42He178O X2 94Be 42He126C X3 2412Mg 42He2713Al X4以下判斷中正確的是 A X1是質(zhì)子B X2是中子C X3是電子D X4是質(zhì)子 解析 選D 根據(jù)核反應的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒知 X1為21H A錯 X2為11H B錯 X3為10n C錯 X4為11H D對 5 2011 哈爾濱高二檢測 鋁箔被 粒子轟擊后發(fā)生了以下核反應 2713Al 42HeX 10n 下列判斷正確的是 A 10n是質(zhì)子B 10n是中子C X是2814Si的同位素D X是3115P的同位素 解析 選B D 10n是中子 11H才是質(zhì)子 A錯B對 由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得X的質(zhì)量數(shù)為30 核電荷數(shù)為15 即是3115P的同位素3015P C錯D對 6 近幾年 我國北京 上海 山東 洛陽 廣州等地引進了十多臺 刀 治療患者5000余例 效果極好 成為治療腦腫瘤的最佳儀器 令人感嘆的是 用 刀治療時不用麻醉 病人清醒 時間短 半個小時內(nèi)完成手術 無須住院 因而 刀被譽為 神刀 據(jù)報道 我國自己研究的旋式 刀性能更好 將進入各大醫(yī)院為患者服務 刀治療腦腫瘤主要是利用 A 射線具有很強的貫穿本領B 射線具有很強的電離作用C 射線具有很高的能量D 射線能很容易地繞過阻礙物到達目的地 解析 選A C 射線是一種波長很短的電磁波 具有較高的能量 它的貫穿本領很高 甚至可以穿透幾厘米的鉛板 但它的電離作用很小 刀治療腫瘤時 通常是同時用多束 射線 使它們穿透腦顱和健康區(qū)域在病灶處會聚 利用 射線的高能量殺死腫瘤細胞 綜上所述 本題正確選項為A C 7 用中子轟擊氧原子核的核反應方程式為168O 10na7N 0bX 對式中X a b的判斷正確的是 A X代表中子 a 17 b 1B X代表正電子 a 17 b 1C X代表正電子 a 17 b 1D X代表質(zhì)子 a 17 b 1 解析 選C 根據(jù)質(zhì)量數(shù) 電荷數(shù)守恒可知a 17 b 8 0 7 1 因此X可表示為01e 為正電子 故C項正確 A B D三項錯 8 將威耳遜云室置于磁場中 一個靜止在磁場中的放射性同位素原子核3015P 放出一個正電子后變成原子核3014Si 能近似反映正電子和Si核軌跡的是 解析 選B 把放出的正電子和衰變生成物Si核看成一個系統(tǒng) 衰變過程中系統(tǒng)的動量守恒 放出的正電子的運動方向跟Si核運動方向一定相反 由于它們都帶正電荷 在洛倫茲力作用下一定形成兩個外切圓的軌道 C D可排除 因為有洛倫茲力作為向心力 即所以做勻速圓周運動的半徑為衰變時 放出的正電子與反沖核Si的動量大小相等 因此在同一個磁場中做圓周運動的半徑與它們的電荷量成反比 即可見正電子運動的圓半徑較大 故選B 二 非選擇題9 正電子發(fā)射計算機斷層 PET 是分子水平上的人體功能顯像的國際領先技術 它為臨床診斷和治療提供全新手段 PET在心臟疾病診療中 需要使用放射正電子的同位素氮13作示蹤劑 氮13是由小型回轉(zhuǎn)加速器輸出的高速質(zhì)子轟擊氧16獲得的 反應中同時還產(chǎn)生另一種粒子 試寫出核反應方程 解析 由題意可知 氧16 168O 在質(zhì)子 11H 的轟擊下產(chǎn)生了氮13 137N 和另一種粒子 由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知另外一種粒子是42He 所以核反應方程為 168O 11H137N 42He答案 168O 11H137N 42He 方法技巧 求解原子核的人工轉(zhuǎn)變與原子核的衰變問題的技巧求解原子核的人工轉(zhuǎn)變與原子核的衰變問題時要正確理解它們的異同點 它們的異同點是 10 2011 福州高二檢測 如圖所示 靜止在勻強磁場中的63Li核俘獲一個速度為v0 7 7 104m s的中子而發(fā)生核反應 63Li 10n31H 42He 若已知He核的速度為v2 2 0 104m s 其方向跟中子反應前的速度方向相同 求 1 31H的速度是多大 2 求粒子31H和42He運動軌跡的軌道半徑之比 3 當粒子42He旋轉(zhuǎn)了3周時 粒子31H旋轉(zhuǎn)幾周 解析 1 63Li核俘獲10n的過程 系統(tǒng)動量守恒 則mnv0 mHv1 mHev2 即代入數(shù)據(jù)mn 1u mHe 4u mH 3u 得v1 1 0 103m s 負號表示跟v0的方向相反 2 31H和42He在磁場中半徑之比為 3 31H和42He的周期之比為所以相同時間它們的轉(zhuǎn)動圈數(shù)之比為nH nHe THe TH 2 3當粒子42He轉(zhuǎn)3周時 粒子31H轉(zhuǎn)動2周答案 1 1 0 103m s 2 3 40 3 2 Thankyou 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全