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發(fā)生的現象或進行照相 放射源可放在室內側壁附近 也可放在室外側壁的窗口 2 原理實驗時 在云室內加一些酒精 使室內充滿飽和汽 然后使活塞迅速向下移動一段距離 室內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氣體中飛過 就會使沿途的氣體分子電離產生離子 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 沿途產生的離子多 所以它在云室中的徑跡直而粗 粒子的質量小 跟氣體碰撞時容易改變方向 并且電離本領小 沿途產生的離子少 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 米勒計數器 1 構造計數器的主要部分是計數管 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氣體的電離電壓 2 原理當某種射線粒子進入管內時 它使管內的氣體電離 產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 產生電子 這樣 一個粒子進入管中后可以產生大量電子 這些電子到達陽極 陽離子到達陰極 在電路中就產生一次脈沖放電 利用電子儀器可以把放電次數記錄下來 3 優(yōu)缺點 優(yōu)點 放大倍數很大 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生的脈沖現象相同 因此只能用來計數 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器與放射源之間 計數器幾乎測不到射線 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 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與單位時間內衰變的次數成正比 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只有原來的四分之一 由半衰期公式知已經過了兩個半衰期 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是質子的徑跡 C是新核的徑跡B B是 粒子的徑跡 A是質子的徑跡 C是新核的徑跡C C是 粒子的徑跡 A是質子的徑跡 B是新核的徑跡D B是 粒子的徑跡 C是質子的徑跡 A是新核的徑跡 解析 選D 粒子轟擊氮核產生一個新核并放出質子 入射的是 粒子 所以B是 粒子的徑跡 產生的新核質量大電離作用強 所以徑跡粗而短 故A是新核徑跡 質子電離作用弱一些 貫穿作用強 所以細而長的徑跡是質子的徑跡 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 質子 中子 甚至用 光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉變 2 核反應的實質 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部使核發(fā)生了轉變 3 原子核人工轉變的三大發(fā)現 1 1919年盧瑟福發(fā)現質子的核反應 147N 42He178O 11H 2 1932年查德威克發(fā)現中子的核反應 94Be 42He126C 10n 3 1934年約里奧 居里夫婦發(fā)現放射性同位素和正電子的核反應 2713Al 42He3015P 10n 3015P3014Si 01e 4 人工轉變核反應與衰變的比較 1 不同點 原子核的人工轉變 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 人工轉變與衰變過程一樣 在發(fā)生過程中質量數與電荷數都守恒 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 核反應方程遵守質量數守恒而不是質量守恒 核反應過程中 一般會發(fā)生質量的變化 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 由質量數守恒和電荷數守恒 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 質量數守恒和電荷數守恒 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 用質子轟擊鈹靶94Be產生快中子 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 根據質量數守恒和電荷數守恒 算出新核的電荷數和質量數 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 可用來檢查各種產品的厚度 密封容器中的液面高度等 從而自動控制生產過程 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 利用放射性產生的能量轟擊原子核 實現原子核的人工轉變 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 在農業(yè)生產中 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 它為揭示體內和細胞內理化過程的秘密 闡明生命活動的物質基礎 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在人體內衰變放出正電子 與人體內負電子相遇而湮滅轉化為一對光子 被探測器探測到 經計算機處理后產生清晰的圖像 根據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 并能與人體內的負電子產生一對光子 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 一塊含鈾的礦石質量為M 其中鈾元素的質量為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 經過兩個半衰期后這塊礦石中基本不再含有鈾了B 經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 經過三個半衰期后 其中鈾元素的質量還剩m 8D 經過一個半衰期后該礦石的質量剩下M 2 解析 選C 經過兩個半衰期后 這塊礦石中剩下的鈾 已有的鈾生成了鉛 A B均錯 經過三個半衰期后 鈾元素的質量還剩C對 經過一個半衰期后 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 靜止質量可認為是零 1 6027Co的核外電子數為 在上述衰變方程中 衰變產物AZNi的質量數A是 核電荷數Z是 2 在衰變前6027Co核靜止 根據云室照片可以看出 衰變產物Ni和0 1e的運動徑跡不在一條直線上 如果認為衰變產物只有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滿足質量數和電荷數守恒及動量守恒定律適用條件 標準解答 1 由6027Co可知它的質子數為27 又因為核外電子數與質子數相等 故6027Co的核外電子數為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 如果衰變產物只有Ni和0 1e 則動量不守恒 故還應有其他產物 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)現了8條產生分叉 這一實驗數據說明了 A 粒子的數目很少 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 物理性質都相同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子數 解析 選A D 質子數相同 中子數不同的原子互稱同位素 由于它們的原子序數相同 因此在元素周期表中的位置相同 雖然核電荷數相同 但由于中子數不同 因此物理性質不同 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是質子B X2是中子C X3是電子D X4是質子 解析 選D 根據核反應的質量數和電荷數守恒知 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才是質子 A錯B對 由質量數守恒和電荷數守恒得X的質量數為30 核電荷數為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 半個小時內完成手術 無須住院 因而 刀被譽為 神刀 據報道 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代表質子 a 17 b 1 解析 選C 根據質量數 電荷數守恒可知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是由小型回轉加速器輸出的高速質子轟擊氧16獲得的 反應中同時還產生另一種粒子 試寫出核反應方程 解析 由題意可知 氧16 168O 在質子 11H 的轟擊下產生了氮13 137N 和另一種粒子 由質量數和電荷數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變與原子核的衰變問題的技巧求解原子核的人工轉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旋轉了3周時 粒子31H旋轉幾周 解析 1 63Li核俘獲10n的過程 系統(tǒng)動量守恒 則mnv0 mHv1 mHev2 即代入數據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動圈數之比為nH nHe THe TH 2 3當粒子42He轉3周時 粒子31H轉動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