3　探测射线的方法教学内容

课时19.3

探测射线的方法

1.知道射线与其他物质作用时产生的一些现象。

2.知道用肉眼不能直接看到的射线可以用适当的仪器探测到。

3.了解云室、气泡室和计数器的简单构造和基本原理。

重点难点:根据探测器探测到的现象,分析、探知各种运动粒子。

教学建议:本节简要介绍几种常用的探测射线的方法,包括威耳逊云室、气泡室、盖革-米勒计数器。应先向没有学习选修3-3的学生介绍过饱和气体的概念。射线看不见摸不着,教学中要通过对实验的观察和对仪器原理的介绍,让学生体会研究原子核变化中的微观现象时,可以根据各种射线产生的宏观效应来间接地观察,并在观察的基础上分析推理,进而作出预测和判断。

导入新课:原子核放射出的射线看不见摸不着,那么怎么探测射线的存在和运动轨迹呢?本节课我们就来学习和研究这个问题。

1.射线与其他物质作用发生的现象

射线与其他物质作用发生的现象有:(1)使气体或液体①电离,以这些离子为核心,使过饱和气体产生②雾滴,过热液体产生③气泡;(2)使照相乳胶④感光;(3)使⑤荧光物质产生荧光。

2.威耳逊云室

(1)构造:主要部分是一个⑥圆筒状容器,下部是一个可以上下移动的⑦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。

(2)原理:先往云室里加少量的酒精,使室内充满酒精的⑧饱和蒸气,然后使活塞迅速向下运动,室内气体由于迅速膨胀,⑨温度降低,酒精蒸气达到⑩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。

3.气泡室

原理:控制气泡室内液体的低时,液体的沸点温度和压强,使室内温度略低于液体的沸点,当气泡室内压强突然降气泡形成。

变低,因此液体过热,粒子通过液体时在它的周围就有4.盖革-米勒计数器(G-M计数器)的特点

(1)非常灵敏,用它来检测放射性是很方便的。

(2)各种射线在G-M计数器中产生的脉冲现象(3)不适合于极快速的计数。

相同,因此,只能用来计数,而不能区分射线的种类。

1.原子核的放射线看不见摸不着,怎么显示射线的存在? 解答:射线中的粒子与其他物质作用时会产生一定的现象,可以显示射线的存在和轨迹。

2.威耳逊云室和气泡室有何不同之处? 解答:威耳逊云室中充入的是酒精的饱和蒸气,气泡室里装的是液体。

3.盖革-米勒计数器是怎么计数的? 解答:当射线粒子进入盖革-米勒计数管内时,它使管内气体电离瞬间产生大量电子,在电路中就产生了因此脉冲放电而产生的电流,再利用电子仪器把放电次数记录下来。

主题1:射线与其他物质的作用

情景:人眼是看不见射线的,怎样了解、感知、研究射线?请阅读教材中的相关内容。然后回答下面的问题。

问题:射线与其他物质发生作用后,会产生什么现象? 解答:射线与其他物质发生作用时,会产生一些现象,通过这些现象能够感知射线的存在。所发生的现象有:(1)使气体或液体电离,以这些离子为核心,使过饱和气体产生雾滴,过热液体产生气泡;(2)使照相乳胶感光;(3)使荧光物质产生荧光。

知识链接:射线与其他物质作用时,粒子可以使气体或液体电离;使照相乳胶感光;使荧光物质产生荧光。

主题2:探究威耳逊云室

问题:阅读教材中“威耳逊云室”部分的内容,回答下列问题。

(1)人眼能看见酒精蒸气吗?怎样才能看见威耳逊云室中粒子运动的径迹? (2)α粒子和β粒子在云室中的径迹各有什么特征? (3)为什么在云室中看不见γ粒子的径迹? 解答:(1)人眼不能看见酒精蒸气,粒子在云室中飞过时使气体分子电离,过饱和的酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴,雾滴是可以被观察到的,于是粒子运动的径迹被显现出来。

(2)由于α粒子的质量大,电离本领也大,沿途产生的离子多,所以其径迹笔直而且清晰。β粒子电离本领弱些,高速β粒子的径迹又细又直,低速β粒子的径迹又短又粗,而且是弯曲的。

(3)由于γ粒子的电离本领很小,所以在云室中一般看不到它的径迹。

知识链接:应用威耳逊云室可拍摄α粒子和β粒子径迹的照片,可进行人工放射性、中微子、介子等的研究。

主题3:探究气泡室

问题:图示是粒子通过磁场中的气泡室时的照片,为什么粒子的径迹呈现螺旋状?

解答:粒子穿过液态氢时由于碰撞而导致速率减小,根据粒子在磁场中运动的半径r=,可知粒子的半径会随着速率的减小而减小,因此粒子在气泡室中的径迹呈现半径逐渐减小的螺旋状。

知识链接:气泡室是1952年发明的,是探测高能带电粒子径迹的一种有效的手段,曾带来许多重大的发现。

1.(考查威耳逊云室)关于威耳逊云室,下列说法正确的是(

)。

A.威耳逊云室内充满过饱和蒸气,射线经过时可显示出射线运动的径迹

B.威耳逊云室中径迹粗而短的是α射线

C.威耳逊云室中径迹细而长的是γ射线

D.威耳逊云室中显示粒子径迹原因是电离,所以无法由径迹判断射线所带电荷的正负

【解析】云室内充满过饱和蒸气,射线经过时把气体电离,过饱和蒸气以离子为核心凝结成雾滴,雾滴沿射线的路径排列,显示出射线的径迹,故A选项正确;由于α粒子的电离本领大,贯穿本领小,所以α射线在云室中的径迹粗而短,即B选项正确;由于γ射线的电离本领很弱,所以在云室中一般看不到它的径迹,而细长径迹是β射线的,所以C选项错误;把云室放在磁场中,由射线径迹的弯曲方向就可以判断射线所带电荷的正负,所以D选项错误。

【答案】AB 2.(考查探测射线方法)下列关于探测射线的说法不正确的有(

)。

．．．A.可以用威耳逊云室来探测,也可以用气泡室来探测

B.上述两种方法均可以探测α、β、γ三种射线

C.气泡室应用了过饱和蒸气使粒子显示径迹的原理

D.威耳逊云室中短而粗的径迹是β射线的径迹

【解析】在威耳逊云室中一般看不到γ射线的径迹,B错;气泡室应用了过热液体使粒子显示径迹的原理,C错;威耳逊云室中短而粗的径迹是α射线的径迹,D错。

【答案】BCD 3.(考查盖革-米勒计数器)如图所示,x为未知的放射源,L为薄铝片,若在放射源和计数器之间加上L后,计数器的计数率大幅度减小;再在L和计数器之间加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变。则x可能是(

)。

A.α和β的混合放射源

B.纯α放射源

C.α和γ的混合放射源

D.纯γ放射源

【解析】在放射源和计数器之间加上铝片后,计数器的计数率大幅度减小,说明射线中含有贯穿本领最小的α粒子,在铝片和计数器之间加上竖直向下的匀强磁场,计数器计数率不变,说明穿过铝片后的射线中无带电粒子,故此时只有γ射线,因此放射源可能是α和γ的混合放射源。

【答案】C 4.(考查探测射线的原理)下列说法正确的是(

)。

A.威耳逊云室、气泡室和盖革—米勒计数器都利用了粒子的电离性质

B.威耳逊云室利用液体电离产生雾滴来显示粒子的径迹

C.气泡室利用液体突然沸腾产生气泡来显示粒子的径迹

D.盖革—米勒计数器利用气体电离后产生导电性来计数

【解析】威耳逊云室、气泡室和盖革-米勒计数器都利用了粒子的电离性质,威耳逊云室利用气体电离使酒精蒸气凝结成雾滴来显示粒子的径迹,气泡室利用降低压强使液体突然沸腾产生气泡来显示粒子的径迹,盖革-米勒计数器利用气体电离后导电而产生脉冲电流来计数。

【答案】ACD

拓展一:粒子在威耳逊云室中的运动

1.下列关于粒子在威耳逊云室中的径迹的说法,正确的是(

)。

A.我们可以看到云室中大量的粒子在运动

B.由于α粒子体积较大,所以径迹较粗

C.β粒子的径迹可能是弯曲的

D.γ粒子的径迹几乎看不见

【分析】威耳逊云室利用粒子的电离作用产生的雾滴来显现粒子运动的径迹。α粒子的电离作用最强,β粒子电离本领次之,γ粒子的电离本领最小,这导致了它们的运动径迹显示出不同的特征。

【解析】因为α粒子电离本领强,形成粗的径迹,且由于α粒子质量大,穿越云室时不易改变方向,所以显示的径迹很直。β粒子电离本领较小,高速的β粒子径迹细而直,低速的β粒子容易改变运动状态,所以显示的径迹弯曲。γ粒子的电离本领很小,一般看不见它的径迹。

【答案】CD 【点拨】记住不同粒子的径迹特征是分析这类问题的关键。

拓展二:粒子在气泡室中的运动

2.在粒子物理的研究中,可以让粒子通过叫“气泡室”的装置,以显示它们的径迹。图示是在液氢气泡室中拍摄到的带电粒子的径迹,气泡室中加有匀强磁场。关于粒子的径迹是一对紧绕的螺旋线的说法正确的是(

)。

A.进入气泡室的是一对带相反电荷的粒子,在同一个磁场中它们所受的洛伦兹力方向相反

B.进入气泡室的粒子的比荷一定不同

C.粒子的径迹是螺旋线,是因为粒子在运动过程中能量减少

D.粒子的径迹是螺旋线,是因为粒子所带电荷量越来越少

【分析】人们常把气泡室置于磁场中,使带电粒子在其中运动,通过其运动轨迹来研究带电粒子的电荷、能量、动量等。解决这类问题时要注意用左手定则、洛伦兹力提供向心力、能量转化等方法来分析判断。

【解析】根据粒子进入气泡室后反向运动,说明粒子所受的洛伦兹力方向相反,粒子电性相反,A正确。R=不同,由于速度v的大小可能不同,比荷可能相同,也可能不同,B错误。因为粒子在运动过程中电荷量不变,但要受到阻力作用,能量减少,速度减小,半径减小,所以粒子的径迹是螺旋线,C正确、D错误。

【答案】AC 【点拨】要掌握利用带电粒子在磁场中和气泡室中的运动规律进行综合分析。

探测射线的方法