3　探测射线的方法教学实录

第3、4节探测射线的方法__放射性的应用与防护

1．1912年英国物理学家威耳逊发明了威耳逊云室。

2．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。

3．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。

4．在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒。

5．1928年由德国物理学家盖革与米勒研制成功了用于探测射线的盖革－米勒计数器。

6．1934年，约里奥—居里夫妇发现了人工放射性同位素。

7．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。

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。

②粒子径迹形状：

α粒子的径迹直而粗

β粒子的径迹比较细，而且常常弯曲

γ粒子的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹

(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。

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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、核反应和放射线的应用与防护

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4171瑟福发现质子的核反应方程：14

7N＋2He→

8O＋1H。

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：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。

(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3015P。

27301(3)发现磷同位素的方程：42He＋13Al→15P＋0n。

3．放射性同位素的应用与防护

(1)应用射线

应用射线可以测厚度、医疗方面的放射治疗、照射种子培育优良品种等。

(2)示踪原子：有关生物大分子的结构及其功能的研究，要借助于示踪原子。

(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．自主思考——判一判

(1)云室和气泡室都是应用射线的穿透能力研究射线的轨迹。(×) (2)盖革－米勒计数器既可以统计粒子的数量，也可以区分射线的种类。(×) (3)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。(√) (4)医学上利用射线进行放射治疗时，要控制好放射的剂量。(√) (5)发现质子、发现中子和发现放射性同位素3015P的核反应均属于原子核的人工转变。(√) (6)同一种元素的放射性同位素具有相同的半衰期。(×) 2．合作探究——议一议

(1)如何利用云室区别射线的种类？

提示：利用射线在云室中的径迹区别，直而粗的为α射线，细而长的为β射线。

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(2)衰变和原子核的人工转变有什么不同？

提示：衰变是具有放射性的不稳定核自发进行的变化，原子核的人工转变是利用α粒子、质子、中子或γ光子轰击靶核发生的变化。所有的原子核都可能发生人工转变。

(3)医学上做射线治疗用的放射性元素，使用一段时间后当射线强度降低到一定程度时就需要更换放射材料，原来的材料成为核废料，这些放射治疗选用的放射性元素的半衰期应该很长还是较短？为什么？

提示：应选用半衰期较短的。因为半衰期短的放射性废料容易处理。当然也不能选用太短的，否则就需要频繁更换放射原料了。

探测射线的三种仪器

1．威耳逊云室

(1)原理：实验时先往云室里加入少量的酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后使活塞迅速向下运动，室内气体由于迅速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态。这时让射线粒子从室内的气体中飞过，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，可用照相机拍摄下其运动的径迹进行观察分析。

(2)三种射线在云室中的径迹比较：

①α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。

②β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。

③γ粒子的电离本领更小，在云室中一般看不到它的径迹。

2．气泡室

(1)原理：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，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，使液体过热，此时让射线粒子射入室内，粒子周围就有气泡形成。用照相机拍摄出径迹照片，根据照片上记录的情况，可以分析粒子的性质。

(2)气泡室和云室的比较：气泡室的工作原理与云室相类似，云室内装有干净的空气，而气泡室内装的是液体。相同之处在于都可以形成射线粒子的运动径迹，通过研究径迹，研究射线的性质。

3．盖革—米勒计数器

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(1)原理：在金属丝和圆筒间加上一定的电压，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，正离子到达阴极，在外电路中产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来。

(2)优缺点：

优点：放大倍数很大，非常灵敏，用它检测射线十分方便。

缺点：①不同射线产生的脉冲现象相同，只能用来计数，不能区分射线种类；②如果同时有大量粒子或两个粒子射来的时间间隔小于200 μs，则计数器不能区分它们。

[典例]

[多选]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，则下列关于射线性质及它的半衰期的说法正确的是(

) A．放射源射出的是α射线

B．放射源射出的是β射线

C．这种放射性元素的半衰期是5天

D．这种放射性元素的半衰期是2.5天

[思路点拨]

解答本题时应注意以下两点：

(1)根据α射线、β射线的穿透能力确定射线的种类。

(2)由半衰期的定义求出该元素的半衰期。

[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，选项A正确，B错误；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]

AC

1．[多选]下列关于放射线的探测说法中正确的是(

) A．气泡室探测射线的原理与云室探测射线原理类似

B．由气泡室内射线径迹可以分析粒子的带电、动量、能量等情况

C．盖革－米勒计数器探测射线也是利用射线的电离本领

D．盖革－米勒计数器不仅能计数，还能用来分析射线的性质

解析：选ABC

气泡室探测射线原理与云室探测射线原理类似，不同的是气泡室中是在射线经过时产生气泡来显示射线径迹的，故选项A正确；由气泡室内径迹中气泡的多少及径迹在磁场中的弯曲方向等，可分析射线的带电、动量、能量等情况，故选项B正确；盖革－米勒计数器利用射线电离作用，产生电脉冲进而计数，所以选项C正确；由于对于不同射线

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产生的脉冲现象相同，因此计数器只能用来计数，不能分析射线的性质，所以选项D错误。

2．如图是科学史上一张著名的实验照片，显示一个带电粒子在云室中穿过某种金属板运动的径迹，云室放置在匀强磁场中，磁场方向垂直照片向里。云室中横放的金属板对粒子的运动起阻碍作用。分析此径迹可知粒子(

) A．带正电，由下向上运动

B．带正电，由上向下运动

C．带负电，由上向下运动

D．带负电，由下向上运动

解析：选A

由题图可以看出粒子在金属板上方的轨道半径比在金属板下方时小，由带mv电粒子在匀强磁场中运动的半径公式R＝qB可知粒子在金属板上方运动的速率小，所以粒子由下往上运动，B、C错误；磁场方向垂直照片向里，结合粒子运动方向，根据左手定则可知粒子带正电，A正确，D错误。

原子核的人工转变和核反应方程

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个典型核反应

(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应：

144171

7N＋2He→

8O＋1H；

(2)1932年查德威克发现中子的核反应：

941214Be＋2He→

6C＋0n；

27301(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：13Al＋42He→15P＋0n；3030015P→14Si＋1e。

4．人工转变核反应与衰变的比较

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，需要一定不同点

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。

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。

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[典例]

某实验室工作人员，用初速度为v0＝0.09c(c为真空中的光速)的α粒子轰击静止在匀强磁场中的Na，产生了质子。若某次碰撞可看作对心正碰，碰后新核的运动方向与α粒子的初速度方向相同，质子的运动方向与新核运动方向相反，它们在垂直于磁场的平面内分别做匀速圆周运动。通过分析轨迹半径，可得出新核与质子的速度大小之比为1∶10，已知质子质量为m。

(1)写出核反应方程。

(2)求出质子的速度v(结果保留两位有效数字)。

[解析]

(1)核反应方程为

4232612He＋11Na→12Mg＋1H。

(2)α粒子、新核的质量分别为4m、26m，质子的速率为v，因为是对心正碰，由动量守恒定律得4mv0＝26m×解得v＝0.23c。

23261[答案]

(1)42He＋11Na→12Mg＋1H

(2)0.23c

v－mv

10

写核反应方程时应注意以下三点

(1)核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向。

(2)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰。

(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化。

91．[多选]用α粒子轰击铍核(4Be)，生成一个碳核(12

6C)和一个粒子，则该粒子(

) A．带正电，能在磁场中发生偏转

B．在任意方向的磁场中都不会发生偏转

C．电离本领特别强，是原子核的组成部分之一

D．卢瑟福预言，查德威克发现

91解析：选BD

核反应方程为4→122He＋4Be―

6C＋0n，这种粒子是中子，故B、D正确。

2．以下是物理学史上3个著名的核反应方程

717x＋3Li→2y

y＋

147N→x＋

8O 12y＋94Be→z＋

6C x、y和z是3种不同的粒子，其中z是(

) A．α粒子

C．中子

B．质子

D．电子

7174解析：选C

把前两个方程化简，消去x，即14

7N＋3Li→y＋

8O，可见y是2He，结合第三

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1个方程，根据电荷数守恒、质量数守恒可知z是中子0n。因此选项C正确。

3．1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用6027Co放射源60A0进行了实验验证。次年李、杨两人为此获得诺贝尔物理奖。6027Co的衰变方程是27Co→ZNi＋－1e60＋νe，其中νe是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可以认为是零。27Co的核外电子数为________，在上述衰变方程中，衰变产物AZNi的质量数是________，核电荷数是________。

60解析：27Co的核外电子数为27。

由质量数守恒，知AZNi的质量数为A＝60。

由核电荷数守恒，知AZNi的核电荷数为Z＝27＋1＝28。

答案：27

60

28 放射性同位素的应用

1．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——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。

[典例]

下列说法正确的是(

) A．给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好

B．输油管道漏油时，可以在输的油中放一些放射性同位素探测其射线，确定漏油位置

C．天然放射元素也可以作为示踪原子加以利用，只是较少，经济上不划算

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D．放射性元素被植物吸收，其放射性将发生改变

[思路点拨]

(1)放射性元素和它的同位素化学性质相同。

(2)放射性同位素含量容易控制，衰变周期较短。

[解析]

放射性元素与它的同位素的化学性质相同，但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节吸收含有哪种元素的肥料。无论植物吸收含放射性元素的肥料，还是无放射性肥料，植物生长是相同的，A错；人工放射性同位素，含量易控制，衰变周期短，不会对环境造成永久污染，而天然放射性元素，剂量不易控制、衰变周期长、会污染环境，所以不用天然放射元素，C错；放射性是原子核的本身性质，与元素的状态、组成等无关，D错；放射性同位素可作为示踪原子，故B正确。

[答案]

B

放射性同位素的应用技巧

(1)用射线来测量厚度，一般不选取α射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的。

(2)给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取γ射线。

(3)使用放射线时安全是第一位的。

1．医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是(

) A．示踪原子

C．催化作用

B．电离作用

D．贯穿作用

解析：选A

用14C标记C60来查明元素的行踪，发现可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的用途是示踪原子，故选项A正确。

2．用“γ刀”进行手术，可以使病人在清醒状态下经过较短的时间完成手术，在此过程中，主要利用：①γ射线具有较强的穿透本领；②γ射线很容易绕过障碍物到达病灶区域；③γ射线具有很强的电离能力，从而使病变细胞电离而被破坏；④γ射线具有很高的能量。上述描述正确的是(

) A．①②

C．①②③

B．②③

D．①④

解析：选D

用“γ刀”进行手术，利用的是γ射线具有较强的穿透本领能够进入病灶区，再利用γ射线具有很高的能量杀死病变细胞；γ射线的电离本领最弱。故选项D正确。

3．在轧制钢板时需要动态地监测钢板厚度，其监测装置由放射源、探测器等构成，如图所示。该装置中探测器接收到的是(

)

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A．X射线

C．β射线

B．α射线

D．γ射线

解析：选D

放射源按放射线分为α、β、γ和中子源，没有X射线源，α射线的穿透能力弱，不能穿透钢板，β射线只能穿透3 mm厚的铝板，而γ射线才能穿透钢板，故D正确。

1．威耳逊云室能够观察到射线径迹，是利用(

) A．射线在云室里的穿透本领

B．射线在云室里的化学效应

C．射线在云室里的热效应

D．射线在云室里的电离作用

解析：选D

在云室中能够观察到射线的径迹是利用射线在云室里发生电离作用，故D正确。

2．[多选]下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是(

) A．射线探伤仪

B．利用含有放射性131

53I的油，检测地下输油管的漏油情况

C．利用6027Co治疗肿瘤等疾病

D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用以检测确定农作物吸收养分的规律

解析：选BD

射线探伤仪利用了射线的穿透能力，选项A不符合题意。利用含有放射60性131

53I的油，可以记录油的运动踪迹，进而检查管道的漏油情况，选项B符合题意。利用27Co治疗肿瘤等疾病，利用了射线的穿透能力和高能量，选项C不符合题意。把含有放射性元素的肥料施给农作物，可以记录放射性元素的踪迹，用以检测确定农作物吸收养分的规律，选项D符合题意。

3．用α粒子照射充氮的云室，得到如图所示的照片，下列说法中正确的是(

) A．A是α粒子的径迹，B是质子的径迹，C是新核的径迹

B．B是α粒子的径迹，A是质子的径迹，C是新核的径迹

C．C是α粒子的径迹，A是质子的径迹，B是新核的径迹

D．B是α粒子的径迹，C是质子的径迹，A是新核的径迹

解析：选D

α粒子轰击氮核产生一个新核并放出质子，入射的是α粒子，所以B是α

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粒子的径迹，产生的新核质量大电离作用强，所以径迹粗而短，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D。

4．用中子轰击铝27，产生钠24和X粒子，钠24具有放射性，它衰变后生成镁24，则X粒子和钠的衰变过程分别是(

) A．质子，α衰变

C．α粒子，β衰变

B．电子，α衰变

D．正电子，β衰变

解析：选C

根据核反应方程的质量数和电荷数守恒可知X粒子的电荷数为2，质量数为4，所以X为α粒子，钠24衰变后生成镁24，质量数不变，所以只能是β衰变，故只有C正确。

5．[多选]关于放射性同位素的一些应用，下列说法正确的是(

) A．利用放射性消除静电是利用射线的穿透作用

B．利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用

C．利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异

D．在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子

解析：选BCD

消除静电是利用射线的电离作用使空气电离，A错误。探测机器部件内部的砂眼或裂纹和改良品种分别是利用它的穿透作用和射线可使DNA发生变异的性质，B、C正确。研究农作物合理施肥中是利用放射性同位素作为示踪原子，D正确。

6．在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子，分别填在下列核反应式的横线上。

234(1)238

92U→

90Th＋________；

412(2)94Be＋2He→

6C＋________；

234(3)234

90Th→

91Pa＋________；

30(4)3015P→14Si＋________；

901361(5)235

92U＋________→38Sr＋

54Xe＋100n；

417(6)14

7N＋2He→

8O＋________。

解析：在核反应过程中，遵循反应前后电荷数守恒、质量数守恒规律。对参与反应的所有基本粒子采用左下角(电荷数)配平，左上角(质量数)配平。未知粒子可根据其电荷数和质量数确定。如(1)中电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(42He)，同0011理确定其他粒子分别为：中子(10n)，电子(－1e)，正电子(1e)，中子(0n)，质子(1H)。

40011答案：(1)2He

(2)10n

(3)－1e

(4)＋1e

(5)0n

(6)1H

7．[多选]关于威耳逊云室的原理，下列说法正确的是(

) A．往云室加少量酒精，使其达到饱和状态，然后压缩活塞，使其达到过饱和状态

B．往云室加少量酒精，使其达到饱和状态，然后外拉活塞，使其达到过饱和状态

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C．粒子经过时，使酒精蒸气电离，以这些粒子为核心凝结成雾滴，显示出其径迹

D．粒子经过时，使沿途的气体分子电离，酒精蒸气以离子为核心凝结成雾滴，显示其粒子径迹

解析：选BD

威耳逊云室的原理是先往云室里加少量酒精，使云室内充满酒精的饱和蒸气，然后外拉活塞，气体膨胀、温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态，这时如果有粒子飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气会以这些离子为核心凝结成雾滴，显示粒子径迹，故B、D正确，A、C错误。

8．[多选]一个质子以1.0×107

m/s的速度撞一个静止的铝原子核后被俘获，铝原子核变成硅原子核。已知铝原子核的质量是质子的27倍，硅原子核的质量是质子的28倍，则下列判断正确的是(

) A．核反应方程为1327Al＋11H→1428Si B．核反应方程为1327Al＋01n→1428Si C．硅原子核速度的数量级为107 m/s，方向跟质子的初速度方向一致

D．硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向跟质子的初速度方向一致

解析：选AD

由核反应中电荷数和质量数守恒可知选项A正确，选项B错误；由动量守恒定律求得硅原子速度的数量级为105 m/s，方向与质子的初速度方向一致，选项D正确。

9．核能是一种高效的能源。

(1)在核电站中，为了防止放射性物质泄露，核反应堆有三道防护屏障：燃料包壳、压力壳和安全壳(如图甲)。结合图可知，安全壳应当选用的材料是________。

(2)核反应堆中的核废料具有很强的放射性，目前常用的处理方法是将其装入特制的容器中，然后(

) A．沉入海底

B．放至沙漠

C．运到月球

D．深埋地下

(3)如图乙是用来监测工作人员受到辐射情况的胸章，通过照相底片被射线感光的区域，可以判断工作人员受到何种辐射。当胸章上1 mm铝片和3 mm铝片下的照相底片被感光，而

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铅片下的照相底片未被感光时，结合图分析可知工作人员受到了__________射线的辐射；当所有照相底片被感光时，工作人员受到了__________射线的辐射。

解析：在核电站中，核反应堆的最外层安全壳用的都是厚厚的混凝土。对核废料目前最有效的处理方法是深埋地下，并远离水源。α射线贯穿本领最弱，一张纸就能把它挡住，β射线贯穿本领较强，它能穿透几毫米厚的铝板，γ射线贯穿本领最强，它能穿透几厘米厚的铅板。

答案：(1)混凝土

(2)D

(3)β

γ

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