3　探测射线的方法教学设计(第一课时)

3

探测射线的方法

4

放射性的应用与防护

[学习目标]

1.了解探测射线的几种方法，熟悉探测射线的几种仪器.2.知道核反应及其遵从的规律，会正确书写核反应方程.3.知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素.4.知道放射性同位素的常见应用．

一、探测射线的方法

[知识梳理]

1．探测射线的理论依据

(1)放射线中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)放射线中的粒子会使照相乳胶感光．

(3)放射线中的粒子会使荧光物质产生荧光．

2．探测射线的仪器

(1)威耳逊云室：

①原理：当酒精蒸气达到过饱和状态，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)气泡室：气泡室里装的是液体，如液态氢．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，用它检测射线十分方便．

②缺点：只能用来计数，不能区分射线的种类．

[即学即用]

判断下列说法的正误．

(1)威尔逊云室可以显示α粒子和β粒子的径迹．(

√

)

(2)高速β粒子在威尔逊云室中的径迹又短又粗而且是弯曲的．(

×

) (3)G－M计数器非常灵敏，不仅可以计数，还可以区分射线的种类．(

×

) 二、核反应和人工放射性同位素

[导学探究]

1.核反应的实质是什么？它符合哪些规律？

答案

(1)它的实质就是将一种原子核在粒子的轰击之下转变成一种新的原子核，并产生新的粒子．

(2)在转变过程中符合质量数和电荷数守恒规律．

2．如何实现原子核的人工转变？常见的人工转变的核反应有哪些？

答案

(1)人为地用α粒子、质子、中子或光子去轰击一些原子核，可以实现原子核的转变．

(2)常见的人工转变的核反应有：

4171a．卢瑟福发现质子：

147N＋2He→

8O＋1H 4121b．查德威克发现中子：94Be＋2He→

6C＋0n 4130c．居里夫妇人工制造同位素：2He＋2713Al→0n＋15P 3015P30具有放射性：30

015P→14Si＋＋1e. 3．医学上做射线治疗用的放射性元素，应用半衰期长的还是短的？为什么？

答案

半衰期短的．半衰期短的放射性废料容易处理．

[知识梳理]

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．

41(2)原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程14→17

7N＋2He―

8O＋1H. (3)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：具有放射性的同位素．

(2)人工放射性同位素的发现

①1934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. 271②发现磷同位素的方程4→302He＋13Al―15P＋0n. 3．放射性同位素的优点

(1)资源丰富，应用广泛．

(2)放射强度容易控制，可以制成各种所需的形状，废料容易处理．

(3)现在凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素，而不用天然放射性物质．

4．放射性同位素的应用

(1)在工业上可以用γ射线来探测工件内部裂痕，称为γ探伤，也可以用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，从而培育出新品种．

(2)农业上利用3015P作为示踪原子来研究农作物对磷肥的吸收情况．

(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．

[即学即用]

判断下列说法的正误．

(1)在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒．(

√

) (2)放射性同位素3015P，既可以通过核反应人工获得，也可以从自然界中获得．(

×

) (3)现在用到射线时，既可以用人工放射性同位素，也可以用天然放射性物质．(

×

) (4)用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期．(

√

)

一、探测射线的方法

1．威尔逊云室

(1)α粒子显示的径迹直而清晰

因为α粒子带电荷量多，它的电离本领强，穿越云室时，在1 cm路程上能使104对气体分子产生电离，过饱和酒精蒸气凝结在这些离子上，形成很清晰的径迹．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．

(2)β粒子显示的径迹

β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)γ射线的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹．

2．气泡室

气泡室装的是过热液体，粒子通过液体时在它的周围有气泡形成，显示粒子的径迹．

3．盖革—米勒计数器

当某种粒子经过管中时，管内气体分子电离，产生电子，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．

例1

(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

答案

AC 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；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，经过了两个半衰期，故半衰期是5天．

针对训练

在威尔逊云室中，关于放射源产生的射线径迹，下列说法中正确的是(

) A．由于γ射线的能量大，容易显示其径迹

B．由于β粒子的速度大，其径迹粗而且长

C．由于α粒子的速度小，不易显示其径迹

D．由于α粒子的电离作用强，其径迹直而清晰

答案

D 解析

在云室中显示粒子的径迹是由于粒子引起气体电离，电离作用强的α粒子容易显示其径迹，因α粒子质量较大，飞行时不易改变方向，所以α粒子的径迹直而清晰，故只有D正确．

二、核反应及核反应方程

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．核反应的规律

质量数守恒，电荷数守恒．

3．原子核人工转变的三大发现

(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程：

144171

7N＋2He→

8O＋1H (2)1932年查德威克发现中子的核反应方程：

941214Be＋2He→

6C＋0n (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方程：

0274301303013Al＋2He→15P＋0n；15P→14Si＋＋1e. 4．人工转变与衰变的比较

(1)不同点：人工转变是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定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、化学条件的影响．

(2)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．

例2

完成下列核反应方程，并指出其中

是发现质子的核反应方程，

是发现中子的核反应方程．

114(1)14

7N＋0n→

6C＋

417(2)14

7N＋2He→

8O＋

14(3)10

5B＋0n→

＋2He 41(4)94Be＋2He→

＋0n 257(5)5626Fe＋1H→27Co＋

答案

见解析

1141解析

(1)14

7N＋0n→

6C＋1H 4171(2)14

7N＋2He→

8O＋1H 174(3)10

5B＋0n→3Li＋2He 4121(4)94Be＋2He→

6C＋0n 2571(5)5626Fe＋1H→27Co＋0n 其中发现质子的核反应方程是(2)，发现中子的核反应方程是(4)．

书写核反应方程时要注意：

(1)质量数守恒和电荷数守恒；

(2)中间用箭头，不能写成等号；

(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．

三、放射性同位素及其应用

1．放射性同位素的分类

(1)天然放射性同位素．

(2)人工放射性同位素．

2．放射性同位素的主要作用

(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)做示踪原子——利用放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质．

(4)医学上——利用γ射线的高能量治疗癌症．

例3

正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理是：将放射性同位素15O注入人体，参与人体的代谢过程.15O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图象．根据PET原理，回答下列问题：

(1)写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式．

(2)将放射性同位素15O注入人体，15O的主要用途是(

) A．利用它的射线

B．作为示踪原子

C．参与人体的代谢过程

D．有氧呼吸

(3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应

．(填“长”、“短”或“长短均可”) 15000答案

(1)15

8O→

7N＋＋1e，＋1e＋－1e→2γ

(2)B

(3)短

1500015解析

(1)由题意得15

8O→

7N＋＋1e，＋1e＋－1e→2γ.(2)将放射性同位素O注入人体后，由于它

能放出正电子，并能与人体内的负电子产生一对光子，从而被探测器探测到，所以它的用途是作为示踪原子，B正确．

(3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，半衰期应该短．

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、延长食物保存期一般选取γ射线．

3．使用射线时安全是第一位的.

1．(多选)关于威尔逊云室探测射线，下列说法中正确的是(

) A．威尔逊云室内充满过饱和蒸气，射线经过时可显示射线运动的轨迹

B．威尔逊云室中径迹直而清晰的是α射线

C．威尔逊云室中径迹细而长的是γ射线

D．威尔逊云室中显示粒子径迹的原因是蒸气电离，即使放入磁场中也无法判断射线所带电荷的正负

答案

AB 解析

云室内充满过饱和蒸气，射线经过时使气体电离，凝结成雾滴，雾滴沿射线的路线排列，显示出射线的径迹，故选项A正确；由于α粒子的质量比较大，飞行时不易改变方向，电离本领大，产生的离子多，所以α射线在云室中的径迹直而清晰，则选项B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，而径迹细长的是β射线，所以选项C错误；把云室放在磁场中，由射线径迹的弯曲方向就可判断射线所带电荷的正负，所以选项D错误．

3092104472．下面列出的是一些核反应方程：15P→3014Si＋X，4Be＋1H→

5B＋Y，2He＋2He→3Li＋Z，其中(

) A．X是质子，Y是中子，Z是正电子

B．X是正电子，Y是质子，Z是中子

C．X是中子，Y是正电子，Z是质子

D．X是正电子，Y是中子，Z是质子

答案

D 解析

依据核反应方程的两个基本规律：质量数守恒和电荷数守恒，即可得出选项D正确．

3．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然的放射性同位素只不过40多种，而今天人工制造的放射性同位素已达1 000多种，每种元素都有放射性同位素．放射

性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面得到了广泛的应用．

(1)带电的验电器在射线照射下电荷会很快消失．其原因是(

) A．射线的贯穿作用

B．射线的电离作用

C．射线的物理、化学作用

D．以上三个选项都不是

(2)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做

．

答案

(1)B

(2)示踪原子

解析

(1)因射线的电离作用，空气中的与验电器所带电性相反的离子与之中和，从而使验电器所带电荷消失．

(2)把掺入14C的人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经过多次重新结晶后，得到了放射性14C分布均匀的牛胰岛素结晶，这就证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素完全融为一体，它们是同一种物质．这种把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追踪，就可以知道放射性原子通过什么路径，运动到了哪里，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易查明的情况或规律．人们把具有这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．

一、选择题(1～6题为单选题，7～10题为多选题) 1．利用威尔逊云室探测射线时能观察到短粗而弯曲的径迹，则下列说法正确的是(

) A．可知有α射线射入云室中

B．可知是γ射线射入云室中

C．观察到的是射线粒子的运动

D．观察到的是射线粒子运动路径上的酒精雾滴

答案

D 解析

因为威尔逊云室中观察到的短粗而弯曲的径迹是β射线的径迹，A、B选项均错误；射线粒子的运动肉眼是观察不到的，观察到的是酒精的过饱和蒸气在射线粒子运动路径上形成的雾滴，C选项错误，D选项正确．

141712．卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，其核反应方程为：42He＋

7N→

8O＋1H，下列说法错误的是(

) A．卢瑟福通过该实验提出了原子核式结构模型

B．实验中是用α粒子轰击氮核

C．卢瑟福通过该实验发现了质子

D．原子核在人工转变的过程中，电荷数一定守恒

答案

A 解析

卢瑟福用α粒子轰击金箔散射的实验，提出了原子的核式结构模型，故A错误；用α粒子轰击氮核首次实现了原子核的人工转变，并发现了质子，故B、C正确；核反应方程质量数和电荷数是守恒的，故D正确．

3．在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子

41①31H＋X1→2He＋0n 417②14

7N＋2He→

8O＋X2

412③94Be＋2He→

6C＋X3

427④2412Mg＋2He→13Al＋X4

则以下判断中正确的是(

) A．X1是质子

C．X3是电子

答案

D 21解析

根据核反应的质量数和电荷数守恒知，X1为1H，A错；X2为1B错；X3为0n，C错；1H，1X4为1H，D对．

2084．用高能8636Kr轰击

82Pb，释放出一个中子后，生成了一个新核，关于新核的推断正确的是B．X2是中子

D．X4是质子

(

) A．其质子数为122 B．其质量数为294 C．其原子序数为118 D．其中子数为90 答案

C 861293解析

核反应方程为208新核质量数为293，质子数为118，中子数为293

82Pb＋36Kr→0n＋118X，－118＝175，故正确选项为C. 5．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

答案

A 解析

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的作用是做示踪原子，故选项A正确．

306．将威尔逊云室置于磁场中，一个静止在磁场中的放射性同位素原子核15P，放出一个正电B．电离作用

D．贯穿作用

子后变成原子核3014Si，如图所示能近似地反映正电子和Si核轨迹的是(

)

答案

B 解析

把放出的正电子和衰变生成物Si核看成一个系统，衰变过程中系统的动量守恒，放出的正电子的方向跟Si核运动方向一定相反．由于它们都带正电荷，在洛伦兹力作用下一定形成两个外切圆的轨道，C、D可排除．

v2因为洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m，

rmv所以做匀速圆周运动的半径为r＝. qB衰变时，放出的正电子与反冲核Si的动量大小相等，因此在同一个磁场中做圆周运动的半径reqSi14与它们的电荷量成反比，即＝＝. rSiqe1可见正电子运动的圆半径较大．

7．下列核反应或衰变方程中，符号“X”表示中子的是(

) 4A.9→

124Be＋2He―6C＋X 4B.

14→

177＋2He―8O＋X 11C.

204→

20280Hg＋0n―78Pt＋21H＋X D.

239→23992U―

93Np＋X 答案

AC 解析

根据核反应方程质量数和电荷数守恒可得A、C选项正确．

8．下列说法正确的是(

) A．通过核反应可以人工制造放射性同位素

B．现在用的射线都是利用的人工放射性同位素

C．人工制造的放射性同位素发出的射线对人体无害

D．人工制造的放射性同位素半衰期短，因此放射性废料容易处理

答案

ABD 9．一个质子以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，则下列说法正确的是(

)

1A．核反应方程为27→2813Al＋1H―14Si 128B．核反应方程为27→14Si 13Al＋0n―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

答案

AD 解析

由核反应中电荷数和质量数守恒可知A选项正确，B选项错误；由动量守恒定律求得硅原子核速度的数量级为105 m/s，即D选项正确，C选项错误．

10．有关放射性同位素3015P的下列说法，正确的是(

) 30A.3015P与14X互为同位素

30B.15P与其同位素有相同的化学性质

30C．用15P制成化合物后它的半衰期变长

D．含有3015P的磷肥释放正电子，可用作示踪原子，观察磷肥对植物的影响

答案

BD 解析

同位素有相同的质子数，所以选项A错误；同位素有相同的化学性质，所以选项B正确；半衰期与元素属于化合物或单质没有关系，所以30选项15P制成化合物后它的半衰期不变，C错误；含有3015P的磷肥由于衰变，可记录磷的踪迹，所以选项D正确．

二、非选择题

11．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．

(1)

238→23492U―

90Th＋

. 4(2)9→

124Be＋2He―6C＋

. (3)

234→23490Th―

91Pa＋

. 30(4)30→14Si＋

. 15P―901(5)

235→38Sr＋

13692U＋

―54Xe＋100n. 4(6)14→

17

7N＋2He―8O＋

. 10011答案

(1)42He

(2)0n

(3)－1e

(4)＋1e

(5)0n

(6)1H

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)电荷数为92－90＝2，质量数为238－234＝4，由此可知为α粒子(42He)，同理确定0011其他粒子分别为：中子(10n)，电子(－1e)，正电子(＋1e)，中子(0n)，质子(1H)．

12．如图1所示是工厂利用射线自动控制铝板厚度的装置示意图．

图1 (1)请简述自动控制的原理；

(2)如果工厂生产的是厚度为2 mm的铝板，在α、β和γ三种射线中，哪一种对铝板的厚度控制起主要作用？为什么？

答案

见解析

解析

(1)射线具有穿透本领，如果向前移动的铝板的厚度有变化，则探测器接收到的射线的强度就会随之变化，将这种变化转变为电信号输入到相应的装置，使之自动地控制图中右侧的两个轮间的距离，达到自动控制铝板厚度的目的．

(2)β射线起主要作用，因为α射线的贯穿本领很小，穿不过2毫米的铝板；γ射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板，2毫米左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的γ射线强度几乎不发生变化；β射线的贯穿本领较强，能穿过几毫米厚的铝板，当铝板厚度发生变化时，透过铝板的β射线强度变化较大，探测器可明显地反映出这种变化，使自动化系统做出相应的反应．

3013．1934年约里奥—居里夫妇用α粒子轰击静止的2713Al，发现了放射性磷15P和另一种粒子，并因这一伟大发现而获得诺贝尔物理学奖．

(1)写出这个过程的核反应方程式；

(2)若该种粒子以初速度v0与一个静止的12C核发生碰撞，但没有发生核反应，该粒子碰后的速度大小为v1，运动方向与原运动方向相反，求碰撞后12C核的速度．

v0＋v14301答案

(1)27Al＋He―→P＋n

(2)，方向与该粒子原运动方向相同

1321501241解析

(1)核反应方程式为27→3013Al＋2He―15P＋0n. (2)由(1)知，该种粒子为中子，设该种粒子的质量为m，则12C核的质量为12m，设碰撞后12Cv0＋v1核的速度为v2，由动量守恒定律可得mv0＝m(－v1)＋12mv2，解得v2＝，碰撞后12C核12的运动方向与该粒子原运动方向相同．