让射线造福人类
1.了解正电子的发现过程． 2.了解探测射线的仪器和方法．(重点＋难点) 3.了解放射性的应用和保护．(难点)
[学生用书P57]
一、人工放射性元素的发现
1．约里奥?居里夫妇在发现中子时错失一次良机，但后来的一个重大发现，为发现更多的放射性元素开辟了全新的途径，他们的重大发现是发现了放射性同位素．用α粒子轰击铝箔时除探测到预料中的中子，还意外地探测到了正电子．原来是α粒子轰击铝箔后，得到了一种新元素，磷的一种同位素：P，这种新元素具有正电子放射性．
2．核反应方程是：He＋Al→P＋n，P→Si＋e．
人们用原子反应堆和加速器生产的放射性同位素已达2 000 多种．
二、探测射线的仪器和方法
1．计数器的原理：在金属丝和圆筒两极间加上一定的电压，这个电压稍低于管内气体的击穿电压．当某种射线粒子进入管内时，它使管内的气体分子电离，产生电子…这样，一个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，在计数管电路中产生了一个相当强脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来．
2．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，过饱和酒精蒸汽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：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粒子的电离本领更小，在云室中一般看不到它的径迹．
3．乳胶照相的原理：利用高速运动的带电粒子能使照相底片感光的特征，可以直接用照相底片来得到粒子的径迹．
三、放射性的应用与防护
1．射线的应用
应用共有两个方面：一方面是作为射线源，另一方面是作为示踪原子．
2．放射性污染及其防护
(1)在人类生活中存在着自然辐射，像空气、水、还有一些生活用品等，这类放射源的辐射都很弱，没有发现对人体健康有什么影响．
(2)过强的辐射，无论是哪种射线(包括电磁辐射)都会对生物体造成危害．防护方法是：远离放射源，对废弃的放射源要交给公安部门或在指定地点深埋，并要远离水源等等．
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？
提示：半衰期短的．因为半衰期短的放射性废料容易处理，并且射线对人体组织有破坏作用．
探测射线的方法[学生用书P58]
1．威尔逊云室：α粒子的质量比较大，在气体中飞行不易改变方向，并且电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而短粗；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，所以它在云室中的径迹比较细，且常常发生弯曲；γ粒子的电离本领更小，一般看不见它的径迹．如果把云室放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，还可知道粒子所带电荷的正负．
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．控制气泡室内液体的温度和压强，使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，因此液体过热，粒子通过液体时在它的周围就有气泡形成，从而显示粒子径迹．
3．盖革—米勒计数器
(1)构造：盖革－米勒计数器的主要部分是盖革－米勒计数管．它的外面是玻璃管，里面有一个接在电源负极的导电圆筒(或在玻璃管上镀导电膜代替)，筒的中间有一条接正极的金属丝．玻璃管中装有低压的惰性气体，如氩、氖等，以及少量酒精蒸气或溴蒸气，管内压强约为10～20 kPa.金属丝和圆筒间的电压约100 V，这个电压稍低于管内气体的电离电压．
(2)原理：当射线粒子进入管内时，它使管内的气体电离，产生的电子在电场中加速．电子跟管中的气体分子碰撞时，又使气体分子电离，产生电子……这样，一个粒子进入管中可以产生大量电子．这些电子到达阳极，正离子到达阴极，在电路中就产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来．
根据径迹的长短和粗细，可以知道粒子的性质；把云室放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，还可以知道粒子所带电荷的正负．
(多选)关于放射线的探测，下列说法正确的是( )
A．气泡室探测射线的原理与云室探测射线的原理类似
B．由气泡室内射线的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的原理中也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
[思路点拨] 了解各种探测仪的工作原理，并能区别其不同点．
[解析] 气泡室探测射线的原理与云室类似，不同的是通过射线在气泡室中经过时产生气泡来显示射线径迹，故A选项正确；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B选项正确；盖革－米勒计数器利用射线的电离作用，产生电脉冲进而计数，所以C选项正确；对于不同射线产生的脉冲现象相同，因此计数器只能用来计数，不能区分射线的种类，所以D选项错误．
[答案] ABC
威耳逊云室和气泡室都是依据径迹探测射线的性质和种类，而盖革－米勒计数器只能计数，不能区分射线的种类．
放射线的应用和防护[学生用书P59]
1．人工放射性同位素的优点
(1)放射强度容易控制．
(2)可制成各种所需的形状．
(3)半衰期短，废料易处理．
2．放射性同位素的主要应用
(1)利用它的射线
①利用γ射线的贯穿本领，可用γ射线探伤等．
②利用α射线的电离作用很强，可消除有害静电．
③利用γ射线对生物组织的物理和化学作用，可用来使种子发生变异，培育良种、灭菌消毒．
④利用放射线的能量，在医疗上，常用以抑制甚至杀死病变组织，还可以轰击原子核，诱发核反应．
(2)作为示踪原子
①在农业生产中，探测农作物在不同的季节对元素的需求．
②在工业中，检查输油管道上的漏油位置．
③在生物医疗上，可以检查人体对某元素的吸收情况，也可以帮助确定肿瘤的部位和范围．
人造放射性同位素与天然放射性物质相比有许多优点，因此，凡是用到射线时，用的都是人造放射性同位素．
3．放射性的污染与防护
污染与防护 举例与措施 说明
污染 核爆炸 核爆炸的最初几秒钟辐射出来的主要是强烈的γ射线与中子流
核泄漏 核工业生产和核科学家研究中使用放射性原材料，一旦泄露就会造成严重污染
医疗照射 医疗中如果放射线的剂量过大，也会导致病人受到损害，甚至造成病人的死亡
防护 密封防护 把放射源密封在特殊的包壳里，或者用特殊的方法覆盖，以防止射线泄漏
距离防护 距放射源越远，人体吸收的剂量就越少，受到的危害就越轻
时间防护 尽量减少受辐射的时间
屏蔽防护 在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用．铅的屏蔽作用最好
用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然放射性同位素只不过40几种，而今天人工制造的同位素已达2 000多种，每种元素都有放射性同位素，放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等许多方面得到广泛应用．
(1)如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，如工厂生产的是厚度1 mm铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起主要作用的是________射线．
(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结晶是同一物质，为此曾采用放射性同位素14C做________．
[解析] (1)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1 mm 的铝板，因而探测器不能探到，γ射线穿透本领最强，穿透1 mm的铝板和几毫米厚铝板打在探测器上很难分辨，β射线也能穿透几毫米厚的铝板，但厚度不同，穿透后β射线中的电子运动状态不同，探测器容易分辨．
(2)把掺入14C的人工合成牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经多次重新结晶后，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合为一体，它们是同一物质，把这种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，运动到哪里了，是怎样分布的，从而可了解某些不容易查明的情况或规律，人们把这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．
[答案] (1)β (2)示踪原子
(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．
(多选)近几年，我国北京、上海、山东、洛阳、广州各地引进了十多台γ刀，治疗患者5 000余例，效果极好，成为治疗脑肿瘤的最佳仪器，令人感叹的是，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”．据报道，我国自己研制的旋式γ刀性能更好，即将进入各大医院为患者服务．γ刀治疗脑肿瘤主要是利用( )
A．γ射线具有很强的贯穿本领
B．γ射线具有很强的电离作用
C．γ射线具有很高的能量
D．γ射线能很容易地绕过阻碍物到达目的地
解析：选AC.γ射线是一种波长很短的电磁波，具有较高的能量，它的贯穿本领很强，甚至可以穿透几厘米的铅板，但它的电离作用很小．γ刀治疗肿瘤时，通常是同时用多束γ射线，使它们穿透脑颅和健康区域在病灶处会聚，利用γ射线的高能杀死肿瘤细胞．如图所示．综上所述，本题正确选项为A、C.
[随堂检测][学生用书P60]
1．(多选)关于威耳逊云室探测射线，下述正确的是( )
A．威耳逊云室充满过饱和蒸气，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直的是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的原因是电离，所以无法由径迹判断射线所带电荷的正负
解析：选AB.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，雾滴沿射线的路线排列，显示出射线的径迹，故A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直，即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，而细长径迹是β射线的，所以C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错误．
2．(多选)放射性同位素被用做示踪原子，主要是因为( )
A．放射性同位素不改变其化学性质
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．半衰期与元素所处的物理、化学状态无关
D．放射性同位素容易制造
解析：选ABC.放射性同位素用做示踪原子，主要是用放射性同位素代替没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物过程，既要利用化学性质相同，也要利用衰变规律不受物理、化学变化的影响，同时还要考虑放射性废料容易处理，因此选项A、B、C正确，选项D不正确．
3．(多选)关于放射性同位素，以下说法正确的是( )
A．放射性同位素与放射性元素一样，都具有一定的半衰期，衰变规律一样
B．放射性同位素衰变可生成另一种新元素
C．放射性同位素只能是天然衰变时产生的，不能用人工方法制得
D．以上说法均不对
解析：选AB.放射性同位素也具有放射性，半衰期也不受物理和化学因素的影响，衰变后形成新的原子核，选项A、B正确；大部分放射性同位素都是人工转变后获得的，C、D错误．
4．(多选)在下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是( )
A．利用钴?60治疗肿瘤等疾病
B．γ射线探伤
C．利用含有放射性碘?131的油，检测地下输油管的漏油情况
D．把含有放射性同位素的肥料施给农作物用以检测农作物吸收养分的规律
解析：选CD.利用钴?60治疗肿瘤是利用它的射线能量高的特点，γ射线探伤是利用它的射线贯穿能力强的特点．
5．某实验室工作人员，用初速度v0＝0.09c(c为真空中的光速)的α粒子，轰击静止的氮原子核7N，产生了质子H，若某次碰撞可看做对心正碰，碰后新核与质子同方向运动，垂直磁场方向射入磁场，通过分析偏转半径可得出新核与质子的速度大小之比为1∶20，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.
解析：(1)He＋7N→8O＋H.
(2)设α粒子、新核质量分别为4m、17m，质子速度为v.
由于对心正碰，满足动量守恒，故：4mv0＝17m·＋mv
解出v≈0.19c.
答案：(1)He＋7N→8O＋H (2)0.19c
[课时作业][学生用书P112(单独成册)]
一、单项选择题
1．英国物理学家布拉凯特在充氮的云室中做α粒子轰击氮核的实验．在如图所示的云室照片中，正确的图是( )
解析：选B.首先在α粒子(He)、反冲核(O)和质子(H)这三种粒子中，反冲核的电离能力最强，穿透能力最弱——径迹短而粗；质子的电离能力最弱，穿透能力最强——径迹细而长．另外，在α粒子轰击氮核的过程中，系统动量守恒，即pα＝pO＋pH.因此，反冲核与质子的运动方向不可能在同一直线上．
2．关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是( )
A．放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到了消除有害静电的目的
B．利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进行人体的透视
C．用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种
D．用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害
解析：选D.利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性，使空气分子电离成为导体，将静电导走，故A错；γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视，故B错；作物种子发生的DNA突变不一定都有益的，还要经过筛选才能培育出优秀品种，故C错；用γ射线治疗肿瘤对人体有副作用，因此要严格控制剂量，故D对．
3．对放射性的应用，下列说法中不正确的是( )
A．放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体正常细胞不会有伤害作用
B．对放射性的废料，要装入特制的容器并埋入深地层进行处理
C．γ射线探伤仪中的放射源必须存在特制容器里，而不能随意放置
D．对可能产生放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
解析：选A.放疗的同时对人的身体也是有害的，A选项错误；B、C、D关于放射线的防护的表述都是正确的．
4．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几种，而今天人工制成的放射性同位素已达2 000多种，几乎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都得到了广泛的应用．带电的验电器在放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
解析：选B.验电器周围的空气在射线电离作用下被电离后变成导电气体，因此会将验电器上的电荷很快导走，故B项正确．
5．现在很多心血管专科医院引进了一种被称为“心脏灌注显像”的检测技术，方法是将若干毫升含放射性元素锝(Tc)的注射液注入被检测者的动脉，经过40 min后，这些含放射性物质的注射液通过血液循环均匀地分布在血液中，这时对被检测者的心脏进行造影．心脏血管正常的位置由于有放射性物质随血液到达而显示出有射线射出．心脏血管被堵塞的部分由于无放射性物质到达，将无射线射出，医生根据显像情况就可以判定被检测者心脏血管有无病变并判定病变位置．你认为检测用放射性元素锝的半衰期应该接近下列数据中的( )
A．10 min B．10 h
C．10 s D．10 y(年)
解析：选A.所选放射性元素半衰期即不能太长，也不能太短；半衰期过长，对人体造成长期辐射；半衰期过短，在检查过程中，强度变化明显，影响检查．
6．下列关于放射性现象的说法中，正确的是( )
A．原子核发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4
B．原子核发生α衰变时，生成核与α粒子的总质量等于原来的原子核的质量
C．原子核发生β衰变时，生成核的质量数比原来的原子核的质量数多1
D．单质的铀238与化合物中的铀238的半衰期是相同的
解析：选D.原子核发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了2，A错误；生成核与α粒子的总质量小于原来的原子核的质量，B错误；原子核发生β衰变时，生成核的质量数与原来的原子核的质量数相同，C错误；放射性元素的半衰期由原子核的内部因素决定，跟元素的化学状态无关，所以单质的铀238与化合物中的铀238的半衰期是相同的，D正确．
二、多项选择题
7．下列关于放射性同位素的一些应用的说法中正确的是( )
A．利用放射性同位素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以使基因发生变异
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的
解析：选BCD.消除静电是利用射线的电离作用使空气导电，A错误；探测机器部件内部的砂眼或裂纹和改良品种是利用它的射线的穿透能力；研究农作物对肥料的吸收是利用其作示踪原子．
8．日本东北部宫城县发生里氏9.0级强烈地震，地震导致福岛核电站发生泄漏，酿就了核泄漏事故，核泄漏事故会造成严重后果，其原因是( )
A．铀、钚等物质有放射性
B．铀、钚等物质半衰期很长
C．铀、钚等重金属有剧毒
D．铀、钚等物质会造成爆炸
解析：选ABC.放射线对人体组织、生物都有害，核泄漏后产生的危害主要是放射线，且其半衰期长，在很长时间内具有放射性，故A、B、C正确；核泄漏物中含有大量重金属，但不会自发爆炸，故D错误．
9．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
解析：选AC.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．
10．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O注入人体，O在人体内衰变放出的正电子与人体内的负电子相遇而湮灭转化为一对γ光子，被探测器采集后，经计算机处理生成清晰图像．则根据PET的原理判断下列表述正确的是( )
A.O在人体内的衰变方程是O―→N＋e
B．正、负电子湮灭方程是e＋e―→2γ
C．在PET中，O主要用途是作为示踪原子
D．在PET中，O主要用途是参与人体的新陈代谢
解析：选ABC.显像的原理是采集γ光子，即注入人体内的O衰变放出正电子和人体内的负电子湮灭转化为γ光子，因此O主要用途是作为示踪原子，D错．
三、非选择题
11．1934年，约里奥?居里夫妇在α粒子轰击铝箔靶时，除探测到预料中的中子外，还探测到正电子，α粒子停止轰击后，铝箔靶仍继续发射正电子，这是因为反应生成了放射性同位素．
(1)完成上述反应的核反应方程式
Al＋He→________＋n；________→Si＋e
(2)放射性同位素的作用有__________、__________．
答案：(1)P P
(2)做放射性同位素电池 作为示踪原子
12．2011年3月11日发生的日本东北部9.0级大地震引发海啸致使老旧的福岛第一核电站的一号、二号、三号、四号反应堆发生爆炸，致使放射性物质外泄进入大气．其中碘131就是其中之一，我国部分地区在菠菜中检测到极微量的碘131.碘131中有53个质子，发生β衰变，生成氙(Xe)．
(1)写出核反应方程．
(2)碘131的半衰期是8天，1克碘131经过24天还剩多少克？
解析：(1)由质量数守恒和核电荷数守恒，有
I→e＋Xe.
(2)24天为3个半衰期，则剩余的质量
m＝m0＝ g＝0.125 g.
答案：(1)I→e＋Xe (2)0.125 g
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随堂演练·巩固提升
以练促学·补短扬长
(共28张PPT)
第4章 从原子核到夸克
第4章 从原子核到夸克
放射性同位素
击穿电压
气体分子电离
阳极
阴极
电离
过饱和
直而粗
弯曲
看不到
射线源
示踪原子
很弱
生物体
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
放射源
铝板
探测器
