《2018-2019版高中物理 第4章 從原子核到夸克 4.3 讓射線造福人類學案 滬科版選修3-5.docx》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019版高中物理 第4章 從原子核到夸克 4.3 讓射線造福人類學案 滬科版選修3-5.docx（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

4.3　讓射線造福人類 [學習目標]1.知道什么是放射性同位素以及獲得放射性同位素的方法.2.了解探測射線的幾種儀器和方法.3.知道放射性同位素的常見應(yīng)用． 一、人工放射性同位素的發(fā)現(xiàn) [導(dǎo)學探究]　第一種人工放射性同位素是如何發(fā)現(xiàn)的？常見的人工轉(zhuǎn)變的核反應(yīng)有哪些？ 答案　(1)1934年，約里奧—居里夫婦在用α粒子轟擊鋁箔時，發(fā)現(xiàn)了一種具有放射性的新元素P，這種新元素能不斷地放射出正電子，核反應(yīng)方程為： He＋Al→P＋n P→Si＋e (2)常見的人工轉(zhuǎn)變的核反應(yīng)有： a．盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子：N＋He→O＋H b．查德威克發(fā)現(xiàn)中子：Be＋He→C＋n c．居里夫婦人工制造同位素：He＋Al→n＋P P具有放射性：P→Si＋e. [知識梳理] 1．放射性同位素的分類 (1)天然放射性同位素； (2)人工放射性同位素． 2．人工放射性同位素的發(fā)現(xiàn) (1)1934年，約里奧—居里夫婦發(fā)現(xiàn)經(jīng)過α粒子轟擊的鋁片中含有放射性磷P. (2)發(fā)現(xiàn)磷同位素的方程He＋Al―→P＋n. 3．放射性同位素知多少 天然放射性同位素只有幾十種，而人們利用原子反應(yīng)堆和加速器生產(chǎn)的放射性同位素已達 2000多種． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒．(　√　) (2)放射性同位素P，既可以通過核反應(yīng)人工獲得，也可以從自然界中獲得．(　　) 二、探測射線的儀器和方法 [導(dǎo)學探究]　肉眼看不見射線，但是射線中的粒子與其他物質(zhì)作用時的現(xiàn)象，會顯示射線的存在．閱讀課本，舉出一些探測射線的方法． 答案　(1)射線使氣體發(fā)生電離，使計數(shù)管電路中出現(xiàn)脈沖電流． (2)射線使氣體分子電離產(chǎn)生離子，過飽和汽以這些離子為核心凝結(jié)成一條霧跡． (3)射線中的粒子使照相底片感光． [知識梳理] 1．計數(shù)器 (1)原理：計數(shù)器的主要部分是計數(shù)管．射線進入管內(nèi)，使管內(nèi)氣體發(fā)生一連串的電離，從而使計數(shù)管電路中出現(xiàn)一個相當強的脈沖電流． (2)作用：記錄粒子進入管的次數(shù)． 2．云室 (1)原理：射線使氣體分子電離產(chǎn)生離子，過飽和汽以這些離子為核心凝結(jié)成一條霧跡． (2)作用：顯示粒子的徑跡． 3．乳膠照相 (1)原理：高速運動的帶電粒子能使照相底片感光． (2)作用：記錄粒子徑跡． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)計數(shù)器非常靈敏，不僅可以計數(shù)，還可以區(qū)分射線的種類．(　　) (2)云室可以顯示α粒子和β粒子的徑跡．(　√　) (3)高速β粒子在云室中的徑跡又短又粗而且是彎曲的．(　　) 三、射線的應(yīng)用及防護 [知識梳理] 1．射線的應(yīng)用 (1)作為射線源 ①檢查物體內(nèi)部情況，檢查產(chǎn)品的密度和厚度． ②利用射線的生物效應(yīng)，消滅害蟲、殺菌消毒、治療癌癥等． ③利用射線的化學效應(yīng)，促進高分子化合物的聚合反應(yīng)，以制造各種塑料或改善塑料的性能等． (2)作為示蹤原子 一種元素的各種同位素具有相同的化學性質(zhì)，而用放射性同位素制成的化合物，經(jīng)歷各種過程時會不斷地放出射線，由此可以掌握它的蹤跡． 2．放射性污染及其防護 (1)危害：過強的射線(包括電磁輻射)會對生物體造成危害． (2)防護 ①使用放射性物質(zhì)時必須嚴格遵守操作規(guī)程，不準用手接觸； ②廢棄不用的放射性物質(zhì)，應(yīng)交有關(guān)部門處理，或者在指定地點深埋于地下，并遠離水源．特別要注意防止放射性物質(zhì)對空氣、水源和食品的污染． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)現(xiàn)在用到射線時，既可以用人工放射性同位素，也可 以用天然放射性物質(zhì)．(　　) (2)用γ射線照射食品可以殺死使食物腐敗的細菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長保存期．(　√　) 一、對核反應(yīng)方程的再認識 例1　完成下列核反應(yīng)方程，并說明哪些屬于人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)，哪些屬于衰變，及人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)和衰變有什么不同． (1)N＋(　　)→O＋H (2)Be＋He→C＋(　　) (3)B＋He→(　　)＋n (4)Al＋He→P＋(　　)，P→Si＋(　　) (5)Li＋n→(　　)＋He (6)Co＋(　　)→Co＋γ (7)U→Th＋(　　) (8)Th→Pa＋(　　) 答案　(1)N＋(He)→O＋H，人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng) (2)Be＋He→C＋(n)，人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng) (3)B＋He→(N)＋n，人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng) (4)Al＋He→P＋(n)，人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng) P→Si＋(e)，β衰變 (5)Li＋n→(H)＋He，人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng) (6)Co＋(n)→Co＋γ，人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng) (7)U→Th＋(He)，α衰變 (8)Th→Pa＋(e)，β衰變 人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)和衰變的比較見總結(jié)提升． 人工轉(zhuǎn)變核反應(yīng)與衰變的比較 1．不同點：原子核的人工轉(zhuǎn)變，是一種核反應(yīng)，是其他粒子與原子核相碰撞的結(jié)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(zhuǎn)變核反應(yīng)與衰變過程一樣，在發(fā)生的過程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒；反應(yīng)前后粒子總動量守恒． 二、探測射線的儀器和方法 1．計數(shù)器 當某種粒子經(jīng)過管中時，管內(nèi)氣體分子電離，產(chǎn)生電子和正離子，這些電子到達陽極，正離子到達陰極，在外電路中產(chǎn)生一次脈沖放電，利用電子儀器可以把放電次數(shù)記錄下來． 2．云室 (1)α粒子顯示的徑跡直而清晰 因為α粒子帶電荷量多，它的電離本領(lǐng)強，穿越云室時，在1cm路程上能使104對氣體分子產(chǎn)生電離，過飽和酒精蒸氣凝結(jié)在這些離子上，形成很清晰的徑跡．且由于α粒子質(zhì)量大，穿越云室時不易改變方向，所以顯示的徑跡很直． (2)β粒子顯示的徑跡 β粒子的質(zhì)量小，跟氣體碰撞時容易改變方向，并且電離本領(lǐng)小，沿途產(chǎn)生的離子少，所以高速β粒子的徑跡又細又直，低速β粒子的徑跡又短又粗而且是彎曲的． (3)γ射線的電離本領(lǐng)很小，在云室中一般看不到它的徑跡． 3．乳膠照相 高速粒子從膠片的乳膠層中通過時，會使其中的溴化銀晶粒電離形成潛像，經(jīng)顯影和定影，便可顯出粒子的徑跡． 例2　(多選)用計數(shù)器測定放射源的放射強度為每分鐘404次，若將一張厚紙板放在計數(shù)器與放射源之間，計數(shù)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(guān)于射線性質(zhì)及它的半衰期的說法正確的是(　　) A．放射源射出的是α射線 B．放射源射出的是β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 答案　AC 解析　因厚紙板能擋住這種射線，可知這種射線是穿透能力最差的α射線，選項A正確，B錯誤；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(shù)只有原來的四分之一，由半衰期公式知，經(jīng)過了兩個半衰期，故半衰期是5天． 針對訓(xùn)練　在云室中，關(guān)于放射源產(chǎn)生的射線徑跡，下列說法中正確的是(　　) A．由于γ射線的能量大，容易顯示其徑跡 B．由于β粒子的速度大，其徑跡粗而且長 C．由于α粒子的速度小，不易顯示其徑跡 D．由于α粒子的電離作用強，其徑跡直而清晰 答案　D 解析　在云室中顯示粒子的徑跡是由于粒子引起氣體分子電離，電離作用強的α粒子容易顯示其徑跡，因α粒子質(zhì)量較大，飛行時不易改變方向，所以α粒子的徑跡直而清晰，故只有D正確． 三、放射性同位素的應(yīng)用 1．工業(yè)部門使用射線測厚度——利用γ射線的穿透特性． 2．農(nóng)業(yè)應(yīng)用——γ射線使種子的遺傳基因發(fā)生變異，殺死使食物腐敗的細菌、抑制蔬菜發(fā)芽、延長保存期等． 3．做示蹤原子——利用放射性同位素與非放射性同位素有相同的化學性質(zhì)． 4．醫(yī)學上——利用γ射線的高能量治療癌癥． 例3　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(nèi)衰變放出正電子，正電子與人體內(nèi)負電子相遇而湮滅轉(zhuǎn)化為一對光子，被探測器探測到，經(jīng)計算機處理后產(chǎn)生清晰的圖像．根據(jù)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(yīng)．(填“長”“短”或“長短均可”) 答案　(1)O→N＋e，e＋e→2γ　(2)B　(3)短 解析　(1)由題意得O→N＋e，e＋e→2γ.(2)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(nèi)的負電子產(chǎn)生一對光子，從而被探測器探測到，所以它的用途是作為示蹤原子，B正確． (3)根據(jù)同位素的用途，為了減小對人體的傷害，半衰期應(yīng)該短． 1．用射線來測量厚度，一般不選取α射線是因為其穿透能力太差，更多的是選取γ射線，也有部分是選取β射線的． 2．給病人治療癌癥、培育優(yōu)良品種、延長食物保存期一般選取γ射線． 3．使用射線時安全是第一位的． 1．(探測射線的方法)用α粒子照射充氮的云室，攝得如圖1所示的照片，下列說法中正確的是(　　) 圖1 A．A是α粒子的徑跡，B是質(zhì)子的徑跡，C是新核的徑跡 B．B是α粒子的徑跡，A是質(zhì)子的徑跡，C是新核的徑跡 C．C是α粒子的徑跡，A是質(zhì)子的徑跡，B是新核的徑跡 D．B是α粒子的徑跡，C是質(zhì)子的徑跡，A是新核的徑跡 答案　D 解析　α粒子的徑跡是沿入射方向的．生成的新核徑跡的特點是粗而短，根據(jù)以上特點可判斷D正確． 2．(放射性同位素的應(yīng)用)(多選)下列應(yīng)用中把放射性同位素作為示蹤原子的是(　　) A．射線探傷儀 B．利用含有放射性I的油，檢測地下輸油管的漏油情況 C．利用Co治療腫瘤等疾病 D．把含有放射性元素的肥料施給農(nóng)作物，用以檢測確定農(nóng)作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律 答案　BD 解析　射線探傷儀利用了射線的穿透能力，所以選項A錯誤．利用含有放射性I的油，可以記錄油的運動蹤跡，可以檢查管道是否漏油，所以選項B正確．利用Co治療腫瘤等疾病，利用了射線的穿透能力和高能量，所以選項C錯誤．把含有放射性元素的肥料施給農(nóng)作物，可以記錄放射性元素的蹤跡，用以檢測確定農(nóng)作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律，所以選項D正確． 3．(核反應(yīng)方程)以下是物理學史上3個著名的核反應(yīng)方程：x＋Li→2y；y＋N→x＋O；y＋Be→z＋C x、y和z是3種不同的粒子，其中z是(　　) A．α粒子 B．質(zhì)子 C．中子 D．電子 答案　C 解析　把前兩個方程化簡，消去x，可知y是He，結(jié)合第三個方程，根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒可知z是中子n.因此選項C正確． 4．(放射性同位素的應(yīng)用)用人工方法得到放射性同位素，這是一個很重要的發(fā)現(xiàn)，天然的放射性同位素只不過幾十種，而今天人工制造的放射性同位素已達2000多種，每種元素都有放射性同位素．放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學研究等許多方面得到了廣泛的應(yīng)用． (1)帶電的驗電器在放射線的照射下電荷會很快消失，其原因是(　　) A．射線的穿透作用　　　　　 B．射線的電離作用 C．射線的物理、化學作用 D．以上三個選項都不是 (2)圖2是工廠利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置示意圖．如果工廠生產(chǎn)的是厚度為1毫米的鋁板，在α、β、γ三種射線中，你認為對鋁板的厚度控制起主要作用的是射線． 圖2 (3)在我國首先用人工方法合成牛胰島素時，需要證明人工合成的牛胰島素的結(jié)晶跟天然牛胰島素的結(jié)晶是同一種物質(zhì)，為此曾采用放射性同位素14C做． 答案　(1)B　(2)β　(3)示蹤原子 解析　(1)因放射線的電離作用，空氣中與驗電器所帶電性相反的離子與之中和，從而使驗電器所帶電荷消失． (2)α射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)弱，不能穿透厚度為1毫米的鋁板，因而探測器不能探測，γ射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)極強， 穿透1毫米厚的鋁板和幾毫米厚的鋁板打在探測器上很難分辨．β射線也能夠穿透1毫米甚至幾毫米厚的鋁板，但厚度不同，穿透后β射線中的電子運動狀態(tài)不同，探測器容易分辨． (3)把摻入14C的人工合成的牛胰島素與天然牛胰島素混合在一起，經(jīng)過多次重新結(jié)晶后，得到了放射性14C分布均勻的牛胰島素的結(jié)晶，這就證明了人工合成的牛胰島素與天然牛胰島素完全融為一體，它們是同一種物質(zhì)．這種把放射性同位素的原子摻到其他物質(zhì)中去，讓它們一起運動、遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可以知道放射性原子通過什么路徑，運動到哪里了，是怎樣分布的，從而可以了解某些不容易查明的情況或規(guī)律．人們把作這種用途的放射性同位素叫做示蹤原子． 一、選擇題 考點一　射線的探測及應(yīng)用 1．利用云室探測射線時能觀察到短粗而彎曲的徑跡，則下列說法正確的是(　　) A．可知有α射線射入云室中 B．可知是γ射線射入云室中 C．觀察到的是射線粒子的運動 D．觀察到的是射線粒子運動路徑上的酒精霧滴 答案　D 解析　因為云室中觀察到的短粗而彎曲的徑跡是β射線的徑跡，A、B選項均錯誤；射線粒子的運動肉眼是觀察不到的，觀察到的是酒精的過飽和蒸氣在射線粒子運動路徑上形成的霧滴，C選項錯誤，D選項正確． 2．醫(yī)學界通過14C標記的C60發(fā)現(xiàn)一種C60的羧酸衍生物，在特定條件下可以通過斷裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，則14C的用途是(　　) A．示蹤原子 B．電離作用 C．催化作用 D．貫穿作用 答案　A 解析　用14C標記C60來查明元素的行蹤，發(fā)現(xiàn)可以通過斷裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是做示蹤原子，故選項A正確． 3．關(guān)于放射性同位素的應(yīng)用，下列說法中正確的有(　　) A．放射線改變了布料的性質(zhì)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γ射線的穿透性可以為金屬探傷，也能進行人體的透視 C．用放射線照射作物種子使其DNA發(fā)生變異，其結(jié)果一定是更優(yōu)秀的品種 D．用γ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 答案　D 解析　利用放射線消除有害靜電是利用放射線的電離作用，使空氣分子電離成為導(dǎo)體，將靜電消除．γ射線對人體細胞傷害太大，不能用來進行人體透視．作物種子發(fā)生的DNA突變不一定都是有益的，還要經(jīng)過篩選才能培育出優(yōu)良品種．用γ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．本題正確選項為D. 4．(多選)有關(guān)放射性同位素P的下列說法，正確的是(　　) A.P與X互為同位素 B.P與其同位素具有相同的化學性質(zhì) C．用P制成化合物后它的半衰期變長 D．含有P的磷肥釋放正電子，可用作示蹤原子，觀察磷肥對植物的影響 答案　BD 解析　同位素有相同的質(zhì)子數(shù)，所以選項A錯誤；同位素具有相同的化學性質(zhì)，所以選項B正確；半衰期與元素屬于化合物或單質(zhì)沒有關(guān)系，所以P制成化合物后它的半衰期不變，選項C錯誤；含有P的磷肥由于衰變，可記錄磷的蹤跡，所以選項D正確． 5．(多選)下列說法正確的是(　　) A．通過核反應(yīng)可以人工制造放射性同位素 B．現(xiàn)在用的射線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發(fā)出的射線對人體無害 D．人工制造的放射性同位素半衰期短，因此放射性廢料容易處理 答案　ABD 考點二　核反應(yīng)方程 6．下面列出的是一些核反應(yīng)方程：P→Si＋X，Be＋H→B＋Y，He＋He→Li＋Z，其中(　　) A．X是質(zhì)子，Y是中子，Z是正電子 B．X是正電子，Y是質(zhì)子，Z是中子 C．X是中子，Y是正電子，Z是質(zhì)子 D．X是正電子，Y是中子，Z是質(zhì)子 答案　D 解析　依據(jù)核反應(yīng)方程的兩個基本規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，即可得出選項D正確． 7．(多選)下列核反應(yīng)或衰變方程中，符號“X”表示中子的是(　　) A.Be＋He―→C＋X B.N＋He―→O＋X C.Hg＋n―→Pt＋2H＋X D.U―→Np＋X 答案　AC 解析　根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得A、C選項正確． 考點三　核反應(yīng)方程的綜合應(yīng)用 8．(多選)靜止在勻強磁場中的某放射性元素的核，放出的一個α粒子和反沖核軌道半徑之比R∶r＝30∶1，如圖1所示，則(　　) 圖1 A．α粒子與反沖核的動量大小相等，方向相反 B．反沖核的原子序數(shù)為62 C．原來放射性元素的原子序數(shù)為62 D．反沖核與α粒子的速度之比為1∶62 答案　AC 解析　由動量守恒得Mv′＋mv＝0，其中Mv′為反沖核動量，mv為α粒子的動量，則α粒子與反沖核的動量大小相等、方向相反．設(shè)Q為原來放射性元素的原子核的電荷數(shù)，則反沖核的電荷數(shù)為Q－2，α粒子電荷數(shù)為2.反沖核的軌道半徑r＝，α粒子的軌道半徑R＝；又R∶r＝30∶1，聯(lián)立可得Q＝62，故A、C正確． 二、非選擇題 9．(核反應(yīng)方程)在中子、質(zhì)子、電子、正電子、α粒子中選出一個適當?shù)牧Ｗ?，分別填在下列核反應(yīng)式的橫線上． (1)U―→Th＋. (2)Be＋He―→C＋. (3)Th―→Pa＋. (4)P―→Si＋. (5)U＋―→Sr＋Xe＋10n. (6)N＋He―→O＋. 答案　(1)He　(2)n　(3)e　(4)e　(5)n　(6)H 解析　在核反應(yīng)過程中，遵循反應(yīng)前后電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒規(guī)律．對參與反應(yīng)的所有基本粒子采用左下角(電荷數(shù))配平，左上角(質(zhì)量數(shù))配平．未知粒子可根據(jù)其電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)確定．如(1)電荷數(shù)為92－90＝2，質(zhì)量數(shù)為238－234＝4，由此可知為α粒子(He)，同理確定其他粒子分別為：中子(n)，電子(e)，正電子(e)，中子(n)，質(zhì)子(H)． 10．(射線的探測及應(yīng)用)如圖2所示是工廠利用射線自動控制鋁板厚度的裝置示意圖． 圖2 (1)請簡述自動控制的原理； (2)如果工廠生產(chǎn)的是厚度為2mm的鋁板，在α、β和γ三種射線中，哪一種對鋁板的厚度控制起主要作用？為什么？ 答案　見解析 解析　(1)射線具有穿透本領(lǐng)，如果向前移動的鋁板的厚度有變化，則探測器接收到的射線的強度就會隨之變化，將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氲较鄳?yīng)的裝置，使之自動地控制題圖中右側(cè)的兩個輪間的距離，達到自動控制鋁板厚度的目的． (2)β射線起主要作用．因為α射線的貫穿本領(lǐng)很小，穿不過2毫米的鋁板；γ射線的貫穿本領(lǐng)很強，能穿過幾厘米的鉛板，2毫米左右的鋁板厚度發(fā)生變化時，透過鋁板的γ射線強度幾乎不發(fā)生變化；β射線的貫穿本領(lǐng)較強，能穿過幾毫米厚的鋁板，當鋁板厚度發(fā)生變化時，透過鋁板的β射線強度變化較大，探測器可明顯地反映出這種變化，使自動化系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)．