高中物理新课标版人教版选修3-5课件：19《探测射线 的方法》 39页

19.3《探测射线 的方法》 教学目标 § 1、知识与技能 § （1）知道放射线的粒子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放射线可以用 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。 § 2、过程与方法 § （1）能分析探测射线过程中的现象； § （2）培养学生运用已知结论正确类比推理的能 力。 § 3、情感、态度与价值观 § （1）培养学生认真严谨的科学分析问题的品质； § （2）从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养学生建立 事物是相互联系的唯物主义观点； § （3）培养学生应用物理知识解决实际问题的能力。 § 教学重点：根据探测器探测到的现象分析、探知各种运动粒子。 § 教学难点 § （1）探测器的结构与基本原理。 § （2）如何观察实验现象,并根据实验现象，分析粒子的带电、 动量、能量等特性，从而判断是何种射线，区分射线的本质是 何种粒子。 § 教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。 § 教学用具： § （1）挂图，实验器材模型，课件等； § （2）多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放 等。    带电 性 氦核流 穿透 能力 构成 速度 实质名称 正 强 弱 C/10 电离 能力 负 弱 强 接近C 电子流 中 最弱 极强 光子 C 光子流 He4 2 e0 1 复习回顾: 例： 天然放射性元素 (钍)经过一系列α 衰变和β衰变之后变成 （铅）．下列论 断中正确的是（ ） A.铅核比钍核少24个中子 B.铅核比钍核少8个质子 C.衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变 D.衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变 Th232 90 Pb208 82 BD 在下列核反应方程中,X代表质子的 方程是（ ） ( ) ( ) ( ) ( ) nHeXHD XnHC XOHeNB XPHeAlA 0 4 2 3 1 1 0 2 1 17 8 4 2 14 7 30 15 4 2 27 13 +1®+ +®+ +®+ +®+ BC 半衰期、它表征放射性元素的原子核有一半发生衰变 所需的时间。它是从大量原子核衰变中得出的统计规 律，对个别的放射性原子核的衰变无实际物理意义。 半衰期由原子核的内部因素决定，与外界条件及与物 质的物理、化学状态无关。即使处于物理运动，化学 变化中也不会影响它的半衰期。因此它是反映某种元 素原子核特征的重要物理量。 探测射线的方法 1、粒子使气体或液体电离，以这些 离子为核心，过饱和汽会产生云雾， 过热液体会产生气泡 2、使照相底片感光 3、使荧光物质产生荧光 射线中的粒子与其它物质作用会产生的现 象： 一、威尔逊云室： 构造：一个圆筒状容器， 低部可以上下移动，上盖 是透明的，内有干净空气 实验时，加入少量酒精， 使酒精蒸汽达到过饱和 状态。 利用射线的电离本领 a射线在云室中的径迹：直而粗 原因：a粒子质量大，不易改变方向，电离 本领大，沿涂产生的粒子多 ß射线在云室中的径迹：比较细，而且常 常弯曲 原因：粒子质量小，跟气体碰撞易改变 方向，电离本领小，沿途产生的离子少 二、气泡室-----高能物理实验的最风行的探 测设备 气泡室是由一密闭容器 组成，容器中盛有工作 液体 液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在一定 的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，液体不会马 上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体，在带电粒 子所经轨迹上不断与液体原子发生碰撞而产生低能电子， 因而形成离子对，这些离子在复合时会引起局部发热， 从而以这些离子为核心形成胚胎气泡，经过很短的时间 后，胚胎气泡逐渐长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。 如果这时对其进行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下 来，从而得到记录有高能带电粒子轨迹的底片。 照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液体， 气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状态，准备 作下一次探测。 气 泡 室 中 带 电 粒 子 的 径 迹 气泡室的优点： 它的空间和时间分 辨率高； 工作循环周期短， 本底干净、径迹清 晰，可反复操作。 但也有不足之处： 那就是扫描和测量 时间还嫌太长； 体积有限，而且甚 为昂贵， 三、盖革-米勒计数器 一种能自动把放射 微粒计数出来的仪 器，利用了射线的 电离本领 放射性的应用与防护 问题情景： 为了使水果、蔬菜或其它的食物能存放的 时间长一些，能在长时间保持新鲜，你有 什么办法？ 辐 射 方 法 处 理 粮 食 复习回顾： 1、什么是原子核的衰变？ 2、原子核的衰变有什么样的规律 原子核放出a粒子或ß粒子，由于核电荷 数变了，而变成另一种原子核。 1）、衰变时电荷数和质量数都守恒 2）、衰变过程不可逆，所以用箭头，不用等号 3）、由实验决定，不凭空编造 卢瑟福在实验中发现，往容器Ｃ中通入氮气后，在荧光 屏Ｓ上出现了闪光，这表明，有一种新的能量比α粒子 大的粒子穿过铝箔，撞击在Ｓ屏上，这种粒子肯定是在 α粒子击中某个氮核而使该核发生变化时放出的。这样， 卢瑟福通过人工方法实现了原子核的转变，人类第一次 打开了原子核的大门。 核反应 为了认定新粒子，把新粒子引进电场和磁 场，测出了它的质量和电量，确认与氢核相 同：带有一个单位的正电量，质量是电子质 量的1800 多倍。卢瑟福把它叫做质子．质 子的符号是 H 或 P 在云室里做卢瑟福实验，还可以根据径迹了 解整个人工转变的过程．英国物理学家布拉 凯特在所拍摄的两万多张照片的40多万条α 粒子径迹中，发现了８条产生分叉的记录． 分叉情况表明，α粒子击中氮核后， 生成一个新核，同时放出质子。新 核的电量较大速度较慢，径迹短而 粗；质子速度大，电量小，故径迹 细而长．根据核反应中质量数守恒 和电荷数守恒，可以写出这个发现 质子的核反应方程并得知氮核放出 质子后变成了氧核． 用α粒子、质子、中子等去轰击其 它元素的原子核，也都产生类似的 转变，并产生质子，说明质子是各 种原子核里都有的成分，质子是人 类继电子、光子后发现的第三个基 本粒子。 HOHeN 1 1 17 8 4 2 14 7 +®+ 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核 的过程，------------核反应 在核反应中，质量数和电荷数都守恒 1930年，德国科学家玻特和贝克用α粒子 轰击轻元素铍核，发现并未发射出质子， 而放出了一种新的射线．这种射线几乎不 能使气体电离，在电场和磁场中也不发生 偏转，是不带电的，射线的贯穿能力强， 他们认为这是γ射线．经检测，射线的能 量在10ＭeV左右，远大于天然放射物质衰 变时发出的γ射线的能量． 1931年，约里奥夫妇重复了玻特和贝克的实验，并用这种 未知射线去轰击石蜡。 结果竟从中打出能量约5.7 MeV的质子．这是异常惊人的新 发现，因为其行为完全不同于γ射线，γ射线只能打出电子 而打不出质子，γ光子的质量近乎０，电子也很轻，光子撞 击电子，使它动起来是合乎常理的，但质子质量是电子的 1800倍，一颗子弹怎么能撞动一辆汽车呢？如果认为轰击 石蜡的射线是γ射线，那么光子的能量应达55 MeV，这与 实际测得的射线能量10 MeV相去甚远．这射线在向约里奥 夫妇招手呼喊：我不是γ射线……！可惜的是，他们擦肩而 过，无缘相识。面对55eV与10eV的矛盾 ，他们还是十分牵 强地解释为其它的原因，并于1932年１月11日向巴黎科学 院提交了实验情况和对未知射线判定为γ射线的结论。 1932年１月底，查得威克得到这一论文，约里奥夫妇的实验使他心跳，他认为约里奥夫妇的结论肯 定有误，违反能量守恒啊！他敏感到这很可能是导师卢瑟福预言、自己苦苦寻找了12年的中子。他 决定用云室的方法探测射线的速度和质量。 他先测出射线的速度不到光速的十分之 一，排除了是γ射线的可能，又用弹性 碰撞动量守恒的方法测出不带电粒子的 质量与质子质量差不多。他还根据自旋 确定不带电的粒子不可能是由质子和电 子组合而成，只能是另一种新的独立粒 子，他称之为中子。就这样，仅用了十 天时间，成功地证实了这种中性射线就 是中子流。他当之无愧地成为“中子之 父”，并因此获1935年诺贝尔物理奖。 nCHeBe 1 0 12 6 4 2 9 4 +®+ “机遇只偏爱有准备的头脑” 中子的发现，有重大的意义，中子不带电，用它去轰 击原子核，不受库仑力的影响，是研究原子核的强有 力的“炮弹”。在此以前，可供研究用的“炮弹”只 有天然放射元素发出的α、β、γ三种射线，中子流则 是穿透本领更大，轰击原子核更有效的“炮弹”，人 们用它轰击各种原子核，获得许许多多人工放射性同 位素，用它轰开铀核，实现了原子能的利用。 1934年，约里奥·居里和伊丽芙·居里在用粒子 轰击铝箔时，除探测到预料中的中子外，还探 测到了正电子，正电子的质量跟电子相同，所 带电荷与电子相反，为一个单位的正电荷，更 意外的是，拿走放射源后，铝箔虽不再发射中 子，但仍继续发射正电子，而且这种放射性也 有一定的半衰期．原来，铝核被粒子击中后发 生了下面的反应 nPHeAl 1 0 30 15 4 2 27 13 +®+ 人工放射性同位素 eSiP 0 1 30 14 30 15 +® 反应生成物P是磷的一种同位素，也有放 射性，像天然放射性元素一样发生衰变， 衰变时放出正电子，核衰变方程如下： 用人工方法得到放射性同位素，这是一个 很重要的发现．后来人们用质子、氘核、 中子和光子轰击原子核，也得到了放射性 同位素． 与天然的放射性物质相比，人造放射性同 位素： 1、放射强度容易控制 2、可以制成各种需要的形状 3、半衰期更短 4、放射性废料容易处理 （1）利用它的射线 放射性同位素的应用 A、由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金属内 部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪． B、利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来检查 各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现 自动控制 C、利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消 除化纤、纺织品上的静电 D、利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种， 也可以利用它杀菌、治病等 被不同剂量γ射线照射后的马铃薯8个月后的 情况，左上方的马铃薯没经过γ射线照射，右下 方的被γ射线照射的剂量最大，左下方保存最好的 马铃薯被γ射线照射的剂量适中。 “鲁棉一号”就是山东省棉花研究所的科技 人员应用放射性同位素钴-60放出的伽玛射线 处理棉花杂交的后代育成的． （2）作为示踪原子：用于工业、农业及 生物研究等. 棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷 肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能 被吸收．但是，什么时候的吸收率最高、 磷在作物体内能存留多长时间、磷在作 物体内的分布情况等，用通常的方法很 难研究．如果用磷的放射性同位素制成 肥料喷在棉花叶面上，然后每隔一定时 间用探测器测量棉株各部位的放射性强 度，上面的问题就很容易解决． 人体甲状腺的工作需要碘．碘被吸收后会聚 集在甲状腺内．给人注射碘的放射性同位素 碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻 近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器 质性和功能性疾病． （3）放射性污染和防护 原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污染， 在利用放射性同位素给病人做“放疗”时，如 果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈， 导致病人因放射性损害而死去。有些矿石中含 有过量的放射性物质，如果不注意也会对人体 造成巨大的危害。 如图是《北京青年报》2001年9月6 日的一则报道。 核反应堆外层的厚厚的水泥建筑 小结： 1、核反应基本上可分为两大类： 一是自然衰变（天然放射性衰变）， 二是人工衰变（人工转变） e 4 2 234 90 238 92 HThU +® HOHeN 1 1 17 8 4 2 14 7 +®+ nCHeBe 1 0 12 6 4 2 9 4 +®+ （发现质子的核反应） （发现中子的核反应） 2、放射性同位素的应用