4.3让射线造福人类-4.4粒子物理与宇宙的起源 学案（2020年沪科版高中物理选修3-5）

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1、43 让射线造福人类让射线造福人类 44 粒子物理与宇宙的起源粒子物理与宇宙的起源 学习目标 1.知道什么是放射性同位素以及获得放射性同位素的方法.2.了解探测射线的几种 仪器和方法.3.知道放射性同位素的常见应用.4.了解粒子的分类和宇宙及恒星的演化 一、人工放射性同位素的发现 导学探究 第一种人工放射性同位素是如何发现的？常见的人工转变的核反应有哪些？ 答案 (1)1934 年， 约里奥居里夫妇在用 粒子轰击铝箔时， 发现了一种具有放射性的新元 素30 15P，这种新元素能不断地放射出正电子，核反应方程为： 4 2He 27 13Al 30 15P 1 0n 30 15P 30 14Si

2、0 1e (2)常见的人工转变的核反应有： a卢瑟福发现质子：14 7N 4 2He 17 8O 1 1H b查德威克发现中子：94Be42He12 6C 1 0n c居里夫妇人工制造同位素：42He27 13Al 1 0n 30 15P 30 15P 具有放射性： 30 15P 30 14Si 0 1e. 知识梳理 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人工放射性同位素的发现 (1)1934 年，约里奥居里夫妇发现经过 粒子轰击的铝片中含有放射性磷30 15P. (2)发现磷同位素的方程42He27 13Al 30 15P 1 0n. 3放射性同位素知多少

3、 天然放射性同位素只有几十种，而人们利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 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30 15P，既可以通过核反应人工获得，也可以从自然界中获得( ) 二、探测射线的仪器和方法 导学探究 肉眼看不见射线，但是射线中的粒子与其他物质作用时的现象，会显示射线的 存在阅读课本，举出一些探测射线的方法 答案 (1)射线使气体发生电离，使计数管电路中出现脉冲电流 (2)射线使气体分子电离产生离子，过饱和汽以这些离子为核心凝结成一条雾迹 (3)射线中的粒子使照相底片感光 知识梳理 1计数器 (1

4、)原理：计数器的主要部分是计数管射线进入管内，使管内气体发生一连串的电离，从而 使计数管电路中出现一个相当强的脉冲电流 (2)作用：记录粒子进入管的次数 2云室 (1)原理：射线使气体分子电离产生离子，过饱和汽便以这些离子为核心凝结成一条雾迹 (2)作用：显示粒子的径迹 3乳胶照相 (1)原理：高速运动的带电粒子能使照相底片感光 (2)作用：记录粒子径迹 即学即用 判断下列说法的正误 (1)计数器非常灵敏，不仅可以计数，还可以区分射线的种类( ) (2)云室可以显示 粒子和 粒子的径迹( ) (3)高速 粒子在云室中的径迹又短又粗而且是弯曲的( ) 三、射线的应用及防护 1射线的应用 (1)作

5、为射线源 检查物体内部情况，检查产品的密度和厚度 利用射线的生物效应，消灭害虫、杀菌消毒、治疗癌症等 利用射线的化学效应，促进高分子化合物的聚合反应，以制造各种塑料或改善塑料的性能 等 (2)作为示踪原子 一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，而用放射性同位素制成的化合物，经历各种过 程时会不断地放出射线，由此可以掌握它的踪迹 2放射性污染及其防护 (1)危害：过强的射线(包括电磁辐射)会对生物体造成危害 (2)防护 使用放射性物质时必须严格遵守操作规程，不准用手接触； 废弃不用的放射性物质， 应交有关部门处理， 或者在指定地点深埋于地下， 并远离水源 特 别要注意防止放射性物质对空气、水源

6、和食品的污染 即学即用 判断下列说法的正误 (1)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( ) (2)用 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( ) 四、物质结构的更深层次 1对粒子的认识过程 (1)“基本”粒子：人们以为电子、质子、中子等是组成物质的最基本的粒子，后来认识到它 们应有更深层次的结构 (2)新粒子：人们通过对宇宙射线进行观测，通过高能加速器进行实验，发现了更多的新粒 子.1937 年发现了 子，1947 年发现了 k 介子和 介子，此后又发现了 子 2夸克模型 (1)夸克：1964 年，美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，

7、认为强子是由夸克构成的 (2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，它们所带的电荷是分数电 荷 3粒子的分类：已发现的粒子分为三大类：参与强相互作用的强子，不参与强相互作用的轻 子和传递相互作用的粒子 五、宇宙和恒星的演化 1暴胀的宇宙：大爆炸假说的主要观点：超高温、超高密度的“原始火球” 爆炸 最初的宇 宙物质 膨胀、降温 气态物质 气体凝聚 气云 气云收缩 恒星体系 2恒星的演化 (1)形成：大块的星云由于引力作用收缩，逐渐凝成原恒星 (2)稳定期： 当原恒星中心温度达到 7106 K 时， 氢聚变成氦的热核反应产生的斥力和引力达 到平衡，恒星不再收缩，进入相对稳定阶段

8、(3)衰老期：当氦核质量占到恒星质量的 10%15%时，核反应能量供应不足，恒星的稳定状 态遭到破坏，变化为红巨星 (4)末期：恒星核能耗尽后，进入末期，末期形态主要有三种：白矮星、中子星和黑洞 3小粒子与大宇宙：1979 年诺贝尔物理学奖获得者格拉肖把大至宇观世界小到微观世界的 “链条”比喻成一条咬住自己尾巴的大蛇，从尾到首依次对应于粒子、原子核、原子、细胞， 一直到超星系团、整个宇宙 4物理学家的追求统一场论：物理学家把自然界中的力归结为强相互作用、电磁相互作 用、弱相互作用、引力相互作用这四种作用. 一、对核反应方程的再认识 例 1 完成下列核反应方程，并说明哪些属于人工转变核反应，哪些

9、属于衰变，及人工转变 核反应和衰变有什么不同 (1)14 7N( ) 17 8O 1 1H (2)94Be42He12 6C( ) (3)10 5B 4 2He( ) 1 0n (4)27 13Al 4 2He 30 15P( )， 30 15P 30 14Si( ) (5)63Li10n( )42He (6)59 27Co( ) 60 27Co (7)238 92U 234 90Th( ) (8)234 90Th 234 91Pa( ) 答案 (1)14 7N( 4 2He) 17 8O 1 1H，人工转变核反应 (2)94Be42He12 6C( 1 0n)，人工转变核反应 (3)10 5

10、B 4 2He( 13 7N) 1 0n，人工转变核反应 (4)27 13Al 4 2He 30 15P( 1 0n)，人工转变核反应 30 15P 30 14Si( 0 1e)， 衰变 (5)63Li10n(31H)42He，人工转变核反应 (6)59 27Co( 1 0n) 60 27Co，人工转变核反应 (7)238 92U 234 90Th( 4 2He)， 衰变 (8)234 90Th 234 91Pa( 0 1e)， 衰变 人工转变核反应和衰变的比较见总结提升 人工转变核反应与衰变的比较 1不同点：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 定的装置和条

11、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：人工转变核反应与衰变过程一样，在发生的过程中质量数与电荷数都守恒；反应 前后粒子总动量守恒 二、探测射线的仪器和方法 1计数器 当某种粒子射进管内时，会使管内气体发生电离，电离产生电子和正离子，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云室 (1) 粒子显示的径迹直而清晰 因为 粒子带电荷量多，它的电离本领很强，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 粒子质量大， 穿越云室时不易

12、改变方向，所以显示的径迹很直 (2) 粒子显示的径迹 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 粒子的径迹又细又直，低速 粒子的径迹又短又粗而且是弯曲的 (3) 射线的电离本领很弱，在云室中一般看不到它的径迹 3乳胶照相 高速粒子从胶片的乳胶层中通过时，会使其中的溴化银晶粒电离形成潜像，经显影和定影， 便可显出粒子的径迹 例 2 (多选)用计数器测定放射源的放射强度为每分钟 404 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

13、正确的是( ) A放射源射出的是 射线 B放射源射出的是 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 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 射线的能量大，容易显示其径迹 B由于 粒子的速度大，其径迹粗而且长 C由于 粒子的速度小，不易显示其径迹 D由于 粒子的电

14、离本领很强，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分子电离，电离本领很强的 粒子容易 显示其径迹，因 粒子质量较大，飞行时不易改变方向，所以 粒子的径迹直而清晰，故只 有 D 正确 三、放射性同位素的应用 1工业部门使用射线测厚度利用 射线的穿透特性 2 农业应用 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 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.15

15、O 在人体内衰变放出正电子，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像根据 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 (选填“长”“短”或“长短均可”) 答案 (1)15 8O 15 7N 0 1e， 0 1e 0 1 e2 (2)B (3)短 解析 (1)由题意得15 8O 15 7N 0 1e， 0 1e 0 1 e2.(2

16、)将放射性同位素 15O 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 射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取 射线，也 有部分是选取 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 射线 3使用射线时安全是第一位的 1(探测射线的方法)用 粒子照射充氮的云室，摄得如图 1 所示的照片，下列说法中正确的 是( ) 图 1 AA 是 粒子的径迹，B 是质子的径迹，C 是新核的径迹 BB 是 粒子的径迹，A 是

17、质子的径迹，C 是新核的径迹 CC 是 粒子的径迹，A 是质子的径迹，B 是新核的径迹 DB 是 粒子的径迹，C 是质子的径迹，A 是新核的径迹 答案 D 解析 粒子的径迹是沿入射方向的生成的新核径迹的特点是粗而短，根据以上特点可判 断 D 正确 2(放射性同位素的应用)(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60 27Co 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 答案 BD 解析 射线探伤仪利用了射线的穿透能力，所以选项 A 错误利用含有放射性13

18、1 53I 的油，可 以记录油的运动踪迹， 可以检查管道是否漏油， 所以选项 B 正确 利用60 27Co 治疗肿瘤等疾病， 利用了射线的穿透能力和高能量，所以选项 C 错误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，所以选项 D 正确 3(核反应方程)以下是物理学史上 3 个著名的核反应方程：x73Li2y；y14 7Nx 17 8O； y94Bez12 6Cx、y 和 z 是 3 种不同的粒子，其中 z 是( ) A 粒子 B质子 C中子 D电子 答案 C 解析 把前两个方程化简，消去 x，可知 y 是42He，结合第三个方程，根据电荷数守恒、质量 数守恒可知 z 是中子10n.因此选项 C 正确 4(放射性同位素的应用)在放射性同位素的应用中，下列做法正确的是( ) A应该用 射线探测物体的厚度 B应该用 粒子放射源制成“烟雾报警器” C医院在利用放射线诊断疾病时，用半衰期较长的放射性同位素 D放射育种中利用 射线照射种子，使其遗传基因发生变异 答案 D