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    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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    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)

    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


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