【精品】高三物理 第二十二章 原子核 四、放射性的应用与防护(第一课时)

2019-2020年高三物理第二十二章原子核四、放射性的应用与防护(第一课时)●本节教材分析课本所介绍的三种探测射线的方法是核物理研究中最基本、最常用的实验方法，通过对实验的观察和对仪器原理的介绍，应让学生知道，研究原子核变化中的微观现象，可以根据各种粒子产生的次级效应来进行观察和判断，进而了解核物理中这种研究问题的方法.教学中应尽可能地做好演示实验，特别是云室实验.学生通过对云室实验的观察，看到看不见、摸不着的射线现在可以看到它们的径迹，既感到新鲜，又加深了对所学知识的理解.教学中应注意结合以前学过的过饱和汽的知识，讲清云室实验的原理.同时要注意强调在云室看到的只是成串的小液滴，它描述的是射线粒子运动的径迹，而不是射线本身.云室利用的是射线的电离本领.关于放射性的应用及防护的教学应使学生明白，同一元素的各种同位素中，有的稳定，有的不稳定，不稳定的同位素会自发地放出粒子而衰变为其他元素，这种不稳定的同位素就叫做放射性同位素.放射性同位素的应用部分的教学主要应使学生了解射线的贯穿本领、电离作用以及射线的物理、化学和生物作用在工农业生产、人民生活和医疗卫生等领域中的广泛应用以及我国在这方面所取得的新成就.同时应让学生了解放射性污染对人类和环境的破坏作用，知道放射性防护的基本常识.●教学目标一、知识目标1.知道用肉眼不能直接看到的放射线可以利用各种射线粒子产生的次级效应用适当的仪器探测到.2.了解云室、气泡室和计数器的简单构造和基本原理.3.知道放射性同位素及其在各方面的重要应用.4.了解放射性污染和防护的基本常识.二、能力目标认识放射性污染的危害.三、德育目标通过对放射性污染的认识，提高学生的环境保护意识.●教学重点放射性的应用和防护.●教学难点云室和计数器的原理.●教学方法本节采用教师演示、学生观察实验，教师启发、学生分析实验原理和结果的教学方法，以培养学生的实验观察和分析能力.●教学用具投影仪及投影片、J2553型威耳孙云室演示器、放射源J2524型盖革计数器、电源、扬声器.●课时安排1课时●教学过程一、引入新课研究放射性，就要观察放射线，人的肉眼虽然无法直接看到放射线，即就是借助目前最好的显微镜一般也无法直接看到射线粒子.但放射线的粒子与其他物质粒子发生作用时产生的一些现象用人的肉眼是可以直接看到的，借助这些现象可以探知放射线的存在及其性质.这一节我们就来简单介绍一下科学研究中常用的几种探测放射线的方法以及放射线的应用和防护二、新课教学（一）探测放射线的方法1.威耳孙云室——1912年，英国威耳孙发明（1）基本构造及工作原理（投影：云室构造图22—8）学生先看云室的构造图，教师说明各部分的的名称和作用，然后再向学生展示实物.［教师点拨］射线对其他物质粒子的一个最基本的作用是什么？［学生回答］电离作用.［教师点拨］云雾是怎样形成的？［学生回答］过饱和蒸汽遇到凝结核而凝结形成小水滴，许多小水滴聚集一起就形成云雾.［教师点拨］云室就是利用这个原理来观察射线的，它是英国物理学家威耳孙在1912年发明的，因而叫威耳孙云室.实验原理：在云室里加一些酒精或乙醚，使室内充满酒精的饱和蒸汽，然后使活塞迅速向下移动，室内气体由于迅速膨胀而降低温度使酒精蒸汽达到饱和，这时如果有射线粒子从室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和的酒精蒸汽就会以这些离子为核心凝结成一条雾迹，我们就可以直接看到，也可以拍摄成照片进行研究.（2）实验演示——用威耳孙云室观察射线粒子的运动径迹.使用J2553型威耳孙云室演示：·放上α粒子放射源，教师演示，学生3~5人一组到讲台上进行观察，然后请1~2位学生描述所看到的现象.·再换上β粒子放射源，教师演示，学生3~5人一组到讲台上进行观察，然后请1~2位学生描述所看到的现象.·展示投影或挂图（图23—9）（3）分析三种射线粒子的径迹特点α粒子：因其质量大而不易改变方向，因其电离作用强而产生的离子多，故其径迹直而粗； β粒子：质量小，跟其他粒子碰撞时容易改变方向，其电离作用弱，沿途产生的离子少，故其径迹比较细且有时发生弯曲.γ粒子电离本领更小，一般看不到它的径迹，有时能产生一些细碎的雾滴.说明：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以判定粒子所带电荷的正负.2.气泡室（1）构造原理：同云室类似，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，使室内温度略低于液体的沸点.实验时，使气泡室内的压强突然降低，液体的沸点降低使液体过热，当射线粒子通过室内过热气体时，射线粒子周围的液体沸腾就有气泡形成，可以通过肉眼直接看到或拍摄照片.（2）气泡室照片分析：图22—10为将气泡室放在磁场中拍摄到的射线粒子的径迹照片，请同学们根据照片回答下列问题：·如果磁场方向已知，能否根据径迹的偏转方向确定粒子是否带电或电性？·能否根据粒子径迹的弯曲情况确定射线粒子的能量或动量？（根据径迹半径r ＝mv /Bq ，已知B 、q ，测出r ，就可以确定其动量mv 或能量mv 2/2）3.盖革－弥勒计数器——1928年德国盖革和弥勒合作发明（1）构造原理：投影盖革管的构造示意图（图22—11）学生看着示意图，教师介绍其构造：盖革管的基本构造外面是一个封闭的玻璃管，里面有一个接在电源负极的导电圆筒（阴极），筒的中间有一条接电源正极的的金属丝（阳极）管中装有低压的惰性气体（如氩、氖等，压强约10 kPa～20 kPa）和少量的的酒精蒸汽或溴蒸汽.在阴极（圆筒）和阳极（金属丝）间加上一定的电压（约1000 V），这个电压稍低于管内气体的电离电压.教师说明工作原理：当某种射线粒子进入盖革管中时，它就会使管内气体电离，产生的电子在阴极和阳极之间加速使其能量越来越大，电子与管内其他气体分子碰撞时又使气体分子电离，产生电子……这样，一个射线粒子进入管中后，经过一个很短的时间就会产生大量的电子，这些电子达到阳极，正离子达到阴极，在外电路就会产生一次脉冲放电，这个脉冲电流可以用电子仪器记录下来，也可以把它转化为光信号或声音信号显示出来.（2）演示实验：用盖革计数器探测放射线使用J2524型盖革计数器，它能够将射线粒子引起的放电脉冲转化为声音信号和光信号，因此当有一个射线粒子进入计数管时使扬声器发出一次响声同时发光二极管发出一次闪光.·连接好仪器，打开电源，即可听到扬声器发出响声，向学生说明这是宇宙射线中的粒子引起的，一般不超过30次/分，叫本底计数率.·将放射源（J2553型威耳孙云室所配）靠近计数管，则计数率明显增加，这个计数率减去本底计数率就是放射源的实际计数率.计数率反映了空间某处放射线的强度.·增大放射源到计数管的距离，可以看到计数率明显降低，可以让学生测量不同距离的实际计数率，可以发现空间某处的计数率与该处到放射源的距离平方成反比.·使放射源距离计数管约10 cm，其间挡一块2～3 mm的的铅板，计数率明显减小，再叠放几块铅板，计数率更小，改用同样厚度的铜板对比，计数率并不明显减少，这显示了铅板对射线粒子的吸收作用.（3）说明：·一般的盖革计数器适合对β粒子和γ粒子进行计数.由于α粒子贯穿本领很小，一般不能穿过计数管的玻璃管壁，要对α粒子计数，需要在计数管前方装上一个很薄的云母片窗口，使α粒子从这个窗口射入或制成其他的式样.·盖革计数器的放大倍数很大，用它来检测放射线很方便，但它对不同射线产生的脉冲现象相同，因此只能用来计数，而不能区分射线的种类.（二）放射线的应用［教师介绍和学生自学相结合］1.人工放射性的发现［教师介绍］1934年，约里奥·居里和伊里夫·居里夫妇首次发现人工放射性元素，其实验如下：用α粒子轰击铝核的核反应：2713Al+42He→3015P+10n产生的新核3015P是磷的一种放射性同位素，它能像天然放射性元素一样自发衰变成稳定元素3014Si而放出正电子，其核反应为：3015P→3014Si+-1e（正电子）2.放射性同位素［教师介绍］用人工方法产生的放射性元素，大都是已知元素的同位素，叫做放射性同位素，天然存在的放射性元素不过40余种，而今天人工制造的放射性同位素已达1000余种，每一种元素都有了放射性同位素，这为放射性的应用创造了条件.人工放射性元素的优点：放射强度容易控制，可以按需制成各种化合物，各种形状，特别是它的半衰期比天然放射性元素要短的多，因此其放射性废料容易处理.3.放射性同位素的应用［学生自学，然后教师小结］（1）利用放射线的贯穿本领或电离作用，主要应用如下：·γ射线探伤：即利用γ射线对金属工件进行透视，检验其内部有没有砂眼或裂纹.·培育优良品种：利用射线可以使生物体内的DNA发生突变而使种子发生变异.·放射治疗恶性肿瘤：利用射线对癌细胞的杀伤作用.·消除静电：利用α粒子很强的电离作用，可以消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电.（2）作为示踪原子：利用同一种元素的化学性质与其放射性同位素的化学性质完全相同，可以用放射性同位素代替非放射性同位素制成各种化合物，这种化合物的化学性质不发生变化，但它却带上了“放射性标记”，用放射性探测议就可以探测出来，这种用途的放射性同位素叫做“示踪原子”.示踪原子的应用主要有下面几个方面：·用含有放射性的肥料研究农作物对肥料的吸收作用·检查地下输油管道破损漏油的位置（三）放射性的污染和防护［学生自学］1.放射线对人体、对环境有哪些危害？人体受过量的γ射线照射，会杀伤人体细胞而患上白血病使人死亡，会使孕妇产生怪胎等，由于很多放射性元素的半衰期很长，有的长达几万年甚至上亿年，它的放射强度衰减很慢，一旦受到这些元素的放射性污染，将对环境产生长期影响.通过录像介绍美国1945年向日本广岛和长崎投放原子弹以及1987年前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏事故，这两起核灾难对人类和环境所造成危害的有关资料，使学生深刻认识核辐射与核污染对人类和环境的严重危害.2.防护放射线的措施有哪些？·生活中首先要对可能有放射性的物质有防范意识，其次要尽可能远离放射源；·从事与放射性有关的工作，一定要遵守操作规程，做好防护措施；·放射源要放在专门的很厚的铅盒内，严格保管.三、小结本节简单介绍了核物理研究中最基本、最常用的三种探测射线的方法以及放射性同位素的应用和放射线的防护.放射性同位素的主要应用有两个方面：一是利用它的射线；二是作为示踪原子.放射性的污染和防护必须引起我们的重视.四、布置作业上网查阅有关放射性应用及其污染和防护的有关资料五、板书设计（一）探测放射线的方法1.威耳孙云室——1912年，英国威耳孙发明原理：利用射线的电离作用使过饱和蒸汽凝结形成雾滴显示射线粒子的径迹.2.气泡室原理：利用射线的电离作用使过热液体沸腾产生气泡显示射线粒子的径迹.3.盖革——弥勒计数器——1928年德国盖革和弥勒合作发明（二）放射线的应用［教师介绍和学生自学相结合］1.人工放射性的发现——1934年，约里奥·居里和伊里夫·居里夫妇首次发现人工放射性元素磷30，其核反应如下：2713Al+42He→3015P+10n3015P→3014Si+1e（正电子）2.放射性同位素：（1）用人工方法产生的放射性元素，大都是已知元素的同位素，叫做放射性同位素.（2）利用人工方法使每一种元素都有了放射性同位素，目前人工产生的放射性同位素已有一千余种.（3）同一元素的各种放射性同位素的化学性质相同.3.放射性同位素的应用（1）利用放射线的贯穿本领或电离作用·γ射线探伤·培育优良品种·放射治疗恶性肿瘤·消除静电（2）作为示踪原子·用含有放射性的肥料研究农作物对肥料的吸收作用.·检查地下输油管道破损漏油的位置.（三）放射性的污染和防护.1.放射线对人体、对环境的危害.2.防护放射线的主要措施.。