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2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 四、放射性的應(yīng)用與防護(hù)(第一課時(shí)) ●本節(jié)教材分析 課本所介紹的三種探測(cè)射線的方法是核物理研究中最基本、最常用的實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察和對(duì)儀器原理的介紹，應(yīng)讓學(xué)生知道，研究原子核變化中的微觀現(xiàn)象，可以根據(jù)各種粒子產(chǎn)生的次級(jí)效應(yīng)來(lái)進(jìn)行觀察和判斷，進(jìn)而了解核物理中這種研究問(wèn)題的方法.教學(xué)中應(yīng)盡可能地做好演示實(shí)驗(yàn)，特別是云室實(shí)驗(yàn).學(xué)生通過(guò)對(duì)云室實(shí)驗(yàn)的觀察，看到看不見(jiàn)、摸不著的射線現(xiàn)在可以看到它們的徑跡，既感到新鮮，又加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解.教學(xué)中應(yīng)注意結(jié)合以前學(xué)過(guò)的過(guò)飽和汽的知識(shí)，講清云室實(shí)驗(yàn)的原理.同時(shí)要注意強(qiáng)調(diào)在云室看到的只是成串的小液滴，它描述的是射線粒子運(yùn)動(dòng)的徑跡，而不是射線本身.云室利用的是射線的電離本領(lǐng). 關(guān)于放射性的應(yīng)用及防護(hù)的教學(xué)應(yīng)使學(xué)生明白，同一元素的各種同位素中，有的穩(wěn)定，有的不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的同位素會(huì)自發(fā)地放出粒子而衰變?yōu)槠渌?，這種不穩(wěn)定的同位素就叫做放射性同位素.放射性同位素的應(yīng)用部分的教學(xué)主要應(yīng)使學(xué)生了解射線的貫穿本領(lǐng)、電離作用以及射線的物理、化學(xué)和生物作用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用以及我國(guó)在這方面所取得的新成就.同時(shí)應(yīng)讓學(xué)生了解放射性污染對(duì)人類和環(huán)境的破壞作用，知道放射性防護(hù)的基本常識(shí). ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) 1.知道用肉眼不能直接看到的放射線可以利用各種射線粒子產(chǎn)生的次級(jí)效應(yīng)用適當(dāng)?shù)膬x器探測(cè)到. 2.了解云室、氣泡室和計(jì)數(shù)器的簡(jiǎn)單構(gòu)造和基本原理. 3.知道放射性同位素及其在各方面的重要應(yīng)用. 4.了解放射性污染和防護(hù)的基本常識(shí). 二、能力目標(biāo) 認(rèn)識(shí)放射性污染的危害. 三、德育目標(biāo) 通過(guò)對(duì)放射性污染的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識(shí). ●教學(xué)重點(diǎn) 放射性的應(yīng)用和防護(hù). ●教學(xué)難點(diǎn) 云室和計(jì)數(shù)器的原理. ●教學(xué)方法 本節(jié)采用教師演示、學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，教師啟發(fā)、學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果的教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察和分析能力. ●教學(xué)用具 投影儀及投影片、J2553型威耳孫云室演示器、放射源J2524型蓋革計(jì)數(shù)器、電源、揚(yáng)聲器. ●課時(shí)安排 1課時(shí) ●教學(xué)過(guò)程 一、引入新課 研究放射性，就要觀察放射線，人的肉眼雖然無(wú)法直接看到放射線，即就是借助目前最好的顯微鏡一般也無(wú)法直接看到射線粒子.但放射線的粒子與其他物質(zhì)粒子發(fā)生作用時(shí)產(chǎn)生的一些現(xiàn)象用人的肉眼是可以直接看到的，借助這些現(xiàn)象可以探知放射線的存在及其性質(zhì).這一節(jié)我們就來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下科學(xué)研究中常用的幾種探測(cè)放射線的方法以及放射線的應(yīng)用和防護(hù) 二、新課教學(xué) （一）探測(cè)放射線的方法 1.威耳孫云室——1912年，英國(guó)威耳孫發(fā)明 （1）基本構(gòu)造及工作原理（投影：云室構(gòu)造圖22—8） 圖22—8 學(xué)生先看云室的構(gòu)造圖，教師說(shuō)明各部分的的名稱和作用，然后再向?qū)W生展示實(shí)物. ［教師點(diǎn)撥］射線對(duì)其他物質(zhì)粒子的一個(gè)最基本的作用是什么？ ［學(xué)生回答］電離作用. ［教師點(diǎn)撥］云霧是怎樣形成的？ ［學(xué)生回答］過(guò)飽和蒸汽遇到凝結(jié)核而凝結(jié)形成小水滴，許多小水滴聚集一起就形成云霧. ［教師點(diǎn)撥］云室就是利用這個(gè)原理來(lái)觀察射線的，它是英國(guó)物理學(xué)家威耳孫在1912年發(fā)明的，因而叫威耳孫云室. 實(shí)驗(yàn)原理：在云室里加一些酒精或乙醚，使室內(nèi)充滿酒精的飽和蒸汽，然后使活塞迅速向下移動(dòng)，室內(nèi)氣體由于迅速膨脹而降低溫度使酒精蒸汽達(dá)到飽和，這時(shí)如果有射線粒子從室內(nèi)氣體中飛過(guò)，使沿途的氣體分子電離，過(guò)飽和的酒精蒸汽就會(huì)以這些離子為核心凝結(jié)成一條霧跡，我們就可以直接看到，也可以拍攝成照片進(jìn)行研究. （2）實(shí)驗(yàn)演示——用威耳孫云室觀察射線粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡. 使用J2553型威耳孫云室演示： 放上α粒子放射源，教師演示，學(xué)生3~5人一組到講臺(tái)上進(jìn)行觀察，然后請(qǐng)1~2位學(xué)生描述所看到的現(xiàn)象. 再換上β粒子放射源，教師演示，學(xué)生3~5人一組到講臺(tái)上進(jìn)行觀察，然后請(qǐng)1~2位學(xué)生描述所看到的現(xiàn)象. 展示投影或掛圖（圖23—9） 圖22—9 （3）分析三種射線粒子的徑跡特點(diǎn) α粒子：因其質(zhì)量大而不易改變方向，因其電離作用強(qiáng)而產(chǎn)生的離子多，故其徑跡直而粗； β粒子：質(zhì)量小，跟其他粒子碰撞時(shí)容易改變方向，其電離作用弱，沿途產(chǎn)生的離子少，故其徑跡比較細(xì)且有時(shí)發(fā)生彎曲. γ粒子電離本領(lǐng)更小，一般看不到它的徑跡，有時(shí)能產(chǎn)生一些細(xì)碎的霧滴. 說(shuō)明：如果把云室放在磁場(chǎng)中，從帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的彎曲方向還可以判定粒子所帶電荷的正負(fù). 2.氣泡室 （1）構(gòu)造原理：同云室類似，所不同的是氣泡室里裝的是液體（如液態(tài)氫）.控制氣泡室內(nèi)液體的溫度和壓強(qiáng)，使室內(nèi)溫度略低于液體的沸點(diǎn).實(shí)驗(yàn)時(shí)，使氣泡室內(nèi)的壓強(qiáng)突然降低，液體的沸點(diǎn)降低使液體過(guò)熱，當(dāng)射線粒子通過(guò)室內(nèi)過(guò)熱氣體時(shí)，射線粒子周圍的液體沸騰就有氣泡形成，可以通過(guò)肉眼直接看到或拍攝照片. （2）氣泡室照片分析： 圖22—10為將氣泡室放在磁場(chǎng)中拍攝到的射線粒子的徑跡照片，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)照片回答下列問(wèn)題： 圖22—10 如果磁場(chǎng)方向已知，能否根據(jù)徑跡的偏轉(zhuǎn)方向確定粒子是否帶電或電性？ 能否根據(jù)粒子徑跡的彎曲情況確定射線粒子的能量或動(dòng)量？ （根據(jù)徑跡半徑r＝mv/Bq，已知B、q，測(cè)出r，就可以確定其動(dòng)量mv或能量mv2/2） 3.蓋革－彌勒計(jì)數(shù)器——1928年德國(guó)蓋革和彌勒合作發(fā)明 （1）構(gòu)造原理： 投影蓋革管的構(gòu)造示意圖（圖22—11） 圖22—11 學(xué)生看著示意圖，教師介紹其構(gòu)造： 蓋革管的基本構(gòu)造外面是一個(gè)封閉的玻璃管，里面有一個(gè)接在電源負(fù)極的導(dǎo)電圓筒（陰極），筒的中間有一條接電源正極的的金屬絲（陽(yáng)極）管中裝有低壓的惰性氣體（如氬、氖等，壓強(qiáng)約10 kPa～20 kPa）和少量的的酒精蒸汽或溴蒸汽.在陰極（圓筒）和陽(yáng)極（金屬絲）間加上一定的電壓（約1000 V），這個(gè)電壓稍低于管內(nèi)氣體的電離電壓. 教師說(shuō)明工作原理： 當(dāng)某種射線粒子進(jìn)入蓋革管中時(shí)，它就會(huì)使管內(nèi)氣體電離，產(chǎn)生的電子在陰極和陽(yáng)極之間加速使其能量越來(lái)越大，電子與管內(nèi)其他氣體分子碰撞時(shí)又使氣體分子電離，產(chǎn)生電子……這樣，一個(gè)射線粒子進(jìn)入管中后，經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間就會(huì)產(chǎn)生大量的電子，這些電子達(dá)到陽(yáng)極，正離子達(dá)到陰極，在外電路就會(huì)產(chǎn)生一次脈沖放電，這個(gè)脈沖電流可以用電子儀器記錄下來(lái)，也可以把它轉(zhuǎn)化為光信號(hào)或聲音信號(hào)顯示出來(lái). （2）演示實(shí)驗(yàn)：用蓋革計(jì)數(shù)器探測(cè)放射線 使用J2524型蓋革計(jì)數(shù)器，它能夠?qū)⑸渚€粒子引起的放電脈沖轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)和光信號(hào)，因此當(dāng)有一個(gè)射線粒子進(jìn)入計(jì)數(shù)管時(shí)使揚(yáng)聲器發(fā)出一次響聲同時(shí)發(fā)光二極管發(fā)出一次閃光. 連接好儀器，打開(kāi)電源，即可聽(tīng)到揚(yáng)聲器發(fā)出響聲，向?qū)W生說(shuō)明這是宇宙射線中的粒子引起的，一般不超過(guò)30次/分，叫本底計(jì)數(shù)率. 將放射源（J2553型威耳孫云室所配）靠近計(jì)數(shù)管，則計(jì)數(shù)率明顯增加，這個(gè)計(jì)數(shù)率減去本底計(jì)數(shù)率就是放射源的實(shí)際計(jì)數(shù)率.計(jì)數(shù)率反映了空間某處放射線的強(qiáng)度. 增大放射源到計(jì)數(shù)管的距離，可以看到計(jì)數(shù)率明顯降低，可以讓學(xué)生測(cè)量不同距離的實(shí)際計(jì)數(shù)率，可以發(fā)現(xiàn)空間某處的計(jì)數(shù)率與該處到放射源的距離平方成反比. 使放射源距離計(jì)數(shù)管約10 cm，其間擋一塊2～3 mm的的鉛板，計(jì)數(shù)率明顯減小，再疊放幾塊鉛板，計(jì)數(shù)率更小，改用同樣厚度的銅板對(duì)比，計(jì)數(shù)率并不明顯減少，這顯示了鉛板對(duì)射線粒子的吸收作用. （3）說(shuō)明： 一般的蓋革計(jì)數(shù)器適合對(duì)β粒子和γ粒子進(jìn)行計(jì)數(shù).由于α粒子貫穿本領(lǐng)很小，一般不能穿過(guò)計(jì)數(shù)管的玻璃管壁，要對(duì)α粒子計(jì)數(shù)，需要在計(jì)數(shù)管前方裝上一個(gè)很薄的云母片窗口，使α粒子從這個(gè)窗口射入或制成其他的式樣. 蓋革計(jì)數(shù)器的放大倍數(shù)很大，用它來(lái)檢測(cè)放射線很方便，但它對(duì)不同射線產(chǎn)生的脈沖現(xiàn)象相同，因此只能用來(lái)計(jì)數(shù)，而不能區(qū)分射線的種類. （二）放射線的應(yīng)用［教師介紹和學(xué)生自學(xué)相結(jié)合］ 1.人工放射性的發(fā)現(xiàn)［教師介紹］ 1934年，約里奧居里和伊里夫居里夫婦首次發(fā)現(xiàn)人工放射性元素，其實(shí)驗(yàn)如下： 用α粒子轟擊鋁核的核反應(yīng)： 2713Al+42He→3015P+10n 產(chǎn)生的新核3015P是磷的一種放射性同位素，它能像天然放射性元素一樣自發(fā)衰變成穩(wěn)定元素3014Si而放出正電子，其核反應(yīng)為： 3015P→3014Si+0-1e（正電子） 2.放射性同位素［教師介紹］ 用人工方法產(chǎn)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過(guò)40余種，而今天人工制造的放射性同位素已達(dá)1000余種，每一種元素都有了放射性同位素，這為放射性的應(yīng)用創(chuàng)造了條件. 人工放射性元素的優(yōu)點(diǎn)：放射強(qiáng)度容易控制，可以按需制成各種化合物，各種形狀，特別是它的半衰期比天然放射性元素要短的多，因此其放射性廢料容易處理. 3.放射性同位素的應(yīng)用［學(xué)生自學(xué)，然后教師小結(jié)］ （1）利用放射線的貫穿本領(lǐng)或電離作用，主要應(yīng)用如下： γ射線探傷：即利用γ射線對(duì)金屬工件進(jìn)行透視，檢驗(yàn)其內(nèi)部有沒(méi)有砂眼或裂紋. 培育優(yōu)良品種：利用射線可以使生物體內(nèi)的DNA發(fā)生突變而使種子發(fā)生變異. 放射治療惡性腫瘤：利用射線對(duì)癌細(xì)胞的殺傷作用. 消除靜電：利用α粒子很強(qiáng)的電離作用，可以消除機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電. （2）作為示蹤原子：利用同一種元素的化學(xué)性質(zhì)與其放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)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種化合物，這種化合物的化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化，但它卻帶上了“放射性標(biāo)記”，用放射性探測(cè)議就可以探測(cè)出來(lái)，這種用途的放射性同位素叫做“示蹤原子”.示蹤原子的應(yīng)用主要有下面幾個(gè)方面： 用含有放射性的肥料研究農(nóng)作物對(duì)肥料的吸收作用 檢查地下輸油管道破損漏油的位置 （三）放射性的污染和防護(hù)［學(xué)生自學(xué)］ 1.放射線對(duì)人體、對(duì)環(huán)境有哪些危害？ 人體受過(guò)量的γ射線照射，會(huì)殺傷人體細(xì)胞而患上白血病使人死亡，會(huì)使孕婦產(chǎn)生怪胎等，由于很多放射性元素的半衰期很長(zhǎng)，有的長(zhǎng)達(dá)幾萬(wàn)年甚至上億年，它的放射強(qiáng)度衰減很慢，一旦受到這些元素的放射性污染，將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生長(zhǎng)期影響. 通過(guò)錄像介紹美國(guó)1945年向日本廣島和長(zhǎng)崎投放原子彈以及1987年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站核泄漏事故，這兩起核災(zāi)難對(duì)人類和環(huán)境所造成危害的有關(guān)資料，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)核輻射與核污染對(duì)人類和環(huán)境的嚴(yán)重危害. 2.防護(hù)放射線的措施有哪些？ 生活中首先要對(duì)可能有放射性的物質(zhì)有防范意識(shí)，其次要盡可能遠(yuǎn)離放射源； 從事與放射性有關(guān)的工作，一定要遵守操作規(guī)程，做好防護(hù)措施； 放射源要放在專門的很厚的鉛盒內(nèi)，嚴(yán)格保管. 三、小結(jié) 本節(jié)簡(jiǎn)單介紹了核物理研究中最基本、最常用的三種探測(cè)射線的方法以及放射性同位素的應(yīng)用和放射線的防護(hù).放射性同位素的主要應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是利用它的射線；二是作為示蹤原子.放射性的污染和防護(hù)必須引起我們的重視. 四、布置作業(yè) 上網(wǎng)查閱有關(guān)放射性應(yīng)用及其污染和防護(hù)的有關(guān)資料 五、板書(shū)設(shè)計(jì) （一）探測(cè)放射線的方法 1.威耳孫云室——1912年，英國(guó)威耳孫發(fā)明 原理：利用射線的電離作用使過(guò)飽和蒸汽凝結(jié)形成霧滴顯示射線粒子的徑跡. 2.氣泡室 原理：利用射線的電離作用使過(guò)熱液體沸騰產(chǎn)生氣泡顯示射線粒子的徑跡. 3.蓋革——彌勒計(jì)數(shù)器——1928年德國(guó)蓋革和彌勒合作發(fā)明 （二）放射線的應(yīng)用［教師介紹和學(xué)生自學(xué)相結(jié)合］ 1.人工放射性的發(fā)現(xiàn)——1934年，約里奧居里和伊里夫居里夫婦首次發(fā)現(xiàn)人工放射性元素磷30，其核反應(yīng)如下： 2713Al+42He→3015P+10n3015P→3014Si+01e（正電子） 2.放射性同位素： （1）用人工方法產(chǎn)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種元素都有了放射性同位素，目前人工產(chǎn)生的放射性同位素已有一千余種. （3）同一元素的各種放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同. 3.放射性同位素的應(yīng)用 （1）利用放射線的貫穿本領(lǐng)或電離作用 γ射線探傷 培育優(yōu)良品種 放射治療惡性腫瘤 消除靜電 （2）作為示蹤原子 用含有放射性的肥料研究農(nóng)作物對(duì)肥料的吸收作用. 檢查地下輸油管道破損漏油的位置. （三）放射性的污染和防護(hù). 1.放射線對(duì)人體、對(duì)環(huán)境的危害. 2.防護(hù)放射線的主要措施.