第十九章 原子核 第四节 放射性的应用与防护人教版选修人教版选修3-5卢瑟福在实验中发现，往容器中通入氮气后，在卢瑟福在实验中发现，往容器中通入氮气后，在荧光屏上出现了闪光，这表明，有一种新的能量荧光屏上出现了闪光，这表明，有一种新的能量比比粒子大的粒子穿过铝箔，撞击在屏上，这种粒粒子大的粒子穿过铝箔，撞击在屏上，这种粒子肯定是在子肯定是在粒子击中某个氮核而使该核发生变化时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的转变，人类第一次打开了原子核的大门。 一、核反应一、核反应粒子粒子铝铝箔箔荧荧光光屏屏氮气氮气显微镜显微镜 为了认定新粒子，把新粒子引进电场和磁为了认定新粒子，把新粒子引进电场和磁场，测出了它的质量和电量，确认与氢核相场，测出了它的质量和电量，确认与氢核相同：带同：带有一个单位的正电量，质量是电子质有一个单位的正电量，质量是电子质量的量的1800 多倍。卢瑟福把它叫做质子质多倍。卢瑟福把它叫做质子质子的符号是子的符号是 H 或或 P在在云室里做卢瑟福实验，还可以根据径迹了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凯特在所拍摄的两万多张照片两万多张照片的的40多万多万条条粒子径迹中，发现了粒子径迹中，发现了条条产生分叉的记录产生分叉的记录 分分叉情况表明，叉情况表明，粒子击中氮核后，粒子击中氮核后，生成一个新核，同时放出质子。生成一个新核，同时放出质子。新新核的电量较大速度较慢，径迹短而核的电量较大速度较慢，径迹短而粗；质子速度大，电量小，故径迹粗；质子速度大，电量小，故径迹细而长细而长根据核反应中质量数守恒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的核反应方程并得知氮核放出质子后变成了氧核质子后变成了氧核 用用粒子、质子、中子等去轰击其它元素的原子粒子、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。继电子、光子后发现的第三个基本粒子。原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，的过程，-核反应核反应在核反应中，质量数和电荷数都守恒在核反应中，质量数和电荷数都守恒核反应：核反应：原子核在其他粒子的轰击原子核在其他粒子的轰击 下产生新原子核的过程。下产生新原子核的过程。注意：注意：核反应中质量数与电荷数守恒核反应中质量数与电荷数守恒核反应是原子核的变化，化学核反应是原子核的变化，化学 反应是核外电子的变化反应是核外电子的变化二、人工放射性同位素二、人工放射性同位素1934年，约里奥年，约里奥居里和伊丽芙居里和伊丽芙居里居里 发现发现经过经过粒子轰击的铝片中含有放射性磷粒子轰击的铝片中含有放射性磷反应生成物反应生成物P是磷的一种同位素，自然界是磷的一种同位素，自然界没有天然的没有天然的 ，它是通过核反应生成的，它是通过核反应生成的人工放射性同位素。人工放射性同位素。有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素有些同位素具有放射性，叫做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：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、放射强度容易控制2、可以制成各种需要的形状、可以制成各种需要的形状3、半衰期更短、半衰期更短4、放射性废料容易处理、放射性废料容易处理（1）利用它的射线）利用它的射线三、放射性同位素的应用三、放射性同位素的应用A、由于、由于射线贯穿本领强，可以用来射线贯穿本领强，可以用来射线检查金射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫射线探伤射线探伤仪仪B、利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来、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，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，、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、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、治病等种，也可以利用它杀菌、治病等射线探伤仪射线探伤仪 钴钴60利用钴利用钴6060的的射线治疗癌症（放疗）射线治疗癌症（放疗）食物保鲜（延缓发芽，生长，长期保存）食物保鲜（延缓发芽，生长，长期保存）棉花育种棉花育种食品保鲜食品保鲜粮食保存粮食保存（2）作为示踪原子：用于工业、农业及生物研）作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等究等. 棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，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，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，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聚集在甲状腺内给人注射碘的放射性同位素碘碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近，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和功能性疾病检漏、研究机件磨损、检漏、研究机件磨损、诊断疾病、分析生物诊断疾病、分析生物分子结构等。分子结构等。 原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污原子弹爆炸、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染，在利用放射性同位素给病人做“放疗放疗”时，时，如果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不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。人体造成巨大的危害。 四、辐射与安全四、辐射与安全过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然界产生破坏作用然界产生破坏作用 2020世纪人们在毫无防世纪人们在毫无防备的情况下研究放射性备的情况下研究放射性遭原子弹炸后的广岛遭原子弹炸后的广岛为了防止有害的放射线对人类和自然的破坏，为了防止有害的放射线对人类和自然的破坏，人们采取了有效的防范措施：人们采取了有效的防范措施：检测辐射装置检测辐射装置全全身身污污染染检检测测仪仪辐射检测系统辐射检测系统辐射源的存放辐射源的存放铀铀（1 1）在核电站的核反应）在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄止放射线的外泄（2 2）用过的核废料要放）用过的核废料要放在很厚很厚的重金属箱内，在很厚很厚的重金属箱内，并埋在深海里并埋在深海里（3 3）在生活中要有防范）在生活中要有防范意识，尽可能远离放射意识，尽可能远离放射源源放射性的防护放射性的防护核反应堆外层的厚厚的水泥建筑核反应堆外层的厚厚的水泥建筑防防护护操作放射性物质的设备操作放射性物质的设备在防护状态下操作放射性物质在防护状态下操作放射性物质 1930年，德国科学家玻特和贝克用年，德国科学家玻特和贝克用粒粒子轰击轻元素铍核，发现并未发射出质子，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，偏转，是不带电的，射线的贯穿能力强，他们认为这是他们认为这是射线经检测，射线的能射线经检测，射线的能量在量在10eV左右，远大于天然放射物质衰左右，远大于天然放射物质衰变时发出的变时发出的射线的能量射线的能量 1931年，约里奥夫妇重复了玻特和贝克的实验，并年，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。用这种未知射线去轰击石蜡。 结果竟从中打出能量约结果竟从中打出能量约5.7 MeV的质子这是异常的质子这是异常惊人的新发现，因为其行为完全不同于惊人的新发现，因为其行为完全不同于射线，射线，射线射线只能打出电子而打不出质子，只能打出电子而打不出质子，光子的质量近乎，电光子的质量近乎，电子也很轻，光子撞击电子，使它动起来是合乎常理的，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但质子质量是电子的1800倍，一颗子弹怎么能撞动一倍，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辆汽车呢？如果认为轰击石蜡的射线是射线，那么光射线，那么光子的能量应达子的能量应达55 MeV，这与实际测得的射线能量，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：我相去甚远这射线在向约里奥夫妇招手呼喊：我不是不是射线射线！可惜的是，他们擦肩而过，无缘相识。！可惜的是，他们擦肩而过，无缘相识。面对面对55eV与与10eV的矛盾的矛盾 ，他们还是十分牵强地解释为，他们还是十分牵强地解释为其它的原因，并于其它的原因，并于1932年月年月11日向巴黎科学院提交日向巴黎科学院提交了实验情况和对未知射线判定为了实验情况和对未知射线判定为射线的结论。射线的结论。 1932年月底，查得威克得到这一论年月底，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、自己苦苦寻找了瑟福预言、自己苦苦寻找了12年的中子。年的中子。他决定用云室的方法探测射线的速度和他决定用云室的方法探测射线的速度和质量。质量。 他先测出射线的速度不到光速的十分之一，他先测出射线的速度不到光速的十分之一，排除了是排除了是射线的可能，又用弹性碰撞动量守恒射线的可能，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。时间，成功地证实了这种中性射线就是中子流。他当之无愧地成为他当之无愧地成为“中子之父中子之父”，并因此获，并因此获1935年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。“机遇只偏爱有准备的头脑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击原子核，不受库仑力的影响，是研究原子核的强有力的力的“炮弹炮弹”。在此以前，可供研究用的。在此以前，可供研究用的“炮弹炮弹”只只有天然放射元素发出的有天然放射元素发出的、三种射线，中子流则三种射线，中子流则是穿透本领更大，轰击原子核更有效的是穿透本领更大，轰击原子核更有效的“炮弹炮弹”，人，人们用它轰击各种原子核，获得许许多多人工放射性同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。位素，用它轰开铀核，实现了原子能的利用。 问题情景：问题情景：为了使水果、蔬菜或其它的食物能存放的时间长为了使水果、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？一些，能在长时间保持新鲜，你有什么办法？辐辐射射方方法法处处理理粮粮食食复习回顾：复习回顾：1、什么是原子核的衰变？、什么是原子核的衰变？2、原子核的衰变有什么样的规律、原子核的衰变有什么样的规律原子核放出原子核放出a粒子或粒子或粒子，由于核粒子，由于核电荷荷数数变了，而了，而变成另一种原子核。成另一种原子核。1）、衰变时电荷数和质量数都守恒）、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）、衰变过程不可逆，所以用箭头，不用等号3）、）、由实验决定，不凭空编造由实验决定，不凭空编造