19.3探测射线的方法教学目标教学目标 1、知识与技能、知识与技能（1）知道放射线的粒子与其他物质作用时产生的一些现象；（2）知道用肉眼不能直接看到的放射线可以用适当的仪器探测到；（3）了解云室、气泡室和计数器的简单构造和基本原理。2、过程与方法、过程与方法（1）能分析探测射线过程中的现象；（2）培养学生运用已知结论正确类比推理的能力。3、情感、态度与价值观、情感、态度与价值观（1）培养学生认真严谨的科学分析问题的品质；（2）从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养学生建立事物是相互联系的唯物主义观点；（3）培养学生应用物理知识解决实际问题的能力。教学重点：教学重点：根据探测器探测到的现象分析、探知各种运动粒子。教学难点教学难点（1）探测器的结构与基本原理。（2）如何观察实验现象,并根据实验现象，分析粒子的带电、动量、能量等特性，从而判断是何种射线，区分射线的本质是何种粒子。教学方法：教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：教学用具：（1）挂图，实验器材模型，课件等；（2）多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。 带电带电性性氦核流氦核流穿透穿透能力能力构成构成速度速度实质实质名称名称正正强强弱弱C/10电离电离能力能力负负弱弱强强接近接近C电子流电子流中中最弱最弱极强极强光子光子C光子流光子流复习回顾复习回顾:例：例： 天然放射性元素天然放射性元素 (钍钍)经过一系列经过一系列衰变和衰变和衰变之后变成衰变之后变成 （铅）下列论（铅）下列论断中正确的是（断中正确的是（ ）A.铅核比钍核少铅核比钍核少24个中子个中子B.铅核比钍核少铅核比钍核少8个质子个质子C.衰变过程中共有衰变过程中共有4次次衰变和衰变和8次次衰变衰变D.衰变过程中共有衰变过程中共有6次次衰变和衰变和4次次衰变衰变BD在下列核反应方程中,X代表质子的方程是（ ）( )( )( )( )nHeXHDXnHCXOHeNBXPHeAlA042311021178421473015422713+1+g+BC半衰期、它表征放射性元素的原子核有半衰期、它表征放射性元素的原子核有一半发生衰变所需的时间。它是从大量一半发生衰变所需的时间。它是从大量原子核衰变中得出的统计规律，对个别原子核衰变中得出的统计规律，对个别的放射性原子核的衰变无实际物理意义。的放射性原子核的衰变无实际物理意义。半衰期由原子核的内部因素决定，与外半衰期由原子核的内部因素决定，与外界条件及与物质的物理、化学状态无关。界条件及与物质的物理、化学状态无关。即使处于物理运动，化学变化中也不会即使处于物理运动，化学变化中也不会影响它的半衰期。因此它是反映某种元影响它的半衰期。因此它是反映某种元素原子核特征的重要物理量。素原子核特征的重要物理量。探测射线的方法探测射线的方法1、粒子使气体或液体电离，以这些、粒子使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和汽会产生云雾，离子为核心，过饱和汽会产生云雾，过热液体会产生气泡过热液体会产生气泡2、使照相底片感光、使照相底片感光3、使荧光物质产生荧光、使荧光物质产生荧光射线中的粒子与其它物质作用会产生的现射线中的粒子与其它物质作用会产生的现象：象：一、威尔逊云室：一、威尔逊云室：构造：一个圆筒状容器，构造：一个圆筒状容器，低部可以上下移动，上盖低部可以上下移动，上盖是透明的，内有干净空气是透明的，内有干净空气实验时，加入少量酒精，实验时，加入少量酒精，使酒精蒸汽达到过饱和使酒精蒸汽达到过饱和状态。状态。利用射线的电离本领利用射线的电离本领a射射线在云室中的径迹：在云室中的径迹：直而粗直而粗原因：原因：a粒子粒子质量大，不易改量大，不易改变方向，方向，电离离本本领大，沿涂大，沿涂产生的粒子多生的粒子多射射线在云室中的径迹：在云室中的径迹：比比较细，而且常，而且常常弯曲常弯曲原因：粒子原因：粒子质量小，跟气体碰撞易改量小，跟气体碰撞易改变方向，方向，电离本离本领小，沿途小，沿途产生的离子少生的离子少二、气泡室二、气泡室-高能物理实验的最风行的探测设备 气泡室是由一密闭容器气泡室是由一密闭容器组成，容器中盛有工作组成，容器中盛有工作液体液体 液体在特定的温度和压力下进行液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀绝热膨胀，由于在，由于在一定的时间间隔内（例如一定的时间间隔内（例如50ms）处于）处于过热状态过热状态，液，液体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得到记录有高能带电粒子轨迹的底片。到记录有高能带电粒子轨迹的底片。 照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状态，准备作下一次探测。态，准备作下一次探测。 气气泡泡室室中中带带电电粒粒子子的的径径迹迹气泡室的优点：气泡室的优点：它的空间和时间分它的空间和时间分辨率高；辨率高；工作循环周期短，工作循环周期短，本底干净、径迹清本底干净、径迹清晰，可反复操作。晰，可反复操作。但也有不足之处：但也有不足之处：那就是扫描和测量那就是扫描和测量时间还嫌太长；时间还嫌太长；体积有限，而且甚体积有限，而且甚为昂贵，为昂贵， 三、盖革三、盖革- -米勒计数器米勒计数器一种能自动把放射一种能自动把放射微粒计数出来的仪微粒计数出来的仪器，利用了射线的器，利用了射线的电离本领电离本领放射性的应用与防护放射性的应用与防护问题情景：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，你有时间长一些，能在长时间保持新鲜，你有什么办法？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，不凭空编造卢瑟福在实验中发现，往容器中通入氮气后，在荧光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，有一种新的能量比屏上出现了闪光，这表明，有一种新的能量比粒子粒子大的粒子穿过铝箔，撞击在屏上，这种粒子肯定是在大的粒子穿过铝箔，撞击在屏上，这种粒子肯定是在粒子击中某个氮核而使该核发生变化时放出的。这样，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的转变，人类第一次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打开了原子核的大门。 核反应核反应 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：同：带有一个单位的正电量，质量是电子质带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在云室里做卢瑟福实验，还可以根据径迹了在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两万多张照片的凯特在所拍摄的两万多张照片的40多万条多万条粒子径迹中，发现了条产生分叉的记录粒子径迹中，发现了条产生分叉的记录 分叉情况表明，分叉情况表明，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子粒子轰击轻元素铍核，发现并未发射出质子，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，并用年，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。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的质子这是异常惊人的质子这是异常惊人的新发现，因为其行为完全不同于的新发现，因为其行为完全不同于射线，射线，射线只能射线只能打出电子而打不出质子，打出电子而打不出质子，光子的质量近乎，电子也光子的质量近乎，电子也很轻，光子撞击电子，使它动起来是合乎常理的，但很轻，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质子质量是电子的1800倍，一颗子弹怎么能撞动一辆倍，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汽车呢？如果认为轰击石蜡的射线是射线，那么光子射线，那么光子的能量应达的能量应达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：我不是相去甚远这射线在向约里奥夫妇招手呼喊：我不是射线射线！可惜的是，他们擦肩而过，无缘相识。面！可惜的是，他们擦肩而过，无缘相识。面对对55eV与与10eV的矛盾的矛盾 ，他们还是十分牵强地解释为其，他们还是十分牵强地解释为其它的原因，并于它的原因，并于1932年月年月11日向巴黎科学院提交了日向巴黎科学院提交了实验情况和对未知射线判定为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文，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，他认为约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，违反能量守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瑟福恒啊！他敏感到这很可能是导师卢瑟福预言、自己苦苦寻找了预言、自己苦苦寻找了12年的中子。他年的中子。他决定用云室的方法探测射线的速度和质决定用云室的方法探测射线的速度和质量。量。他先测出射线的速度不到光速的十分之他先测出射线的速度不到光速的十分之一，排除了是一，排除了是射线的可能，又用弹性射线的可能，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多。他还根据自旋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由质子和电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立粒子组合而成，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天时间，成功地证实了这种中性射线就是中子流。他当之无愧地成为是中子流。他当之无愧地成为“中子之中子之父父”，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。 1934年，约里奥年，约里奥居里和伊丽芙居里和伊丽芙居里在用粒居里在用粒子轰击铝箔时，除探测到预料中的中子外，还子轰击铝箔时，除探测到预料中的中子外，还探测到了正电子，正电子的质量跟电子相同，探测到了正电子，正电子的质量跟电子相同，所带电荷与电子相反，为一个单位的正电荷，所带电荷与电子相反，为一个单位的正电荷，更意外的是，拿走放射源后，铝箔虽不再发射更意外的是，拿走放射源后，铝箔虽不再发射中子，但仍继续发射正电子，而且这种放射性中子，但仍继续发射正电子，而且这种放射性也有一定的半衰期原来，铝核被粒子击中后也有一定的半衰期原来，铝核被粒子击中后发生了下面的反应发生了下面的反应人工放射性同位素人工放射性同位素反应生成物反应生成物P是磷的一种同位素，也有放是磷的一种同位素，也有放射性，像天然放射性元素一样发生衰变，射性，像天然放射性元素一样发生衰变，衰变时放出正电子，核衰变方程如下：衰变时放出正电子，核衰变方程如下：用人工方法得到放射性同位素，这是一个用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现后来人们用质子、氘核、很重要的发现后来人们用质子、氘核、中子和光子轰击原子核，也得到了放射性中子和光子轰击原子核，也得到了放射性同位素同位素 与天然的放射性物质相比，人造放射性同与天然的放射性物质相比，人造放射性同位素：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）利用它的射线放射性同位素的应用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、治病等被不同剂量被不同剂量射线照射后的马铃薯射线照射后的马铃薯8个月后的个月后的情况，左上方的马铃薯没经过情况，左上方的马铃薯没经过射线照射，右下射线照射，右下方的被方的被射线照射的剂量最大，左下方保存最好的射线照射的剂量最大，左下方保存最好的马铃薯被马铃薯被射线照射的剂量适中。射线照射的剂量适中。“鲁棉一号鲁棉一号”就是山东省棉花研究所的科技就是山东省棉花研究所的科技人员应用放射性同位素钴人员应用放射性同位素钴-60放出的伽玛射线放出的伽玛射线处理棉花杂交的后代育成的处理棉花杂交的后代育成的（2）作为示踪原子：用于工业、农业及生物）作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等研究等.棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收但是，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、磷在作物体内能存留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，用通多长时间、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位素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，然后每隔一定时间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，上面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聚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，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近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病质性和功能性疾病（3）放射性污染和防护）放射性污染和防护原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污染，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在利用放射性同位素给病人做“放疗放疗”时，如时，如果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈，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。有些矿石中含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，如果不注意也会对人体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。造成巨大的危害。 如图是北京青年报如图是北京青年报2001年年9月月6日的一则报道。日的一则报道。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小结：小结：1、核反应基本上可分为两大类：、核反应基本上可分为两大类： 一是自然衰变（天然放射性衰变），一是自然衰变（天然放射性衰变）， 二是人工衰变（人工转变）二是人工衰变（人工转变）（发现质子的核反应）（发现质子的核反应）（发现中子的核反应）（发现中子的核反应） 2、放射性同位素的应用、放射性同位素的应用