高二物理探測射線的方法

高二物理探測射線的方法第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二19.3《探測射線

的方法》第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二教學(xué)目標(biāo)

1、知識與技能（1）知道放射線的粒子與其他物質(zhì)作用時產(chǎn)生的一些現(xiàn)象；（2）知道用肉眼不能直接看到的放射線可以用適當(dāng)?shù)膬x器探測到；（3）了解云室、氣泡室和計數(shù)器的簡單構(gòu)造和基本原理。2、過程與方法（1）能分析探測射線過程中的現(xiàn)象；（2）培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已知結(jié)論正確類比推理的能力。第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二3、情感、態(tài)度與價值觀（1）培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)分析問題的品質(zhì)；（2）從知識是相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充的思想中，培養(yǎng)學(xué)生建立事物是相互聯(lián)系的唯物主義觀點(diǎn)；（3）培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題的能力。教學(xué)重點(diǎn)：根據(jù)探測器探測到的現(xiàn)象分析、探知各種運(yùn)動粒子。教學(xué)難點(diǎn)（1）探測器的結(jié)構(gòu)與基本原理。（2）如何觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析粒子的帶電、動量、能量等特性，從而判斷是何種射線，區(qū)分射線的本質(zhì)是何種粒子。教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。教學(xué)用具：（1）掛圖，實(shí)驗(yàn)器材模型，課件等；（2）多媒體教學(xué)設(shè)備一套：可供實(shí)物投影、放像、課件播放等。第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二帶電性氦核流穿透能力構(gòu)成速度實(shí)質(zhì)名稱正強(qiáng)弱C/10電離能力負(fù)弱強(qiáng)接近C電子流中最弱極強(qiáng)光子C光子流復(fù)習(xí)回顧:第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二例：天然放射性元素(釷)經(jīng)過一系列α衰變和β衰變之后變成（鉛）．下列論斷中正確的是（）A.鉛核比釷核少24個中子B.鉛核比釷核少8個質(zhì)子C.衰變過程中共有4次α衰變和8次β衰變D.衰變過程中共有6次α衰變和4次β衰變BD第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二在下列核反應(yīng)方程中,X代表質(zhì)子的方程是（）()()()()nHeXHDXnHCXOHeNBXPHeAlA042311021178421473015422713+1?++?g++?++?+BC第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二半衰期、它表征放射性元素的原子核有一半發(fā)生衰變所需的時間。它是從大量原子核衰變中得出的統(tǒng)計規(guī)律，對個別的放射性原子核的衰變無實(shí)際物理意義。半衰期由原子核的內(nèi)部因素決定，與外界條件及與物質(zhì)的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。即使處于物理運(yùn)動，化學(xué)變化中也不會影響它的半衰期。因此它是反映某種元素原子核特征的重要物理量。第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二探測射線的方法第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二1、粒子使氣體或液體電離，以這些離子為核心，過飽和汽會產(chǎn)生云霧，過熱液體會產(chǎn)生氣泡2、使照相底片感光3、使熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光射線中的粒子與其它物質(zhì)作用會產(chǎn)生的現(xiàn)象：第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二一、威爾遜云室：構(gòu)造：一個圓筒狀容器，低部可以上下移動，上蓋是透明的，內(nèi)有干凈空氣實(shí)驗(yàn)時，加入少量酒精，使酒精蒸汽達(dá)到過飽和狀態(tài)。利用射線的電離本領(lǐng)第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二a射線在云室中的徑跡：直而粗原因：a粒子質(zhì)量大，不易改變方向，電離本領(lǐng)大，沿涂產(chǎn)生的粒子多?射線在云室中的徑跡：比較細(xì)，而且常常彎曲原因：粒子質(zhì)量小，跟氣體碰撞易改變方向，電離本領(lǐng)小，沿途產(chǎn)生的離子少第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二二、氣泡室-----高能物理實(shí)驗(yàn)的最風(fēng)行的探測設(shè)備

氣泡室是由一密閉容器組成，容器中盛有工作液體第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二液體在特定的溫度和壓力下進(jìn)行絕熱膨脹，由于在一定的時間間隔內(nèi)（例如50ms）處于過熱狀態(tài)，液體不會馬上沸騰，這時如果有高速帶電粒子通過液體，在帶電粒子所經(jīng)軌跡上不斷與液體原子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生低能電子，因而形成離子對，這些離子在復(fù)合時會引起局部發(fā)熱，從而以這些離子為核心形成胚胎氣泡，經(jīng)過很短的時間后，胚胎氣泡逐漸長大，就沿粒子所經(jīng)路徑留下痕跡。如果這時對其進(jìn)行拍照，就可以把一連串的氣泡拍攝下來，從而得到記錄有高能帶電粒子軌跡的底片。照相結(jié)束后，在液體沸騰之前，立即壓縮工作液體，氣泡隨之消失，整個系統(tǒng)就很快回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備作下一次探測。第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二氣泡室中帶電粒子的徑跡氣泡室的優(yōu)點(diǎn)：它的空間和時間分辨率高；工作循環(huán)周期短，本底干凈、徑跡清晰，可反復(fù)操作。但也有不足之處：那就是掃描和測量時間還嫌太長；體積有限，而且甚為昂貴，第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二三、蓋革-米勒計數(shù)器一種能自動把放射微粒計數(shù)出來的儀器，利用了射線的電離本領(lǐng)第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二放射性的應(yīng)用與防護(hù)第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二問題情景：為了使水果、蔬菜或其它的食物能存放的時間長一些，能在長時間保持新鮮，你有什么辦法？輻射方法處理糧食第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二復(fù)習(xí)回顧：1、什么是原子核的衰變？2、原子核的衰變有什么樣的規(guī)律原子核放出a粒子或?粒子，由于核電荷數(shù)變了，而變成另一種原子核。1）、衰變時電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒2）、衰變過程不可逆，所以用箭頭，不用等號3）、由實(shí)驗(yàn)決定，不憑空編造第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二盧瑟福在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，往容器Ｃ中通入氮?dú)夂?，在熒光屏Ｓ上出現(xiàn)了閃光，這表明，有一種新的能量比α粒子大的粒子穿過鋁箔，撞擊在Ｓ屏上，這種粒子肯定是在α粒子擊中某個氮核而使該核發(fā)生變化時放出的。這樣，盧瑟福通過人工方法實(shí)現(xiàn)了原子核的轉(zhuǎn)變，人類第一次打開了原子核的大門。核反應(yīng)第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

為了認(rèn)定新粒子，把新粒子引進(jìn)電場和磁場，測出了它的質(zhì)量和電量，確認(rèn)與氫核相同：帶有一個單位的正電量，質(zhì)量是電子質(zhì)量的1800多倍。盧瑟福把它叫做質(zhì)子．質(zhì)子的符號是H或P在云室里做盧瑟福實(shí)驗(yàn)，還可以根據(jù)徑跡了解整個人工轉(zhuǎn)變的過程．英國物理學(xué)家布拉凱特在所拍攝的兩萬多張照片的40多萬條α粒子徑跡中，發(fā)現(xiàn)了８條產(chǎn)生分叉的記錄．

第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二分叉情況表明，α粒子擊中氮核后，生成一個新核，同時放出質(zhì)子。新核的電量較大速度較慢，徑跡短而粗；質(zhì)子速度大，電量小，故徑跡細(xì)而長．根據(jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可以寫出這個發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程并得知氮核放出質(zhì)子后變成了氧核．第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

用α粒子、質(zhì)子、中子等去轟擊其它元素的原子核，也都產(chǎn)生類似的轉(zhuǎn)變，并產(chǎn)生質(zhì)子，說明質(zhì)子是各種原子核里都有的成分，質(zhì)子是人類繼電子、光子后發(fā)現(xiàn)的第三個基本粒子。原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，------------核反應(yīng)在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二1930年，德國科學(xué)家玻特和貝克用α粒子轟擊輕元素鈹核，發(fā)現(xiàn)并未發(fā)射出質(zhì)子，而放出了一種新的射線．這種射線幾乎不能使氣體電離，在電場和磁場中也不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，是不帶電的，射線的貫穿能力強(qiáng)，他們認(rèn)為這是γ射線．經(jīng)檢測，射線的能量在10ＭeV左右，遠(yuǎn)大于天然放射物質(zhì)衰變時發(fā)出的γ射線的能量．第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二1931年，約里奧夫婦重復(fù)了玻特和貝克的實(shí)驗(yàn)，并用這種未知射線去轟擊石蠟。結(jié)果竟從中打出能量約5.7MeV的質(zhì)子．這是異常驚人的新發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槠湫袨橥耆煌讦蒙渚€，γ射線只能打出電子而打不出質(zhì)子，γ光子的質(zhì)量近乎０，電子也很輕，光子撞擊電子，使它動起來是合乎常理的，但質(zhì)子質(zhì)量是電子的1800倍，一顆子彈怎么能撞動一輛汽車呢？如果認(rèn)為轟擊石蠟的射線是γ射線，那么光子的能量應(yīng)達(dá)55MeV，這與實(shí)際測得的射線能量10MeV相去甚遠(yuǎn)．這射線在向約里奧夫婦招手呼喊：我不是γ射線……！可惜的是，他們擦肩而過，無緣相識。面對55eV與10eV的矛盾，他們還是十分牽強(qiáng)地解釋為其它的原因，并于1932年１月11日向巴黎科學(xué)院提交了實(shí)驗(yàn)情況和對未知射線判定為γ射線的結(jié)論。第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

1932年１月底，查得威克得到這一論文，約里奧夫婦的實(shí)驗(yàn)使他心跳，他認(rèn)為約里奧夫婦的結(jié)論肯定有誤，違反能量守恒啊！他敏感到這很可能是導(dǎo)師盧瑟福預(yù)言、自己苦苦尋找了12年的中子。他決定用云室的方法探測射線的速度和質(zhì)量。第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二他先測出射線的速度不到光速的十分之一，排除了是γ射線的可能，又用彈性碰撞動量守恒的方法測出不帶電粒子的質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量差不多。他還根據(jù)自旋確定不帶電的粒子不可能是由質(zhì)子和電子組合而成，只能是另一種新的獨(dú)立粒子，他稱之為中子。就這樣，僅用了十天時間，成功地證實(shí)了這種中性射線就是中子流。他當(dāng)之無愧地成為“中子之父”，并因此獲1935年諾貝爾物理獎。第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二“機(jī)遇只偏愛有準(zhǔn)備的頭腦”中子的發(fā)現(xiàn)，有重大的意義，中子不帶電，用它去轟擊原子核，不受庫侖力的影響，是研究原子核的強(qiáng)有力的“炮彈”。在此以前，可供研究用的“炮彈”只有天然放射元素發(fā)出的α、β、γ三種射線，中子流則是穿透本領(lǐng)更大，轟擊原子核更有效的“炮彈”，人們用它轟擊各種原子核，獲得許許多多人工放射性同位素，用它轟開鈾核，實(shí)現(xiàn)了原子能的利用。第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二1934年，約里奧·居里和伊麗芙·居里在用粒子轟擊鋁箔時，除探測到預(yù)料中的中子外，還探測到了正電子，正電子的質(zhì)量跟電子相同，所帶電荷與電子相反，為一個單位的正電荷，更意外的是，拿走放射源后，鋁箔雖不再發(fā)射中子，但仍繼續(xù)發(fā)射正電子，而且這種放射性也有一定的半衰期．原來，鋁核被粒子擊中后發(fā)生了下面的反應(yīng)人工放射性同位素第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二反應(yīng)生成物P是磷的一種同位素，也有放射性，像天然放射性元素一樣發(fā)生衰變，衰變時放出正電子，核衰變方程如下：用人工方法得到放射性同位素，這是一個很重要的發(fā)現(xiàn)．后來人們用質(zhì)子、氘核、中子和光子轟擊原子核，也得到了放射性同位素．第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二與天然的放射性物質(zhì)相比，人造放射性同位素：1、放射強(qiáng)度容易控制2、可以制成各種需要的形狀3、半衰期更短4、放射性廢料容易處理第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二（1）利用它的射線放射性同位素的應(yīng)用A、由于γ射線貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，可以用來γ射線檢查金屬內(nèi)部有沒有砂眼或裂紋，所用的設(shè)備叫γ射線探傷儀．B、利用射線的穿透本領(lǐng)與物質(zhì)厚度密度的關(guān)系，來檢查各種產(chǎn)品的厚度和密封容器中液體的高度等，從而實(shí)現(xiàn)自動控制C、利用射線使空氣電離而把空氣變成導(dǎo)電氣體，以消除化纖、紡織品上的靜電D、利用射線照射植物，引起植物變異而培育良種，也可以利用它殺菌、治病等第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二被不同劑量γ射線照射后的馬鈴薯8個月后的情況，左上方的馬鈴薯沒經(jīng)過γ射線照射，右下方的被γ射線照射的劑量最大，左下方保存最好的馬鈴薯被γ射線照射的劑量適中。第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二“魯棉一號”就是山東省棉花研究所的科技人員應(yīng)用放射性同位素鈷-60放出的伽瑪射線處理棉花雜交的后代育成的．第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二（2）作為示蹤原子：用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生物研究等.棉花在結(jié)桃、開花的時候需要較多的磷肥，把磷肥噴在棉花葉子上，磷肥也能被吸收．但是，什么時候的吸收率最高、磷在作物體內(nèi)能存留多長時間、磷在作物體內(nèi)的分布情況等，用通常的方法很難研究．如果用磷的放射性同位素制成肥料噴在棉花葉面上，然后每隔一定時間用探測器測量棉株各部位的放射性強(qiáng)度，上面的問題就很容易解決．第35頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二人體甲狀腺的工作需要碘．碘被吸收后會聚集在甲狀腺內(nèi)．給人注射碘的放射性同位素碘