6第六节天然放射现象

2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-1-第六节天然放射现象白景曦（西北师范大学第一附属中学甘肃兰州730070）摘要自然界存在的物质能够自发的放出射线，这种性质称为放射性；具有放射性的元素称为放射性元素。放射性元素的原子核能够放出粒子、粒子和粒子而变成新的原子核，这种现象称为衰变。衰变遵循的规律是：质量数守恒和电荷数守恒。发生衰变的原因是原子核本身的性质决定的；衰变的快慢用半衰期来描述，半衰期由核内部本身的因素决定，与压力、温度和其他元素的化合无关。放射性的应用主要有：利用放射性同位素放出的射线；利用放射性元素做示踪原子。放射性的防护措施主要有：加厚的保护层。关键词：天然放射现象衰变放射性的应用与防护教学设计：2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-2-引言复习：1.原子核由什么组成？什么是核子？什么是核力？2.原子核的表示方法什么？质量数、质子数、中子数之间有什么关系？核电荷数、质子数、原子序数、核外电子数之间有什么关系？引入：通过上节课的学习我们知道原子核有复杂的结构，原子核能发生变化吗？如果能发生变化，变化的规律有哪些？本节课我们就来学习天然放射现象。新课教学：一、天然放射现象1．天然放射现象1896年法国物物理学家贝克勒尔，在实验室无意把磷光物质放在包有黑纸的照相底片上，后来在使用这包照相底片时，发现照相底片已经感光，这一定是某种穿透能力很强的射线穿透黑纸式照相底片感光——思维敏捷的贝克勒尔抓住这一意外“事件”进一步探讨，发现了放射现象。揭开了探索原子核结构的序幕。皮埃尔·居里和玛丽·居里夫人在贝克勒尔的建议下，对铀和铀的各种矿石进行了深入研究，发现了放射性极强的新元素：其中一种为了纪念她的祖国——波兰，而命名为钋（Po）；另一种命名为镭（Ra）。物质发射射线的性质称为放射性；具有放射性的元素称为放射性元素；物质自发地放射出射线的现象，叫做天然放射现象；研究发现，原子序数大于83的所有元素都能自发的放出射线；原子序数小于83的有些元素，也具有放射性。2．放射线的研究阅读课文P64、P67，并回答：研究三种射线的方法、三种射线的组成、性质。小结：2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-3-（1）研究三种射线的方法：利用电场和磁场、乳胶照相、威尔逊云室、气泡室、盖革—弥勒计数器等。（2）三种射线的组成、性质射线种类组成速度贯穿本领电离作用α射线氦的原子核约c101很小，一张薄纸就能挡住很强β射线高速电子流接近c很大，能穿透几毫米厚的铝板较弱γ射线波长很短的电磁波c最大，能穿透几毫米厚的铅板很小3．说明（1）原子放出α射线或β射线后，就变成另一种元素的原子核——发生了核反应，说明原子核还有其内部结构；通常γ射线是伴随着α射线或β射线放出的。α射线或β射线不一定同时放出。（2）放射性与元素存在的状态无关。如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质形式存在，还是以某种化合物的形2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-4-式存在，放射性都不受影响。放射性反映的是元素原子核的特性。二、衰变研究表明，原子序数大于83的所有元素都能自发的放出射线，而变成另一种元素的原子核，这种现象叫衰变。1．概念：原子核由于放射出某种粒子而转变为新核的变化，叫做原子核的衰变。在衰变中电荷数和质量数都守恒。2．α衰变和β衰变原子核放出α粒子的衰变叫作α衰变；原子核放出β粒子的衰变叫作β衰变。γ射线是伴随着α衰变或β衰变而产生的能量很高的电磁波。3．核衰变方程某种放射性元素的原子核衰变时，放出的是α射线还是β射线，要通过实验观察来确定，而衰变过程可用核反应方程表示出来。如，铀238核放出一个α粒子后，变成新核钍234核，这种衰变叫α衰变，这个过程可用下面的核反应方程表示出来：HeThU422349023892又如：钍234核具有放射性，它放射出一个β粒子，变成新核鏷234，这种衰变叫β衰变。这个过程可用下面的核反应方程表示出来：eThTh012349123490小结：（1）写核反应方程的基本原则：以事实为依据；质量数守恒、电荷数守恒。（2）α衰变方程和β衰变方程书写通式：HeYXAZAZ4242eYXAZAZ011思考：原子核内没有电子，在β衰变中射出的电子从何而来呢？β衰变发射出来的电子，是原子核内的中子转化为一个质子和一个电子后，把产生2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-5-的电子发射出来，这就是β衰变。三、半衰期放射性元素衰变有一个重要规律：即，放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间对某种元素的原子核来说是一定的，这个时间较半衰期。1．概念：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫半衰期。如，氡222经过α衰变变为钋218，如果隔一段时间测量一次剩余氡的数量就会发现，大约每经过3.8天，就有一半的氡发生了衰变。2．公式tNN)21(0其中N0为放射性元素原子核样品总数目，N为经时间t剩余的放射性元素的原子核数目，τ为该放射性元素的半衰期。tMM)21(0其中M0为放射性元素原子核样品总质量，M为经时间t剩余的放射性元素原子核的质量，τ为该放射性元素的半衰期。3．说明（1）半衰期表示放射性元素衰变的快慢，由核本身的因素决定，与核所处的物理和化学状态无关。（2）半衰期是对放射性元素的大量的原子核的统计结果，对只有少量原子核或几个原子核不适用。（3）不同的放射性元素的半衰期不同，甚至差别非常大。11/21/41/8原样品量经一个半衰期的剩余量经两个半衰期的剩余量经三个半衰期的剩余量2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-6-如，氡222衰变为钋218的半衰期是3.8天；镭226衰变为氡222的半衰期是1620年；鈾238衰变为钍234的半衰期长达4.5×109年。四、放射性的应用和防止贝可勒尔为了试验放射线的性质，用试管装入含铀的矿物插在上衣口袋中被射线灼伤；居里夫人也因为长期从事放射性物质的寻找和放射线的研究工作，而导致身体虚弱过早的逝世。据说，早期核物理学家多死于白血病（放射病）。但是，现在放射线在工农业生产、医疗卫生等方面都有重要的应用。（一）学生阅读P69，回答下列问题：1．什么是放射性同位素？为什么生产和科研中采用人造而非天然放射性物质？2．α、β、γ三种放射线对物质的作用各自有何突出特点？3．利用实例分别介绍三种放射线的应用并简要说明应用原理（或依据）。4．什么是示踪原子，怎样理解示踪原子的作用？5．什么是放射性污染及放射性污染有什么可怕后果？6．哪些事件或事物会导致放射性污染？并请举出实例。7．对放射性物质有哪些有效的防护措施？（二）组织课堂进行讨论和陈述1．放射性同位素有些元素的同位素具有放射性，叫做放射性同位素。人工放射性的优点：半衰期短；放射性材料的放射强度容易控制等等。解释：第一，人造放射性同位素可以通过核反应获得，下一节将学习“核反应”；第二，虽然放射性元素衰变的快慢由核内部因素决定，但可以控制材料中放射性同位素的含量。）2．放射线的应用射线探伤仪可检查金属内部的损伤。其物理依据是射线有很强的惯穿本领。解释：在“探伤”这个问题上，我们可能联想到“X射线探伤”和“超声波探伤”。2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-7-γ射线的穿透能力比X射线穿透能力更强，而且X射线不是原子核的放射线，其设备复杂庞大不易于室外应用，所以在探伤这方面的许多场合，现在多用γ射线探伤仪。γ射线和X射线都是电磁波，而超声波则是机械波，在金属和许多物质中衰减很小，穿透能力甚至可达数米，探伤手段和前两者不同，所以超声波与γ射线应用场合不同。α射线带电量和能量大，可使放射源周围的空气电离，变成导电气体从而消除静电积累。应用时，可将α射线源安装在机器运转中会产生静电的适当部位。放射线能引起生物体内DNA的突变。这种作用可以应用在放射线育种、放射线灭害虫、放射作用保存食品以及医学上的“放疗”等等。解释：放射线照射害虫会导致害虫不育，从而减少害虫数量，最终消灭害虫。教材图22—10说明的是是放射线的作用抑制了马铃薯发芽生长。而另外一种保存食品的原理是利用放射线可以杀死微生物的功能。在医学上除了“放疗”外，“γ刀”治疗肿瘤上将其“烧死”。把放射性同位素通过物理或化学反应的方式掺到其它物质中，然后用探测仪器进行追踪，以了解这些物质的运动、迁移情况。这种使物质带有“放射性标记”的放射性同位素就是示踪原子。解释：示踪原子的获得可用物理方法和化学方法。化学方法的原理是同位素具有相同的化学性质。在制造化合物时用适量的放射性同位素取代非放射性同位素，以后便可通过仪器探测跟踪该元素的“去向”。示踪原子应用补充：除了课文中所讲用于农业科学和医学研究外，在工业中可以用以测定输油管中的流速，测定油管的漏油情况等；在生命科学中可用于环境监测，比如用示踪原子“跟踪”污水对海洋的污染，以便提供防治污染的原始资料和依据。3．放射线的危害及防止危害：过量的放射线对人体内DNA作用使之发生突变，造成对人体的伤害。科研或生产中使用的放射源物质丢失、遗落，核爆炸、核电站泄露等都会导致放射性污染。防止：不让射线辐射到空间。核电站的反应堆外用厚厚的水泥包裹，防止射线外泄；2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-8-正在使用的放射源放在很厚的重金属（如铅）盒（箱）内；在使用过程中，要用中金属板挡住不需要射线的地方。生活中要尽量远离放射源。巩固练习：1．天然放射性元素Th23290（钍）经过一系列α衰变和β衰变之后，变成Pb20882（铅）。下列论断中正确的是（）A．铅核比钍核少24个中子B．铅核比钍核少8个质子C．衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变D．衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变解析：由和反应中质量数守恒电荷数守恒、且原子核的质量数等于其中子数和质子数之和得：铅核比钍核少8个质子，少16个中子。设：发生了n次α衰变m次β衰变，则衰变方程可写为：emHenPbTh01422088223290每发生一次α衰变，质量数减少4，电荷数减少2；每发生一次β衰变，质量数减不变，电荷增加1。则有：nmn420623228290解得：n=6，m=4。选：B、D2．若元素A的半衰期为4天，元素B的半衰期为5天，则相同质量的A和B，经过20天后，剩下的质量之比mA:mB=()A．30:31B．31:30C．1:2D．2:13．K－介子衰变的方程为：K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子带负的基元电荷，π0介子不带电。一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-9-后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK-与Rπ-之比为2︰1。π0介子的轨迹未画出。由此可知π－的动量大小与π0的动量大小之比为（）A．1︰1B．1︰2C．1︰3D．1︰64．用哪种方法可以减缓放射性元素的衰变（）A．把该元素放在低温处B．把该元素密封在很厚的铅盒里C．把该元素同其它的稳定元素结合成化合物D．上述方法均不可以5．下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子（）A．γ射线探伤仪B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管漏油情况C．利用钴60治疗肿瘤等疾病D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用以检测确定农作物吸收养分的规律结论本节课收获如下：1.知识：（1）天然放射现象；（2）衰变；（3）放射性的应用和防护。2.方法：等效法布置作业教学后记参考文献：[1]人民教育出版社物理室编著．物理第二册教师教学用书．北京：人民教育出版社，2003.[2]人民教育出版社物理室编著．物理第二册（必修加选修）．北京：人民教育出版2009-2010高二物理教案西北师大附中白景曦-10-社，2006.[3]人民教育出版社．延边教育出版社编著．物理第二册（必修加选修）教案．吉林：延边教育出版社，2008.[4]马兰刚著．物理第二册（必修加选修）教案．甘肃：未来教育出版社，待版．[5]杜鸿宝著