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2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 四、放射性的應用與防護(第一課時) ●本節(jié)教材分析 課本所介紹的三種探測射線的方法是核物理研究中最基本、最常用的實驗方法，通過對實驗的觀察和對儀器原理的介紹，應讓學生知道，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)生的次級效應來進行觀察和判斷，進而了解核物理中這種研究問題的方法.教學中應盡可能地做好演示實驗，特別是云室實驗.學生通過對云室實驗的觀察，看到看不見、摸不著的射線現(xiàn)在可以看到它們的徑跡，既感到新鮮，又加深了對所學知識的理解.教學中應注意結合以前學過的過飽和汽的知識，講清云室實驗的原理.同時要注意強調(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動的徑跡，而不是射線本身.云室利用的是射線的電離本領. 關于放射性的應用及防護的教學應使學生明白，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.放射性同位素的應用部分的教學主要應使學生了解射線的貫穿本領、電離作用以及射線的物理、化學和生物作用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和醫(yī)療衛(wèi)生等領域中的廣泛應用以及我國在這方面所取得的新成就.同時應讓學生了解放射性污染對人類和環(huán)境的破壞作用，知道放射性防護的基本常識. ●教學目標 一、知識目標 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)生的次級效應用適當?shù)膬x器探測到. 2.了解云室、氣泡室和計數(shù)器的簡單構造和基本原理. 3.知道放射性同位素及其在各方面的重要應用. 4.了解放射性污染和防護的基本常識. 二、能力目標 認識放射性污染的危害. 三、德育目標 通過對放射性污染的認識，提高學生的環(huán)境保護意識. ●教學重點 放射性的應用和防護. ●教學難點 云室和計數(shù)器的原理. ●教學方法 本節(jié)采用教師演示、學生觀察實驗，教師啟發(fā)、學生分析實驗原理和結果的教學方法，以培養(yǎng)學生的實驗觀察和分析能力. ●教學用具 投影儀及投影片、J2553型威耳孫云室演示器、放射源J2524型蓋革計數(shù)器、電源、揚聲器. ●課時安排 1課時 ●教學過程 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)我們就來簡單介紹一下科學研究中常用的幾種探測放射線的方法以及放射線的應用和防護 二、新課教學 （一）探測放射線的方法 1.威耳孫云室——1912年，英國威耳孫發(fā)明 （1）基本構造及工作原理（投影：云室構造圖22—8） 圖22—8 學生先看云室的構造圖，教師說明各部分的的名稱和作用，然后再向?qū)W生展示實物. ［教師點撥］射線對其他物質(zhì)粒子的一個最基本的作用是什么？ ［學生回答］電離作用. ［教師點撥］云霧是怎樣形成的？ ［學生回答］過飽和蒸汽遇到凝結核而凝結形成小水滴，許多小水滴聚集一起就形成云霧. ［教師點撥］云室就是利用這個原理來觀察射線的，它是英國物理學家威耳孫在1912年發(fā)明的，因而叫威耳孫云室. 實驗原理：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，室內(nèi)氣體由于迅速膨脹而降低溫度使酒精蒸汽達到飽和，這時如果有射線粒子從室內(nèi)氣體中飛過，使沿途的氣體分子電離，過飽和的酒精蒸汽就會以這些離子為核心凝結成一條霧跡，我們就可以直接看到，也可以拍攝成照片進行研究. （2）實驗演示——用威耳孫云室觀察射線粒子的運動徑跡. 使用J2553型威耳孫云室演示： 放上α粒子放射源，教師演示，學生3~5人一組到講臺上進行觀察，然后請1~2位學生描述所看到的現(xiàn)象. 再換上β粒子放射源，教師演示，學生3~5人一組到講臺上進行觀察，然后請1~2位學生描述所看到的現(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 α粒子：因其質(zhì)量大而不易改變方向，因其電離作用強而產(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，故其徑跡比較細且有時發(fā)生彎曲. γ粒子電離本領更小，一般看不到它的徑跡，有時能產(chǎn)生一些細碎的霧滴. 說明：如果把云室放在磁場中，從帶電粒子運動軌跡的彎曲方向還可以判定粒子所帶電荷的正負. 2.氣泡室 （1）構造原理：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，使室內(nèi)溫度略低于液體的沸點.實驗時，使氣泡室內(nèi)的壓強突然降低，液體的沸點降低使液體過熱，當射線粒子通過室內(nèi)過熱氣體時，射線粒子周圍的液體沸騰就有氣泡形成，可以通過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中拍攝到的射線粒子的徑跡照片，請同學們根據(jù)照片回答下列問題： 圖22—10 如果磁場方向已知，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量？ （根據(jù)徑跡半徑r＝mv/Bq，已知B、q，測出r，就可以確定其動量mv或能量mv2/2） 3.蓋革－彌勒計數(shù)器——1928年德國蓋革和彌勒合作發(fā)明 （1）構造原理： 投影蓋革管的構造示意圖（圖22—11） 圖22—11 學生看著示意圖，教師介紹其構造： 蓋革管的基本構造外面是一個封閉的玻璃管，里面有一個接在電源負極的導電圓筒（陰極），筒的中間有一條接電源正極的的金屬絲（陽極）管中裝有低壓的惰性氣體（如氬、氖等，壓強約10 kPa～20 kPa）和少量的的酒精蒸汽或溴蒸汽.在陰極（圓筒）和陽極（金屬絲）間加上一定的電壓（約1000 V），這個電壓稍低于管內(nèi)氣體的電離電壓. 教師說明工作原理： 當某種射線粒子進入蓋革管中時，它就會使管內(nèi)氣體電離，產(chǎn)生的電子在陰極和陽極之間加速使其能量越來越大，電子與管內(nèi)其他氣體分子碰撞時又使氣體分子電離，產(chǎn)生電子……這樣，一個射線粒子進入管中后，經(jīng)過一個很短的時間就會產(chǎn)生大量的電子，這些電子達到陽極，正離子達到陰極，在外電路就會產(chǎn)生一次脈沖放電，這個脈沖電流可以用電子儀器記錄下來，也可以把它轉(zhuǎn)化為光信號或聲音信號顯示出來. （2）演示實驗：用蓋革計數(shù)器探測放射線 使用J2524型蓋革計數(shù)器，它能夠?qū)⑸渚€粒子引起的放電脈沖轉(zhuǎn)化為聲音信號和光信號，因此當有一個射線粒子進入計數(shù)管時使揚聲器發(fā)出一次響聲同時發(fā)光二極管發(fā)出一次閃光. 連接好儀器，打開電源，即可聽到揚聲器發(fā)出響聲，向?qū)W生說明這是宇宙射線中的粒子引起的，一般不超過30次/分，叫本底計數(shù)率. 將放射源（J2553型威耳孫云室所配）靠近計數(shù)管，則計數(shù)率明顯增加，這個計數(shù)率減去本底計數(shù)率就是放射源的實際計數(shù)率.計數(shù)率反映了空間某處放射線的強度. 增大放射源到計數(shù)管的距離，可以看到計數(shù)率明顯降低，可以讓學生測量不同距離的實際計數(shù)率，可以發(fā)現(xiàn)空間某處的計數(shù)率與該處到放射源的距離平方成反比. 使放射源距離計數(shù)管約10 cm，其間擋一塊2～3 mm的的鉛板，計數(shù)率明顯減小，再疊放幾塊鉛板，計數(shù)率更小，改用同樣厚度的銅板對比，計數(shù)率并不明顯減少，這顯示了鉛板對射線粒子的吸收作用. （3）說明： 一般的蓋革計數(shù)器適合對β粒子和γ粒子進行計數(shù).由于α粒子貫穿本領很小，一般不能穿過計數(shù)管的玻璃管壁，要對α粒子計數(shù)，需要在計數(shù)管前方裝上一個很薄的云母片窗口，使α粒子從這個窗口射入或制成其他的式樣. 蓋革計數(shù)器的放大倍數(shù)很大，用它來檢測放射線很方便，但它對不同射線產(chǎn)生的脈沖現(xiàn)象相同，因此只能用來計數(shù)，而不能區(qū)分射線的種類. （二）放射線的應用［教師介紹和學生自學相結合］ 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，其實驗如下： 用α粒子轟擊鋁核的核反應： 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40余種，而今天人工制造的放射性同位素已達1000余種，每一種元素都有了放射性同位素，這為放射性的應用創(chuàng)造了條件. 人工放射性元素的優(yōu)點：放射強度容易控制，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.放射性同位素的應用［學生自學，然后教師小結］ （1）利用放射線的貫穿本領或電離作用，主要應用如下： γ射線探傷：即利用γ射線對金屬工件進行透視，檢驗其內(nèi)部有沒有砂眼或裂紋. 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：利用射線對癌細胞的殺傷作用. 消除靜電：利用α粒子很強的電離作用，可以消除機器在運轉(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性質(zhì)與其放射性同位素的化學性質(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，這種化合物的化學性質(zhì)不發(fā)生變化，但它卻帶上了“放射性標記”，用放射性探測議就可以探測出來，這種用途的放射性同位素叫做“示蹤原子”.示蹤原子的應用主要有下面幾個方面： 用含有放射性的肥料研究農(nóng)作物對肥料的吸收作用 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［學生自學］ 1.放射線對人體、對環(huán)境有哪些危害？ 人體受過量的γ射線照射，會殺傷人體細胞而患上白血病使人死亡，會使孕婦產(chǎn)生怪胎等，由于很多放射性元素的半衰期很長，有的長達幾萬年甚至上億年，它的放射強度衰減很慢，一旦受到這些元素的放射性污染，將對環(huán)境產(chǎn)生長期影響. 通過錄像介紹美國1945年向日本廣島和長崎投放原子彈以及1987年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站核泄漏事故，這兩起核災難對人類和環(huán)境所造成危害的有關資料，使學生深刻認識核輻射與核污染對人類和環(huán)境的嚴重危害. 2.防護放射線的措施有哪些？ 生活中首先要對可能有放射性的物質(zhì)有防范意識，其次要盡可能遠離放射源； 從事與放射性有關的工作，一定要遵守操作規(guī)程，做好防護措施； 放射源要放在專門的很厚的鉛盒內(nèi)，嚴格保管. 三、小結 本節(jié)簡單介紹了核物理研究中最基本、最常用的三種探測射線的方法以及放射性同位素的應用和放射線的防護.放射性同位素的主要應用有兩個方面：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必須引起我們的重視. 四、布置作業(yè) 上網(wǎng)查閱有關放射性應用及其污染和防護的有關資料 五、板書設計 （一）探測放射線的方法 1.威耳孫云室——1912年，英國威耳孫發(fā)明 原理：利用射線的電離作用使過飽和蒸汽凝結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——彌勒計數(shù)器——1928年德國蓋革和彌勒合作發(fā)明 （二）放射線的應用［教師介紹和學生自學相結合］ 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性質(zhì)相同. 3.放射性同位素的應用 （1）利用放射線的貫穿本領或電離作用 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. 1.放射線對人體、對環(huán)境的危害. 2.防護放射線的主要措施.