选修3-5第四章知识清单

第1页共13页一、天然放射现象1．1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性．2．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，放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象．3．原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线．4．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋（Po）和镭（Ra）．二、三种射线1．三种射线：如图19－1－1中1是射线，2是射线，3是射线图19－1－1(1)α射线是高速α粒子流，实际上是氦原子核，电荷数是2，质量数是4.(2)β射线是高速电子流．(3)γ射线是能量很高的电磁波．2．三种射线的特点(1)α射线：α粒子容易使空气电离，但贯穿本领很弱．(2)β射线：β粒子贯穿本领较强，但电离能力较弱．(3)γ射线：γ粒子电离本领很弱，但贯穿本领很强．三、原子核的组成1．质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，质子是原子核的组成部分．2．中子的发现：卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子相等，但不带电的粒子，称为中子．查德威克利用云室进行实验验证了中子的存在，中子是原子核的组成部分．3．原子核的组成：原子核由质子和中子组成．第2页共13页一、三种射线的本质及特点1．α、β、γ三种射线的性质、特征比较种类α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2e－e0质量4mp(mp＝1.67×10－27kg)mp1836静止质量为零速率0.1c0.99cc贯穿本领最弱用一张纸就能挡住较强能穿透几毫米的铝板最强能穿透几厘米的铅板电离作用很强较弱很弱2.在电场、磁场中偏转情况的比较(1)在匀强电场中，α射线偏转较小，β射线偏转较大，γ射线不偏转，如图19－1－2甲所示．第3页共13页图19－1－2(2)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图乙所示．二、原子核的组成1．原子核的组成：原子核是由质子、中子构成的，质子带正电，中子不带电．不同的原子核内质子和中子的个数并不相同．原子核的直径为10－15～10－14m.2．原子核的符号和数量关系：(1)符号：AZX.(2)基本关系：核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数．质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．3．同位素：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的化学性质，同种元素的质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同，所以它们的物理性质不同．把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素．一、原子核的衰变原子核放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在周期表中的位置就变了，变成另一种原子核，我们把这种变化称为原子核的衰变．原子核衰变时电荷数和质量数都守恒．二、两种衰变α衰变：放出α粒子的衰变，如β衰变：放出β粒子的衰变，如ePaTh012349123490原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数和质量数都守恒．三、衰变方程式α衰变：HeYXAZAZ4242β衰变：eYXAZAZ011HeThU422349023892第4页共13页说明：1.中间用单箭头，不用等号；2.是质量数守恒，不是质量守恒;3.方程及生成物要以实验为基础，不能杜撰。一种元素只能发生一种衰变，但在一块放射性物质中可以同时放出α、β和γ三种射线。4.本质：α衰变：原子核内少两个质子和两个中子β衰变：原子核内的一个中子变成质子，同时放出一个电子说明：元素的放射性与元素存在的状态无关，放射性表明原子核是有内部结构的。四、γ辐射原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续的数值，因此也存在着能级，同样是能级越低越稳定。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时，往往蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来，因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的，当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时就会伴随着γ辐射（没有γ衰变）。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。五、半衰期1.意义：表示放射性元素衰变快慢的物理量2.定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间不同的放射性元素其半衰期不同．3.公式：经过n个半衰期(T)其剩余的质量为：021mmn021mmTt质量与原子个数相对应，故经过n个半衰期后剩余的粒子数为：002121NNNTtn第5页共13页注意：(1)半衰期的长短是由原子核内部本身的因素决定的，与原子所处的物理、化学状态无关(2)半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的．三种方法使气体或液体电离使照相底片感光使荧光物质生荧光一、探测射线的方法1．探测射线的理论依据(1)放射线中的粒子会使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和蒸气会产生雾滴，过热液体会产生气泡．(2)放射线中的粒子会使照相乳胶感光．(3)放射线中的粒子会使荧光物质产生荧光．2．探测射线的仪器(1)威耳逊云室(2)气泡室(3)盖革－米勒计数器1、云室实验．在云室看到的只是成串的小液滴，它描述的是射线粒子运动的径迹，而不是射线本身．云室利用的是射线的电离本领．径迹的长短和粗细可以知道粒子的性质；粒子轨迹的弯曲方向可以知道粒子带电的正负．注意：云室实验装置小，粒子径迹呈现时间较短．2、气泡室——高能物理实验的最风行的探测设备气泡室里是液体，控制室内温度和压强，当气泡室压强突然降低时，液体沸点降低液体过热，在通过室内射线粒子周围就有气泡形成。通过照片，可以分析粒子的带电、动量、能量等情况。液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在一定的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，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。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，整个系统就很快回第6页共13页到初始状态，准备作下一次探测。气泡室的优点：它的空间和时间分辨率高；工作循环周期短，本底干净、径迹清晰，可反复操作。但也有不足之处：那就是扫描和测量时间还嫌太长；体积有限，而且甚为昂贵，3.德国物理学家盖革在1928年与弥勒合作研制出的计数器用来检测放射性是非常方便的，盖革管的结构如图所示：一、核反应第7页共13页卢瑟福在实验中发现，往容器Ｃ中通入氮气后，在荧光屏Ｓ上出现了闪光，这表明，有一种新的能量比α粒子大的粒子穿过铝箔，撞击在Ｓ屏上，这种粒子肯定是在α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，人类第一次打开了原子核的大门。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，确认与氢核相同：带有一个单位的正电量，质量是电子质量的1800多倍。卢瑟福把它叫做质子．质子的符号是H或P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．英国物理学家布拉凯特在所拍摄的两万多张照片的40多万条α粒子径迹中，发现了８条产生分叉的记录．分叉情况表明，α粒子击中氮核后，生成一个新核，同时放出质子。新核的电量较大速度较慢，径迹短而粗；质子速度大，电量小，故径迹细而长．根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒，可以写出这个发现质子的核反应方程并得知氮核放出质子后变成了氧核．HOHeN1117842147用α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。原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，------------核反应在核反应中，质量数和电荷数都守恒核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。注意：１．核反应中质量数与电荷数守恒２．核反应是原子核的变化，化学反应是核外电子的变化注意：１．核反应中质量数与电荷数守恒２．核反应是原子核的变化，化学反应是核外电子的变化二、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1934年，约里奥·居里和伊丽芙·居里发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷nPAlHe103015271342反应生成物P是磷的一种同位素，自然界没有天然的P3015，它是通过核反应生成的人工放射性同位素。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2、可以制成各种需要的形状3、半衰期更短4、放射性废料容易处理三、放射性同位素的应用第8页共13页（1）利用它的射线A、由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪．B、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，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，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种，也可以利用它杀菌、治病等γ射线探伤仪（2）作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等.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，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．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碘131，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和功能性疾病．四、辐射与安全原子弹爆炸、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“放疗”时，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。有些第9页共13页矿石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。中子的发现1930年，德国科学家玻特和贝克用α粒子轰击轻元素铍核，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，他们认为这是γ射线．经检测，射线的能量在10ＭeV左右，远大于天然放射物质衰变时发出的γ射线的能量．1931年，约里奥夫妇重复了玻特和贝克的实验，并用这种未知射线去轰击石蜡。结果竟从中打出能量约5.7MeV的质子．这是异常惊人的新发现，因为其行为完全不同于γ射线，γ射线只能打出电子而打不出质子，γ光子的质量近乎０，电子也很轻，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1800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γ射线，那么光子的能量应达55MeV，这与实际测得的射线能量10MeV相去甚远．这射线在向约里奥夫妇招手呼喊：我不是γ射线……！可惜的是，他们擦肩而过，无缘相识。面对55eV与10eV的矛盾，他们还是十分牵强地解释为其它的原因，并于1932年１月11日向巴黎科学院提交了实验情况和对未知射线判定为γ射线的结论。1932年１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预言、自己苦苦寻找了12年的中子。他决定用云室的方法探测射线的速度和质量。他先测出射线的速度不到光速的十分之一，排除了是γ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立粒子，他称之为中子。就这样，仅用了十天时间