原子核與放射性

關(guān)于原子核與放射性第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日1.原子核的組成一、原子核的組成、質(zhì)量和大小核子：質(zhì)子＋中子A核子數(shù)、質(zhì)量數(shù)Z電荷數(shù)、質(zhì)子數(shù)、原子序數(shù)X相應原子的元素符號N中子數(shù)＝A-Z第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日2.原子核的質(zhì)量原子的質(zhì)量等于原子核的質(zhì)量加上核外電子的質(zhì)量減去相當電子全部結(jié)合能的數(shù)值。但是一般電子組成原子的結(jié)合能很小，可以忽略不計。在原子核物理中，常把12Ｃ原子質(zhì)量的1/12作為質(zhì)量單位即原子質(zhì)量單位（atmoicmassunit)記作amu或u1u=1.66055×10-27kg

質(zhì)子

中子 電子質(zhì)量/kg1.673×10-27

1.675×10-279.109×10-31相對質(zhì)量 1.007

1.008

1/1836近似整數(shù)值

1

1

忽略不計

電量/C1.602×10-19

0

1.602×10-19第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日核素核素（nuclide):Z和A都相同的原子核稱為某種核素。核子組分不同（Ｚ不同，Ｎ也不同）的各種原子核的統(tǒng)稱目前已知的元素（包括人工合成的）共107種，而核素卻有2300多種元素：具有相同質(zhì)子數(shù)的一類原子的總稱。核素：具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的一種原子。同位素：同種元素的不同種核素間的互稱。C614C612元素、核素和同位素的關(guān)系H11H12H13互為同位素核素1核素2某種元素……第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日核素（1）同位素（isotope)（3）同量異位素（2）同中子異位素核素（nuclide):Z和A都相同的原子核稱為某種核素。核子組分不同（Ｚ不同，Ｎ也不同）的各種原子核的統(tǒng)稱目前已知的元素（包括人工合成的）共107種，而核素卻有2300多種

質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一類核素，在元素周期表中處于相同的位置。

中子數(shù)相同而質(zhì)子數(shù)不同的一類核素

質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核素原子核按組成分為三類第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日3.原子核的大小通過α粒子散射實驗，證明原子核的形狀近似球形，其半徑小于10－15m,通過精確測定，原子核的半徑同質(zhì)量數(shù)的關(guān)系為：其中R0是一個常數(shù)，為1.2×10-15m原子核的體積為：原子核的密度為：因此，原子核的體積與核子數(shù)成正比，而各種原子核密度相同，與核子數(shù)無關(guān)第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日

由核子構(gòu)成的原子核，雖然質(zhì)子間存在靜電排斥力，卻結(jié)合得非常緊密，因此核子間必然存在強大的吸引力，這種使核子緊密結(jié)合在一起的力稱為核力?，F(xiàn)在某些方面至今還未認識清楚，從目前的理論和實事，可以說明核力具有以下性質(zhì)：（4）核力與電荷無關(guān)（1）核力是短程力因為核力既能把帶電的質(zhì)子束縛在原子核中，也能把不帶電的中子束縛在原子核中，促成質(zhì)子和中子成雙成對地結(jié)合。核力的作用范圍只有10-15m的數(shù)量級。一個核子所能相互作用的其他核子的最大數(shù)目是有限制的。（2）核力是強相互作用（3）核力具有飽和性（5）核力極短程內(nèi)存在斥心力核子不能無限靠近。第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日7原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，它的質(zhì)量就應等于所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和實驗測定表明：原子核的質(zhì)量總小于組成它的核子質(zhì)量之和，其質(zhì)量差，即損失了一部分質(zhì)量:

通常把這部分損失的質(zhì)量，稱為質(zhì)量虧損(massdefect)質(zhì)能方程：這個能量稱為原子核的結(jié)合能（bindingenergy)三、原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日

質(zhì)子和中子組成核的過程中，有能量E釋放出來。反之，要使原子核再分解為單個的質(zhì)子和中子就必須吸收E的能量。氘核吸收E能量后分解為質(zhì)子和中子E氘質(zhì)子中子愛因斯坦H12第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日原子核的穩(wěn)定性原子核的結(jié)合能非常大，所以一般原子核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。核子在結(jié)合成原子核時要放出大量的結(jié)合能，反之，如果想要使原子核內(nèi)的核子重新分裂出來，需要供給同樣多的能量。因此，核子結(jié)合過程釋放的能量越大，其核就越穩(wěn)定，（能量越低越穩(wěn)定），對于不同的原子核其穩(wěn)定性不相同。通常用每個原子的平均結(jié)合能來反映原子核的穩(wěn)定程度，即比結(jié)合能核子的比結(jié)合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日

核素中，原子序數(shù)很高的重元素，如鈾（Ｕ）、鐳（Ｒa）等，不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地過渡到穩(wěn)定的原子核的變化過程稱為原子核的衰變。

質(zhì)能守恒定律動量守恒定律電荷守恒定律核子數(shù)守恒定律衰變過程遵守的定律定義1.衰變2.衰變3.衰變衰變的類型第二節(jié)原子核的衰變類型第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日一、

衰變1.定義２.衰變方程

某些原子核，由于核子數(shù)(質(zhì)量數(shù))過多，在衰變過程中，放出一個粒子而變成另一種原子核的過程稱為衰變。衰變能用Ｘ代表衰變前的母體原子核，Ｙ代表衰變后形成的子體原子核,42He

γ質(zhì)量數(shù)守恒，不是質(zhì)量守恒第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日由于衰變過程是不穩(wěn)定的原子核變成穩(wěn)定的原子核的自發(fā)過程，因此Q>0即：

第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日

粒子特性

粒子實質(zhì)上是He原子核；

衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于82的重元素核素；在空氣中的射程約為３-８cm，mm；因其射程短，一張紙即可阻擋；

粒子的電離能力很強。射線是大量放射性核素進行衰變的產(chǎn)物，是高速的He原子核組成的粒子束流。對開展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢。第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日二、衰變?nèi)N形式：－衰變＋衰變軌道電子俘獲1.－衰變（1）定義

某些原子核，由于中子數(shù)過多，放出一個－

粒子和一個反中微子而變成另一種原子核的過程稱為－衰變。（2）條件

(a)中子數(shù)過多(b)－

粒子－1e（負電子)β－γnp+e-反中微子：中微子的反粒子。反中微子是中微子對應的反物質(zhì)粒子，其性質(zhì)跟中微子正好相反。它是一種非常輕的中性帶電粒子。第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日β-粒子的特性β-粒子實質(zhì)是負電子；衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加１；β-粒子的能量分布從0～最大具有連續(xù)能譜，穿透力比

粒子大；電離能量比

粒子弱，能被鋁和機體吸收；通常說的放射性核素就是-放射性核素。醫(yī)學中常用32P、3H、14C等β-射線是大量放射性核素進行β-衰變的產(chǎn)物。并且其能譜是連續(xù)的。在軟組織中的射程僅為幾厘米，可用于治療，如碘治療甲亢。

第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日2.＋衰變（1）定義

某些原子核，由于質(zhì)子數(shù)過多，放出一個＋粒子和一個中微子而變成另一種原子核的過程稱為＋衰變。（2）條件

(a)質(zhì)子數(shù)過多(b)＋

粒子＋1e（正電子)β＋γp

n+e+第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日β＋粒子的特性β＋粒子實質(zhì)是正電子；衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變，但質(zhì)子數(shù)減１；

β＋也為連續(xù)能譜；β＋射線

是正電子組成的粒子束流，停下來后會與電子發(fā)生湮沒反應，轉(zhuǎn)化成一對γ光子。

天然核素不發(fā)生β＋衰變，只有人工核素才發(fā)生；第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日（1）定義

某些原子核可以俘獲一個軌道電子使核內(nèi)的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)換成中子和一個中微子的過程稱為軌道電子俘獲。（2）條件

質(zhì)子數(shù)過多

3.軌道電子俘獲標識X射線Auger電子γp+e-n軌道電子俘獲使原子處于激發(fā)態(tài)第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日三、

衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換1.

衰變

處于激發(fā)態(tài)的原子核在不改變其組分的情況下躍遷至穩(wěn)定的基態(tài)，同時放出粒子的過程.注：衰變通常伴隨著衰變和β衰變γ粒子就是光子，是從原子核內(nèi)發(fā)射出來的電磁波；衰變后子核質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)不變；只是能量狀態(tài)從激發(fā)態(tài)到了基態(tài)。

γ射線為光子流，不帶電，穿透力強，電離能力弱；γ射線在真空中速度為30萬km/s。2.γ粒子特性第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日3.

內(nèi)轉(zhuǎn)換

處于激發(fā)態(tài)的原子核躍遷至穩(wěn)定的基態(tài)時，將其衰減能直接傳遞給核外殼層電子，使該殼層的電子脫離原子成為自由電子，這種衰變方式稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換,由此發(fā)射的電子叫內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。內(nèi)轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在Ｋ殼層電子。注：內(nèi)轉(zhuǎn)換使原子處于激發(fā)態(tài)，伴有Ｘ射線或俄歇電子。發(fā)射射線和發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換電子是原子核從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的兩種方式。內(nèi)轉(zhuǎn)換電子γ第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日21氦核正電1/10C強弱電子負電9/10C弱強電磁波不帶電C很弱最強物質(zhì)電性速度電離本領(lǐng)穿透本領(lǐng)放射性物質(zhì)發(fā)射出來的射線放射性表明原子核是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。一種元素只能發(fā)生一種衰變，但在一塊放射性物質(zhì)中可以同時放出α、β和γ三種射線。第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日

一、衰變規(guī)律注:

1.N0

為t=0時的核子數(shù);2.由積分形式可知,核子數(shù)N以指數(shù)形式隨時間減少.3.一種核素的物質(zhì)同時進行多種類型衰變，通過精確的實驗證明：若在ｔ時刻原子核的數(shù)目為Ｎ，經(jīng)過dt（dt→0)時間后，其中有－dN個發(fā)生了衰變(負號表示原子核數(shù)目在減小)即-dN=Ndt其中:為核衰變的衰變常數(shù)N=N0e-t微分形式積分形式第三節(jié)原子核的衰變規(guī)律=Σ第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日二、半衰期和平均壽命1.半衰期

放射性原子核數(shù)目中有一半發(fā)生衰變所需要的時間叫做核素的半衰期，

常用Ｔ表示第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日例：32P(磷)的半衰期為14.3天，問經(jīng)過多長時間后，它變?yōu)樵瓉淼?/64？解：例：131I（碘）的半衰期為T天，經(jīng)過32天后變?yōu)镹，又經(jīng)過96天，還剩余（1/4）N，求T。解：據(jù)題意有第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日生物半衰期Tb：各種排泄而使體內(nèi)的反射性原子數(shù)目減少一半所需時間生物衰變常量b:單位時間內(nèi)由人體代謝所產(chǎn)生的原子核減少的概率有效半衰期Te

:人體內(nèi)實際的半衰期自然界中碳元素有三種同位素，即穩(wěn)定同位素12C、13C和放射性同位素14C。14C的半衰期為5730年，14C的應用主要有兩個方面：一是在考古