第五章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)

第五章物質(zhì)結(jié)構(gòu)第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期認(rèn)識第二節(jié)奇妙的微觀世界第三節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究與高技術(shù)

第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識一、探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎—古代人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索開始于對世界本原問題的探討

宇宙間的萬物是由什么東西構(gòu)成的？我國古代的陰陽五行說：金、木、水、火、土古希臘：火、氣、水、土原子論:物質(zhì)是由不可分割的、永恒的原子微粒構(gòu)成

第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三

2、宇宙間的萬物是否連續(xù)惠施：一尺木棒，日取其半、萬世不竭墨翟：物質(zhì)分割的最小單位是端。3、物質(zhì)是否可分第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三古代原子論古希臘的德謨克里特和中國春秋時(shí)代的墨子等先后提出了樸素的原子論。影響最深遠(yuǎn)地是留基伯和德謨克里特的原子論。存在著無限多個(gè)不可見且不可分割的原子。原子之間僅在大小、形狀和運(yùn)動方面有著量的不同。物質(zhì)性質(zhì)的變化是由于原子組合的改變造成的。原子本身的性質(zhì)則永不變化。羅馬詩人盧克萊修的長詩《物性論》將其傳播到拉丁語國家，并流傳于世。第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三二、近代物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展

----原子論“原子”一詞，來自希臘語，原義是“不可分割的東西”，即指構(gòu)成世界萬物的最終單元。時(shí)至今日，已沒有人認(rèn)為原子不能再分割了?？茖W(xué)的進(jìn)展使人們不得不背離其原義把它看作是可分的東西。第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三科學(xué)原子論的誕生

“科學(xué)原子論之父”道耳頓將拉瓦錫、玻意耳的研究成果同原子論相結(jié)合，形成科學(xué)理論：有多少種不同的化學(xué)元素就有多少種不同的原子；同一種元素的原子在質(zhì)量、形態(tài)等方面完全相同；查清原子的相對重量以及組成一個(gè)化合物“原子”的基本原子的數(shù)目極為重要。1803年10月下旬道爾頓發(fā)表了第一張包括十四種元素在內(nèi)的原子相對質(zhì)量表。第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三科學(xué)原子論確立后，定量化學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了一系列元素的發(fā)現(xiàn)。1869年，門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期表。據(jù)此可以對元素的特性進(jìn)行判斷、預(yù)測新元素的存在等等。此后對微觀世界中原子的研究進(jìn)入了科學(xué)的軌道。第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三重要的發(fā)現(xiàn)天然放射性的發(fā)現(xiàn)（1896年貝克勒爾）

——暗示出原子也存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)電子的發(fā)現(xiàn)（1897年湯姆遜）

——明確地揭示了原子是可分割的第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三三、20世紀(jì)以來的研究情況揭示出原子是可變、可分割的。原子由質(zhì)子、中子、電子組成，質(zhì)子、中子則由更小的粒子組成?；玖Ｗ拥男再|(zhì)不同，且能相互結(jié)合組成較穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。原子間通過交換一定的組分——如電子而形成分子。所有這些過程都受著已知的力學(xué)和電磁定律的支配?；玖Ｗ涌梢赞D(zhuǎn)化為輻射，反之亦然。在組成更大的單元時(shí)，基本粒子未必保持自身不變。第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三至此，人們已經(jīng)掌握了原子是由電子、質(zhì)子和中子組成的。到1947年人們一共發(fā)現(xiàn)了包括反質(zhì)子、反中子在內(nèi)的14種基本粒子。其中，電子、質(zhì)子和中子構(gòu)成一切穩(wěn)定的物質(zhì)；光子是電磁力的傳遞者；介子是核力的傳遞者。這一時(shí)期發(fā)現(xiàn)的基本粒子常被稱為第一代基本粒子。第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三50年代初，一些大型加速器陸續(xù)建成，使人們利用加速器所加速的粒子來轟擊原子核，以研究許多“生的快，死得慢”特點(diǎn)的奇異粒子。到1964年人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一批奇異粒子，這些奇異粒子統(tǒng)稱為“第二代粒子”。到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探測器的迅速發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)上也發(fā)現(xiàn)了快衰變粒子，其衰變屬強(qiáng)作用衰變。這些壽命短的粒子被稱為“共振態(tài)粒子”，也稱“第三代粒子”。由于它們的出現(xiàn)，使粒子種類猛增到上百。第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三在粒子物理學(xué)的深層次探索活動中，粒子加速器、探測手段、數(shù)據(jù)記錄和處理以及計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用不斷發(fā)展，既帶來粒子物理本身的進(jìn)展，也促進(jìn)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；粒子物理所取得的豐碩成果已經(jīng)在宇宙演化的研究中起著重要的作用。人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識達(dá)到了前所未有的深度。第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)奇妙的微觀世界一、微觀粒子的基本性質(zhì)質(zhì)量壽命電荷自旋大小粒子與反粒子第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三四種力控制著世界一切事物的狀態(tài)、運(yùn)動和變化二、基本粒子的相互作用----粒子鑄成物質(zhì)世界的全部力量。萬有引力---重力，支配宇觀世界的一種力電磁力—宏觀、微觀世界都存在強(qiáng)力---只在微觀世界—粒子領(lǐng)域里才表現(xiàn)

弱力---只在微觀世界—粒子領(lǐng)域里才表現(xiàn)

第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三一、萬有引力:F=GMm/r2F=ma傳播介質(zhì)還未探測到。二、電磁力：帶電體之間互相產(chǎn)生一種作用力。帶有相同電荷的物體相互排斥，帶不同電荷的物體相互吸引。電和磁存在密切關(guān)系。電磁波的傳播速度是光速。傳播介質(zhì)是光子。第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三三、弱相互作用力弱相互作用是中子及其他粒子衰變成質(zhì)子、電子和反中微子時(shí)出現(xiàn)的，是由一種特殊的粒子即中間玻色子傳遞的。傳播介質(zhì)：中間玻色子第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三四、強(qiáng)相互作用力強(qiáng)相互作用力是夸克和反夸克粒子結(jié)合成強(qiáng)子，強(qiáng)度最大。強(qiáng)相互作用的傳播是夸克和反夸克粒子間通過交換膠子而產(chǎn)生的。傳播介質(zhì)是膠子。第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三作用比較強(qiáng)度比較作用范圍強(qiáng)作用1~10短程力電磁作用10-2長程力弱作用10-10~10-12短程力萬有引力10-39長程力第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三三、基本粒子的分類①規(guī)范粒子：即傳遞相互作用的媒介粒子。②輕子。只參與電磁作用和弱作用的粒子，至今已發(fā)現(xiàn)的輕子有三代，共6種，分別被稱為電子、電子中微子、μ子（謬）、μ子中微子、τ子（陶子）、τ子中微子及它們的反粒子共12種。③強(qiáng)子。直接參與強(qiáng)作用，也參與電磁作用和弱作用的粒子。第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三四、粒子的基本規(guī)律遵守的經(jīng)典物理規(guī)律是：1、能量守恒定律：由時(shí)間平移對稱引起。在低速情況下存在質(zhì)量守恒定律。2、動量守恒定律：由空間平移對稱引起。3、角動量守恒定律：由空間旋轉(zhuǎn)對稱引起。4、電荷守恒定律：由電磁規(guī)范對稱引起。第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三微觀世界的基本規(guī)律是：1、重子數(shù)守恒定律：在粒子轉(zhuǎn)化過程中，重子數(shù)不變。2、輕數(shù)守恒定律：在粒子轉(zhuǎn)化過程中，輕子數(shù)不變。3、奇異數(shù)守恒定律：在粒子強(qiáng)作用過程中，奇異數(shù)不變。注意：在弱作用中可以不守恒。4、同位旋守恒定律：在粒子強(qiáng)作用過程中，同位旋不變。注意：在弱作用和電磁作用中可以不守恒。5、宇稱守恒定律：第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三五、物質(zhì)的形態(tài)物質(zhì)的氣體狀態(tài)物質(zhì)的液體狀態(tài)物質(zhì)的固定狀態(tài)等離子態(tài)超固體狀態(tài)第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三物質(zhì)的氣體狀態(tài)氣體分子在做無規(guī)則運(yùn)動時(shí)，他們之間沒有固定的平衡位置和一定的間距，可以向各個(gè)方向擴(kuò)散。我們把物質(zhì)所處的這種狀態(tài)稱為氣體狀態(tài)，也稱氣體。氣體的基本特征是擴(kuò)散性和可壓縮性。氣體分為理想氣體和真實(shí)氣體第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三氣態(tài)（gas）有流動性，沒有固定的形狀和體積，能自動地充滿任何容器；容易壓縮；物理性質(zhì)各向同性。氣態(tài)物質(zhì)分子或原子運(yùn)動更劇烈，“類晶區(qū)”不存在。由于分子或原子間的距離增大，它們之間的引力可以忽略，因此氣態(tài)時(shí)主要表現(xiàn)為分子或原子各自的無規(guī)則運(yùn)動。第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三液態(tài)（liquid）沒有一定形狀，具有流動性和一定的體積，不易壓縮。物理性質(zhì)“各向同性”（不同方向上物理性質(zhì)相同）類晶區(qū)

液體內(nèi)部許多微小的區(qū)域內(nèi)存在類似晶體的結(jié)構(gòu)—分子排列近程有序。液體表面現(xiàn)象

由于液體分子間距小，分子間相互作用力較大，當(dāng)液體與氣體、固體接觸時(shí)，交界處由于分子力作用而產(chǎn)生一系列特殊現(xiàn)象第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三固態(tài)（solid）物理上的固態(tài)指“結(jié)晶態(tài)”，即晶體所具有的狀態(tài)。

物質(zhì)在固態(tài)時(shí)的特征是：有一定的體積和幾何形狀，在不同方向上物理性質(zhì)不同（各向異性），且具有一定的熔點(diǎn)。在固體內(nèi)部分子或原子有規(guī)則地、周期性地排列著，這種結(jié)構(gòu)稱為“空間點(diǎn)陣”結(jié)構(gòu)。第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三等離子狀態(tài)當(dāng)對物質(zhì)電離時(shí)，電子就會脫離原子或分子在空間自由運(yùn)動，失去電子的原子或分子就帶有正電荷成為正離子。等離子體就是帶正負(fù)電荷的粒子組成的氣體，凈電荷數(shù)等于零。第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三等離子態(tài)(plasma)氣體在約幾百萬度的極高溫或在其它粒子強(qiáng)烈碰撞下所呈現(xiàn)出的物態(tài)，這時(shí)電子從原子中游離出來而成為自由電子氣體。等離子體就是一種被高度電離的氣體，但它又處于與“氣態(tài)”不同的“物態(tài)”，稱為“電漿”極光、閃電、太陽第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三超固體狀態(tài)當(dāng)物質(zhì)在高溫高壓下時(shí)，物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)被破壞，原子核外的電子被擠壓到原子核范圍內(nèi)，這時(shí)物質(zhì)稱為超固態(tài)。第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三超固態(tài)(supersolid)在140萬大氣壓下，物質(zhì)的原子就可能被“壓碎”。電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體裸露的原子核緊密地排列，物質(zhì)密度極大，即超固態(tài)。一塊乒乓球大小的超固態(tài)物質(zhì)，其質(zhì)量至少在1000噸以上。超固態(tài)可以（在保持形狀的情況下）完全無摩擦運(yùn)動第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三六、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，從廣義上講，在于探討宇宙萬物各個(gè)層次的構(gòu)成和變化的規(guī)律。對于宇宙，從大的方面說，在太陽系外面，還有千千萬萬個(gè)太陽系，在銀河系外面，還有千千萬萬個(gè)銀河系，它是無窮無盡的；從小的方面說，也是無窮無盡的，物質(zhì)一般由分子組成，分子又由各種原子組成，原子里面又分為原子核和電子，原子核里面又分為質(zhì)子和中子，最新的研究表明，質(zhì)子和中子（統(tǒng)稱為核子）是由所謂夸克組成的?，F(xiàn)在人們還無法把夸克從核子里面解放出來。現(xiàn)在知道有5個(gè)層次：分子一原子一原子核一核子（質(zhì)子和中子）一夸克。

第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究與高技術(shù)1、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究與其他學(xué)科2、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究與高技術(shù)3、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所面臨的挑戰(zhàn)第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三1、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究與其他學(xué)科物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究是與其他學(xué)科的發(fā)展交融在一起的，它們相互滲透、相互影響，并形成了一些新的分支學(xué)科。第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三2、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究與高技術(shù)（1）研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的得力工具。是高能粒子加速器和粒子探測器。形形色色的粒子是通過它們來產(chǎn)生和進(jìn)行研究的。①高能粒子加速器

–粒子加速器和粒子對撞機(jī)②粒子探測器

第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三粒子加速器是用人工方法產(chǎn)生高速帶電粒子的裝置。日常生活中常見的粒子加速器有用於電視的陰極射線管及X光管等設(shè)施。是探索原子核和粒子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用的重要工具，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)技術(shù)等方面也都有重要而廣泛的實(shí)際應(yīng)用。第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三世界上最大的粒子對撞機(jī)第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三美費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了奇異的新粒子第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三大型強(qiáng)子對撞機(jī)的模擬事件第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三（2）物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的技術(shù)應(yīng)用粒子物理的發(fā)展又為相應(yīng)的工業(yè)技術(shù)發(fā)展提供了機(jī)會，促進(jìn)了它們在廣泛的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用。粒子加速器在基礎(chǔ)研究、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、檢測分析等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。

第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三（3）輻射技術(shù)的應(yīng)用低能加速器的應(yīng)用—醫(yī)院放療加速器中能加速器的應(yīng)用---工業(yè)輻照加工、放射治療和易用同位素的生產(chǎn)高能加速器的應(yīng)用--第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三低能加速器的應(yīng)用是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支，目前，在世界各地運(yùn)行著的數(shù)千臺加速器中大多數(shù)是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的低能加速器。低能加速器在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地改變了這些領(lǐng)域的面貌，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三低能加速器的應(yīng)用1、輻照加工

應(yīng)用加速器產(chǎn)生的電子束或X射線進(jìn)行輻照加工已成為化工、電力、食品、環(huán)保等行業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝，是一種新的加工技術(shù)工藝。它廣泛應(yīng)用于聚合物交聯(lián)改性、涂層固化、聚乙烯發(fā)泡、熱收縮材料、半導(dǎo)體改性、木材-塑料復(fù)合材料制備、食品的滅菌保鮮、煙氣輻照脫硫脫硝等加工過程。

經(jīng)輻照生產(chǎn)的產(chǎn)品具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，例如：聚乙烯電纜經(jīng)105Gy劑量輻照后，其電學(xué)性能、熱性能都有很大提高，使用溫度輻照前為60~70℃，輻照后長期使用溫度可達(dá)120℃以上。目前，我國已有用加速器進(jìn)行輻照加工的生產(chǎn)線40多條。第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三2、

無損檢測

無損檢測就是在不損傷和不破壞材料、制品或構(gòu)件的情況下，就能檢測出它們內(nèi)部的情況，判別內(nèi)部有無缺陷?，F(xiàn)代無損檢測的方法很多，例如：超聲波探傷法、渦流探傷法、熒光探傷法及射線檢測法等。射線檢測法即可檢查工件表面又可檢查工件內(nèi)部的缺陷。設(shè)備可以采用放射性同位素Co60產(chǎn)生的γ射線、X光機(jī)產(chǎn)生的低能X射線和電子加速器產(chǎn)生的高能X射線。第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三尤其是探傷加速器的穿透本領(lǐng)和靈敏度高，作為一種最終檢查手段或其它探傷方法的驗(yàn)證手段及在質(zhì)量控制中，在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應(yīng)堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗(yàn)中得到廣泛的應(yīng)用。這種探傷加速器以電子直線加速器為主要機(jī)型。第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三①射線照相法這種方法與我們體檢時(shí)拍X光膠片相似，射線接受器是X光膠片。探傷時(shí)，將裝有X光膠片的膠片盒緊靠在被檢工件背后，用X射線對工件照射后，透過工件的射線使膠片感光，同時(shí)工件內(nèi)部的真實(shí)情況就反映到膠片的乳膠上，對感光后的膠片進(jìn)行處理后，就可以清楚地了解工件有無缺陷以及缺陷的種類、位置、形狀和大小。第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三②.輻射成像法這種方法的射線接受器是陣列探測器或熒光增感屏。前者就是清華大學(xué)和清華同方共同研制生產(chǎn)的大型集裝箱檢查系列產(chǎn)品。后者就是用于機(jī)場、鐵路的行李、包裹的X射線安檢系統(tǒng)，也可用于工業(yè)的無損檢測。這種方法配以圖像處理系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)顯示物品內(nèi)部的真實(shí)情況。第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三③工業(yè)CT與醫(yī)用CT原理類似，CT技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助層析成像技術(shù)。選用加速器作為X射線源的CT技術(shù)是一種先進(jìn)的無損檢測手段，主要針對大型固體火箭發(fā)動機(jī)和精密工件的檢測而發(fā)展起來。它的密度分辨率可達(dá)0.1%，比常規(guī)射線技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級。在航天、航空、兵器、汽車制造等領(lǐng)域精密工件的缺陷檢測、尺寸測量、裝配結(jié)構(gòu)分析等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三中能加速器的應(yīng)用---工業(yè)輻照加工、放射治療和醫(yī)用同位素的生產(chǎn)工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛，如工業(yè)輻照加速器可以進(jìn)行高分子材料的交聯(lián)改性，還可以生產(chǎn)復(fù)合材料以及實(shí)現(xiàn)食品的保鮮、殺菌及防腐。醫(yī)學(xué)上將加速器中生成的電子束、質(zhì)子束、X射線及中子束用于癌癥的治療。加速器還可用于醫(yī)用放射性同位素的生產(chǎn)及醫(yī)用品的消毒。第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三高能直線加速器中大功率束調(diào)管技術(shù)的發(fā)展，推動了大功率發(fā)射管技術(shù)的不斷提高，為電子通訊事業(yè)立下了汗馬功勞。第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三同步輻射同步輻射是加速器應(yīng)用技術(shù)中最具有發(fā)展前途的一種。同步輻射指的是在加速器中，電子在儲存環(huán)中作曲線運(yùn)動時(shí)沿切線方向向前發(fā)出的電磁波。從20世紀(jì)60年代開始對其加以利用，至今已形成一門興旺的應(yīng)用學(xué)科。第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三我國已成功地將軟X射線運(yùn)用于考古領(lǐng)域。例如，《上虞圖》就是通過軟X射線攝像復(fù)原了經(jīng)多次裝裱后已不清晰的各個(gè)朝代的印章；清代的黑漆彩繪盤也是通過軟X射線攝像發(fā)現(xiàn)其環(huán)紋下還隱藏著另一幅畫。載入，西漢的彩繪云紋花瓶，也是用同樣方法發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于商標(biāo)的圖案。第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三目前同步輻射光源已應(yīng)用于生物學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域，也應(yīng)用到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的制造加工上。現(xiàn)在，該項(xiàng)技術(shù)正想著更廣泛深入地應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行探索。第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三人工放射性的發(fā)現(xiàn)與同位素人工放射性的發(fā)現(xiàn)同位素放射性與放射性同位素第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三人工放射性的發(fā)現(xiàn)1934年，法國約里奧-居里夫婦用粒子轟擊鋁，產(chǎn)生了一個(gè)磷的同位素，但很快放出正電子蛻變?yōu)楣?。伊倫·約里奧-居里(IrèneJoliot-Curie)第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三同位素如果兩個(gè)原子質(zhì)子數(shù)目相同，但中子數(shù)目不同，則他們?nèi)杂邢嗤脑有?，在周期表是同一位置的元素，所以兩者就叫同位素。有放射性的同位素稱為“放射性同位素”,沒有放射性的則稱為“穩(wěn)定同位素”，并不是所有同位素都具有放射性。大多數(shù)的天然元素都是由幾種同位素組成，目前已知穩(wěn)定同位素約300多種，而放射性同位素竟達(dá)1500種以上.一般來說，原子質(zhì)量很高的金屬，像钚、鈾、銫、鐳等，都具有較強(qiáng)的放射性。在化學(xué)元素周期表中，錒系和鑭系元素以及鈾以后的元素全部帶有放射性。另外某些原子質(zhì)量小的同位素也帶有放射性，如碳14、鈷60。第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三放射性同位素的特點(diǎn)

放射性同位素是不穩(wěn)定的，它會“變”。放射性同位素的原子核很不穩(wěn)定，會不間斷地、自發(fā)地放射出射線，直至變成另一種穩(wěn)定同位素，這就是所謂“核衰變”。放射性同位素在進(jìn)行核衰變的時(shí)候，可放射出α射線、β射線、γ射線和電子俘獲等，但是放射性同位素在進(jìn)行核衰變的時(shí)候并不一定能同時(shí)放射出這幾種射線。核衰變的速度不受溫度、壓力、電磁場等外界條件的影響，也不受元素所處狀態(tài)的影響，只和時(shí)間有關(guān)。第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三放射性同位素衰變的快慢，通常用“半衰期”來表示。半衰期即一定數(shù)量放射性同位素原子數(shù)目減少到其初始值一半時(shí)所需要的時(shí)間。如P(磷)－32的半衰期是14.3天，就是說，假使原來有100萬個(gè)P(磷)－32原子，經(jīng)過14.3天后，只剩下50萬個(gè)了。半衰期越長，說明衰變得越慢，半衰期越短，說明衰變得越快。半衰期是放射性同位素的一特征常數(shù)，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰變的時(shí)候放射出射線的種類和數(shù)量也不同。第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三射線與物質(zhì)的相互作用

放射性同位素放射出的射線碰到各種物質(zhì)的時(shí)候，會產(chǎn)生各種效應(yīng)，它包括射線對物質(zhì)的作用和物質(zhì)對射線的作用兩個(gè)相互聯(lián)系的方面。例如，射線能夠使照相底片和核子乳膠感光；使一些物質(zhì)產(chǎn)生熒光；可穿透一定厚度的物質(zhì)，在穿透物質(zhì)的過程中，能被物質(zhì)吸收一部分，或者是散射一部分，還可能使一些物質(zhì)的分子發(fā)生電離；

第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三另外，當(dāng)射線輻照到人、動物和植物體時(shí)，會使生物體發(fā)生生理變化。射線與物質(zhì)的相互作用，對核射線來說，它是一種能量傳遞和能量損耗過程，對受照射物質(zhì)來說，它是一種對外來能量的物理性反應(yīng)和吸收過程。第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三地球上最明亮的伽馬射線

2011年9月，英國斯特拉斯克萊德大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科研小組日前制造出一束地球上最明亮的伽馬射線——比太陽亮1萬億倍。這將開啟醫(yī)學(xué)研究的新紀(jì)元。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)超短激光脈沖可以和電離氣體發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生一束極其強(qiáng)大的激光，它甚至可以穿透20厘米厚度的鉛板，要用1.5米厚的混凝土墻才能徹底屏蔽它。這種超強(qiáng)激光射線有諸多用途，其中包括醫(yī)學(xué)成像，放射性療法，以及正電子放射斷層造影術(shù)(PET)掃描。同時(shí)這種射線源還可以被用來監(jiān)視密封存放的核廢料是否安全。另外，由于這種激光脈沖極短，持續(xù)時(shí)間僅1千萬億分之一秒，快到足以捕獲原子核對激發(fā)的反應(yīng)，這就使它非常適合用于實(shí)驗(yàn)室中的原子核研究。第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三γ射線的波長非常短，頻率高，因此具有非常大的能量。高能量的γ射線對人體的破壞作用相當(dāng)大，當(dāng)人體受到γ射線的輻射劑量達(dá)到200－600雷姆時(shí)，人體造血器官如骨髓將遭到損壞，白血球嚴(yán)重地減少，內(nèi)出血、頭發(fā)脫落，在兩個(gè)月內(nèi)死亡的概率為0－80%；當(dāng)輻射劑量為600－1000雷姆時(shí)，在兩個(gè)月內(nèi)死亡的概率為80－100%；當(dāng)輻射劑量為1000－1500雷姆時(shí)，人體腸胃系統(tǒng)將遭破壞，發(fā)生腹瀉、發(fā)燒、內(nèi)分泌失調(diào)，在兩周內(nèi)死亡概率幾乎為100%；當(dāng)輻射劑量為5000雷姆以上時(shí)，可導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到破壞，發(fā)生痙攣、震顫、失調(diào)、嗜眠，在兩天內(nèi)死亡的概率為100%。二是γ射線的穿透本領(lǐng)極強(qiáng)。γ射線是一種殺人武器第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三放射性與放射性同位素的應(yīng)用工業(yè)同位素示蹤放射性同位素電池同位素監(jiān)控儀表輻射加工技術(shù)應(yīng)用示蹤技術(shù)應(yīng)用植物育種技術(shù)昆蟲輻射不育食品輻照保藏基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究核醫(yī)學(xué)臨床診斷核技術(shù)放射治療醫(yī)用輻射滅菌消毒水文勘測核測井技術(shù)淡化海水研究輻照技術(shù)與環(huán)境保護(hù)考古研究打擊走私和反恐怖斗爭反恐電子束輻照滅菌加速器第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三1.射線照相技術(shù)，可以把物體內(nèi)部的情況顯示在照片上。2.測定技術(shù)方面的應(yīng)用，古生物年齡的測定，對生產(chǎn)過程中的材料厚度進(jìn)行監(jiān)視和控制等。3.用放射性同位素作為示蹤劑。4.用放射性同位素的能量，作為航天器、人造心臟能源等。5.利用放射性同位素的殺傷力，轉(zhuǎn)惡為善，治療癌癥、滅菌消毒以及進(jìn)行催化反應(yīng)等。第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三利用它的射線放射性同位素也能放出α射線、β射線和r射線．α射線由于貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，可以用來檢查金屬內(nèi)部有沒有沙眼或裂紋，所用的設(shè)備叫α射線探傷儀.α射線的電離作用很強(qiáng)，可以用來消除機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電．生物體內(nèi)的脫氧核糖核酸)承載著物種的遺傳密碼，但是DNA在射線作用下可能發(fā)生突變，所以通過射線照射可以使種子發(fā)生變異，培養(yǎng)出新的優(yōu)良品種．射線輻射還能抑制農(nóng)作物害蟲的生長，甚至直接消滅害蟲．人體內(nèi)的癌細(xì)胞比正常細(xì)胞對射線更敏感，因此用射線照射可以治療惡性腫瘤，這就是醫(yī)生們說的“放療”．

第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三碳-14測年法原理自然界中的C14由宇宙射線與大氣中的氮通過核反應(yīng)產(chǎn)生。C14存在于大氣中，隨著生物體的吸收代謝，經(jīng)過食物鏈進(jìn)入活的動物或人體等一切生物體中。C14一面生成，一面衰變，使C14在自然界中的含量與C12的含量的相對比值基本保持不變。生物體死亡后，新陳代謝停止，由于C14的不斷衰變，體內(nèi)C14和C12含量的相對比值相應(yīng)不斷減少。通過對生物體出土化石中C14和C12含量的測定，就可以準(zhǔn)確算出生物體死亡（即生存）的年代。

第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三碳-14測年法C14的半衰期

5730年C14的適合測定的年份范圍

五百年以前~三萬年以內(nèi)C14的應(yīng)用實(shí)例

我國對樓蘭女尸、羅布泊紙的年代鑒定兵馬俑第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三偽畫鑒定1945年,盟軍收復(fù)比利時(shí)之后，發(fā)現(xiàn)三流荷蘭畫家H.A.VANMeegeren通過一位銀行家將著名的十七世紀(jì)荷蘭畫家JANVermeer的油畫："WomanTakeninAdultery"出售給納粹頭目戈林的中間人。1945年5月29日VANMeegeren被控通敵罪名而被捕入獄。同年他聲稱該畫與其它5幅畫都是他自己所偽造的。為了證實(shí)這個(gè)問題，組成了一個(gè)由著名化學(xué)家、物理學(xué)家和藝術(shù)史家參加的國際項(xiàng)目小組，利用化學(xué)分析、X光探測技術(shù)等多種方法研究畫面及其顏料成分，最后宣布，該畫確是贗品。但是仍有許多人拒絕相信此結(jié)論。第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三偽畫鑒定1967年美國CarnegieMellon大學(xué)的科學(xué)家們進(jìn)行了這項(xiàng)研究。他們利用測量作畫用顏料中鉛210與鐳226放射性衰變率的大小及其接近程度判斷油畫的年代。鉛210的半衰期為22年鐳226的半衰期為1620年鐳226→鉛210鉛210→釙210通過鑒定確認(rèn)，只有《織花邊的女人》和《微笑的少女》兩幅是真跡。第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三打擊走私和反恐怖斗爭利用鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)可有效打擊利用集裝箱走私貨物、販賣毒品、偷運(yùn)武器和爆炸物等詐騙和恐怖主義活動。當(dāng)集裝箱通過時(shí)，鈷-60發(fā)出的γ射線被準(zhǔn)直器約束成扇形片狀窄束，穿過集裝箱到達(dá)探測器。探測器將接收到的γ射線