核物理和粒子物理

核物理和粒子物理第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六17.0概述

原子核物理學是研究原子核的結構、特性及其相互轉變的科學。從1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾原子的放射性和1911年盧瑟福提出原子核型結構之后，經(jīng)過大半個世紀的探索和研究，核理論和核技術得到了飛速的發(fā)展，導致了原子能和同位素的應用。在醫(yī)學上，放射性同位素已用于對疾病的診斷、治療和研究，形成了專門的學科---核醫(yī)學。第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六17.1原子核的基本性質17.1.1原子核的組成、質量和大小一、原子核(又稱為核素)的組成---由質子和中子組成。質子以p表示，帶正電，電量為，質量為，用原子質量單位表示為1.007276u；中子以n表示，不帶電，質量為，用原子質量單位表示為1.008665u.統(tǒng)稱為核子第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六二、原子核的表示---核素種類很多，通常表示為電荷數(shù)—是質子的個數(shù)，等于原子序數(shù)核素

質量數(shù)—是質子數(shù)和中子數(shù)的總和三、原子核的大小第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六四、同位素、同量異位素和同量異能素----質子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素叫同位素，在元素周期表中占據(jù)同一位置，化學性質相同。如----質量數(shù)相同而質子數(shù)不同的核素叫同量異位素，如----質量數(shù)和原子序數(shù)相同而處于不同能態(tài)的核素叫同質異能素，通常在元素符號右上角標以m，如五、核力---核子之間的相互作用力，不是電磁力，不是萬有引力，是短程力，是強吸引力，具有飽和性。第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六一、質量虧損---由質子和中子組成的原子核的質量小于質子和中子的質量和，二者之差稱為質量虧損。二、結合能---由相對論的質能關系知，質量變化有對應的能量變化，核子組成原子核時的質量虧損以能量形式放出，這個能量稱為結合能。結合能與核子總數(shù)之比稱為比結合能。(17-1)(17-2)1u的質量虧損對應931.5MeV的結合能17.1.3質量虧損和結合能第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六例17-1已知的原子質量為235.11700u，試計算其質量虧損、結合能、比結合能。解：原子核的質量等于原子質量減去電子質量，的

A=235，Z=92，電子有92個，所以它的質量為第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六17.2原子核的衰變類型核衰變---放射性核素自發(fā)地放射出某種射線而變?yōu)榱硪环N核素的現(xiàn)象。放射性核素分為天然放射性核素和人工放射性核素兩種。

----核衰變過程遵守電荷守恒、質量守恒、能量守恒、動量守恒和核子數(shù)守恒。

----核衰變有三種類型，衰變、衰變、躍遷和內轉換。第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六原子核放射出高速粒子流(射線)而衰變?yōu)榱硪环N原子核的過程。

-----粒子就是氦核(

)，由兩個質子和兩個中子組成。衰變前的原子核稱為母核(母體)，衰變后的原子核稱為子核(子體)。衰變的位移定則為

衰變能子核母核(17-3)在元素周期表中子核前移兩位17.2.1衰變

第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六原子核放射出高速電子流(射線)或高速正電子流(射線)或俘獲一個核外電子而衰變?yōu)榱硪环N原子核的過程。

-----粒子就是負電子(

)，粒子就是正電子(

)。1.衰變的位移定則為

衰變能子核母核(17-4)反中微子在元素周期表中子核后移一位17.2.2衰變

第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六2.衰變的位移定則為

衰變能子核母核(17-5)中微子在元素周期表中子核前移一位在元素周期表中子核前移一位3.電子俘獲的位移定則為

衰變能子核母核(17-6)中微子第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六處于激發(fā)態(tài)的放射性核素向低能態(tài)躍遷，有時不是放射出光子，而是把能量交給核外電子，使電子飛出，這種過程稱為內轉換。

當放射性核素處于激發(fā)態(tài)時，它將放射出光子(射線)并從激發(fā)態(tài)躍遷低能態(tài)或基態(tài)，這一過程稱為躍遷。射線是一種波長比X射線更短的電磁波，在衰變、衰變的過程中都伴有躍遷。躍遷屬于同質異能躍遷，子核和母核相同。躍遷可表示為(17-7)17.2.3躍遷和內轉換第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六(17-8)衰變常數(shù)—反映核素衰變的快慢(17-9)t時刻核的數(shù)目t=0時核的數(shù)目17.3.1衰變規(guī)律---對于某一個原子核，無法確定它何時衰變，對于數(shù)量很多的原子核，衰變情況符合統(tǒng)計規(guī)律。

t時刻有核N

個，在dt時間內因衰變而減少了–dN個。

–

dN與N、dt成正比整理并積分得17.3原子核的衰變規(guī)律第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六17.3.2半衰期

核的數(shù)目因衰變減少到原來的一半所經(jīng)歷的時間，用表示(17-10)兩邊取對數(shù)，得平均壽命---一個核在衰變前存在的時間叫這個核的壽命，個核在衰變前平均存在的時間叫這種核素的平均壽命，用表示。時間內有個核衰變，即這個核的壽命為，它們的總壽命為

.第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六將個核的壽命加起來除以，即得這種核素的平均壽命(17-11)平均壽命與半衰期的關系為生物半衰期和生物衰變常數(shù)---人體內的核素由于代謝而排泄出體外使核素的數(shù)目減少。第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

----單位時間衰變的原子核的數(shù)目，稱為放射源的放射性活度或放射性強度，用A

表示。(17-12)(17-13)放射性活度的SI制單位：貝克勒爾，用Bq表示。曾經(jīng)用17.3.5放射性活度(放射性強度)第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六例17-2已知鐳的半衰期為1600年，求它的衰變常數(shù)和1克鐳的放射性活度。解：由式(11-10)可得衰變常數(shù)為鐳的質量數(shù)為226，則1g

鐳的原子核的數(shù)目為原子核的個數(shù)與核素質量的關系第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六例17-3

放射性磷出廠時的放射性活度為，問一周后放射性活度還有多大？解：查表得，磷的半衰期為14.3天，由題知，由式(11-13)得第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六17.5輻射劑量與防護

高能射線通過物質時，能產(chǎn)生電離作用，稱為電離輻射。電離輻射會使物質發(fā)生變化，稱為輻射效應。生物體接受電離輻射產(chǎn)生的變化稱為生物效應，效應程度與它吸收的能量多少正相關。

劑量---表示人體接受電離輻射的量。第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六照射量表示進入被照射物質的輻射總量，通常以X射線和射線在單位質量空氣中產(chǎn)生的陽(或陰)離子電量表示其照射量。定義為(17-14)17.5.2吸收劑量被照射物質單位質量所吸收的輻射能量，稱為吸收劑量。定義為(17-15)單位為單位為Gy17.5.1照射量第二十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

對不同射線，生物體單位組織吸收同樣多的能量時，生物效應可以有很大差異，用相對生物效應(RBE)比較不同輻射引起的這種差異。射線種類及能量范圍QF

射線射線中子，能量<10eV100eV~2MeV2MeV~20MeV>20MeV質子，能量>2MeV

粒子，重核11520105520劑量當量---各種射線或粒子被吸收后引起生物效應的程度。定義為表11-3幾種射線的QF(11-16)射線的品質因數(shù)(輻射權重因子)單位為希沃特還有雷姆17.5.3劑量當量第二十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

一、最大容許劑量(MPD)---長期積累或一次性照射后對機體既無損害又無遺傳危害怕最大劑