原子核物理-課件

第十三章原子核物理（NuclearPhysics

）ThebasicpropertiesofnucleusThedecaytypeoftheatomicnucleus

Thenucleardecaylaw

TheinteractionsbetweenrayandmatterRadiationdoseandprotection

1PPT課件教學(xué)大綱要求

1.了解原子核的基本性質(zhì)和原子核的衰變過程。

2.理解原子核的質(zhì)量虧損及結(jié)合能概念。

3.掌握原子核的衰變類型。

4.掌握原子核的衰變規(guī)律。

5.掌握半衰期及活度概念。2PPT課件原子的構(gòu)成中子質(zhì)子3PPT課件第一節(jié)

原子核的基本性質(zhì)（Thebasicpropertiesofnucleus

）質(zhì)子中子原子核帶單位正電荷e=1.602×10-19C質(zhì)量數(shù)為1(mp=1.623×10-27kg=1836.1me）

核質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)=原子序數(shù)不帶電

質(zhì)量數(shù)為1(mn=1.675×10-27kg=1838.6me）中子數(shù)=核質(zhì)量數(shù)－質(zhì)子數(shù)(原子序數(shù))一、原子核的組成與符號表示：原子核是由質(zhì)子（proton）和中子（neutron）組成。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子（nucleon）。質(zhì)子與中子可以互變。4PPT課件*

原子核的符號表示法：原子核質(zhì)量數(shù)

元素符號原子序數(shù)

這一符號表達(dá)了原子核的兩大特征：質(zhì)量和電量。5PPT課件*核素、同位素：核素：具有相同的Z值，A值和能量狀態(tài)的一類原子稱為同一種核素。比如：同位素：具有相同的Z值而A值不同的一類核素稱為同位素。同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì).比如：

氧的三種同位素

氫的三種同位素6PPT課件*同量異位素：具有相同A值而Z值不同的核素。*同質(zhì)異能素：具有相同A值和Z值但能量狀態(tài)不同的核素。基態(tài)激發(fā)態(tài)0.14260.14050.000099Tcm(氬)(鈣)(锝)表示：比如:7PPT課件二、

原子核的性質(zhì)1、原子核的大小和密度*原子核的形狀和大小：近似為半徑R的球體（重核呈橢球體）

R=R0A

1/3

R0=1.210-15m*原子核的平均密度：

=2.31017kg.m-3(地球平均密度=6103kg.m-3

）8PPT課件3、核能級。

核力屬于短程力，其作用范圍：10-15m核力是一種強相互作用。核力具有飽和性。核力與電荷無關(guān)。

原子核可以處于不同的能量狀態(tài)且可發(fā)生核能級間的躍遷。特征2、核力：核子間強相互作用力，稱為核力。9PPT課件三、原子核的結(jié)合能和質(zhì)量虧損1、原子核的結(jié)合能*核子結(jié)合成原子核時釋放的能量，稱為原子核的結(jié)合能。*釋放的能量越多，結(jié)合就越緊密，原子核就越穩(wěn)定。例子：2H（氘核）的結(jié)合能（2.22MeV）+P（質(zhì)子）n（中子）2H（氘核）釋放能量為2.22MeV的一個光子（反之亦然）10PPT課件2、原子核的質(zhì)量虧損（massdefect）。*原子核的靜質(zhì)量比組成它的核子的靜質(zhì)量總和要小一些，這樣減少的質(zhì)量（m）稱為質(zhì)量虧損。*

質(zhì)量虧損（m)的計算：m=mi-m*質(zhì)量虧損的原因：由質(zhì)能公式

E=c2m

知，釋放的能量變化（E）相當(dāng)于一定的質(zhì)量變化（m）。(各個核子的靜質(zhì)量總和）(原子核的靜質(zhì)量)11PPT課件*

微觀粒子的能量單位稱為（統(tǒng)一）原子質(zhì)量單位（atomicmassunit,unified）,以u表示。3.原子質(zhì)量單位（atomicmassunit）：*

一個原子質(zhì)量單位等于12C原子質(zhì)量的1/12；

即1u=1.660610-27kg*用u為質(zhì)量單位，用MeV為能量單位表示的質(zhì)能公式：

1u931.5MeVm(u)

=1.073510-3E(MeV)E(MeV)=931.5m(u)或C212PPT課件四、原子核的穩(wěn)定性*平均結(jié)合能：=E/A平均結(jié)合能表示的松緊程度：(圖13-1平均結(jié)合能曲線）13PPT課件3、重核（質(zhì)量數(shù)A200）：較小，原子核結(jié)合較松；

其中A209的核都是放射性核素。*中等核比重核和輕核都穩(wěn)定。由此知道獲得核能的兩種途徑：輕核聚變和重核裂變。1、輕核（質(zhì)量數(shù)A30）：

較小，原子核結(jié)合較松（除偶偶核外）2、中等核（質(zhì)量數(shù)A

為40~120）：較大，原子核結(jié)合較緊。14PPT課件*

輕核聚變：

輕核聚合成較重的原子核，會釋放出大量的能量。*

重核裂變：

重核分裂成兩個中等核，會釋放出大量的能量。例子

鈾核裂變及其鏈?zhǔn)椒磻?yīng):慢中子轟擊235鈾核時，會分裂成兩個質(zhì)量大致相等的中等核和1-3個中子，并釋放出大量的能量；新的中子又引起其他鈾核裂變。這種核反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行下去。原子彈（我國1964年）和原子反應(yīng)堆（我國1958年）例子

氘核聚變及其熱核反應(yīng)：在極高溫度（108K）下，氘核高速運動相互碰撞而發(fā)生大量聚合，單位質(zhì)量氘核聚變釋放能量是單位質(zhì)量鈾核裂變釋放能量的4倍左右。應(yīng)用

氫彈（我國1967年）和太陽能源15PPT課件原子彈的基本構(gòu)造

110秒蘑菇云37秒對流風(fēng)

11秒振波0秒爆炸16PPT課件原子彈爆炸

氫彈

美國50年代研制出的第一顆航空投擲型氫彈－MK17型氫彈核電站17PPT課件“LittleBoy”原子彈的照片18PPT課件第二節(jié)

原子核的衰變類型

*

核衰變過程嚴(yán)格遵守如下守恒定律：

質(zhì)量和能量守恒定律，動量守恒定律，電荷守恒定律，核子數(shù)守恒定律.

*核衰變:放射性核素能自發(fā)放出射線變?yōu)榱硪环N核素的現(xiàn)象，稱為核衰變（nucleardecay）.*衰變能:按照質(zhì)能關(guān)系，核衰變前后的靜止質(zhì)量的差值，轉(zhuǎn)變?yōu)楹怂プ儠r釋放的能量，稱為衰變能。（decayenergy）,記為Q。

19PPT課件一.α衰變

A值超過209的重核發(fā)射核（也稱為粒子），而衰變?yōu)锳值較小的原子核。稱這種衰變?yōu)樗プ?decay)。*衰變式：

*位移法則：子體核在元素周期表中位于母體核前兩位。*子體核可處于激發(fā)態(tài),所以有γ射線和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子伴隨射線發(fā)射出來。1(5.5%)2(94.45%)0.1860.000(鐳)(氡)20PPT課件21PPT課件二、β衰變

中子過多的原子核發(fā)射電子（也稱β-粒子：

)，這種衰變過程叫做β-衰變.1.β-衰變(β-decay)：*衰變的實質(zhì)：*衰變式：（反中微子）*位移法則：子體核在元素周期表中位于母體核后一位。*子體核處于激發(fā)態(tài)；所以有γ射線和反中微子射線伴隨β射線發(fā)射出來。0.14260.0000β(81%)(鉬)(锝)22PPT課件2.β+衰變(β+decay):有些中子過少的原子核，當(dāng)其基態(tài)能量較大時，質(zhì)子發(fā)射正電子（也稱為β+粒子：

)；這種衰變方式稱為β+衰變.*衰變的實質(zhì)：*衰變式：*位移法則：子體核在元素周期表中位于母體核前一位。*子核可以處于激發(fā)態(tài)；所以有γ射線伴隨β+射線發(fā)射。*

β+粒子與電子結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)殡p光子(能量各為0.511MeV)發(fā)出。0.5460.0000.378EC(43%)β+(57%)1.022MeV(鐵)(錳)（中微子）23PPT課件β-衰變β+衰變24PPT課件

在中子過少的原子核內(nèi)部，質(zhì)子可以俘獲一個核外電子，發(fā)射一個中微子而轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱贿@個衰變過程稱為電子俘獲.3.電子俘獲（electroncapture；EC）：*衰變式：（中微子）*位移法則：子體核在元素周期表中位于母體核前一位。*子體核發(fā)出標(biāo)識X射線。探測電子俘獲的基礎(chǔ)。0.6470.0000.392EC(1.7%)EC(98.2%)(錫)(銦)25PPT課件

從某種核素放出的粒子，其能量不象衰變和輻射那樣只有一種或幾種特定的數(shù)值，而是具有各種能量，能量的分布是連續(xù)的。如圖所示：粒子數(shù)

N粒子動能

E峰值26PPT課件三.

衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換*衰變(decay):射線是從原子核內(nèi)發(fā)出的高能量光子流。原子核激發(fā)態(tài)的能級通過發(fā)出射線的衰變方式稱為衰變.例子：99Tc的衰變。*內(nèi)轉(zhuǎn)換(internalconversion)：原子核激發(fā)態(tài)的能級也可直接傳遞給核外內(nèi)層電子，使電子從原子中飛出；結(jié)果使原子發(fā)出標(biāo)識X射線?；鶓B(tài)激發(fā)態(tài)能級（MeV)0.18110.14260.1405射線0.000099Tcm27PPT課件28PPT課件第三節(jié)核衰變的規(guī)律*衰變定律：不穩(wěn)定核素的衰變率與現(xiàn)有的原子核個數(shù)N成正比，即：一、衰變定律*

自發(fā)過程遵循統(tǒng)計規(guī)律；利用初始條件:t=0時，N=N0；對上式積分得到：*放射性物質(zhì)按指數(shù)規(guī)律衰減.29PPT課件二、衰變常數(shù)和半衰期

1、衰變常數(shù)λ

(decayconstant)

：單位：s-1物理意義：衰變常數(shù)λ越大的放射性核素，其衰變越快。2、半衰期T

（half-life）

：定義：半衰期是放射性核素減少一半所需的時間。表達(dá)式：

物理意義：半衰期越小的放射性核素，其衰變越快。衰變定律另一表式：30PPT課件3、平均壽命T*

定義：放射性核平均生存的時間注：上式為衰變常數(shù)、半衰期和平均壽命三者的關(guān)系31PPT課件在核醫(yī)學(xué)中,采用放射性物質(zhì)做生物機體示蹤劑.進(jìn)入機體的放射性核素除因自身衰變而減少外,還可以通過機體的代謝排除體外.生物機體排出放射性核素的規(guī)律近似服從衰變定律：生物半衰期Tb

(biologicalhalflife),生物衰變常量b(biological

decayconstant).生物機體內(nèi)放射性原子核的衰變定律：其中e=+b稱為有效衰變常量(effectivedecayconstant),它對應(yīng)的半衰期為有效半衰期Te(effectivehalflife).它與物理半衰期T和生物半衰期Tb的關(guān)系為4、有效半衰期Te32PPT課件三、放射性活度（radioactivity，

A）*

放射性活度的國際單位稱為貝可，記為Bq。

1