原子核和放射性衰變

關(guān)于原子核和放射性衰變本節(jié)主要內(nèi)容1.4.1原子核的基本性質(zhì)1.4.2放射性衰變第2頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的成分質(zhì)子和中子A=Z+N許多元素有幾種不同的原子核，例如氫元素有三種原子核：(氕)；(氘)；(氚)。最近日本、俄羅斯合作制出氫的最重同位素－H5。同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同種元素的原子核。核素：質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)均相同，并且原子核處于同一能量狀態(tài)的原子。同位素的化學(xué)性質(zhì)完全相同(化學(xué)性質(zhì)取決于核外電子排列狀況，質(zhì)子數(shù)相同，表明核外電子的數(shù)量和排布規(guī)律完全相同)。第3頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的質(zhì)量

原子質(zhì)量：相對(duì)質(zhì)量 質(zhì)子質(zhì)量=1.007碳當(dāng)量 中子質(zhì)量=1.008碳當(dāng)量 電子質(zhì)量=1/1836質(zhì)子原子核質(zhì)量=Z(質(zhì)子數(shù))+N(中子數(shù))第4頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的半徑

原子核原子說(shuō)明原子內(nèi)大部分空間為空，原子核只占很小一部分。原子核半徑與質(zhì)量數(shù)A之間存在關(guān)系：其中為常數(shù)，值為第5頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的半徑密度 N=A/M—阿伏伽德羅常數(shù)。6.02×10^23第6頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的電荷、角動(dòng)量和磁矩原子核的電荷原子呈電中性(原子核所帶的正電荷必須與軌道電子所帶電荷相等，符號(hào)相反)。確定方法：原子序數(shù)原子核的角動(dòng)量和磁矩實(shí)驗(yàn)證明：原子核象陀螺一樣旋轉(zhuǎn)著。 帶電粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。第7頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的結(jié)合能

分析原子核的質(zhì)量可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：原子核的質(zhì)量<各組成部分的質(zhì)量和，即怎么解釋?zhuān)肯鄬?duì)論質(zhì)能關(guān)系 核子結(jié)合成原子核時(shí)，即有質(zhì)量的減少，表明在結(jié)合成原子核時(shí)釋放能量，所釋放的能量稱(chēng)為原子核的結(jié)合能。

注意：原子核的結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是把核子分開(kāi)所需要的能量。第8頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天核力原子核內(nèi)各核子之間的相互作用力，其性質(zhì)：短程力：只在相鄰核子之間發(fā)生作用，作用范圍在1.5×10-13cm之內(nèi)強(qiáng)相互作用力：在它的作用范圍內(nèi)，比庫(kù)侖力大100倍飽和性：一個(gè)核子能相互作用的其它核子數(shù)目是有限的。使得原子核和水一樣，呈現(xiàn)不可壓縮性，即原子核的密度近似為常數(shù)與電荷無(wú)關(guān)，質(zhì)子和中子都受到核力作用第9頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的穩(wěn)定性

原子核的穩(wěn)定性是指原子核不會(huì)自發(fā)地改變其質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和它的基本性質(zhì)。按原子核的穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定原子核和不穩(wěn)定(或放射性)原子核兩類(lèi)。其穩(wěn)定性與質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有關(guān)第10頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的穩(wěn)定性原子核的質(zhì)子數(shù)等于和大于84的原子核是不穩(wěn)定的。即原子序數(shù)84以后的元素均為放射性元素。具有少于84個(gè)質(zhì)子的原子核，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)時(shí)，其核穩(wěn)定。質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特別穩(wěn)定。這些數(shù)稱(chēng)為幻數(shù)。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是幻數(shù)，稱(chēng)為雙幻數(shù)核。中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比n／p，在Z＜20時(shí)n／p=1，原子核穩(wěn)定。隨著原子序數(shù)增加，n／p值增大，比值越大，穩(wěn)定性越差。第11頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4.2放射性衰變第12頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天天然放射性衰變1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾和含鈾礦物能發(fā)射出看不見(jiàn)的射線，這種射線可穿透黑紙使膠片感光，使氣體電離。居里夫婦:新的化學(xué)元素：釙(Po)和鐳(Ra)瑪麗·居里-成功分離鐳元素而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)貝克勒爾皮埃爾·居里

瑪麗·居里第13頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性有關(guān)概念放射性：物質(zhì)發(fā)射這種射線的性質(zhì)。放射性元素：具有放射性的元素。天然放射性元素：自然界存在的放射性元素。天然放射現(xiàn)象：放射性元素的原子核不穩(wěn)定，它們能自發(fā)發(fā)生蛻變，發(fā)射射線。人工放射性同位素：用質(zhì)子、中子或其他基本粒子作為炮彈轟擊原子核，改變核內(nèi)質(zhì)子或中子的數(shù)目，可人工制造新的同位素。第14頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性衰變基態(tài)(groundstate) 原子核可處于不同的能量狀態(tài)，平常情況下處于最低的狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)。激發(fā)態(tài)(excitedstate) 原子核在某些核反應(yīng)、核裂變及放射性衰變后仍處于高能狀態(tài)，稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。放射性衰變 不穩(wěn)定的原子核會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時(shí)放出射線，稱(chēng)為放射性衰變。第15頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性衰變方式衰變遵循規(guī)則：衰變前粒子的電荷總數(shù)和質(zhì)量總數(shù)與衰變后所有粒子的電荷總數(shù)和質(zhì)量總數(shù)相等。衰變衰變衰變第16頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天α衰變?cè)雍酸尫懦靓亮Ｗ拥乃プ冞^(guò)程：α粒子特點(diǎn) 穿透物體的能力很小，在空氣中也只能飛行幾個(gè)厘米，但具有很強(qiáng)的電離能力。第17頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天β衰變?cè)雍酸尫懦靓铝Ｗ?正電子、負(fù)電子)的衰變過(guò)程： 對(duì)

衰變： 對(duì)

+衰變：β粒子特點(diǎn) 具有較大的穿透能力，甚至可以穿透幾毫米厚的鋁，但電離作用較弱。第18頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天

衰變

放射性元素的核，經(jīng)過(guò)

衰變或

衰變后變成處于激發(fā)態(tài)的核，當(dāng)它返回正常態(tài)時(shí)將輻射

射線。屬于原子核能級(jí)躍遷

射線的特點(diǎn)波長(zhǎng)很短的電磁波穿透物體的能力很強(qiáng)，甚至可以穿透幾個(gè)厘米厚的鉛板它的電離作用卻很小第19頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天電子躍遷與原子核躍遷比較原子中處于激發(fā)態(tài)的電子躍遷到基態(tài)會(huì)輻射光子。比較 電子：軌道能級(jí)躍遷eV~keV 原子核：原子核能級(jí)躍遷MeV(不同數(shù)量級(jí))第20頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性衰變規(guī)律

對(duì)于由大量原子組成的放射源，每個(gè)原子核都可能發(fā)生衰變，但不是所有原子在同一時(shí)刻都發(fā)生衰變，某一時(shí)刻僅有極少數(shù)原子發(fā)生衰變。放射性核素衰變是隨機(jī)的、自發(fā)的按一定的速率進(jìn)行。每一個(gè)核在什么時(shí)候發(fā)生衰變是無(wú)法預(yù)測(cè)的，但大量的原子核其衰變過(guò)程遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第21頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性衰變規(guī)律規(guī)律：某一放射性物質(zhì)的衰變率是與當(dāng)時(shí)存在的原子核數(shù)目成正比。即若t時(shí)刻樣品中有N個(gè)核，在dt時(shí)間內(nèi)有dN個(gè)發(fā)生衰變 兩邊積分，并令時(shí)，，得到即放射性衰變基本定律，也是同位素地質(zhì)年代學(xué)的基本公式。第22頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天衰變常數(shù)λ表征衰變快慢的常數(shù)，取決于放射性物質(zhì)本身。物理意義： t時(shí)刻，每單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)與該時(shí)刻原子核總數(shù)的比。越大，衰變?cè)娇臁１硎驹吹南鄬?duì)衰變速度。第23頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性衰變特點(diǎn)衰變的方式和速率是由原子核本身決定與原子核所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)外界條件(如溫度、壓力等)也不能改變它的衰變方式和速率第24頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天半衰期描述放射性衰變的快慢放射性原子核數(shù)目因衰變減少到原來(lái)數(shù)目一半時(shí)所需的時(shí)間，用T1/2表示。

當(dāng)t=T1/2時(shí)，根據(jù)定義

第25頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天半衰期的應(yīng)用例：已知Co60放射性同位素的半衰期為5.3年，其衰變常數(shù)是多少？8年后其放射強(qiáng)度衰變到初始強(qiáng)度的百分之幾？第26頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性活度描述放射性源的放射性定義：放射性源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核的個(gè)數(shù)，單位是貝可(勒爾)。

1Bq=1/s物理意義：反映射線源的產(chǎn)生射線的強(qiáng)度常用單位為居里(Ci)1Ci=3.7×1010/s注意：活度不等于射線強(qiáng)度。對(duì)同一種放射性元素，活度大的源其射線強(qiáng)度也大，但對(duì)不同的放射性元素，不一定存在該關(guān)系。第27頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性活度比活度:射線源的活度和射線源的尺寸之比放射性活度亦遵從指數(shù)衰變規(guī)律A0—初始時(shí)刻(t=0)放射性物質(zhì)的活度；A—t時(shí)