原子物理第十四章 原子核課件

原子物理第十四章原子核第十四章原子核原子物理第十四章原子核核歷史——點滴瑪麗·居里以自己的勤奮和天賦，在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，都作出了杰出的貢獻，是唯一一位在兩個不同學(xué)科領(lǐng)域、兩次獲得諾貝爾獎的著名科學(xué)家。發(fā)現(xiàn)放射性元素釙(Po)和鐳(Ra)。第十四章原子核最早發(fā)現(xiàn)是一個名叫貝克勒爾的人。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，標志著原子核物理學(xué)的開端。因此他和居里夫婦共同獲得1903年的諾貝爾物理學(xué)獎。1952年10月31日，世界第一枚氫彈在太平洋馬紹爾群島一個環(huán)礁上成功爆炸，核當量高達1000萬噸，相當于700枚廣島原子彈，把一個直徑1.6公里的小島活生生地炸沒了，燃起火球直徑就超過了5公里。1967年6月17日，我國第一顆氫彈在羅布泊爆炸成功。1964年10月16日，中國第一次將原子核裂變的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。原子物理第十四章原子核☆原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)☆放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)☆放射性核素☆核磁共振

本章要點第十四章原子核原子物理第十四章原子核第一節(jié)原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)一、原子核的組成與質(zhì)量1.原子核的電荷數(shù)(nuclearcharge)Z:

原子序數(shù)(nuclearnumber)Z：2.核子(nucleon):

組成原子核的質(zhì)子和中子.原子質(zhì)量單位(atomicmassunit)u3.原子核的質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)A:

質(zhì)子(proton)：中子(neutron)：原子核的質(zhì)量的近似：原子物理第十四章原子核4.核素(nuclide)：一類具有確定的質(zhì)子數(shù)、核子數(shù)和能量狀態(tài)的中性原子稱為核素。用符號或。同位素(isotope)：同一種元素的核內(nèi)可以含有多種核子數(shù)，即它們具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同,它們在元素周期表占據(jù)同一位置,具有相同的化學(xué)性質(zhì)。如氫的同位素。同量異位素(isobar)：質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核數(shù)。如。同核異能素(isomer)：質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同而處在不同能量狀態(tài)的一類核數(shù)。如。同中子異位素(isotone)：中子數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核數(shù)。如。第一節(jié)原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)原子物理第十四章原子核1.質(zhì)量虧損(massdefect):2.結(jié)合能(bindingenergy):二、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能第一節(jié)原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)原子物理第十四章原子核3.比結(jié)合能(specificbindingenergy):物理意義：若把一個核子放入原子核里，則平均釋放能量

。反之若從核內(nèi)取出一個核子，則需要克服原子核對核子的引力平均做功

。因此，

越大，表示核子間結(jié)合得越緊密，

的大小可以作為核穩(wěn)定性的量度。自然界中各種核的結(jié)合能相差甚大，但比結(jié)合能卻相差不大,如下頁圖。重核裂變：原子彈、原子能反應(yīng)堆等輕核聚變：氫彈等第一節(jié)原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)原子物理第十四章原子核第一節(jié)原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)原子物理第十四章原子核1.原子核的大小:原子核的密度:核半徑比原子半徑小106倍。豌豆粒大小的核(~mm)，其原子半徑約為~km

。普通物質(zhì)的密度:三、原子核的基本性質(zhì)第一節(jié)原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)原子物理第十四章原子核核力：核子之間存在的一種短程強吸引力。（1）核力是一種短程力；（2）核力與電荷無關(guān)；（3）核力是具有飽和性的交換力。2.核力(nuclearforce)第一節(jié)原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)原子物理第十四章原子核第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)

有些核素的原子核是不穩(wěn)定的，能自發(fā)地放出由某些離子組成的射線后變?yōu)榱硪环N核素，這類核素稱為放射性核素。如鈾，钚等元素周期表中序數(shù)較大的元素。放射性，核衰變。衰變的類型

粒子：核

粒子：電子；

+粒子：正電子

光子：能量高于X射線守恒規(guī)律：電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量、動量和核子數(shù)。原子物理第十四章原子核第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核1.

衰變:(1)衰變：質(zhì)量數(shù)A>209的放射性核素自發(fā)地放射

射線而變成另一種核素的現(xiàn)象。(2)

衰變過程式:(3)

衰變位移法則：子核Y比母核X

電荷數(shù)減少2，核子數(shù)減少4，在元素周期表要前移2位。(4)衰變綱圖：一、放射性衰變第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核2.

衰變(2)

衰變：(3)

+衰變：(4)電子俘獲：(1)

衰變：放射性核素自發(fā)地放射

射線（高速電子）或俘獲軌道電子而變成另一種核素的現(xiàn)象。(5)俄歇電子(Augerelectron)：一個內(nèi)層電子被俘獲后，外層電子會立即填補這一空位，同時釋放能量。這個能量可以發(fā)射標識X射線的形式放出，也可以使另一外層電子電離成為自由電子。這種被電離的電子稱為俄歇電子。第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核(6)

能譜圖：由于

衰變過程中有中微子參與，衰變所放出的能量將在電子、中微子和子核之間任意分配，因此

射線的能譜是連續(xù)的。N

粒子動能EmaxE峰值

粒子數(shù)第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核(1)

衰變:

同核異能躍遷.(2)內(nèi)轉(zhuǎn)換:

在某些情況下,原子核從激發(fā)態(tài)向低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷時,不是通過放出光子,而是通過核外電子發(fā)生能量交換把能量交給電子,使其脫離原子的束縛成為自由電子——內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。(3)內(nèi)轉(zhuǎn)換過程中,由于釋放電子而在原子的內(nèi)殼層出現(xiàn)空位，外層電子將會填充這個空位而發(fā)射標識X射線或俄歇電子。3.

衰變與內(nèi)轉(zhuǎn)換第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核(4)衰變綱圖：第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核1.核衰變規(guī)律:

2.半衰期(halflife):積分得：

為衰變常數(shù)(decayconstant)：表示一個原子核單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。OtN123二、衰變規(guī)律第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核3．有效半衰期(effectivehalflifeperiod)4．平均壽命(meanlifetime)半衰期、平均壽命與衰變常數(shù)的關(guān)系：第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核5.放射性活度(radioactivity)單位：1Bq=1核衰變/秒

1Ci(居里)=3.7

1010Bq放射源單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的母核數(shù)，稱為放射性活度。第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核入射粒子靶核反沖核反應(yīng)能：Q=EY+Eb

Ea反應(yīng)后質(zhì)量虧損：

m=(mX+ma)

(mY+mb)反應(yīng)能：

E=

mc2，

m>0，放出能量；

m<0，吸收能量。三、人工核反應(yīng)(artificialnuclearreaction)第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核1.中子核反應(yīng)(n,

),(n,p),(n,

),(n,2n)2.質(zhì)子核反應(yīng)(p,

),(p,n),(p,

)3.氘核的核反應(yīng)(d,p),(d,n),(d,

),(d,3H),(d,2n)4.

粒子的核反應(yīng)(

,p),(

,n)5.光致核反應(yīng)(

,n)第二節(jié)放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)原子物理第十四章原子核照射劑量就是單位體積或單位質(zhì)量被照射物質(zhì)所吸收的能量；測量照射劑量主要依據(jù)在標準狀態(tài)下干燥空氣中測量輻射產(chǎn)生的電離效應(yīng)，即測量X射線和

射線在單位質(zhì)量空氣中產(chǎn)生的正（或負）離子電量來表征X射線和

射線的照射量。單位：C/kg或倫琴(R)；1R=2.58×10－4C/kg第三節(jié)放射性核素一、放射線劑量(irradiationdose)1.照射劑量(exposuredose)原子物理第十四章原子核吸收劑量是被照射物質(zhì)單位質(zhì)量所吸收的電離能量；它是衡量單位質(zhì)量受照射物質(zhì)吸收輻射能量多少的一個物理量。單位：J/kg或戈瑞(Gy)；1Gy=1J/kg;

拉德(rad)；1Gy=100rad2.吸收劑量(absorbeddose)第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核生物體內(nèi)單位質(zhì)量的組織，從各種射線中吸收同樣多能量，所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)有很大差別，這是因為射線對細胞的損傷，不但與它吸收的能量和產(chǎn)生的離子有關(guān)，還與電離的密集程度有關(guān)。書中表14-4是射線的RBE。單位：希沃特(Sv)3.生物相對有效倍數(shù)和生物等效劑量第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核

由表14-4可知,

粒子的RBE=20,

粒子的RBE=1,所以甲的肺組織受到的等效劑量為：2

10

3

20=4.0

10

2Sv

同理,乙的肺組織受到等效劑量為：

1

10

3

20+1

10

3

1=2.1

10

2Sv

相比之下，甲受到的輻射影響比乙大。例有甲、乙兩人,甲的肺組織受

粒子照射,吸收劑量為2mGy.乙的肺組織受

粒子照射,吸收劑量為1mGy，同時還受到

粒子照射,吸收劑量也為1mGy。試比較這兩人所受射線影響的大小。例解第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核（1）最大容許劑量(maximumpermissibledose)

放射線雖可用來診斷和治療疾病，但人體正常組織如果受到過劑量的照射，人體將會受到損害。因此，在應(yīng)用放射線的同時，要注意對它的防護。

國際上規(guī)定了一個最大的容許劑量,即經(jīng)過一次照射成長期積累，對人體沒有損害又不發(fā)生遺傳危害的最大劑量限值。

從業(yè)人員:50mSv/a;

居民:5mSv/a.4.輻射的防護第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核(2)外照射防護因為不同放射線的性質(zhì)不同，采取的防護措施也不一樣。

射線的電離能力很強,但射程短，穿透能力小。由

射線不可能由體表深入體內(nèi)，故對外照射只要戴上手套即可;

射線和

射線穿透能力強，外照射不容忽視，對

射線常用含有中等原子序效的物質(zhì)作屏蔽材料，如各種塑料和有機玻璃。

射線對重原子序數(shù)物質(zhì)易引起起韌致輻射(高速帶電粒子急劇減速時發(fā)出的電磁輻射)，后者對人體健康亦不利，故不宜采用。

射線不存在這一問題，故多用重原子序數(shù)物質(zhì)如鉛、混凝土等來屏蔽。第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核除采用屏蔽措施外，還應(yīng)注意保護環(huán)境。對于含有放射性物質(zhì)的廢物，要妥善處理，不要隨便棄置。(3)內(nèi)照射防護用放射性核素注入體內(nèi)進行的照射叫內(nèi)照射。

射線源進入體內(nèi)，由于其電離比值高，產(chǎn)生電離作用將對人體造成極大危害。故工作時要待別防止

射線源由呼吸道、食管或外傷傷口進入體內(nèi)。第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核放射性核素在診斷和治療方面都有重要應(yīng)用。體現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展水平的核醫(yī)學(xué)，在醫(yī)學(xué)診療中起著越來越重要的作用。用放射性核素作為示蹤原子，以研究其在體內(nèi)的分布、轉(zhuǎn)移和代謝。并借助它們放出的射線，在體外探查該元素的行蹤，這種方法叫示蹤原子法。此外還有體外標本測量法和放射自顯影。二、放射性核素在醫(yī)藥方面的應(yīng)用1.示蹤的原理第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核治療腫瘤的一種有效的物理療法，從射線照射方式可分為外照射、近距離照射和內(nèi)照射，臨床常用的外照射有60Co治療機、醫(yī)用直線加速器和

-刀等。放射診斷主要是指核素成像，是一種利用放射性核素示蹤方法顯示人體內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，常見有

照射機、SPECT和PET等。3.放射治療2.放射診斷第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核正電子發(fā)射型計算機斷層(PET)原理(1)概念：PET是將發(fā)射正電子的同位素藥物注入人體之后，探測正電子在體內(nèi)被電子俘獲產(chǎn)生湮滅反應(yīng)時沿相反方向發(fā)出的兩個能量為0.511MeV的光子，從而獲得正電子標記藥物在體內(nèi)的三維密度分布，以及這種分布隨時間變化的信息.即一種探測注入體內(nèi)的放射性核素放射出的

+產(chǎn)生湮沒光子對而實現(xiàn)斷層成像。例:

13N----13C+

++

+Q

++

----2

(能量為0.511MeV,方向相反傳播的光子)第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核(2)采用自準直符合探測原理(1)只有a有信號輸出；(2)b、c因不符合對稱電路,無信號輸出；(3)湮沒光子位置與產(chǎn)生

+位置接近(1~2mm)

探頭符合電路湮沒區(qū)輸出探頭斷層面acb第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核PET正電子同位素由回旋加速器產(chǎn)生，如采用加速至9MeV的氘離子束轟擊氖氣靶產(chǎn)生18F，再經(jīng)化學(xué)合成得到所需藥物。常見PET標記藥物及主要用途為：同位素半衰期示蹤劑及用途11C20.3m11C

標記的各種氨基酸,腫瘤定界、分級13N9.96mNH3

測量血流，用于局部心肌灌注顯像15O123sCO2

測量局部腦血流量；CO

測量局部腦血容量；O2

測量心肌氧消耗和氧攝取比；H2O用于心肌及腦的血流灌注18F110mFDG

研究葡萄糖代謝,用于神經(jīng)學(xué)、心臟病學(xué)和腫瘤學(xué);氟多巴FDOPA

診斷帕金森癥PET示蹤藥物第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核63歲左側(cè)下喉癌患者的CT與PET圖像的融合第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核CT與PET圖像融合，確定胸骨上損傷的位置，同時可見右側(cè)腋窩處有一腫大的淋巴結(jié)。第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核PET掃描揭示悲哀時女性腦部(左)比男性腦部(右)更具代謝活性第三節(jié)放射性核素原子物理第十四章原子核（1）核子（質(zhì)子和中子）與電子一樣具有自旋，與之相聯(lián)系的有自旋角動量和自旋磁矩。第四節(jié)核磁共振（2）自旋角動量LI和軌道角動量一樣，均服從角動量的普遍法則，LI的大小是量子化的I稱為自旋量子數(shù)。I

僅有一個值，而且是半整數(shù)：故mI稱為自旋磁量子數(shù)。只能取兩個值：（3）LI在Z

軸（外磁場）方向上的投影：故一、核子的自旋與磁矩原子物理第十四章原子核質(zhì)子和中子自旋角動量zL23h0h21h21自旋量子數(shù)：I=1/2自旋磁量子數(shù)：mI=1/2自旋角動量大?。?/p>

LI在Z

軸（外磁場）方向上的投影(簡稱自旋)第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核原子核內(nèi)核子的固有角動量和軌道角動量的矢量和。式中I為自旋量子數(shù)(spinquantumnumber)

偶-偶核,12C,16O等,I=0；奇-偶核,1H,31P等,I=n/2,(n=1,3,5,···)；奇-奇核,6Li,14N等,I=n,(n=1,2,3,···)。二、原子核的自旋與磁矩1.原子核的角動量即核自旋(nuclearspin)第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核2.原子核的自旋角動量在空間某一選定方向(如z方向)上的投影也是量子化的式中m為磁量子數(shù):m=I，I–1，···–I+1，–I。共2I+1個可能取值，對應(yīng)該自旋核在外磁場中有2I+1個可能的取向。第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核

式中

N=5.0508×10

27J/T為核磁子。質(zhì)子的g=5.585694772。式中

為核自旋磁旋比。3.原子核的磁矩與原子核的自旋4.原子核的總磁矩及其在外磁場的分量也都是量子化的第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核自旋不為零的原子核與外磁場的相互作用，一方面產(chǎn)生核繞B的旋進，另一方面產(chǎn)生了核的附加能量，造成原子核能級的劈裂。當頻率為10~100MHz的射頻(radiofrequency，RF)電磁波對樣品照射，若RF電磁波的能量剛好等于原子核能級劈裂的能級差，就會出現(xiàn)樣品中的原子核強烈地吸收電磁波的能量，從劈裂后的低能級向相鄰的高能級躍遷的現(xiàn)象，這就是核磁共振現(xiàn)象中的共振吸收。三、核磁共振1.自旋核在磁場中的能級劈裂第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核2.劈裂能級間的躍遷（1）磁矩在外磁場作用下產(chǎn)生附加能量

m

只能取2I+1,對I=1/2的氫核m

=1/2、–1/2自旋進動B自旋進動B（2）能級劈裂的間距，即裂距：第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核3.核磁（自旋核在磁場中與射頻電磁波）共振的條件——即雙方最大的交換能量的條件：第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核RF角頻率原子核的磁旋比,不同

的核不同外磁場強度（T）只有當RF的角頻率

與外磁場B符合拉莫公式，才能發(fā)生能級躍遷，即共振吸收。4.拉莫（Larmor）公式第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核1.核磁共振譜以發(fā)生共振吸收的強度為縱坐標，發(fā)生共振的頻率（或磁感應(yīng)強度）為橫坐標，繪出一條共振吸收的強度與發(fā)生共振的頻率（或磁感應(yīng)強度）標化的曲線，稱為核磁共振波譜，建立在此原理基礎(chǔ)上的一類分析方法稱為核磁共振譜法。應(yīng)用最普遍、最重要的是核磁共振譜，它能夠提供質(zhì)子類型及其化學(xué)環(huán)境、氫分布和核間關(guān)系等信息。四、核磁共振譜(NMRS)第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核2.化學(xué)位移（thechemicalshift）（1）從公式

=B0知，同一種核在固定的B0中，其共振譜線的位置是唯一的；實際上，同一種類原子核處于不同的化合物分子中，譜線位置不同。原因：在B0中的樣品，其自旋核不是孤立的，而是被核外帶磁性的電子云所包圍，即每一個自旋核具有不同的電子環(huán)境。使自旋核處于一個磁屏蔽之中，所以lamour公式變成：

=

(1

)B0

，式中

稱屏蔽常數(shù)(screeningconstant)與化合物的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)有關(guān)。同類自旋核處于不同的分子之中會有不同的，因此它們會有不同的共振頻率。第四節(jié)核磁共振原子物理第十四章原子核（2）化學(xué)位移：同種自旋核在相同的外磁場情況下，測試樣品中的自旋核的共振頻率與標準物質(zhì)中的自旋核的共振頻率之差?；瘜W(xué)位移：（