第29章 核物理和粒子物理

1、精選ppt1第第29章章 核物理和粒子物理核物理和粒子物理精選ppt229.0 概述概述 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué)是研究原子核的是研究原子核的結(jié)構(gòu)、特性及結(jié)構(gòu)、特性及其相互轉(zhuǎn)變其相互轉(zhuǎn)變的科學(xué)。從的科學(xué)。從1896年年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾原貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾原子的放射性和子的放射性和1911年年盧瑟福提出原子核型結(jié)構(gòu)之盧瑟福提出原子核型結(jié)構(gòu)之后，經(jīng)過(guò)大半個(gè)世紀(jì)的探索和研究，核理論和核后，經(jīng)過(guò)大半個(gè)世紀(jì)的探索和研究，核理論和核技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，導(dǎo)致了原子能和同位素技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，導(dǎo)致了原子能和同位素的應(yīng)用。的應(yīng)用。 在醫(yī)學(xué)上，放射性同位素已用于對(duì)疾病的診在醫(yī)學(xué)上，放射性同位素已用于對(duì)疾病的診斷、

2、治療和研究，形成了專門的學(xué)科斷、治療和研究，形成了專門的學(xué)科-核醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)。精選ppt329.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)C106 . 119ekg106748. 127nm29.1.1 原子核的組成、質(zhì)量和大小原子核的組成、質(zhì)量和大小一、原子核一、原子核(又又稱為核素稱為核素)的組成的組成-由由質(zhì)子質(zhì)子和和中子中子組成。組成。 質(zhì)子以質(zhì)子以p表示，表示，帶正電帶正電，電量為，電量為 ，質(zhì)量為質(zhì)量為 ，用，用原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位表示為表示為1.007276u； 中子以中子以n表示，表示，不帶電不帶電，質(zhì)量為，質(zhì)量為 ，用用原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位表示為表示為1.008665u. k

3、g1067254. 127pm統(tǒng)稱為核子統(tǒng)稱為核子精選ppt4二、原子核的表示二、原子核的表示-核素種類很多，通常表示為核素種類很多，通常表示為電荷數(shù)電荷數(shù)是質(zhì)子的個(gè)數(shù)，是質(zhì)子的個(gè)數(shù)，等于原子序數(shù)等于原子序數(shù)核素核素 質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)是質(zhì)子數(shù)和是質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的總中子數(shù)的總和和XAZ，O如168C126三、原子核的大小三、原子核的大小3/10ARR m102 . 1150R30303034u334u3434RARAARMRMVM317mkg10精選ppt5四、同位素、同量異位素和同量異能素四、同位素、同量異位素和同量異能素-質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素叫質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素叫同位素同位素，

4、在元素周期，在元素周期表中占據(jù)同一位置，化學(xué)性質(zhì)相同。如表中占據(jù)同一位置，化學(xué)性質(zhì)相同。如-質(zhì)量數(shù)相同而質(zhì)子數(shù)不同的核素叫質(zhì)量數(shù)相同而質(zhì)子數(shù)不同的核素叫同量異位素同量異位素，如如-質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)相同而處于不同能態(tài)的核素叫質(zhì)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(zhì)異同質(zhì)異能素能素，通常在元素符號(hào)右上角標(biāo)以，通常在元素符號(hào)右上角標(biāo)以m，如，如H、H、H312111N和C147146m9943Tc五、核力五、核力-核子之間的相互作用力，不是電磁力，不是萬(wàn)有核子之間的相互作用力，不是電磁力，不是萬(wàn)有引力，是短程力，是強(qiáng)吸引力，具有飽和性。引力，是短程力，是強(qiáng)吸引力，具有飽和性。精選ppt6Xnp

5、mmZAZmm)(一、質(zhì)量虧損一、質(zhì)量虧損-由質(zhì)子和中子組成的原子核的質(zhì)量小于質(zhì)由質(zhì)子和中子組成的原子核的質(zhì)量小于質(zhì) 子和中子的質(zhì)量和，二者之差稱為質(zhì)量虧損。子和中子的質(zhì)量和，二者之差稱為質(zhì)量虧損。二、結(jié)合能二、結(jié)合能-由相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量變化有對(duì)應(yīng)由相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量變化有對(duì)應(yīng) 的能量變化，核子組成原子核時(shí)的質(zhì)量虧損以能量的能量變化，核子組成原子核時(shí)的質(zhì)量虧損以能量 形式放出，這個(gè)能量稱為形式放出，這個(gè)能量稱為結(jié)合能結(jié)合能。結(jié)合能與核子總。結(jié)合能與核子總 數(shù)之比稱為數(shù)之比稱為比結(jié)合能比結(jié)合能。2mcEAE(17-1)(17-2)1u的質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)的質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng) 931.5MeV

6、的結(jié)合能的結(jié)合能17.1.3 質(zhì)量虧損和結(jié)合能質(zhì)量虧損和結(jié)合能精選ppt7例例17-1 已知已知 的原子質(zhì)量為的原子質(zhì)量為235.11700u，試計(jì)算其質(zhì)，試計(jì)算其質(zhì) 量虧損、結(jié)合能、比結(jié)合能。量虧損、結(jié)合能、比結(jié)合能。U23592解：解：原子核的質(zhì)量等于原子質(zhì)量減去電子質(zhì)量，原子核的質(zhì)量等于原子質(zhì)量減去電子質(zhì)量， 的的 A=235，Z=92，電子有，電子有92個(gè)，所以它的質(zhì)量為個(gè)，所以它的質(zhì)量為U23592u235.066492920.000549u-235.1170uUmXnpmmZAZmm)(066492.235008665. 1)92235(007276. 192u841995. 1(

7、MeV)818.1715841995. 15 .9312mcEMeV30135. 7235818.1715AE精選ppt817.2 原子核的衰變類型原子核的衰變類型核衰變核衰變-放射性核素自發(fā)地放射出某種射線而變放射性核素自發(fā)地放射出某種射線而變?yōu)榱硪环N核素的現(xiàn)象。放射性核素分為為另一種核素的現(xiàn)象。放射性核素分為天然天然放放射性核素和射性核素和人工人工放射性核素兩種。放射性核素兩種。 -核衰變過(guò)程核衰變過(guò)程遵守遵守電荷守恒、質(zhì)量守恒、能量電荷守恒、質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒和核子數(shù)守恒守恒、動(dòng)量守恒和核子數(shù)守恒。 -核衰變有核衰變有三種三種類型，類型， 衰變、衰變、 衰變、衰變、 躍躍遷和內(nèi)

8、轉(zhuǎn)換。遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換。精選ppt9原子核放射出原子核放射出高速高速 粒子流粒子流( 射線射線)而衰變?yōu)榱矶プ優(yōu)榱硪环N原子核的過(guò)程。一種原子核的過(guò)程。 - 粒子就是粒子就是氦核氦核( )，由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)，由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成。中子組成。 衰變前的原子核稱為衰變前的原子核稱為母核母核(母體母體)，衰變后的原子核稱，衰變后的原子核稱為為子核子核(子體子體)。 衰變的衰變的位移定則位移定則為為 He42QHeRnRa如422248622688衰變能衰變能子核子核母核母核QAZHeYX424-A2-Z(17-3)在元素周期表中在元素周期表中子核前移兩位子核前移兩位17.2.1 衰變衰變 精選ppt1

9、0 原子核放射出原子核放射出高速電子流高速電子流( 射線射線)或或高速正電子高速正電子流流( 射線射線)或或俘獲俘獲一個(gè)一個(gè)核外電子核外電子而衰變?yōu)榱硪环N原子而衰變?yōu)榱硪环N原子核的過(guò)程。核的過(guò)程。 - 粒子就是粒子就是負(fù)電子負(fù)電子( )， 粒子就是粒子就是正電正電子子( ) 。e01e011. 衰變的衰變的位移定則位移定則為為 衰變能衰變能子核子核母核母核QAZ0001A1ZeYX(17-4)反中微子反中微子Q000132163215eSP如在元素周期表中在元素周期表中子核后移一位子核后移一位17.2.2 衰變衰變 精選ppt112. 衰變的衰變的位移定則位移定則為為 衰變能衰變能子核子核母核

10、母核QAZ0001A1ZeYX(17-5)中微子中微子Q0001136137eCN如在元素周期表中在元素周期表中子核前移一位子核前移一位在元素周期表中在元素周期表中子核前移一位子核前移一位3. 電子俘獲的電子俘獲的位移定則位移定則為為 衰變能衰變能子核子核母核母核QAZ00A1Z01YXe(17-6)中微子中微子Q005525552601MnFee如精選ppt12 處于激發(fā)態(tài)的放射性核素向低能態(tài)躍遷，有時(shí)不是放處于激發(fā)態(tài)的放射性核素向低能態(tài)躍遷，有時(shí)不是放射出射出 光子，而是把能量交給核外電子，使電子飛出光子，而是把能量交給核外電子，使電子飛出，這種過(guò)程稱為這種過(guò)程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換。 當(dāng)放射性

11、核素處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它將放射出當(dāng)放射性核素處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它將放射出 光子光子( 射線射線)并從激發(fā)態(tài)躍遷低能態(tài)或基態(tài)，這一過(guò)程稱為并從激發(fā)態(tài)躍遷低能態(tài)或基態(tài)，這一過(guò)程稱為 躍遷。躍遷。 射線是一種波長(zhǎng)比射線是一種波長(zhǎng)比X射線更短的射線更短的電磁波電磁波，在，在 衰衰變、變、 衰變的過(guò)程中都伴有衰變的過(guò)程中都伴有 躍遷。躍遷。 躍遷屬于躍遷屬于同質(zhì)異能同質(zhì)異能躍遷，子核和母核相同。躍遷，子核和母核相同。 躍躍遷可表示為遷可表示為QTcTc如9943m9943QXXAZmAZ(17-7)17.2.3 躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換精選ppt13tNNdd(17-8)衰變常數(shù)衰變常數(shù)反映反映核素衰變的快慢核

12、素衰變的快慢teNN0(17-9)t 時(shí)刻核時(shí)刻核的數(shù)目的數(shù)目t=0時(shí)核的數(shù)目時(shí)核的數(shù)目17.3.1衰變規(guī)律衰變規(guī)律-對(duì)于對(duì)于某一個(gè)某一個(gè)原子核，無(wú)法確定它何時(shí)衰變，原子核，無(wú)法確定它何時(shí)衰變，對(duì)于對(duì)于數(shù)量很多數(shù)量很多的原子核，衰變情況符合的原子核，衰變情況符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 t 時(shí)刻有核時(shí)刻有核 N 個(gè)，在個(gè)，在d t 時(shí)間內(nèi)因衰變而減少時(shí)間內(nèi)因衰變而減少了了 d N個(gè)。個(gè)。 d N與與N、d t 成正比成正比整理并積分得整理并積分得17.3 原子核的衰變規(guī)律原子核的衰變規(guī)律精選ppt1417.3.2 半衰期半衰期 核的數(shù)目因衰變減少到原來(lái)的一半所經(jīng)歷的時(shí)間，核的數(shù)目因衰變減少到原來(lái)的

13、一半所經(jīng)歷的時(shí)間，用用 表示表示TeNN002則有，N，NTt2時(shí)0(17-10)693. 02lnT兩邊取對(duì)數(shù)，得兩邊取對(duì)數(shù)，得T 平均壽命平均壽命-一個(gè)核在衰變前存在的時(shí)間叫這個(gè)核的壽命，一個(gè)核在衰變前存在的時(shí)間叫這個(gè)核的壽命， 個(gè)核在衰變前平均存在的時(shí)間叫這種核素的平均壽命，用個(gè)核在衰變前平均存在的時(shí)間叫這種核素的平均壽命，用 表示。表示。0N 時(shí)間內(nèi)有時(shí)間內(nèi)有 個(gè)核衰變，即個(gè)核衰變，即這這 個(gè)核的壽命為個(gè)核的壽命為 ，它們的總壽命為，它們的總壽命為 .tttd )d(dtNNNt dtNd精選ppt15 將將 個(gè)核的壽命加起來(lái)除以個(gè)核的壽命加起來(lái)除以 ，即得這種核素的，即得這種核素的平

14、均壽命平均壽命0N0N0000)d(1d10tNtNNtNN0001dtteNNt(17-11)TT44. 1693. 01平均壽命與半衰期的關(guān)系為平均壽命與半衰期的關(guān)系為生物半衰期和生物衰變常數(shù)生物半衰期和生物衰變常數(shù)-人體內(nèi)的核素由人體內(nèi)的核素由于代謝而排泄出體外使核素的數(shù)目減少。于代謝而排泄出體外使核素的數(shù)目減少。精選ppt16-單位時(shí)間衰變的原子核的數(shù)目，稱為放射源的單位時(shí)間衰變的原子核的數(shù)目，稱為放射源的放放射性活度或射性活度或放射性強(qiáng)度，放射性強(qiáng)度，用用 A 表示表示。tteAeNNA00(17-12)NtNAdd時(shí)的放射性活度0是00tNA(17-13)放射性活度的放射性活度的S

15、I制單位：貝克勒爾，用制單位：貝克勒爾，用 B q表示。表示。1秒次核衰變1Bq1Bq107 . 3Ci110Ci10mCi10Ci163曾經(jīng)用曾經(jīng)用29.2.3 放射性活度放射性活度(放射性強(qiáng)度放射性強(qiáng)度)精選ppt17例例29.2 已知鐳已知鐳 的半衰期為的半衰期為1600年，求它的衰年，求它的衰 變常數(shù)和變常數(shù)和 1克鐳的放射性活度?？髓D的放射性活度。解解：由式：由式(11-10)可得衰變常數(shù)為可得衰變常數(shù)為)s (104 . 13600243651600693. 0693. 011121T鐳的質(zhì)量數(shù)為鐳的質(zhì)量數(shù)為226，則，則 1g 鐳的原子核的數(shù)目為鐳的原子核的數(shù)目為2310022.6質(zhì)量數(shù)(g)質(zhì)量N1Ci(Bq)107 . 31066. 2104 . 1102111NA2123