第二章-放射性衰變的種類和規(guī)律

1、12第二章第二章 放射性衰變的種類及其規(guī)律放射性衰變的種類及其規(guī)律 2.1 衰變種類衰變種類 2.2 衰變綱圖衰變綱圖 2.3 放射性衰變的基本規(guī)律放射性衰變的基本規(guī)律 2.4 放射性活度及其單位放射性活度及其單位 2.5 放射性核素的重量與活度的關(guān)系放射性核素的重量與活度的關(guān)系3一、核力和放射性核素一、核力和放射性核素 原子核的核子之間存在著很強(qiáng)的短程引力稱為核力，核力使原子核中的核原子核的核子之間存在著很強(qiáng)的短程引力稱為核力，核力使原子核中的核子結(jié)合在一起，同時(shí)，原子核中又存在帶正電荷的質(zhì)子之間的靜電排斥力，原子結(jié)合在一起，同時(shí)，原子核中又存在帶正電荷的質(zhì)子之間的靜電排斥力，原子核的穩(wěn)定性

2、由核子之間的核力和質(zhì)子之間的靜電排斥力的相對(duì)大小決定，與子核的穩(wěn)定性由核子之間的核力和質(zhì)子之間的靜電排斥力的相對(duì)大小決定，與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的比例有關(guān)。核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的比例有關(guān)。 Z Z20 N/Z20 N/Z1 Stability1 Stability Z Z83 83 UnstabilityUnstability 4元素元素具有相同質(zhì)子數(shù)的原子，化學(xué)性質(zhì)相同，但其中子數(shù)可以不同，如具有相同質(zhì)子數(shù)的原子，化學(xué)性質(zhì)相同，但其中子數(shù)可以不同，如131I和和127I；核素核素質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，且具有相同能量狀態(tài)的原子，稱為一種質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，且具有相同能量狀態(tài)的原子，稱為一

3、種核素。同一元素可有多種核素，如核素。同一元素可有多種核素，如131I、127I、3H、99mTc、99Tc分別為分別為3種種元素的元素的5種核素；種核素；同位素同位素凡同一元素的不同核素（質(zhì)子數(shù)同，中子數(shù)不同）在周期表上處于凡同一元素的不同核素（質(zhì)子數(shù)同，中子數(shù)不同）在周期表上處于相同位置，互稱為該元素的同位素。相同位置，互稱為該元素的同位素。45 原子核穩(wěn)定，不會(huì)自發(fā)衰變的核素稱為穩(wěn)定核素原子核穩(wěn)定，不會(huì)自發(fā)衰變的核素稱為穩(wěn)定核素(stable (stable nuclide);nuclide); 原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需通過(guò)核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整才能趨原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需通過(guò)核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能

4、級(jí)調(diào)整才能趨于穩(wěn)定的核素稱為放射性核素于穩(wěn)定的核素稱為放射性核素(radionuclide);(radionuclide); 放射性核素的原子由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整，自發(fā)地釋放出放射性核素的原子由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整，自發(fā)地釋放出一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)化為另一種原子的過(guò)程稱為放射性衰一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)化為另一種原子的過(guò)程稱為放射性衰變變(radiation decay)(radiation decay)。 6放射性來(lái)源于原子核的衰變放射性來(lái)源于原子核的衰變：不穩(wěn)定的核素不穩(wěn)定的核素 衰變衰變穩(wěn)定的核素穩(wěn)定的核素 原子核自發(fā)地放射出某種粒子或原子核自發(fā)地放射出某種粒子或射線的現(xiàn)象，稱為放

5、射性。射線的現(xiàn)象，稱為放射性。 放射性不受物理、化學(xué)等環(huán)境條件的影響，是原子核的內(nèi)在放射性不受物理、化學(xué)等環(huán)境條件的影響，是原子核的內(nèi)在特征。特征。7射線在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)射線在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn) ： 在電在電/磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，與帶正電荷離子流相同；磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，與帶正電荷離子流相同； ： 在電在電/磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，與帶負(fù)電荷粒子流相同；磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，與帶負(fù)電荷粒子流相同； ： 在電在電/磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)，電中性。磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)，電中性。8+從母核中射出從母核中射出的的4 4HeHe原子核原子核238U4He + 234Th放射性母核放射性母核 238U 234Th + 4He + Q 粒子得到粒子得到大部分衰變能，大部

6、分衰變能， 粒子粒子含含2 2個(gè)質(zhì)子，個(gè)質(zhì)子，2 2個(gè)中子個(gè)中子9HeYX424A2ZAZ -2ZZ4AAYXYX 元素周期表元素周期表左移左移2格格衰變衰變表達(dá)式表達(dá)式：10 穿透能力：非常弱，在空氣中的射程約幾厘米。在穿透能力：非常弱，在空氣中的射程約幾厘米。在固體材料中的射程固體材料中的射程10-2010-20微米。微米。一張薄紙就能擋住。一張薄紙就能擋住。 能量：能量分立能量：能量分立 一般情況下，一般情況下， 粒子能量粒子能量 4-8 MeV 重核才具有重核才具有衰變衰變 （A150）共）共200多種多種粒子的特點(diǎn)粒子的特點(diǎn)：11o-衰變衰變 3215P 3216S + - + Ue

7、 + 1.71MeVo正電子衰變正電子衰變 137N 136C + + + + 1.190MeV射線本質(zhì)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流射線本質(zhì)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流發(fā)生原因發(fā)生原因母核中子或質(zhì)子過(guò)多母核中子或質(zhì)子過(guò)多12衰變的三種情況：衰變的三種情況： 1 1）- -衰變衰變 放出放出負(fù)電子負(fù)電子2 2）+ +衰變衰變 放出放出正電子正電子3）俘獲軌道電子）俘獲軌道電子eYX_A1ZAZ NO157158YeXA-1ZAZ FO199198eYXAZ-1AZ 質(zhì)量數(shù)守恒：衰變過(guò)程中，質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)守恒：衰變過(guò)程中，質(zhì)量數(shù)A保持不變保持不變13+質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，并且質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，并且?guī)ё咭粋€(gè)單位的正電荷帶走一個(gè)

8、單位的正電荷中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，并且中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，并且?guī)ё咭粋€(gè)單位的負(fù)電荷帶走一個(gè)單位的負(fù)電荷+中微子反反中微子三種子體分享裂變能三種子體分享裂變能因此電子具有連續(xù)能譜因此電子具有連續(xù)能譜141 1）- -衰變衰變 放出放出負(fù)電子負(fù)電子eYX_A1ZAZ NC114746152 2）+ +衰變衰變 放出放出正電子正電子BC115116eYXAZ-1AZ 163）俘獲軌道電子）俘獲軌道電子YeXA-1ZAZ質(zhì)子變成中子質(zhì)子變成中子X(jué)射線射線核外軌道電子核外軌道電子173）俘獲軌道電子）俘獲軌道電子1819+中微子 光子衰變往往是繼發(fā)于衰變往往是繼發(fā)于衰變或衰變或衰變后發(fā)生，這些衰變衰變后發(fā)生，這些

9、衰變后，原子核還處于較高能量狀態(tài)，原子核以放出后，原子核還處于較高能量狀態(tài)，原子核以放出-ray 釋放出過(guò)剩能量釋放出過(guò)剩能量99Mo 99mTc + - 99Tc + (T1/2: 66.02d; 6.02h)131I 131Xe + - + (T1/2:8.04d)2021 137137Cs Cs 137137BaBa* * （激發(fā)態(tài)）激發(fā)態(tài)）母核母核 - -衰變衰變 衰變衰變 137137Ba + Ba + 射線（射線（661.7 661.7 keVkeV） 子核（基態(tài)）子核（基態(tài)） （0.00.0） 射線射線是什麼？是什麼？ 射線就是高能量的光子：幾百射線就是高能量的光子：幾百keV-

10、MeVkeV-MeV 量級(jí)量級(jí) 衰變發(fā)生由于原子核能量態(tài)高，從高能態(tài)向低能態(tài)躍衰變發(fā)生由于原子核能量態(tài)高，從高能態(tài)向低能態(tài)躍 遷，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)射遷，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)射 射線，原子核能態(tài)降低。射線，原子核能態(tài)降低。 射線是高能量的電磁輻射射線是高能量的電磁輻射 光子光子22 衰變特點(diǎn)：衰變特點(diǎn)：1.1.從原子核中發(fā)射出光子從原子核中發(fā)射出光子2.2.常常在常常在 或或 衰變后核子從激發(fā)態(tài)退激時(shí)發(fā)生衰變后核子從激發(fā)態(tài)退激時(shí)發(fā)生3.3.產(chǎn)生的射線能量離散產(chǎn)生的射線能量離散4.4.可以通過(guò)測(cè)量光子能量來(lái)區(qū)分母體的核素類別可以通過(guò)測(cè)量光子能量來(lái)區(qū)分母體的核素類別23 衰變衰變- - 衰變衰變+ + 衰變

11、衰變 衰變衰變24Decay scheme用以綜合反映某核素放射性衰變的主要特征和數(shù)的示意圖用以綜合反映某核素放射性衰變的主要特征和數(shù)的示意圖 25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，各種放射性核素都射性核素衰變是隨機(jī)的、自發(fā)的按一定的速率進(jìn)行，各種放射性核素都有自己特有的衰變速度。放射性核素原子隨時(shí)間而呈指數(shù)規(guī)律減少，其有自己特有的衰變速

12、度。放射性核素原子隨時(shí)間而呈指數(shù)規(guī)律減少，其表達(dá)式為：表達(dá)式為： N=N0e-t : decay constant t: decay time e: base of natural logarithm26指數(shù)衰減規(guī)律指數(shù)衰減規(guī)律 N = N0e- t N0: （t = 0）時(shí)放射性原子時(shí)放射性原子 核的數(shù)目核的數(shù)目N: 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)t時(shí)間后未發(fā)生衰變的放射性原子核時(shí)間后未發(fā)生衰變的放射性原子核數(shù)目數(shù)目 :放射性原子核衰變常數(shù)（放射性原子核衰變常數(shù)（單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)原單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)原子核衰變的幾率子核衰變的幾率） 大小只與原子核本身性質(zhì)有關(guān)，與外界條大小只與原子核本身性質(zhì)有關(guān)，與外界條件無(wú)關(guān)件無(wú)關(guān);

13、數(shù)值越大衰變?cè)娇鞌?shù)值越大衰變?cè)娇欤悍派湫栽雍藬?shù)從N0衰變到N0的1/2所需的時(shí)間N = NN = N0 0e e- - t t1、衰變規(guī)律、衰變規(guī)律272. 半衰期半衰期 放射性原子核的數(shù)目因衰變減小到原來(lái)核數(shù)的一半所需要放射性原子核的數(shù)目因衰變減小到原來(lái)核數(shù)的一半所需要的時(shí)間的時(shí)間21T半衰期是放射性原子核的重要特征常數(shù)之一半衰期是放射性原子核的重要特征常數(shù)之一 6390221.lnT時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)21Tt 210021TeNNN 不同放射性核有不同的半衰期不同放射性核有不同的半衰期表示方法：表示方法：283. 平均壽命平均壽命放射性原子核的每一個(gè)原子核生存時(shí)間的平均值放射性原子核的每一個(gè)原子核生存時(shí)間的平均值有的核在有的核在 時(shí)刻就衰變了時(shí)刻就衰變了有的核在有的核在 時(shí)才衰變時(shí)才衰變0 t t所有核的總壽命：所有核的總壽命： 0Ntdt 1)(10000 tdetNdteNttt29原子核的平均壽命為衰變常數(shù)的倒數(shù)原子核的平均壽命為衰變常數(shù)的倒數(shù)6930121.T 6390639021.T 1639021T.30 放射性樣品放射性樣品 單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)發(fā)生衰變發(fā)生衰變的的原子核數(shù)原子核數(shù)。以。以A表示表示。定義：定義：dtdNA單位：貝可勒爾（單位：貝可