原子核與放射性

關(guān)于原子核與放射性第1頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.原子核的組成一、原子核的組成、質(zhì)量和大小核子：質(zhì)子＋中子A核子數(shù)、質(zhì)量數(shù)Z電荷數(shù)、質(zhì)子數(shù)、原子序數(shù)X相應(yīng)原子的元素符號(hào)N中子數(shù)＝A-Z第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)第2頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.原子核的質(zhì)量原子的質(zhì)量等于原子核的質(zhì)量加上核外電子的質(zhì)量減去相當(dāng)電子全部結(jié)合能的數(shù)值。但是一般電子組成原子的結(jié)合能很小，可以忽略不計(jì)。在原子核物理中，常把12Ｃ原子質(zhì)量的1/12作為質(zhì)量單位即原子質(zhì)量單位（atmoicmassunit)記作amu或u1u=1.66055×10-27kg

質(zhì)子

中子 電子質(zhì)量/kg1.673×10-27

1.675×10-279.109×10-31相對(duì)質(zhì)量 1.007

1.008

1/1836近似整數(shù)值

1

1

忽略不計(jì)

電量/C1.602×10-19

0

1.602×10-19第3頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核素核素（nuclide):Z和A都相同的原子核稱(chēng)為某種核素。核子組分不同（Ｚ不同，Ｎ也不同）的各種原子核的統(tǒng)稱(chēng)目前已知的元素（包括人工合成的）共107種，而核素卻有2300多種元素：具有相同質(zhì)子數(shù)的一類(lèi)原子的總稱(chēng)。核素：具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的一種原子。同位素：同種元素的不同種核素間的互稱(chēng)。C614C612元素、核素和同位素的關(guān)系H11H12H13互為同位素核素1核素2某種元素……第4頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核素（1）同位素（isotope)（3）同量異位素（2）同中子異位素核素（nuclide):Z和A都相同的原子核稱(chēng)為某種核素。核子組分不同（Ｚ不同，Ｎ也不同）的各種原子核的統(tǒng)稱(chēng)目前已知的元素（包括人工合成的）共107種，而核素卻有2300多種

質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一類(lèi)核素，在元素周期表中處于相同的位置。

中子數(shù)相同而質(zhì)子數(shù)不同的一類(lèi)核素

質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類(lèi)核素原子核按組成分為三類(lèi)第5頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.原子核的大小通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，證明原子核的形狀近似球形，其半徑小于10－15m,通過(guò)精確測(cè)定，原子核的半徑同質(zhì)量數(shù)的關(guān)系為：其中R0是一個(gè)常數(shù)，為1.2×10-15m原子核的體積為：原子核的密度為：因此，原子核的體積與核子數(shù)成正比，而各種原子核密度相同，與核子數(shù)無(wú)關(guān)第6頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7

由核子構(gòu)成的原子核，雖然質(zhì)子間存在靜電排斥力，卻結(jié)合得非常緊密，因此核子間必然存在強(qiáng)大的吸引力，這種使核子緊密結(jié)合在一起的力稱(chēng)為核力?，F(xiàn)在某些方面至今還未認(rèn)識(shí)清楚，從目前的理論和實(shí)事，可以說(shuō)明核力具有以下性質(zhì)：（4）核力與電荷無(wú)關(guān)（1）核力是短程力因?yàn)楹肆饶馨褞щ姷馁|(zhì)子束縛在原子核中，也能把不帶電的中子束縛在原子核中，促成質(zhì)子和中子成雙成對(duì)地結(jié)合。核力的作用范圍只有10-15m的數(shù)量級(jí)。一個(gè)核子所能相互作用的其他核子的最大數(shù)目是有限制的。（2）核力是強(qiáng)相互作用（3）核力具有飽和性（5）核力極短程內(nèi)存在斥心力核子不能無(wú)限靠近。第7頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，它的質(zhì)量就應(yīng)等于所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明：原子核的質(zhì)量總小于組成它的核子質(zhì)量之和，其質(zhì)量差，即損失了一部分質(zhì)量:

通常把這部分損失的質(zhì)量，稱(chēng)為質(zhì)量虧損(massdefect)質(zhì)能方程：這個(gè)能量稱(chēng)為原子核的結(jié)合能（bindingenergy)三、原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損第8頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

質(zhì)子和中子組成核的過(guò)程中，有能量E釋放出來(lái)。反之，要使原子核再分解為單個(gè)的質(zhì)子和中子就必須吸收E的能量。氘核吸收E能量后分解為質(zhì)子和中子E氘質(zhì)子中子愛(ài)因斯坦H12第9頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原子核的穩(wěn)定性原子核的結(jié)合能非常大，所以一般原子核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。核子在結(jié)合成原子核時(shí)要放出大量的結(jié)合能，反之，如果想要使原子核內(nèi)的核子重新分裂出來(lái)，需要供給同樣多的能量。因此，核子結(jié)合過(guò)程釋放的能量越大，其核就越穩(wěn)定，（能量越低越穩(wěn)定），對(duì)于不同的原子核其穩(wěn)定性不相同。通常用每個(gè)原子的平均結(jié)合能來(lái)反映原子核的穩(wěn)定程度，即比結(jié)合能核子的比結(jié)合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。第10頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

核素中，原子序數(shù)很高的重元素，如鈾（Ｕ）、鐳（Ｒa）等，不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地過(guò)渡到穩(wěn)定的原子核的變化過(guò)程稱(chēng)為原子核的衰變。

質(zhì)能守恒定律動(dòng)量守恒定律電荷守恒定律核子數(shù)守恒定律衰變過(guò)程遵守的定律定義1.衰變2.衰變3.衰變衰變的類(lèi)型第二節(jié)原子核的衰變類(lèi)型第11頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、

衰變1.定義２.衰變方程

某些原子核，由于核子數(shù)(質(zhì)量數(shù))過(guò)多，在衰變過(guò)程中，放出一個(gè)粒子而變成另一種原子核的過(guò)程稱(chēng)為衰變。衰變能用Ｘ代表衰變前的母體原子核，Ｙ代表衰變后形成的子體原子核,42He

γ質(zhì)量數(shù)守恒，不是質(zhì)量守恒第12頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于衰變過(guò)程是不穩(wěn)定的原子核變成穩(wěn)定的原子核的自發(fā)過(guò)程，因此Q>0即：

第13頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

粒子特性

粒子實(shí)質(zhì)上是He原子核；

衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于82的重元素核素；在空氣中的射程約為３-８cm，在水中或機(jī)體內(nèi)為0.06-0.16mm；因其射程短，一張紙即可阻擋；

粒子的電離能力很強(qiáng)。射線是大量放射性核素進(jìn)行衰變的產(chǎn)物，是高速的He原子核組成的粒子束流。對(duì)開(kāi)展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢(shì)。第14頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、衰變?nèi)N形式：－衰變＋衰變軌道電子俘獲1.－衰變（1）定義

某些原子核，由于中子數(shù)過(guò)多，放出一個(gè)－

粒子和一個(gè)反中微子而變成另一種原子核的過(guò)程稱(chēng)為－衰變。（2）條件

(a)中子數(shù)過(guò)多(b)－

粒子－1e（負(fù)電子)β－γnp+e-反中微子：中微子的反粒子。反中微子是中微子對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子，其性質(zhì)跟中微子正好相反。它是一種非常輕的中性帶電粒子。第15頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月β-粒子的特性β-粒子實(shí)質(zhì)是負(fù)電子；衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加１；β-粒子的能量分布從0～最大具有連續(xù)能譜，穿透力比

粒子大；電離能量比

粒子弱，能被鋁和機(jī)體吸收；通常說(shuō)的放射性核素就是-放射性核素。醫(yī)學(xué)中常用32P、3H、14C等β-射線是大量放射性核素進(jìn)行β-衰變的產(chǎn)物。并且其能譜是連續(xù)的。在軟組織中的射程僅為幾厘米，可用于治療，如碘治療甲亢。

第16頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.＋衰變（1）定義

某些原子核，由于質(zhì)子數(shù)過(guò)多，放出一個(gè)＋粒子和一個(gè)中微子而變成另一種原子核的過(guò)程稱(chēng)為＋衰變。（2）條件

(a)質(zhì)子數(shù)過(guò)多(b)＋

粒子＋1e（正電子)β＋γp

n+e+第17頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月β＋粒子的特性β＋粒子實(shí)質(zhì)是正電子；衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變，但質(zhì)子數(shù)減１；

β＋也為連續(xù)能譜；β＋射線

是正電子組成的粒子束流，停下來(lái)后會(huì)與電子發(fā)生湮沒(méi)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成一對(duì)γ光子。

天然核素不發(fā)生β＋衰變，只有人工核素才發(fā)生；第18頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）定義

某些原子核可以俘獲一個(gè)軌道電子使核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)換成中子和一個(gè)中微子的過(guò)程稱(chēng)為軌道電子俘獲。（2）條件

質(zhì)子數(shù)過(guò)多

3.軌道電子俘獲標(biāo)識(shí)X射線Auger電子γp+e-n軌道電子俘獲使原子處于激發(fā)態(tài)第19頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、

衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換1.

衰變

處于激發(fā)態(tài)的原子核在不改變其組分的情況下躍遷至穩(wěn)定的基態(tài)，同時(shí)放出粒子的過(guò)程.注：衰變通常伴隨著衰變和β衰變?chǔ)昧Ｗ泳褪枪庾?，是從原子核?nèi)發(fā)射出來(lái)的電磁波；衰變后子核質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)不變；只是能量狀態(tài)從激發(fā)態(tài)到了基態(tài)。

γ射線為光子流，不帶電，穿透力強(qiáng)，電離能力弱；γ射線在真空中速度為30萬(wàn)km/s。2.γ粒子特性第20頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月213.

內(nèi)轉(zhuǎn)換

處于激發(fā)態(tài)的原子核躍遷至穩(wěn)定的基態(tài)時(shí)，將其衰減能直接傳遞給核外殼層電子，使該殼層的電子脫離原子成為自由電子，這種衰變方式稱(chēng)為內(nèi)轉(zhuǎn)換,由此發(fā)射的電子叫內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。內(nèi)轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在Ｋ殼層電子。注：內(nèi)轉(zhuǎn)換使原子處于激發(fā)態(tài)，伴有Ｘ射線或俄歇電子。發(fā)射射線和發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換電子是原子核從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的兩種方式。內(nèi)轉(zhuǎn)換電子γ第21頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氦核正電1/10C強(qiáng)弱電子負(fù)電9/10C弱強(qiáng)電磁波不帶電C很弱最強(qiáng)物質(zhì)電性速度電離本領(lǐng)穿透本領(lǐng)放射性物質(zhì)發(fā)射出來(lái)的射線放射性表明原子核是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。一種元素只能發(fā)生一種衰變，但在一塊放射性物質(zhì)中可以同時(shí)放出α、β和γ三種射線。第22頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一、衰變規(guī)律注:

1.N0

為t=0時(shí)的核子數(shù);2.由積分形式可知,核子數(shù)N以指數(shù)形式隨時(shí)間減少.3.一種核素的物質(zhì)同時(shí)進(jìn)行多種類(lèi)型衰變，通過(guò)精確的實(shí)驗(yàn)證明：若在ｔ時(shí)刻原子核的數(shù)目為Ｎ，經(jīng)過(guò)dt（dt→0)時(shí)間后，其中有－dN個(gè)發(fā)生了衰變(負(fù)號(hào)表示原子核數(shù)目在減小)即-dN=Ndt其中:為核衰變的衰變常數(shù)N=N0e-t微分形式積分形式第三節(jié)原子核的衰變規(guī)律=Σ第23頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、半衰期和平均壽命1.半衰期

放射性原子核數(shù)目中有一半發(fā)生衰變所需要的時(shí)間叫做核素的半衰期，

常用Ｔ表示第24頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：32P(磷)的半衰期為14.3天，問(wèn)經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間后，它變?yōu)樵瓉?lái)的1/64？解：例：131I（碘）的半衰期為T(mén)天，經(jīng)過(guò)32天后變?yōu)镹，又經(jīng)過(guò)96天，還剩余（1/4）N，求T。解：據(jù)題意有第25頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物半衰期Tb：各種排泄而使體內(nèi)的反射性原子數(shù)目減少一半所需時(shí)間生物衰變常量b:單位時(shí)間內(nèi)由人體代謝所產(chǎn)生的原子核減少的概率有效半衰期Te

:人體內(nèi)實(shí)際的半衰期自然界中碳元素有三種同位素，即穩(wěn)定同位素12C、13C和放射性同位素14C。14C的半衰期為5730年，14C的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：一是