原子核和放射性

第十五章

原子核和放射性醫(yī)用物理(wùlǐ)教研室

第一頁，共四十三頁。編輯課件基本內(nèi)容：

1、原子核的基本性質(zhì)2、原子核的衰變類型(lèixíng)

3、原子核的衰變規(guī)律第二頁，共四十三頁。編輯課件

1945年8月7日早晨，一顆掛在降落傘下的“炸彈”在日本廣島上空爆炸，這座城市頃刻間被夷為平地，死傷306545人．三天之后，同樣的命運(yùn)降臨長崎，死傷138905人．造成這場空前浩劫的，是一種叫“原子彈”的新式武器．它的出現(xiàn)結(jié)束了二戰(zhàn)，卻又帶來了冷戰(zhàn)．它的出現(xiàn)深刻地改變了軍事戰(zhàn)略，也深遠(yuǎn)地影響著人類(rénlèi)命運(yùn)．原子彈爆炸結(jié)束二戰(zhàn)核武器競爭威脅人類。第三頁，共四十三頁。編輯課件

1945年5月，前蘇聯(lián)紅軍攻克柏林，德國法西斯宣布投降．然而，在遠(yuǎn)東，日本法西斯仍在作垂死掙扎．當(dāng)時估算，如果占領(lǐng)日本本土，美軍起碼還得付出死亡一二百萬人的沉重代價．這一切促使美國最高當(dāng)局下決心動用原子彈，以盡早結(jié)束戰(zhàn)爭．其實(shí)，當(dāng)時日本和德國都在研制原子彈，只是由于四面楚歌、力不從心而進(jìn)展緩慢．就在廣島被原子彈轟炸后幾小時，日本軍部立即派研制原子彈的核科學(xué)家二階義男帶領(lǐng)“2號研究”（即原子彈研究）人員去廣島作現(xiàn)場調(diào)查．之后(zhīhòu)，把這批人員招集到大本營，副總參謀長河邊將軍問道：“你們能不能在半年內(nèi)造出原子彈來？如果能做到的話，我們就把你們這些專家和天皇一起藏到長野山下用花崗巖造的地下堡壘中保護(hù)起來．軍隊(duì)不惜代價再堅(jiān)持6個月沒有問題，到那時就可以對美軍還以顏色了．”第四頁，共四十三頁。編輯課件

二階義男回答說：“閣下，不要說6個月內(nèi)造不出原子彈，就是再花6年也不行．”聽了首席科學(xué)家的這番話，河邊將軍默不作聲，并立即向軍部作了匯報．三天后，當(dāng)長崎也傳來被原子彈炸成平地的消息后，日本最高當(dāng)局中的主戰(zhàn)派頓時像泄了氣的皮球．此時(cǐshí)，美國又放出空氣，聲稱還有100顆原子彈（其實(shí)當(dāng)時還沒有新的原子彈生產(chǎn)出來）將投向日本，如果日本不投降的話．在這種嚴(yán)峻的形勢下，經(jīng)過幕后活動，日本天皇終于在8月15日宣布無條件投降．第五頁，共四十三頁。編輯課件原子彈爆炸(bàozhà)第六頁，共四十三頁。編輯課件大亞灣核電站夜景(yèjǐnɡ)第七頁，共四十三頁。編輯課件神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者(huànzhě)頭部的核磁共振斷面像第八頁，共四十三頁。編輯課件人類認(rèn)識(rènshi)原子結(jié)構(gòu)的簡單歷史1787年，道爾頓——原子一切物質(zhì)(wùzhì)都是由不可見的、不可再分割的原子組成。1811年，阿佛加德羅——分子原子(yuánzǐ)不能獨(dú)立存在，相互結(jié)合在一起形成分子才能獨(dú)立存在。十九世紀(jì)中期——原子分子論原子不可再分。1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子——提出原子結(jié)構(gòu)模型原子是由帶正電的連續(xù)體和在其內(nèi)部運(yùn)動的負(fù)電子構(gòu)成的。1911年，盧瑟福α散射——核式模型1913年，玻爾原子模型20世紀(jì)20年代以來——現(xiàn)代模型（電子云模型）

電子繞核運(yùn)動形成一個帶負(fù)電荷的云團(tuán)，在一個確定電子的時刻不能精確測定電子的確切位置第九頁，共四十三頁。編輯課件第一節(jié)原子核的基本(jīběn)性質(zhì)15.1原子核的組成(zǔchénɡ)、質(zhì)量和大小1．原子核的電荷（1）質(zhì)子帶正電，其電量絕對值等于電子的電量。Z（2）中子不帶電，N核子(hézǐ)數(shù)：也稱為質(zhì)量數(shù)A＝Z+N第十頁，共四十三頁。編輯課件（1）原子核質(zhì)量(zhìliàng)的表示原子質(zhì)量單位（以12C的1/12為原子質(zhì)量單位）1u＝1.660540×10-27kg（2）原子核的分類a.同位素（元素周期表中位置相同，同位素豐度）b.同中子異位素（中子數(shù)相同）c.同量異位素（質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同）d.同質(zhì)異能素（質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同，能量不同）2.原子核的質(zhì)量(zhìliàng)第十一頁，共四十三頁。編輯課件15.2原子核的性質(zhì)(xìngzhì)對于(duìyú)輕核的核半徑為:對于(duìyú)重核的核半徑為:

通過估算,可以看出各種原子核半徑大小均處于同一數(shù)量級上,且隨著各種元素之不同彼此之間又略有差異.第十二頁，共四十三頁。編輯課件根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明,除少數(shù)例外(lìwài),原子核是近似球形的,其體積為:

由此可得到(dédào)一個非常重要的結(jié)論:在一切原子核中,核物質(zhì)的密度近似為一常數(shù),不妨作這樣一個比擬,水的密度是103kg/m3,而原子核的密度比水要大1014倍,足見原子核是物質(zhì)緊密集中之處,且密度大得驚人！————針尖大的物體，質(zhì)量一噸！第十三頁，共四十三頁。編輯課件15.4原子核的結(jié)合能及質(zhì)量(zhìliàng)虧損

原子核既然是由質(zhì)子(zhìzǐ)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：

根據(jù)(gēnjù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，可得原子核的結(jié)合能：mx=Zmp+(A-Z)mn

但實(shí)驗(yàn)測定的原子質(zhì)量mx總是小于所有核子質(zhì)量之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損：m=Zmp+(A-Z)mn-mX第十四頁，共四十三頁。編輯課件

質(zhì)子和中子組成(zǔchénɡ)核的過程中，有能量E釋放出來。反之，要使原子核再分解為單個的質(zhì)子和中子就必須吸收E的能量。

氘核吸收(xīshōu)E能量后分解為質(zhì)子和中子E氘質(zhì)子(zhìzǐ)中子E=(m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c2愛因斯坦第十五頁，共四十三頁。編輯課件原子(yuánzǐ)結(jié)合能的計(jì)算一原子質(zhì)量單位(dānwèi)具有(jùyǒu)能量質(zhì)子質(zhì)量中子質(zhì)量核子平均結(jié)合能第十六頁，共四十三頁。編輯課件核子(hézǐ)的比結(jié)合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。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)。然而，不同(bùtónɡ)原子核的穩(wěn)定程度不同(bùtónɡ)。每個核子(hézǐ)的平均結(jié)合能稱為比結(jié)合能：第十七頁，共四十三頁。編輯課件a.中等質(zhì)量原子核的核子平均(píngjūn)結(jié)合能較大8.79MeV8.47MeV8.75MeVb.輕核和重核的核子(hézǐ)平均結(jié)合能都較小2.83MeV7.5MeV7.56MeV第十八頁，共四十三頁。編輯課件

核力是一種短程力；核力是強(qiáng)相互作用；核力具有(jùyǒu)飽和性;核力與電荷無關(guān)；核力在極短程內(nèi)存在斥心力，它使核子不能無限靠近。第十九頁，共四十三頁。編輯課件第二節(jié)原子核的衰變(shuāibiàn)類型放射性：(1896法國科學(xué)家年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)U的放射性)放射性元素：原子序數(shù)(yuánzǐxùshù)83（包括83）以后的所有元素都具有天然放射性。貝克勒爾放大(fàngdà)了1000倍的鈾礦石第二十頁，共四十三頁。編輯課件居里居里夫人1898年發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)放射性更強(qiáng)的元素釙（Po）和鐳（Ra）。

貝克勒耳和居里夫婦一起，因?yàn)榉派湫缘陌l(fā)現(xiàn)(fāxiàn)和研究，1903年得到科學(xué)界的最高榮譽(yù)——諾貝爾獎。

第二十一頁，共四十三頁。編輯課件三種(sānzhǒnɡ)射線：、、。三種射線的性質(zhì)：最弱最強(qiáng)C光子較弱較弱接近C電離本領(lǐng)貫穿本領(lǐng)速率組成物質(zhì)射線射線種類氦核電子最強(qiáng)最弱衰變(shuāibiàn)原則：質(zhì)量數(shù)守恒(shǒuhénɡ)，電荷數(shù)守恒(shǒuhénɡ)。第二十二頁，共四十三頁。編輯課件15.1

α衰變(shuāibiàn)（質(zhì)量數(shù)A>209）123母核子核α粒子(lìzǐ)衰變(shuāibiàn)能

α粒子的能譜與子核或母核的能級結(jié)構(gòu)有密切連續(xù)。第二十三頁，共四十三頁。編輯課件15.2

衰變(shuāibiàn)1.-衰變(shuāibiàn)2.+衰變(shuāibiàn)放出電子、反中微子放出正電子、中微子第二十四頁，共四十三頁。編輯課件3.電子(diànzǐ)俘獲(E.c)

能量一部分可以以標(biāo)識X射線的形式放出;

一部分可以使另外一層電子電離成自由電子(zìyóudiànzǐ)------俄歇電子。一個(yīɡè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微子第二十五頁，共四十三頁。編輯課件中微子質(zhì)量極輕，不帶電荷，與物質(zhì)的相互作用十分微弱。因此極難探測，需要(xūyào)用體積龐大的探測器。4.中微子簡介(jiǎnjiè)1930泡利假設(shè)了中微子，以解決b衰變中能量不守恒問題1956Reines和Cowan發(fā)現(xiàn)中微子（1995年諾貝爾獎）1962Lederman等發(fā)現(xiàn)μ中微子（1988年諾貝爾獎）1957Pontecorvo提出中微子可以發(fā)生振蕩1968Davis發(fā)現(xiàn)太陽(tàiyáng)中微子丟失，中微子振蕩.（2002年諾貝爾獎）1998超級神岡實(shí)驗(yàn)證實(shí)大氣中微子丟失,中微子振蕩！(2002年諾貝爾獎）2001SNO實(shí)驗(yàn)證實(shí)丟失的太陽中微子變成了其它中微子2002KamLAND用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)證實(shí)太陽中微子振蕩第二十六頁，共四十三頁。編輯課件15.3

γ衰變(shuāibiàn)和內(nèi)轉(zhuǎn)換：

處于激發(fā)態(tài)的原子核不穩(wěn)定(wěndìng)，要向低能態(tài)躍遷，放出γ光子。常常伴隨著α衰變和β衰變過程產(chǎn)生。例6027Co→6028Ni+γ+γ0MeV2.50MeV1.33MeV第二十七頁，共四十三頁。編輯課件

在醫(yī)療上，射線可以使癌細(xì)胞受到抑制或死亡，因此常利用鈷60的射線按理(ànlǐ)治療肺癌、食道癌等。射線還可以用于醫(yī)療器械的消毒滅菌，處理醫(yī)院排出的污水，殺死各種病原體，保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生。伽瑪輻射儀第二十八頁，共四十三頁。編輯課件內(nèi)轉(zhuǎn)換：

在某些情況下，原子核從激發(fā)態(tài)向較低能級躍遷時不一定放出γ光子、而是把這部分能量直接(zhíjiē)交給核外電于，使其脫離原子的束縛而成為自由電子，這稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換。锝99Tcm基態(tài)(jītài)時89%射線(shèxiàn)11%內(nèi)轉(zhuǎn)換第二十九頁，共四十三頁。編輯課件第三節(jié)原子核的衰變(shuāibiàn)規(guī)律15.1衰變(shuāibiàn)定律（1）對一個特定的放射性核素，其衰變(shuāibiàn)的精確時間是無法預(yù)測的；（2）對足夠多的放射性核素的集合，其衰變規(guī)律是確定的，并服從量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第三十頁，共四十三頁。編輯課件衰變(shuāibiàn)定律

λ衰變常數(shù)：一個原子核在單位(dānwèi)時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，衰變常數(shù)與外界條件（溫度、壓力、磁場等）幾乎無關(guān)。第三十一頁，共四十三頁。編輯課件15.2半衰期

在放射性衰變(shuāibiàn)過程中，放射性元素的原子核數(shù)減少到原有核數(shù)的一半時所需的時間。衰變定律(dìnglǜ)的另一種表示：1、衰變(shuāibiàn)定律當(dāng)有一半粒子發(fā)生衰變時：第三十二頁，共四十三頁。編輯課件例：一個(yīɡè)放射性物質(zhì)T=2d,過了四天后：第三十三頁，共四十三頁。編輯課件

t=0時，核數(shù)為N0，經(jīng)t時間的衰變，剩下

N(t)=Noe-λt，再經(jīng)dt(t~t+dt)時間，有-dN=λNdt發(fā)生衰變。這意味著-dN個核子存活(cúnhuó)了t時間，所以核素的總壽命是(1)平均壽命(pínɡjūnshòumìnɡ)2、有效(yǒuxiào)半衰期和平均壽命第三十四頁，共四十三頁。編輯課件任一核素的平均壽命(pínɡjūnshòumìnɡ)為第三十五頁，共四十三頁。編輯課件（2）有效(yǒuxiào)半衰期：放射性元素進(jìn)入(jìnrù)生物體內(nèi)物理(wùlǐ)衰變λ

N=N0e-λt生物衰變:λb（常數(shù)）λb------生物衰變常量。放射性元素隨生物體的代謝排出體外，其衰減也按指數(shù)規(guī)律。第三十六頁，共四十三頁。編輯課件有效(yǒuxiào)衰變常數(shù)λe,據(jù)半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系(guānxì)：采用(cǎiyòng)放射性元素作生物體內(nèi)示蹤劑。第三十七頁，共四十三頁。編輯課件例題:臨床上常用59Fe檢查或在患者(huànzhě)血液的異常情況.已知59Fe的物理半衰期46.3d,生物半衰期為65d,問服用13.5d后,殘留在體內(nèi)的放射性核素的相對量N/N0為多大?第三十八頁，共四十三頁。編輯課件15.3放射性活度

放射性活度（簡稱活度）一定量的放射性核素在單位時間間隔內(nèi)發(fā)生(fāshēng)的核衰變數(shù)，即

dN:在時間間隔dt內(nèi)自發(fā)(zìfā)核衰變次數(shù)。第三十九頁，共四十三頁。編輯課件（1）活度服從同樣(tóngyàng)的指數(shù)規(guī)律。（2）活度單位是居里.（3）1居里(Ci)＝3.7×1