物理學(xué)：第十章 原子核和放射性

第十章原子核和放射性原子核的組成原子(atom)原子核(nucleus)核外電子(electron)質(zhì)子(proton)中子(neutron)核子(nucleon)原子核的研究貝克勒爾最初研究熒光和磷光1896年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線試驗(yàn)熒光物質(zhì)能否放出射線1896年發(fā)現(xiàn)鈾元素自身發(fā)出種射線1903年因發(fā)現(xiàn)自發(fā)放射性獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)貝克勒爾(H.Becquerel，1852–1908)法國物理學(xué)家.原子核的研究居里夫婦1896年受貝克勒爾影響1898年提純鈾礦過程中發(fā)現(xiàn)放射性元素釙和鐳1903年因?qū)椛洮F(xiàn)象的貢獻(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)了釙和鐳獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（與貝克勒爾共享）1911年居里夫人因提純鐳等貢獻(xiàn)而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)P.Curie.1859–1906，法國物理學(xué)家M.Curie.1867–1934，法籍波蘭物理學(xué)家。原子核的研究盧瑟福因?yàn)椤皩?duì)元素蛻變以及放射化學(xué)的研究”，1908年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

1911年根據(jù)粒子的散射實(shí)驗(yàn)提出原子核式結(jié)構(gòu)模型1919年做α粒子轟擊氮核的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子(proton)1920年根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出原子中可能存在中性粒子的假設(shè)，盧瑟福(E.Rutherford，1871–1937)英籍新西蘭物理學(xué)家，原子核物理學(xué)之父。原子核的研究查德威克1919年從事a粒子人工轟擊各種元素的試驗(yàn)

1931年，約里奧·居里夫婦公布石蠟在“鈹射線”照射下產(chǎn)生大量質(zhì)子的新發(fā)現(xiàn)。1932年解釋了約里奧一居里的實(shí)驗(yàn)，即被次級(jí)輻射是能量為5MeV的中子

1935年因發(fā)現(xiàn)中子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)查德威克(J.Chadwick，1891–1974)英國物理學(xué)家原子核的研究約里奧－居里夫婦最早用α粒子轟擊鈹、鋰、硼原子核，在實(shí)驗(yàn)中得到中子，但誤認(rèn)為是光子（查德威克）最早在云室中觀察到正電子的徑跡，但誤認(rèn)為是電子（安德森

）

最早用慢中子轟擊重核產(chǎn)生核裂變，但沒有深入研究（奧托·哈恩）因?yàn)榉€(wěn)定的人工放射性的發(fā)現(xiàn)，獲1935年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)Joliot-Curie.1900–1958，法國物理學(xué)家

Irene.Joliot-Curie.1897–1956第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)基本概念原子核的質(zhì)量和大小原子核的自旋原子核的穩(wěn)定性核素：具有確定質(zhì)子數(shù)、核子數(shù)和能量狀態(tài)的中性原子稱為核素。核素的表示形式：同核異能素：質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)均相同而處于不同能量狀態(tài)的一類核素。如：和表示處于較高核能級(jí)狀態(tài)原子核與原子一樣具有分立的能級(jí)狀態(tài)，在一定條件下，可以在不同能級(jí)間躍遷?；靖拍钔凰?isotope)：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的不同核素。同位素在元素周期表中處于同一位置。天然存在的各元素中各同位素的多少是不一樣的，各種同位素所占比例叫作各該同位素的天然豐度。如：在碳的同位素中，的天然豐度為98.9﹪，的為1.1﹪，而的只有.

基本概念同中子異位素(isotone)：具有相同中子數(shù)，不同質(zhì)子數(shù)的一類核素同量異位素(isobar)：質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核素基本概念原子核的質(zhì)量常用原子質(zhì)量單位(atomicmassunit)

u表示，原子質(zhì)量單位定義為自然界中碳最豐富的同位素

原子質(zhì)量的1/12.質(zhì)子質(zhì)量mp=1.007277u中子質(zhì)量mn=1.008665u電子的質(zhì)量約為每個(gè)質(zhì)子(或中子)質(zhì)量的1/1836

質(zhì)量數(shù)為A的原子核質(zhì)量近似為Au原子核的質(zhì)量原子核半徑與核子數(shù)有近似關(guān)系

R01.210-15m.原子核體積很小，密度很大.原子核的大小各種原子核的密度都是一樣的原子核的自旋原子核具有角動(dòng)量稱為核自旋(nuclearspin).原子核角動(dòng)量大小為I為核自旋量子數(shù)，可以取半整數(shù)或整數(shù)角動(dòng)量在空間某一方向的投影是量子化的對(duì)于確定的I值，mI

可取I，I-1，I-2，…，-I+1，-I，共2I+1個(gè)值.原子核的自旋與狀態(tài)有關(guān)，激發(fā)態(tài)原子核的自旋不一定等于基態(tài)的自旋.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基態(tài)時(shí)

質(zhì)子、中子數(shù)目原子核的自旋I奇偶核或偶奇核半整數(shù)偶偶核零奇奇核整數(shù)氫原子核為奇偶核原子核的自旋mI=

1/2mI=

-1/2E2E1

E

=

g

N

B氫核在外磁場(chǎng)B中的能級(jí)核磁共振(nuclearmagneticresonance，MRI)磁共振成像優(yōu)點(diǎn)成像層面的選擇是通過梯度磁場(chǎng)和射頻脈沖實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)需要隨意選擇成像斷面MRI圖像反映組織器官中1H的密度分布，可以多參數(shù)成像提供更加豐富的診斷信息（質(zhì)子密度、縱向弛豫時(shí)間和橫向弛豫時(shí)間）對(duì)軟組織有極高的分辨力（腦灰質(zhì)與白質(zhì)、脊髓等）對(duì)人體沒有電離輻射損傷缺點(diǎn)：對(duì)肺部的檢查不如X射線或CT檢查觀察不到骨骼的細(xì)節(jié)體內(nèi)有金屬的受檢者受到限制醫(yī)用超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)曼斯菲爾德(P.Mansfield)，英國物理學(xué)家勞特伯爾(P.Lauterbur)，美國化學(xué)家2003年因發(fā)明磁共振成像技術(shù)(MRI)獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng).原子核的穩(wěn)定性核力：原子核中質(zhì)子間距離非常小，因此它們間存在很大的庫侖斥力，核的穩(wěn)定性說明核子間一定存在一種和庫侖力相抗衡的吸引力，這種力稱為核力核力的特征短程力強(qiáng)力飽和性與核子帶電狀況無關(guān)原子核的結(jié)合能核子結(jié)合成核時(shí)：結(jié)合能：質(zhì)量虧損：比結(jié)合能（平均結(jié)合能）：比結(jié)合能(

)曲線比結(jié)合能(

)

特點(diǎn)A<30時(shí)，

在A為4的倍數(shù)時(shí)具有最大值A(chǔ)>30時(shí)，

變化不大，大約都為8MeVA>120時(shí)，

逐漸減小，核越來越不穩(wěn)定在質(zhì)量數(shù)較小的穩(wěn)定核中，中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)比為1:1時(shí)是穩(wěn)定核素，當(dāng)核子數(shù)大于209時(shí)，無論采取怎樣的中質(zhì)比，都是不穩(wěn)定的核素輕核和重核的比結(jié)合能小于中等核的比結(jié)合能，比結(jié)合能小的核變成比結(jié)合能大的核時(shí)，將釋放能量采用重核裂變和輕核聚變兩種途徑獲得原子能中國第一顆原子彈(1964年)和第一顆氫彈(1967年)爆炸時(shí)產(chǎn)生的蘑菇云.1945.8美國投到廣島、長崎的原子彈“小男孩”和“胖子”位于浙江海鹽的秦山核電站是我國第一座自行研究、設(shè)計(jì)、建設(shè)的核電站.1991年12月首次并網(wǎng)發(fā)電，結(jié)束了中國大陸無核電的歷史自然界中天然存在的核素300多種，其中60多種是不穩(wěn)定的放射性核素，他們會(huì)自發(fā)放出各種射線變成另一種核素，這種現(xiàn)象稱為原子核的放射性衰變(radioactivedecay)，簡稱核衰變(decay).人工方法制造了1600多種放射性核素.衰變類型：衰變、衰變和衰變衰變過程中，電荷、質(zhì)量、動(dòng)量和核子數(shù)等物理量守恒第二節(jié)原子核的衰變類型質(zhì)量數(shù)A>209的放射性核素自發(fā)的放出射線而變成電荷數(shù)減少2，核子數(shù)減少4的另一種核素的現(xiàn)象稱為衰變

射線是高速運(yùn)動(dòng)的氦核，也稱粒子.一、

衰變

衰變過程：母核子核衰變能：衰變過程中釋放的能量。在數(shù)值上等于

粒子的動(dòng)能與子核反沖動(dòng)能之和。

的

衰變圖3.82d0.186MeV0

rays二、

衰變放射性核自發(fā)地放射出

射線（高速電子）或俘獲軌道電子而變成另一新核的現(xiàn)象稱為

衰變1.

-衰變母核自發(fā)地放射出一個(gè)電子e

-

和一個(gè)反中微子，而變成電荷數(shù)增加1，核子數(shù)不變的子核。00.14266.02h0.50910.92050.18110.14052.

+衰變母核自發(fā)地放射出一個(gè)正電子e

+

和一個(gè)中微子，而變成電荷數(shù)減少1，核子數(shù)不變的子核。3.

電子俘獲母核俘獲一個(gè)核外軌道電子而變成電荷數(shù)減少1，核子數(shù)不變的子核，同時(shí)放出一個(gè)中微子。在電子俘獲過程中，核捕獲一個(gè)核外電子（常是K殼層的電子）后，殼層內(nèi)就出現(xiàn)一空位，外層電子會(huì)過來填補(bǔ)該空位，同時(shí)放出能量。這一能量可以發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線形式放出，也可以使另一外層電子電離變?yōu)樽杂呻娮樱ǘ硇娮樱?。伴隨著、衰變，處于激發(fā)態(tài)的原子核在不改變其組成的情況下，以放出射線(光子)的形式釋放能量而躍遷到較低能級(jí)的現(xiàn)象稱為

衰變60Co(T

=

5.27a)

–0.309(100%)2.50MeV1.33MeV0

1

260Ni三、

衰變醫(yī)學(xué)上治療腫瘤常用60Co產(chǎn)生的

射線。內(nèi)轉(zhuǎn)換、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、俄歇電子處于激發(fā)態(tài)的原子核還有另一種釋放能量的方式，即原子核由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，并不發(fā)射γ射線而是把全部能量交給核外電子，使其脫離原子的束縛而成為自由電子，這一過程叫內(nèi)轉(zhuǎn)換，發(fā)射的電子叫內(nèi)轉(zhuǎn)換電子電子俘獲或者內(nèi)轉(zhuǎn)換過程，由于原子的內(nèi)殼層缺少電子而出現(xiàn)空位，外層電子將會(huì)填充這個(gè)空位，同時(shí)釋放出能量。這個(gè)能量可以以發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線(光子)的形式放出，也可以使另一外層電子電離成為自由電子。這種被電離出來的電子稱為俄歇電子

電子俘獲或者內(nèi)轉(zhuǎn)換過程都伴隨著標(biāo)識(shí)X射線和俄歇電子的發(fā)射作業(yè)本三、4、5：226Ra和222Rn原子質(zhì)量分別為226.02536u和222.01753u,4He原子質(zhì)量4.002603u,寫出衰變方程，畫出衰變圖。試求226Ra衰變?yōu)?22Rn時(shí)的衰變能Q為多大？解：作業(yè)本：一、12、18；二、8；三、4、5第三節(jié)原子核的衰變規(guī)律一、衰變規(guī)律只有一種放射性核素衰變的情況下：式中

稱為衰變常量(decayconstant)，表示1個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率原子核數(shù)目因衰變減少到原來的一半所需的時(shí)間T，稱為半衰期二、半衰期(halflife)在核醫(yī)學(xué)中，進(jìn)入人體的放射性核素可以通過肌體的代謝而排出體外。將各種排泄作用而使生物體內(nèi)放射性原子數(shù)目減少一半所需的時(shí)間稱為生物半衰期Tb(biologicalhalflife)，與之對(duì)應(yīng)的是生物衰變常量

b(biological

decayconstant).生物衰變常量和生物半衰期生物機(jī)體內(nèi)放射性原子核的衰變定律：其中

e=

+

b稱為有效衰變常量(effectivedecayconstant)，它對(duì)應(yīng)的半衰期為有效半衰期Te

(effectivehalflife).Te與物理半衰期T和生物半衰期Tb的關(guān)系為有效衰變常量和有效生物半衰期原子核衰變的快慢可以用平均壽命表示.對(duì)于任一核素的平均壽命為三、平均壽命(meanlife)結(jié)論：經(jīng)過平均壽命的時(shí)間以后殘留的核素?cái)?shù)目為原來數(shù)目的37%放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為該物質(zhì)的放射性活度：式中

是t

=0時(shí)的放射性活度.四、放射性活度(activity)活度的國際單位：貝可(Bq)活度的常用單位：居里(Ci)為了反映放射性物質(zhì)的純度，引入比活度(specificactivity)的概念，它表示單位質(zhì)量放射源的活度

教材例題：設(shè)一臺(tái)60CO

刀初裝時(shí)的總活度為6040Ci，使用5年后，鈷源活度還剩多少Bq？其平均壽命為多少年？解：已知60CO的T=5.27at=5a教材10題（作業(yè)本填空17題）：兩種放射性核素的半衰期分別為8d和6h，已知它們的放射性活度相同，則第一種放射性核素的摩爾數(shù)是第二種的多少倍？解：T1=8d=8×24h=192h,T2=6h因此，半衰期為8d的核的數(shù)量是半衰期為6h的核的32倍。例：226Ra的半衰期為1600a，1g純226Ra的活度是多少？這一樣品經(jīng)過400a時(shí)的活度是多少？解：樣品中最初的核數(shù)為衰變常量：起始活度：32P的半衰期是14.3天，它的衰變常數(shù)是多少？平均壽命是多少？1g的32P的放射性活度為多少？解：已知T=14.3d

=0.693/T=0.693/(14.3×24×60×60)=5.61×10-7s-1

τ=1.44T=20.6d級(jí)聯(lián)衰變(cascadedecay)級(jí)聯(lián)衰變時(shí)母核與子核的衰變規(guī)律：五、放射性平衡141kev核素發(fā)生器“母?！奔?jí)聯(lián)衰變t=0時(shí)：核素A的數(shù)目為NA0，核素B、C的數(shù)目NB0=NC0=0t時(shí)：第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用物質(zhì)靶體粒子束俄歇電子X射線γ射線透射粒子散射粒子次級(jí)粒子質(zhì)子、α粒子、正負(fù)電子中子、γ、Χ射線與物質(zhì)的作用形式彈性作用：作用前后系統(tǒng)的總動(dòng)能不變非彈性作用：作用前后系統(tǒng)的總動(dòng)能有損失射線與核外電子的彈性作用射線與核外電子的非彈性作用射線與原子核的彈性作用射線與原子核的非彈性作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用電離（ionization)α、β等帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，由于靜電力的作用，使殼層電子獲得能量，產(chǎn)生自由電子和正離子（離子對(duì)），這一過程稱為電離由于帶電粒子的電離作用，當(dāng)它通過物質(zhì)路徑周圍將留下許多離子對(duì)，每厘米路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)稱為電離比值或電離比度。它表示帶電粒子的電離本領(lǐng)，在生物體內(nèi)表示對(duì)機(jī)體的損傷程度。帶電粒子的速度越小、帶的電量越多、物質(zhì)的密度越大，則電離比值大激發(fā)(excitation)帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，殼層電子獲得的能量不足以使殼層電子脫離軌道，則從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道，即原子由基態(tài)轉(zhuǎn)入高能態(tài)，這種過程稱為激發(fā)原子退激——激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，處在高能態(tài)的電子要跳回低能態(tài)軌道來，以發(fā)射光子的形式放出相應(yīng)的能量

一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用散射帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，因受物質(zhì)原子核的電場(chǎng)作用，與帶正電的原子核發(fā)生庫侖排斥作用而改變其本身的運(yùn)動(dòng)方向，稱為散射入射粒子相對(duì)于核的質(zhì)量愈大，則散射愈小。對(duì)于重帶電粒子，散射現(xiàn)象不太明顯，可以不予考慮一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用韌致輻射帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，受到原子核的作用，速度急劇減少，這種帶電粒子的一部分能量以光子的形式發(fā)射出來，稱為軔致輻射

一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用正電子與負(fù)電子的湮滅高能正電子進(jìn)入物質(zhì)后速度減小，然后與負(fù)電子發(fā)生湮滅，同時(shí)放出兩個(gè)發(fā)射方向相反，各自能量為0.511Mev的光子二、光子與物質(zhì)的相互作用光電效應(yīng)光子與物質(zhì)相互作用，將其全部攜帶的能量交給一個(gè)殼層電子，使其脫離原子而成為自由電子，光子本身被物質(zhì)吸收，這一過程叫光電效應(yīng)，釋放出來的電子主要是內(nèi)殼層電子，叫光電子對(duì)于能量確定的光子，原子中結(jié)合能大的內(nèi)殼層發(fā)生光電效應(yīng)的概率大伴隨著光電效應(yīng)發(fā)出光子，在原子內(nèi)殼層留下空位，被外層電子填補(bǔ)，則將發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線或俄歇電子二、光子與物質(zhì)的相互作用康普頓效