原子核與放射性課件

1、原子核與放射性,1,第十七章 原子核與放射性,原子核與放射性,2,1896年，法國物理學(xué)家安東尼亨利貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾鹽能放射出穿透力很強的，并能使照相底片感光的一種不可見的射線。 1898年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性更強的元素釙(Po)和鐳(Ra). 由于發(fā)現(xiàn)放射性，居里夫婦和貝可勒爾共同獲得了1903年諾貝爾物理學(xué)獎。 后來盧瑟福和他的合作者通過大量實驗證實已發(fā)現(xiàn)的射線有，三種。 1911年，盧瑟福通過 粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)了原子的核式結(jié)構(gòu),原子核與放射性,3,本章擬學(xué)習(xí)內(nèi)容： 第一節(jié) 原子核的基本性質(zhì) 第二節(jié) 原子核的衰變類型 第三節(jié) 原子核的衰變規(guī)律 本章習(xí)題： 第304-305頁，17-1、17

2、-4、17-6、17-8、17-10、17-11,原子核與放射性,4,第一節(jié) 原子核的基本性質(zhì),一、原子核的組成、質(zhì)量和大小,原子核與放射性,5,原子 (atom,原子核 (nucleus,核外電子 (electron,質(zhì)子 (proton,中子 (neutron,質(zhì)子數(shù)， 原子序數(shù)：Z,中子數(shù)：N,核子數(shù)， 原子質(zhì)量數(shù)： A=Z+N,1. 原子核的組成,原子核與放射性,6,原子質(zhì)量單位(u) ： 原子質(zhì)量的1/12,原子核質(zhì)量近似為Au,原子核與放射性,7,核素：一類具有確定質(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,同位素(isotope)：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的不同

3、核素,同位素在元素周期表中處于同一位置,如：氫原子的三種同位素,碳的同位素有,原子核與放射性,8,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狀態(tài),原子核與原子一樣具有分立的能級狀態(tài)，在一定條件 下，可以在不同能級間躍遷,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,原子核與放射性,9,2. 原子核的大小,盧瑟福根據(jù)粒子散射實驗的結(jié)果計算出了原子核的半徑R約為 的量級,如果將核看成球形，則核的半徑R和 成正比，即,核的半徑為4.6f

4、m， 核的半徑為7.4fm,原子核的密度,各種核的密度都是一樣的,原子核的密度比地球的平均密度大1014倍,原子核與放射性,10,3. 原子核的結(jié)合能,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,在核的線度內(nèi)，核力比庫侖力大得多,核力是短程力。在核內(nèi)，一個核子只受到和它相鄰的其它核子的核力作用,核力與電荷無關(guān)。質(zhì)子和質(zhì)子，質(zhì)子和中子，中子 和中子間的作用力是一樣的,原子核與放射性,11,原子核的結(jié)合能,由于核力將核子聚集在一起，所以要把一個核 分解成單個的中子和質(zhì)子時必須克服核力做功，為 此所需的能量

5、叫做核的結(jié)合能。它也是單個核子結(jié) 合成一個核時所能釋放的能量,核子結(jié)合成一個核時，根據(jù)能量守恒,結(jié)合能,質(zhì)量虧損,質(zhì)量虧損是單獨的核子結(jié)合成核后其總的靜質(zhì)量的 減少,結(jié)合能,原子核與放射性,12,質(zhì)量虧損,結(jié)合能,原子核與放射性,13,例：計算5Li核和6Li核的結(jié)合能，給定5Li原子的質(zhì)量 為m5=5.012539u,6Li原子的質(zhì)量為m6=6.015121u,氫 原子的質(zhì)量為mH=1.007825u.比較5Li核的質(zhì)量與質(zhì)子 及粒子的質(zhì)量和（mHe=4.002603u,解： 5Li核的結(jié)合能為,6Li核的結(jié)合能為,原子核與放射性,14,m5 = 5.012539u mH + mHe = 5

6、.010428u,可見，5Li核的質(zhì)量大于質(zhì)子和粒子的質(zhì)量和。因此 5Li核不穩(wěn)定，它會分裂成一個質(zhì)子和一個粒子并放 出一定的能量，放出的能量為,原子核與放射性,15,原子核的比結(jié)合能：就一個核平均來講，一個核子的 結(jié)合能,比結(jié)合能越大，表明核子間結(jié)合得越緊密。比結(jié)合能 的大小可作為核穩(wěn)定性的量度,原子核與放射性,16,比結(jié)合能和質(zhì)量數(shù)的關(guān)系線,A30時， 在A為 4的倍數(shù)時具有最大 值，說明這些核比 其鄰近的核更穩(wěn)定,A30時，比結(jié)合 能變化不大，大約 都為8MeV。這說明 核力的“飽和性”， 它是核力短程性的 直接后果,A60時， 逐漸減小，核越來 越不穩(wěn)定。因為隨著A的增大， 庫侖力的效

7、果漸趨顯著，結(jié)合能 被削弱,原子核與放射性,17,穩(wěn)定核的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)間的關(guān)系,穩(wěn)定輕核的中子數(shù)等于質(zhì)子 數(shù)。穩(wěn)定重核的中子數(shù)大于 質(zhì)子數(shù),Z 81的絕大多數(shù)同位素核 都是不穩(wěn)定的，它們都會通過 放射現(xiàn)象而衰變,原子核與放射性,18,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，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,原子核與放射性,19,第二節(jié) 原子核的衰變類型,原子核與放射性,20,放射性是不穩(wěn)定核自發(fā)地發(fā)射出一些射線而本身 變?yōu)樾潞说默F(xiàn)象，這種核的轉(zhuǎn)變也稱為放射性衰變， 簡稱為核衰變,放射性是1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的，他當(dāng)時觀察到鈾鹽 發(fā)射

8、出的射線能透過不透明的紙使其中的照相底片感 光,其后，盧瑟福和他的合作者把已發(fā)現(xiàn)的射線分成， 和 三種,再后來人們發(fā)現(xiàn) 射線就是 粒子，即氦核(4He)流， 射線是電子流， 射線是光子流,核衰變有三種類型： 衰變， 衰變和 衰變。核衰變 過程中，電荷數(shù)，核子數(shù)，能量和動量等物理量守恒,原子核與放射性,21,一、 衰變,放射性核自發(fā)地放射出 射線而變成電荷數(shù)減少2， 核子數(shù)減少4的另一種新核的現(xiàn)象稱為 衰變,射線是高速運動的氦核(,衰變過程,衰變能：衰變過程中釋放 的能量。在數(shù)值上等于 粒子的動能與子核反沖動 能之和,原子核與放射性,22,3.82d,鐳 的衰變綱圖,原子核與放射性,23,二、

9、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)地放射出一個電子e - 和一個反中微子 ， 而變成電荷數(shù)增加1，核子數(shù)不變的子核,原子核與放射性,24,的衰變綱圖,原子核與放射性,25,2. +衰變,母核自發(fā)地放射出一個正電子e + 和一個中微子 ， 而變成電荷數(shù)減少1，核子數(shù)不變的子核,原子核與放射性,26,3. 電子俘獲,母核俘獲一個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，同時放出一個中微子,在電子俘獲過程中，核捕獲一個核外電子（常是K 殼層的電子）后，殼層內(nèi)就出現(xiàn)一空位，外層電子 會過來填補該空位，同時放出能量

10、。這一能量可以 發(fā)射標識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?原子核與放射性,27,衰變所放出的電子的能譜是連續(xù)的曲線，且有一最大能量值,只有少數(shù)電子有最大動能，大多數(shù)電子的動能都比KEmax小,衰變時發(fā)出了另一種粒子帶走了那“被消滅”的能量，它是中微子neutrino (,中微子不帶電，質(zhì)量很小可看為0，且和物質(zhì)作用 非常微弱，不易被檢測到,原子核與放射性,28,三、 衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換,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 射線的形式釋放能量而躍遷到較低能級的現(xiàn) 象稱為 衰變,衰變常伴隨著 射線的產(chǎn)生,醫(yī)學(xué)上治療腫瘤常用60Co產(chǎn)生的 射線,原子核與放射

11、性,29,內(nèi)轉(zhuǎn)換：一個處于激發(fā)態(tài)的核躍遷到低能態(tài)時把 能量傳給了一個核外電子。這個核外電子接受到 此較大能量后即從原子中高速飛出而成為自由電 子，這一過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，釋放的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn) 換電子,內(nèi)轉(zhuǎn)換過程中，由于釋放電子而在原子的內(nèi)殼層 出現(xiàn)空位，外層電子將會填充這個空位而發(fā)射標 識X射線或俄歇電子,原子核與放射性,30,第三節(jié) 原子核的衰變規(guī)律,原子核與放射性,31,一、衰變規(guī)律,所有放射性核的衰變都遵守同樣的統(tǒng)計規(guī)律： 在時間dt 內(nèi)衰變的核的數(shù)目-dN 正比于當(dāng)時放射性核的數(shù)目N 以及時間間隔dt,：衰變常量。表示一個放射性核單位時間內(nèi)衰變的 概率,dN ：原子核的減少量,衰變定律,N0

12、：t = 0時放射性核的數(shù)目,原子核與放射性,32,二、半衰期,原子核數(shù)目因衰變減少到原來的一半所需的時間， 稱為半衰期(half life), 用T表示,原子核與放射性,33,從t = 0開始，-dN個放射性核的生存時間為t,所有放射性核的平均壽命(mean life)為,衰變常量越大，衰變越快，平均壽命也越短,原子核與放射性,34,核醫(yī)學(xué)中，進入體內(nèi)的放射性核素除因自身衰變 而減小外，還會通過機體代謝而排除體外。因此，生 物機體內(nèi)放射性核數(shù)目的減少比單純的核衰變要快,生物機體排出放射性核的規(guī)律也服從衰變定律,物理衰變常量： 物理半衰期：T 生物衰變常量： b 生物半衰期：Tb 有效衰變常量

13、： e 有效半衰期：Te,采用放射性物質(zhì)做生物機體示蹤劑時，有效半衰期是 一重要參數(shù),原子核與放射性,35,三、放射性活度,放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為 該物質(zhì)的放射性活度(activity), 用A表示,起始活度,放射性活度和放射性核數(shù)以相同的指數(shù)速率減小,活度的國際單位：貝可(Bq,活度的常用單位：居里(Ci,原子核與放射性,36,例：設(shè)一臺60Co -刀初裝時鈷源活度為6040Ci，使用 5年后，鈷源活度還剩多少Bq?其平均壽命為多少年？ （已知 60Co的半衰期為5.27a,解：已知T=5.27a,t = 5a,原子核與放射性,37,例：226Ra的半衰期為1600a，

14、1g純226Ra的活度是 多少？這一樣品經(jīng)過400a時的活度是多少,解：樣品中最初的核數(shù)為,衰變常量,起始活度,原子核與放射性,38,復(fù)習(xí)題,一個A=64的原子核的半徑應(yīng)為（ ）。(已知,B,2.核素 經(jīng)衰變成核素 。其中A和Z分別為 A60和28； B57和27； C59和27； D60和26,A,3.由于放射性衰變，使得 轉(zhuǎn)化為 ，中間 經(jīng)過 次衰變和 次衰變,6,4,原子核與放射性,39,A,5.一種放射性核素，經(jīng)24小時后是它開始時的1/8, 該放射性核素的半衰期為 A12h； B6h； C3h； D8h,D,6. +衰變的位移法則是 A.子核在周期表的位置比母核前移一位； B.子核在

15、周期表的位置比母核前移兩位； C.子核在周期表的位置比母核后移一位； D.子核在周期表的位置比母核后移兩位,A,4.利用 的溶液作甲狀腺掃描，在溶液出廠時只需注射0.5 ml就夠了。若出廠后貯存了16天（已知半衰期T=8 d），作同樣掃描注射溶液的量為 A2 ml； B1 ml； C4 ml； D8 ml,原子核與放射性,40,7. 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/(14.3246060)=5.6110-7s-1 =1.44T=20.6d,原子核與放射性,41,8. 兩種放射性核素的半衰期分別為8d和6h，設(shè)含這兩 種