大四課件物理

1、核輻射物理學(xué)吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院輻射防護(hù)教研室賀強(qiáng) 緒論一核輻射物理學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)介及學(xué)科地位 本門(mén)課主要講述有關(guān)核輻射的一些基本知識(shí)，是放射醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)重要的基礎(chǔ)理論之一，學(xué)習(xí)它為下面輻射劑量學(xué)的學(xué)習(xí)提供了一定的理論基礎(chǔ)，并為我們將來(lái)從事工作提供一定的儀器操作能力。 本書(shū)前幾章介紹的是核物理的基礎(chǔ)理論知識(shí)，其目的是讓同學(xué)們熟悉射線的種類(lèi)和性質(zhì)原子核的衰變規(guī)律有關(guān)物理量以及射線與物質(zhì)的相互作用等，后面將分別講述核輻射探測(cè)器和放射性測(cè)量技術(shù)，希望同學(xué)們學(xué)習(xí)完后能夠掌握基本理論知識(shí)和儀器操作能力，為將來(lái)工作打下良好的基礎(chǔ)。二核物理與醫(yī)學(xué)間的聯(lián)系 我們知道自然界誕生以來(lái)，宇宙射線就存在，核射線始終是人們“忠實(shí)

2、的伴侶”。平均每人每年從大地承受到的輻射劑量達(dá)到048Sv。來(lái)自太空大地和周?chē)h(huán)境的射線輻射，稱(chēng)為天然本底輻射。平均每人每年約為Sv，低劑量的核射線輻射仍然是生物進(jìn)化的動(dòng)力之一。 自本世紀(jì)三四十年代起，人工放射性示蹤研究開(kāi)始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，經(jīng)過(guò)五六十年代的迅猛發(fā)展，逐漸創(chuàng)立了核醫(yī)學(xué)這門(mén)新興學(xué)科。年代以后，核醫(yī)學(xué)進(jìn)入了一個(gè)更高的發(fā)展階段，包括功能測(cè)定臟器顯像斷層顯像和放射免疫分析、I131治療和PET診斷等方面的發(fā)展密切相關(guān)。三核物理發(fā)展簡(jiǎn)史1896年，貝可勒爾（Becquerel）發(fā)現(xiàn)鈾的天然放射性，這是人類(lèi)第一次在實(shí)驗(yàn)室觀察到原子核現(xiàn)象。1897年居里夫婦（P&M Curie）發(fā)現(xiàn)了天然放射元素

3、釙和鐳，接著1899年發(fā)現(xiàn)了射線和射線，1900發(fā)現(xiàn)了射線。1923年和1924年，核素示蹤的先驅(qū)G.Hevesy先后發(fā)表了把放射性鉛和鉍放在植物和動(dòng)物體內(nèi)做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這是示蹤原理的萌芽。1926年Blumgart首先將放射性示蹤原子應(yīng)用于臨床，他用威爾遜云室來(lái)測(cè)定血液在臂與臂之間的循環(huán)時(shí)間。1928年，蓋革和米勒(H.Geiger&W.Muller)首先制成了計(jì)數(shù)管。 1930年，勞倫斯(E.D.Lawrence)研制成第一臺(tái)回旋加速器，并于1934年用它人工加速粒子，轟擊穩(wěn)定原子核，產(chǎn)生放射性核素。同年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了人工放射性核素。 1938年，Herte和Hamilton等將放射性碘

4、應(yīng)用于甲狀腺功能檢查。1942年，報(bào)告用放射性碘治療甲亢獲得成功。1946年，報(bào)告用放射性碘治療甲狀腺癌獲得成功。1942年，在費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)下，利用鈾裂變釋放中子及能量的性質(zhì)，發(fā)明了熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆，這是大規(guī)模利用原子能的開(kāi)始。1949年，NaI(TI)為晶體的固體閃爍計(jì)數(shù)器和液體閃爍計(jì)數(shù)器相繼問(wèn)世，為核醫(yī)學(xué)儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1951年，卡森(Cassen)研制成功了第一臺(tái)線性掃描機(jī)。1957年，安格(H.O.Anger)研制成功了標(biāo)準(zhǔn)型閃爍照相機(jī)。1960年，伯森和耶洛(Berson&Yalow)發(fā)明了放射免疫分析法。1972年，英國(guó)公司的線計(jì)算機(jī)斷層掃描（）研制成功。1973年，核磁共振顯

5、像（）技術(shù)問(wèn)世，1980年，Hutchison將其應(yīng)用于身體主要器官和腎動(dòng)脈血管成像獲得成功。70年代中后期，發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描（ECT）研制成功，目前ECT包括單電子ECT即（SPECT）和正電子ECT即（PECT）兩類(lèi)。綜上所述，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，核物理及核技術(shù)的發(fā)展也會(huì)越來(lái)越快，二十一世紀(jì)的科技發(fā)展將會(huì)給核物理帶來(lái)新的面貌。第一章 原子的基本性質(zhì)第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu) 一原子學(xué)說(shuō)（一） 內(nèi)容物質(zhì)由分子組成，分子是物質(zhì)能夠獨(dú)立存在的最小單元。分子由原子組成。分子和原子都處于不停的運(yùn)動(dòng)之中。原子微小且復(fù)雜。直徑D 10-10m 質(zhì)量M 10-27kg（二） u和NA的引入u的定義C-

6、12的1/12定義為一個(gè)原子質(zhì)量單位。 1u = 1.66056610-27kgNA的含義及用途6.021023個(gè)原子定義為1mol原子。N = NA(m/M) 為m克原子量為的某種元素所含的原子數(shù)目。例：克鐵中包含鐵原子數(shù)目 6.0210231/56 1.0751022個(gè)二電子的發(fā)現(xiàn)電荷和質(zhì)量電子的發(fā)現(xiàn)摩擦起電法拉第電解定律湯姆遜陰極射線電子的電荷電子帶負(fù)電，在磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)e = 1.60210-19C3電子的質(zhì)量me = 9.110-28g 1/1836氫原子質(zhì)量作業(yè)：人體內(nèi)含18%的碳，已知天然存在的碳中含C-14為1.2/1012，求體重為75kg的人體內(nèi)含有多少C-14原子？解

7、：m = 75kg18%M =141.2/1012+12(1012-1.2)/1012 g/molNA = 6.021023 = 1.2/1012 N =NA(m/M)5mg純凈的U3O8中含有多少個(gè)U原子？ 第二節(jié) 原子結(jié)構(gòu)初期理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 一盧瑟福散射(Rutherford Scatter) 1897年，Thomson發(fā)現(xiàn)電子以后，提出了原子中的正電荷均勻分布在整個(gè)原子球內(nèi)的“西瓜模型”或“葡萄干面包模型”。但不久，就被粒子大角度散射的實(shí)驗(yàn)事實(shí)否定。1909年，盧瑟福的學(xué)生蓋革和馬斯頓在研究粒子散射實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)粒子在轟擊原子時(shí)，約有八千分之一的粒子被反射回來(lái)，使湯姆遜模型陷入困境。盧瑟福

8、充分尊重事實(shí)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)推理后于1911年提出了“核式結(jié)構(gòu)”模型：原子是由原子核及若干繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成的，原子核帶正電荷，占原子質(zhì)量的99.9%以上，但其半徑不到原子半徑的萬(wàn)分之一。盧瑟福模型最重要的意義是：首先提出了原子的“核式結(jié)構(gòu)”，從而將原子分為核外和核內(nèi)兩部分，并且大膽地承認(rèn)了高密度的原子核的存在；其次是以散射為手段研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，對(duì)近代物理一直起著巨大的影響；同時(shí)盧瑟福散射為材料分析提供了一種手段。喬治加莫夫于1965年在他的物理學(xué)傳 書(shū)中，以一首小詩(shī)作過(guò)如下刻畫(huà)： 這個(gè)英俊魁梧的貴族 我們所認(rèn)識(shí)的盧瑟福。 來(lái)自新西蘭的農(nóng)家子， 從未喪失他的泥土氣； 他嗓門(mén)高亢，笑聲朗朗， 穿透

9、重門(mén)四處回蕩。 每當(dāng)他火冒三丈， 說(shuō)的話可不和暢！以今天的眼光看來(lái)，盧瑟福的發(fā)現(xiàn)（即原子由核和殼組成，其質(zhì)量集中于帶正電的核中)是人類(lèi)邁向現(xiàn)代物理途中最重要的一個(gè)里程碑。正是這個(gè)發(fā)現(xiàn)才使人們有可能了解元素的結(jié)構(gòu)，掌握放射性衰變，破解基本的自然力。并將其進(jìn)一步用于研究以及技術(shù)運(yùn)用。歐內(nèi)斯特盧瑟福本人后來(lái)預(yù)感到他的思想的重要性。1932年他在致漢斯蓋革的信中寫(xiě)道：“那是在曼徹斯特的美好時(shí)光。我們做出來(lái)的成績(jī)比我們意識(shí)到的還要大?！倍⒃庸庾V的實(shí)驗(yàn)定律 、 光譜分類(lèi)連續(xù)光譜、線狀光譜、 定律氫原子光譜= Bn2/ (n2-4) B = 3645.6埃 1埃 10-10m巴爾末系1/= R(1/22- 1/n2) 1/= R (1/k2- 1/n2) R=4/B=1.09677581107/m ：黎德堡常數(shù)賴(lài)曼系 k = 1 n = 2,3巴爾末系 k = 2 n = 3,4帕邢系 k = 3 n = 4,5布喇開(kāi)系 k = 4 n = 5,6普芳德系 k = 5 n = 6,71/= T(k)-T(n) 稱(chēng)