章原子核和放射性

（優(yōu)選）章原子核和放射性第一頁，共六十一頁。金箔對粒子的散射實(shí)驗(yàn)

1911年盧瑟福用金箔對粒子的散射實(shí)驗(yàn)確立了原子的核式模型,即原子由處于中心的原子核和核外運(yùn)動(dòng)的電子組成.由此開始了對原子核的探索.第二頁，共六十一頁。一.原子核的組成1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射性,1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳.1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子(proton).1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子(neutron).§13-1原子核的基本性質(zhì)第三頁，共六十一頁。海森伯等人提出原子核是由質(zhì)子和中子組成的.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子(necleon).原子核中的質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù),即原子序數(shù)Z.原子核的質(zhì)量數(shù)A就是核子的總數(shù),若以N表示中子數(shù),則A=Z+N.第四頁，共六十一頁。查德威克(J.Chadwick,1891-1974)英國物理學(xué)家.1935年因發(fā)現(xiàn)中子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).貝克勒爾(H.Becquerel,1852-1908)法國物理學(xué)家.1903年因發(fā)現(xiàn)自發(fā)放射性獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).第五頁，共六十一頁。居里夫婦(P.Curie,1859-1906,右,法國物理學(xué)家；M.Curie,1867-1934,左,法籍波蘭物理學(xué)家)

1903年因?qū)ω惪死諣柊l(fā)現(xiàn)的輻射現(xiàn)象作出了卓越貢獻(xiàn),其中包括發(fā)現(xiàn)了釙和鐳獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).居里夫人1911年又因提純鐳而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).第六頁，共六十一頁。約里奧-居里夫婦(F.Joliot-Curie,1900-1958,I.Joliot-Curie,1897-1956,右)在實(shí)驗(yàn)室中(1932年)約里奧-居里夫婦是居里夫人的女兒、女婿,他們錯(cuò)失了發(fā)現(xiàn)中子、正電子和核裂變的機(jī)會(huì).但仍于1935年因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).第七頁，共六十一頁。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第八頁，共六十一頁。質(zhì)子質(zhì)量mp=1.007

276

u中子質(zhì)量mn=1.008

665

u質(zhì)量數(shù)為A的原子核質(zhì)量近似為Au.一類具有確定質(zhì)子數(shù)和核子數(shù)的中性原子稱為核素(nuclide),用表示.其中X為元素符號,Z和A分別表示原子序數(shù)和原子質(zhì)量數(shù).第九頁，共六十一頁。質(zhì)子數(shù)相同的不同核素稱為同位素(isotope)；具有相同中子數(shù),不同質(zhì)子數(shù)的異類核素稱為同中子異位素(isotone)；質(zhì)量數(shù)相同,質(zhì)子數(shù)不同的一類核素稱為同量異位素(isobar)；質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)相同而處于不同能量狀態(tài)的一類核素稱為第十頁，共六十一頁。同核異能素(isomer).同位素在自然界中的含量百分比稱為同位素豐度(isotopeabundance).原子核半徑與核子數(shù)有近似關(guān)系因此,原子核體積很小,密度很大.式中R01.210-15m.第十一頁，共六十一頁。二.原子核的結(jié)合能原子核質(zhì)量總是小于組成原子核的核子質(zhì)量之和,兩者的差值稱為質(zhì)量虧損(massdefect).自由核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量稱為原子核的結(jié)合能(bindingenergy).任意一個(gè)核素的結(jié)合能E定義為：第十二頁，共六十一頁。式中、及分別表示氫原子、中子及原子的質(zhì)量.原子核的結(jié)合能E

與該核核子數(shù)A的比值稱為比結(jié)合能(specificbindingenergy)第十三頁，共六十一頁。的大小可以作為核穩(wěn)定性的量度.比結(jié)合能曲線第十四頁，共六十一頁。獲得原子能的途徑：重核裂變、輕核聚變原子彈和氫彈就是分別利用重核裂變和輕核聚變原理研制出來的核武器.右圖分別為中國第一顆原子彈(1964年)和第一顆氫彈(1967年)爆炸時(shí)產(chǎn)生的蘑菇云.下圖為投到廣島的原子彈“LittleBoy”.第十五頁，共六十一頁。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.上圖為全景,下圖為主控制室.

第十六頁，共六十一頁。三.原子核的自旋和磁矩原子核的角動(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：第十七頁，共六十一頁。mI為核自旋磁量子數(shù).對于確定的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.第十八頁，共六十一頁。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)原子核不僅具有自旋,也具有核磁矩(nuclearmagneticmoment).第十九頁，共六十一頁。核磁矩一方面來自核子的自旋磁矩,另一方面來自各核子的軌道磁矩.但核磁矩并不是各核子磁矩的簡單相加. 核磁矩矢量與核角動(dòng)量矢量成正比：第二十頁，共六十一頁。其中mp為質(zhì)子質(zhì)量,g稱為朗德因子(Landegfactor),或稱原子核的g因子(g-factor),不同核的g因子不同.核磁矩在z軸方向上的投影為：第二十一頁，共六十一頁。稱為核磁子(nuclearmagneton),是核磁矩的單位.定義核磁矩大小為mI

取I

時(shí)的Iz

值,即gIN

.質(zhì)子磁矩大小為2.793N,并不是“理所當(dāng)然”的為1N(電子磁矩1B)；中子磁矩大小其中第二十二頁，共六十一頁。雖然中子整體不帶電,但它內(nèi)部還存在電荷分布;質(zhì)子和中子都不是幾何的“點(diǎn)”,而具有內(nèi)部結(jié)構(gòu).為-1.913N

,并非“當(dāng)然為零”(因?yàn)橹凶硬粠щ?.這說明：第二十三頁，共六十一頁。1964年蓋爾曼和茨威格(G.Zweig,1937-)獨(dú)立地提出質(zhì)子和中子不是基本粒子,而是由夸克(quark)組成.質(zhì)子由2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克組成；中子由1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克組成.因質(zhì)子電量為1個(gè)元電荷,故夸克帶分?jǐn)?shù)電量. 蓋爾曼(M.Gell-Mann,1929-)美國物理學(xué)家.1969年因?qū)玖Ｗ蛹捌湎嗷プ饔玫姆诸愃鞯呢暙I(xiàn)和發(fā)現(xiàn)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).第二十四頁，共六十一頁。原子核磁矩在外磁場作用下將產(chǎn)生附加能量,導(dǎo)致能級分裂.在外磁場中的原子核將吸收特定頻率的電磁波,這種現(xiàn)象稱為核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR).第二十五頁，共六十一頁。mI=

1/2mI=

-1/2E2E1E

=

gN

B氫核在外磁場中的能級第二十六頁，共六十一頁。拉比(I.Rabi,1898-1988,左)美籍奧地利物理學(xué)家,1944年因用共振方法記錄了原子核的磁特性獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).布洛赫(F.Bloch,1905-1983,中)美籍瑞士物理學(xué)家和珀塞爾(E.Purcell,1912-1997,右)美國物理學(xué)家.1952年因發(fā)展了核磁精密測量的新方法及由此所作的發(fā)現(xiàn)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).第二十七頁，共六十一頁。勞特伯爾(P.Lauterbur,1929-,右)美國化學(xué)家和曼斯菲爾德(P.Mansfield,1933-,下)英國物理學(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).第二十八頁，共六十一頁。核磁共振在化學(xué)中用于研究分子結(jié)構(gòu)乙醇的核磁共振譜線第二十九頁，共六十一頁。四.核力萬有引力電磁力核力長程力長程力短程力弱相互作用弱相互作用強(qiáng)相互作用第三十頁，共六十一頁。五.原子核的宇稱宇稱(parity)是表征微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量,是原子核的重要特征,核狀態(tài)發(fā)生變化,核的宇稱才發(fā)生變化.偶宇稱奇宇稱宇稱的表示：(1/2)-,0+第三十一頁，共六十一頁。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.§13-2原子核的衰變類型第三十二頁，共六十一頁。放射性核素的衰變類型主要有三種：衰變、衰變和衰變.一.衰變射線是高速運(yùn)動(dòng)的氦核,也稱粒子.衰變過程為：第三十三頁，共六十一頁。X稱母核,Y稱子核,Q為衰變過程放出的能量.射線的用途：研究原子和原子核結(jié)構(gòu)的工具；確立原子核式模型,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子.二.衰變放射性核素自發(fā)地放射出射線或俘獲軌道第三十四頁，共六十一頁。電子而變成另一個(gè)核素的現(xiàn)象稱為衰變.主要包括-衰變、+衰變和電子俘獲.-衰變——母核自發(fā)放射出一個(gè)-粒子和一個(gè)反中微子：第三十五頁，共六十一頁。+衰變——母核自發(fā)放射出一個(gè)+粒子和一個(gè)中微子：電子俘獲——母核俘獲一個(gè)核外軌道電子,同時(shí)放出一個(gè)中微子：第三十六頁，共六十一頁。Bi的能譜第三十七頁，共六十一頁。三.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的現(xiàn)象稱為衰變.概念：內(nèi)轉(zhuǎn)換、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、俄歇電子原子核衰變綱圖(decayscheme)：第三十八頁，共六十一頁。60Co(T1/2=5.27a)-0.309(100%)2.50Mev1.33Mev01260Ni第三十九頁，共六十一頁。§13-3原子核的衰變規(guī)律一.衰變規(guī)律核衰變服從的指數(shù)規(guī)律——衰變定律：式中稱為衰變常量(decayconstant),N0為t=0時(shí)原子核的數(shù)目.第四十頁，共六十一頁。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(shí)間,稱為半衰期(halflife).半衰期T與一樣,是放射性核素的特征常量.第四十一頁，共六十一頁。用T表示的衰變定律：原子核衰變的快慢可以用平均壽命(meanlife)表示.對于任一核素的平均壽命為：第四十二頁，共六十一頁。在核醫(yī)學(xué)中,用放射性物質(zhì)做生物機(jī)體示蹤劑.進(jìn)入機(jī)體的放射性核素除因自身衰變而減少外,還通過機(jī)體的代謝排出體外.生物機(jī)體排出放射性核素的規(guī)律近似服從衰變定律：生物半衰期Tb(biologicalhalflife),生物衰變常量b(biological

decayconstant).第四十三頁，共六十一頁。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),它對應(yīng)的半衰期為有效半衰期Te(effectivehalflife).它與物理半衰期T和生物半衰期Tb的關(guān)系為：第四十四頁，共六十一頁。三.放射性活度放射性物質(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(activity)：第四十五頁，共六十一頁。式中A0是t=0時(shí)的放射性活度.A的單位：國際單位制中是貝可(Becquerel,Bq),1Bq=1次核衰變/秒.放射性活度單位還有居里(Curie,Ci),1Ci=3.71010Bq.概念：比活度(specificactivity):單位質(zhì)量放射源的放射性活度第四十六頁，共六十一頁。四.放射性平衡概念：級聯(lián)衰變(cascadedecay)自然界中存在4個(gè)放射系：釷系、鈾系、錒系、镎系.級聯(lián)衰變時(shí)母核與子核的衰變規(guī)律：第四十七頁，共六十一頁。t=0時(shí)核素A的數(shù)目為NA0,而核素B、C的數(shù)目NB0=NC0=0.tt+dt時(shí)間內(nèi)：得出：對于核素B在tt+dt時(shí)間內(nèi)：第四十八頁，共六十一頁。放射性測定年代——14C鑒年法得出：臨床顯像檢查：第四十九頁，共六十一頁。一.帶電粒子與物質(zhì)相互作用的機(jī)制(1)與核外電子的非彈性碰撞電離(ionization)、激發(fā)(exitation)(2)與原子核的非彈性碰撞韌致輻射(bremsstrahlung)§13-4射線與物質(zhì)的相互作用第五十頁，共六十一頁。入射粒子在單位路徑上的能量損失稱為能量損失率.它反映了物質(zhì)對帶電粒子的阻止本領(lǐng).阻止本領(lǐng)與入射粒子的質(zhì)量無關(guān),與其速度平方成反比;與粒子的電荷數(shù)平方成正比;(3)與原子核的彈性碰撞二.重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用第五十一頁，共六十一頁。與靶物質(zhì)的密度和電荷數(shù)的乘積成正比.粒子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的路程沿原運(yùn)動(dòng)方向的投影稱為射程(rang),用R表示.

粒子在空氣中射程的經(jīng)驗(yàn)公式：

帶電粒子穿過靶物質(zhì)時(shí)使物質(zhì)原子電離產(chǎn)生第五十二頁，共六十一頁。電子—離子對,單位路程上產(chǎn)生的電子-離子對數(shù)目稱為比電離(specificionization).

布拉格峰與腫瘤的放射治療.三.β射線與物質(zhì)的相互作用1.電子的能量損失(由電離損失和輻射損失構(gòu)成)第五十三頁，共六十一頁。電子單位路徑上的電離損失(阻止本領(lǐng)):電子軔致輻射引起的能量損失率:2.電子的散射：電子與核作彈性碰撞后的彈性散射第五十四頁，共六十一頁。3.正電子與物質(zhì)的相互作用:正電子發(fā)射斷層成像(PET)及其應(yīng)用第五十五頁，共六十一頁。四.光子與物質(zhì)的相互作用光