第十三章 原子核與放射性

第十三章原子核與放射性2023/6/231第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五§13.1原子核的一般性質(zhì)原子核的組成放射性同位素和核素原子核的結(jié)合能2023/6/232第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五1、原子核的組成成分原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子（P）：中子（n）：原子核符號核子一、原子核的組成2023/6/233第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五原子核的體積總是正比于它的質(zhì)量數(shù)A在一切原子核中，核物質(zhì)的密度是一個常數(shù)。2、原子核的大小2023/6/234第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五3、核力：核子之間的相互作用力，抵消核子之間的較強(qiáng)的庫侖排斥力。1）.核力是比電磁力強(qiáng)得多的強(qiáng)相互作用力，

主要是吸引力。2）.核力是短程力，核子間距離小于10-15m時才明顯。3）.核力與核子帶電狀況無關(guān)。4）.核力具有飽和性。核力的特征：2023/6/235第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核稱為同位素。質(zhì)子、電子和中子符號具有相同的質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N的原子核稱為核素。質(zhì)量數(shù)A相同而質(zhì)子數(shù)Z不同的原子核稱為同量異位素。如質(zhì)量數(shù)A和質(zhì)子數(shù)Z都相同的原子核可能處于不同的能量狀態(tài)，習(xí)慣上將那些處于激發(fā)態(tài)、壽命又較長的核素稱為同質(zhì)異能素。二、放射性同位素和核素2023/6/236第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子的總質(zhì)量之和，它們之間的差額稱為原子核的質(zhì)量虧損。核子在結(jié)合成原子核時，它們之間的核力作用使體系能量降低，從而釋放出能量，相應(yīng)質(zhì)量減少了。三、原子核的結(jié)合能2023/6/237第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五Z個質(zhì)子和(A-Z)個中子結(jié)合成原子核時，釋放能量平均結(jié)合能(比結(jié)合能)：原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)的比值。原子核結(jié)合能：由質(zhì)子和中子形成原子核時所放出的能量。平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。2023/6/238第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五平均結(jié)合能特點：1）較輕核與較重核平均結(jié)合能都較?。?）輕核的平均結(jié)合能還出現(xiàn)周期性起伏，其值最大的地方相應(yīng)為質(zhì)量數(shù)是4的整數(shù)倍的地方，如：等核；3）中等質(zhì)量的核（A在40-120之間）平均結(jié)合能較大，顯示了核力的飽和性；(P286)2023/6/239第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五§13.2原子核的放射性衰變α衰變

β衰變

γ衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換2023/6/2310第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五核素分類：穩(wěn)定核素放射性核素天然放射性核素人工放射性核素利用加速器或反應(yīng)堆制成（醫(yī)用）現(xiàn)有107種元素，2000多種核素，90%具有放射性2023/6/2311第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五原子核衰變：三種衰變：衰變、衰變、衰變不穩(wěn)定（放射性）的原子核會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時放出射線，這種變化叫放射性衰變。衰變遵循：質(zhì)量、能量、動量、電荷數(shù)、核子數(shù)守恒。2023/6/2312第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五衰變是原子核自發(fā)放射出粒子(即氦核)一、α衰變Q

衰變能或1）能發(fā)生衰變的核素一般為質(zhì)量數(shù)A＞209的重核；2）發(fā)生衰變后，子核比母核在元素周期表中位置前移兩位；粒子以高速從核中飛出遇物質(zhì)失去動能，捕捉兩電子變?yōu)镠e原子；說明：2023/6/2313第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五3）粒子能量分立，子核可能是基態(tài)或激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)子核發(fā)出射線回到基態(tài)；衰變能主要表現(xiàn)為粒子的動能，子核的動能很??；4）伴有衰變綱圖（如：鐳）：2023/6/2314第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

衰變是核電荷改變而核子數(shù)不變的核衰變.分+衰變、

-衰變和電子俘獲（EC)三種二、β衰變+衰變

-衰變電子俘獲(EC)2023/6/2315第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五-衰變是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時放出一個電子和與電子相聯(lián)系的反中微子電子俘獲(EC)，+衰變是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時放出一個正電子和一個中微子說明：1）衰變的實質(zhì)：2）遵循位移定律：-衰變子核后移一位，+衰變和電子俘獲（EC)子核前移一位；3）因為有中微子存在，粒子能量連續(xù)；2023/6/2316第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五4）電子俘獲（EC)會伴隨有標(biāo)識X射線或俄歇電子產(chǎn)生；5）伴隨有射線產(chǎn)生，激發(fā)態(tài)子核退激或正電子與電子結(jié)合成2個能量為0.511MeV光子；6)衰變后子核與母核都為同量異位素，A不變,在元素周期表中的位置改變。7）+衰變發(fā)生的條件為：因為：2023/6/2317第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五衰變：射線是光子流，是在衰變或衰變后形成新核時輻射出來的，屬于同質(zhì)異能躍遷。三、γ衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換：激發(fā)態(tài)子核向低能態(tài)躍遷時不發(fā)射射線而直接將能量傳給核外電子，使其脫離原子核束縛而成為自由電子，這種現(xiàn)象為內(nèi)轉(zhuǎn)換，此電子為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子，伴隨有標(biāo)識X射線或俄歇電子。各種衰變都可以繪出其衰變綱圖。2023/6/2318第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五一、放射性衰變規(guī)律t時刻樣品中有N個核，在dt時間內(nèi)有dN個發(fā)生衰變§13.3核衰變規(guī)律1、單個原子核隨機(jī)衰變2、大量原子核遵循以下規(guī)律：所以：2023/6/2319第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)t=0時，N=N0放射性衰變定律t時刻，每單位時間衰變的原子核數(shù)與該時刻原子核總數(shù)的比越大，衰變越快。二、半衰期原子核衰變到N=N0/2所需的時間。2023/6/2320第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五三、平均壽命每個原子核衰變前存在的時間的平均值。原子核的壽命：平均壽命：平均壽命與半衰期的關(guān)系：2023/6/2321第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五四、放射性活度單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)為放射性活度或強(qiáng)度。單位：貝可勒爾居里1Ci=3.7×1010

Bq2023/6/2322第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五1g鐳的放射性活度約等于1Ci，歷史上人們正是將1g鐳的放射性活度規(guī)定為1Ci的。例13-2：226Ra的半衰期為1602年，1g226Ra的放射性活度為多少？解：1g226Ra的原子個數(shù)為：2023/6/2323第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五例13-3：設(shè)一臺γ-刀初裝時60Co源的總活度為6040Ci,使用5年后60Co源的活度為多少貝可？其平均壽命為多少年？解：60Co的半衰期為T=5.27y,I0=6040×3.7×1010Bq5年后活度為：平均壽命為：2023/6/2324第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五射線與實物的相互作用帶電粒子與實物的相互作用γ射線與實物的相互作用中子與實物的相互作用2023/6/2325第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五一、帶電粒子與實物的相互作用1、帶電粒子為α、β粒子，它們與物質(zhì)的相互作用有：1）激發(fā)：使原子處于激發(fā)態(tài)，而自身能量減小。（常伴隨有標(biāo)識X射線）2）電離：使電子脫離形成自由電子，或間接次級電離。電離比值：帶電粒子通路上每厘米路徑上所產(chǎn)生的離子對數(shù)目用來表示粒子電離本領(lǐng)的大小，與帶電粒子的速度、電量及物質(zhì)密度有關(guān)。且?guī)щ娏Ｗ拥乃俣入娏考拔镔|(zhì)密度則電離比值反之則電離比值減小。2023/6/2326第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五如：在空氣中穿行的1MeV的帶電粒子

α粒子電力比值為4×104離子對，

β粒子的電離比值為50離子對3）散射：帶電粒子在原子核靜電場作用下改變運動方向。分類彈性散射（能量不變）非彈性散射（能量改變）α粒子由于m大，散射小，徑跡為直線β粒子由于m小，散射強(qiáng)，徑跡曲折2023/6/2327第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五4）韌致輻射：高速的帶電粒子受原子核庫侖場的突然阻滯而能量減小，其能量以光子形式輻射。（比電離損失的能量小得多）輻射損失與粒子的質(zhì)量平方成反比，即∝1/m2而與物質(zhì)原子序數(shù)平方成正比，即Z22023/6/2328第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五2、射程：粒子在物質(zhì)中沿最初入射方向所穿過的最大直線距離。幾MeV的α粒子的射程：空氣中——幾厘米，生物組織中——幾百微米，徑跡為直線；所以α粒子體外防護(hù)容易而體內(nèi)照射危害集中且大。幾MeV的β粒子的射程：空氣中——幾米，生物組織中——幾毫米，徑跡曲折。2023/6/2329第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五a)α粒子吸收電子變?yōu)镠e原子b)β-粒子變?yōu)樽杂呻娮樱模夯騝)β+粒子與自由電子結(jié)合成兩個能量都為0.511MeV的光子，沿同一直線向相反方向射出。3、帶電粒子在物質(zhì)中的吸收規(guī)律：帶電粒子由于電離、激發(fā)、韌致輻射其能量隨物質(zhì)厚度增加而減弱至完全喪失。2023/6/2330第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五二、γ射線與實物的相互作用1、γ射線的作用方式：a)光電效應(yīng)：eγ特點：低能γ光子(小于500keV)與原子序數(shù)較高的物質(zhì)相互作用，將其全部能量交給一個殼層的電子使它脫離原子而成為自由電子，光子本身則被吸收，這種現(xiàn)象為光電效應(yīng)。伴隨有標(biāo)識X射線和俄歇電子產(chǎn)生2023/6/2331第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五b)康普頓效應(yīng)：γ′γ反沖電子e特點：中能γ光子（500~1000keV）與原子序數(shù)較低的物質(zhì)相互作用，與物質(zhì)原子較外層電子發(fā)生非彈性碰撞，γ光子的能量降低（頻率減?。└淖冞\動方向而散射，被碰撞的電子也以某角度散射，該光子稱為散射光子，該電子為反沖電子，這種現(xiàn)象為康普頓效應(yīng)。2023/6/2332第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五c)電子對效應(yīng)：e-e+γ特點：高能γ光子(大于1.022MeV)與原子序數(shù)較高的物質(zhì)相互作用，在物質(zhì)原子核電場作用下，γ光子轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對，這種現(xiàn)象為電子對效應(yīng)。三種效應(yīng)都有可能電離、激發(fā)。2023/6/2333第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五0

MeV0.050.10.5151050100光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)12010080604020光子與物質(zhì)相互作用時各種作用占優(yōu)勢的區(qū)域Z2023/6/2334第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五三、中子與實物的相互作用

中子不帶電，其主要的與物質(zhì)的作用形式為受原子核散射或與原子核發(fā)生核反應(yīng)。1、彈性散射：中子與原子核發(fā)生彈性碰撞滿足能量守恒和動量守恒，中子方向發(fā)生變化，原子核得到反沖能量。主要發(fā)生在低能中子與輕核的作用中。如：中子防護(hù)時用含H較多的水或石蠟使中子減速。2、非彈性散射：中子與原子核發(fā)生碰撞時，除中子方向發(fā)生變化外，反沖原子核得到一定能量而被激發(fā)，回到基態(tài)時發(fā)出γ射線。（重核和高能中子）2023/6/2335第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五3、核反應(yīng)：中子被原子核俘獲，放出γ射線和其他粒子如：中子照射時應(yīng)特別注意可能產(chǎn)生的傷害（α有電離作用，注意防護(hù)）2023/6/2336第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五射線的防護(hù)：a.人體所能承受的最大輻射容許劑量為：5拉德(rad)/年1rad=0.01J?Kg-1b.外照射防護(hù)：α射線射程短，戴手套β射線射程長，用有機(jī)玻璃，鋁或中等Z的物質(zhì)屏蔽，高Z物質(zhì)容易產(chǎn)生韌致輻射；γ射線和n(中子）能量大，用高Z物質(zhì)防護(hù)，如：用鉛衣，鉛磚，混凝土等。2023/6/2337第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五c.內(nèi)照射防護(hù)：除介入療法，盡量避免內(nèi)照射，特別是α照射，遵守規(guī)章制度防止放射性物質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)。2023/6/2338第三十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五放射性在醫(yī)療中的作用示蹤原理核技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用2023/6/2339第三十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五一、示蹤原理放射性核素作為示蹤原子是指一種元素的各種同位素都有相同的化學(xué)性質(zhì)，在體內(nèi)分布、轉(zhuǎn)移、代謝都是一樣的，引入的放射性核素稱為標(biāo)記原子或示蹤原子。體外標(biāo)本測量：血液、尿液和糞，如尿液中測量VB12,可反映胃腸道的吸收情況。放射自顯影：利用膠片追蹤標(biāo)記藥物去向，如：可以觀察DNA分裂細(xì)節(jié)。示蹤優(yōu)點：靈敏度高，可在生理條件下研究機(jī)體內(nèi)活動，簡單2023/6/2340第四十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五二、核技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用1、治療：a)將放射性同位素直接注入或使人體吸收，利用其中產(chǎn)生的射線（α、β、γ）殺傷病灶細(xì)胞如：甲狀腺轉(zhuǎn)移癌病人口服131I治療。b)從體外引入射線聚集在病灶細(xì)胞（組織）上如：X刀，γ刀2、診斷：（無損診斷）a)X射線透視，攝影2023/6/2341第四十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五b)CT(ComputerTomograph