原子核和放射性

關(guān)于原子核和放射性1第1頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三2教學(xué)要求掌握放射性核的衰變類型、衰變規(guī)律、放射性活度及半衰期。理解原子核的基本性質(zhì)和射線與物質(zhì)的相互作用。了解平均壽命、輻射防護(hù)及放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。第2頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三3第十五章原子核和放射性第一節(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)律第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)輻射劑量與防護(hù)第六節(jié)放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用第3頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三4第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)一、原子核的組成二、原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損三、原子核的穩(wěn)定性第4頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三5一、原子核的組成1.中子-質(zhì)子模型一切原子核都由質(zhì)子和中子組成，它們統(tǒng)稱為核子。原子核的質(zhì)量數(shù)A就是核子的總數(shù)，A＝Z＋N2.原子核的質(zhì)量：自然界中原子質(zhì)量的1/12。質(zhì)子的質(zhì)量：中子的質(zhì)量：第5頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三63.核素：質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相同的原子與原子核的集合。同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素。同位素豐度：同位素在自然界中的含量百分比稱為同位素豐度。同核異能素：質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同，能量狀態(tài)不同的核素。同中子異位素：具有相同的中子數(shù)和不同的質(zhì)子數(shù)的一類核素。第6頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三7①核力是短程力，只在距離為10-15m的數(shù)量級內(nèi)發(fā)生作用；②是強(qiáng)相互作用，比庫侖力大約大100倍；③具有飽和性，即每個核子只能與有限個數(shù)的相鄰核子相互作用；④核力與電荷無關(guān)，各個核子間的引力是相等的；⑤核力在極短程（<6×10-16m）內(nèi)存在斥力，使得核子不能無限靠近。4.核力：將核子結(jié)合在一起的力是核力第7頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三8原子核的半徑約為數(shù)量級，它與質(zhì)量數(shù)A有關(guān)，試驗經(jīng)驗公式：

把原子核看成球形，其平均密度ρ為：5.原子核的半徑第8頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三9二、原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損

實驗發(fā)現(xiàn)：如何一個原子核的質(zhì)量，總是小于組成原子核的核子的質(zhì)量和。如氫的同位素氘，核子質(zhì)量之和為：實驗測得氘核的質(zhì)量為：其差值為稱為質(zhì)量虧損第9頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三10質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量比構(gòu)成這一原子核的核子質(zhì)量之和要小，兩者的差稱為質(zhì)量虧損(massdefect)。原子核的結(jié)合能：自由核子結(jié)合成原子核時釋放的能量。要使原子核分裂成為自由核子時，也必須吸收與結(jié)合能同樣大小的能量。核的質(zhì)量質(zhì)子質(zhì)量中子質(zhì)量第10頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三11三、原子核的穩(wěn)定性比結(jié)合能：每個核子的平均結(jié)合能。原子核的穩(wěn)定性通常用比結(jié)合能來描述結(jié)合能核子數(shù)第11頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三12第十五章原子核和放射性第一節(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)律第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)輻射劑量與防護(hù)第六節(jié)放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用第12頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三13第二節(jié)原子核的衰變類型一、衰變二、衰變?nèi)?、衰變和?nèi)轉(zhuǎn)換第13頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三14放射性衰變：不穩(wěn)定的放射性核素會自發(fā)地放出各種射線變成另一種核素。簡稱核衰變。放射性核素的衰變類型主要有三種：α衰變β衰變γ衰變。放射性衰變：第14頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三15威爾遜云室查爾斯·湯姆遜·里斯·威爾遜水蒸氣遇到塵埃->云霧沒有塵埃？云室內(nèi)存在大量水蒸氣射線入射后，形成云霧1927年，威爾遜因發(fā)明云室而與康普頓同獲諾貝爾物理學(xué)獎第15頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三161粒子本質(zhì)：氦核（兩個質(zhì)子，兩個中子）能量：3-7MeV形式：電離，激發(fā)，核反應(yīng)特點(diǎn)：電離能力強(qiáng)，穿透能力較弱，在云室中留下粗而短的徑跡粒子與物質(zhì)的相互作用第16頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三17一、α衰變質(zhì)量數(shù)A大于209的放射性核素自發(fā)地放射出α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α衰變。α射線是高速運(yùn)動的氦核，也稱α粒子。實驗發(fā)現(xiàn)：大部分核素放出的α粒子的能量不是單一的，而有幾組不同的分立值。這表明：原子核內(nèi)部也有能級存在，α粒子的能譜與子核或母核的能級結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。母核子核衰變能第17頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三18鈾238釷144粒子第18頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三192粒子本質(zhì)：電子（β-衰變、β+衰變）β-衰變：中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子β+衰變：質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子電子俘獲：k電子被原子核俘獲，外層電子填補(bǔ)空缺，發(fā)射X射線能量：小于4MeV形式：電離，激發(fā)，散射，次級輻射特點(diǎn)：電離作用較弱，穿透本領(lǐng)較強(qiáng)，云室中的徑跡細(xì)而長粒子與物質(zhì)的相互作用第19頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三20二、β衰變β衰變：放射性核素自發(fā)地放射出β射線（高速的電子）或俘獲軌道電子而變成另一個核素β衰變包括β－衰變、β＋衰變和電子俘獲三種類型。1.β－衰變母核自發(fā)地放出一個β－粒子（普通電子e－）和一個反中微子，電荷數(shù)增加1，核子數(shù)不變。第20頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三21第21頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三222.β＋衰變母核自發(fā)地放出一個β＋粒子（普通電子e＋）和一個中微子，電荷數(shù)減少1，核子數(shù)不變3.電子俘獲原子核俘獲了與它最接近的內(nèi)層電子，使核內(nèi)的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子，同時放出一個中微子，電荷數(shù)減少1，核子數(shù)不變第22頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三23

在電子俘獲過程中，只放出一個中微子，它幾乎帶走了全部衰變能，故能量是單一的。

一個內(nèi)層電子被原子核俘獲后，外層電子會立即填補(bǔ)這一空位，同時放出能量。這個能量發(fā)射標(biāo)識X射線譜的形式放出，也可以使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。

由于在β衰變過程中有中微子參與，衰變所放出的能量將在電子、中微子和子核之間任意分配。因此β衰變的能量譜是連續(xù)的，即發(fā)出的電子的能量可以取從0到某一最大值Emax之間的任何數(shù)值。第23頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三24

β－衰變是母核中的一個中子轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子、一個電子和一個反中微子的過程。

β＋衰變是母核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子、一個正電子和一個中微子的過程。

電子俘獲則是母核的一個質(zhì)子俘獲一個軌道電子后轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子和一個中微子的過程。第24頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三253γ射線本質(zhì)：光子能量：keV-MeV特點(diǎn)：電離作用最弱，穿透本領(lǐng)最強(qiáng)，云室中不留痕跡粒子與物質(zhì)的相互作用第25頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三26三、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（光子）的形式釋放能量而躍遷代較低能級的現(xiàn)象稱為衰變。衰變通常是伴隨著α、β衰變發(fā)生的，由于α、β衰變的結(jié)果往往產(chǎn)生處于激發(fā)態(tài)的子核，它們的壽命一般極短，因而立即有衰變發(fā)生。

在某些情況下，原子核從激發(fā)態(tài)向較低能級躍遷時不一定放出光子，而是把這部分能量直接交給核外電子，使其脫離原子的束縛而成為自由電子，這個過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，釋放的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。

內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能譜是分離的，它與β衰變時電子的連續(xù)譜截然不同。一般重核的低激發(fā)態(tài)發(fā)生躍遷時，發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換的概率比較大。第26頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三274中子本質(zhì)：中子慢中子：俘獲反應(yīng)快中子：彈性和非彈性反射粒子與物質(zhì)的相互作用第27頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三28第十五章原子核和放射性第一節(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)律第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)輻射劑量與防護(hù)第六節(jié)放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用第28頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三29第三節(jié)原子核的衰變規(guī)律一、衰變規(guī)律二、半衰期三、放射性活度四、放射平衡第29頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三30一、衰變規(guī)律

大量核素組成的放射性物質(zhì)，其衰變服從統(tǒng)計規(guī)律。在dt時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)目-dN一定正比于當(dāng)時存在的原子核數(shù)目N，以及時間間隔dt，即：

即為衰變定律，它給出了原子核發(fā)生衰變的概率。

稱為衰變常數(shù)，表示1個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率；衰變前原子核的數(shù)目為N0，上式的解為：第30頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三31二、半衰期

原子核數(shù)目衰變減少到原來的一半所需的時間，稱為半衰期T：則衰變定律也可用T表示為：

原子核衰變的快慢還可以用平均壽命表示，在dt時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)為，這些核的壽命(一個核素的衰變時間)為t，它們（dN個核素）的總壽命為。核素的總壽命為：第31頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三32第32頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三33

表示核素的衰變的快慢物理量有三個：衰變常數(shù)、半衰期T和平均壽命。三者不是獨(dú)立的，其關(guān)系是：所以平均壽命為：第33頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三34三、放射性活度放射性活度：放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)A0是t＝0時的活度，A為t時刻的活度SI制中的單位為:貝克勒爾(Bq);曾用單位：Ci(居里)。

1Bq＝1次核衰變/秒，1Ci＝3.7×1010Bq第34頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三35四、放射平衡遞次衰變：許多放射性核素并非一次衰變就達(dá)到穩(wěn)定，而是由于其子核仍具有放射性而繼續(xù)衰變下去，直到穩(wěn)定核素而終止。即：母核A衰變?yōu)樽雍薆，子核B有作為母核衰變?yōu)樽雍薈。第35頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三36放射平衡：在遞次衰變過程中，當(dāng)滿足一定條件時，各代子核的數(shù)量比，會出現(xiàn)與時間無關(guān)的現(xiàn)象。1.長期放射性平衡：子核的放射性活度與母核的放射性活度相等。條件：母核半衰期遠(yuǎn)大于子核半衰期。2.暫時放射性平衡：母核與子核數(shù)目保持一個固定的常數(shù)。條件：母核的半衰期不太長，但比子核的半衰期長得多3.不成放射性平衡：母核幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽雍耍雍税凑兆约旱姆绞剿プ?。條件：母核半衰期遠(yuǎn)小于各代子核。第36頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三37第十五章原子核和放射性第一節(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)律第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)輻射劑量與防護(hù)第六節(jié)放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用第37頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三38第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用二、光子與物質(zhì)的相互作用三、中子與物質(zhì)的相互作用第38頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三39一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1）電離：α,β等帶電粒子穿過物質(zhì)時，與物質(zhì)中的核外電子做非彈性碰撞將能量轉(zhuǎn)移給電子，電子獲得能量后脫離原子核，產(chǎn)生自由電子和正離子，合稱離子對，這一過程稱為電離。間接電離：脫離出來的電子若有足夠的能量還可使其他的原子電離，也成為次級電離。

2）激發(fā)：若電子獲得的能量不足以使他脫離原子，它將由低能級躍遷到高能級，使原子處于激發(fā)態(tài)，這一過程稱為激發(fā)。退激：原子由激發(fā)態(tài)到基態(tài)。1.電離和激發(fā)第39頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三40電離損失：帶電粒子因與核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致物質(zhì)原子電離或激發(fā)而損失能量的過程稱為電離損失。比電離:發(fā)生電離時，粒子通過路徑周圍將留下許多粒子對，每厘米路徑上產(chǎn)生的離子對。它表示帶電粒子的電離本領(lǐng)的大小，在生物體內(nèi)表示對機(jī)體的損失程度。比電離和帶電粒子的速度、電量和物質(zhì)有關(guān)。帶電粒子的速度越小，電核數(shù)越多，物質(zhì)的密度越大，則比電離的值越大α粒子比β粒子的電離能力強(qiáng)。第40頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三412.散射和韌致輻射散射：帶電粒子通過物質(zhì)時，因受到原子核靜電場得作用而改變運(yùn)動方向，這種現(xiàn)象叫散射。散射前后帶電粒子得能量若保持不變，稱為彈性散射。若能量有部分損失，稱為非彈性散射。α粒子的質(zhì)量大，散射不明顯，路徑基本為直線；β粒子因受到原子核的多次散射，路徑曲折。第41頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三42韌致輻射：帶電粒子通過物質(zhì)時，受到原子核的作用，速度急劇減少，帶電粒子的一部分能量以光子的形式發(fā)射出來這是X射線的發(fā)生機(jī)制由此造成的能量損失稱為輻射損失。輕帶電粒子的輻射損失比重帶電粒子的輻射損失大得多。因此，一般忽略重帶電粒子的輻射損失。3.韌致輻射第42頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三434.射程射程：帶電粒子在物質(zhì)沿運(yùn)動軌跡所經(jīng)過的距離稱為路程，而路程沿入射方向的投影稱為射程。帶電粒子的能量損失與粒子的動能和吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)射程能比較直觀地反映帶電粒子地貫穿本領(lǐng)地大小。天然放射性核素粒子在空氣中的射程在生物體中的射程α幾厘米幾百微米β幾米長幾毫米～幾十毫米粒子的吸收α吸收2個電子

變成一個β－能量損失后變成自由電子β＋與自由電子結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)?個光子第43頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三44二、光子與物質(zhì)的相互作用電磁輻射與物質(zhì)相互作用只與光子的能量有關(guān)，一般與電磁輻射的起源無關(guān)。粒子與原子的作用時，能量是逐步損失的；而光子與原子的作用時，只要發(fā)生一次碰撞就會損失相當(dāng)大一部分的甚至全部能量，光子也可能穿過物質(zhì)而不損失能量。電磁輻射穿過物質(zhì)時，其強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，沒有射程的概念。第44頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三45光子與物質(zhì)的作用方式主要有三種：

1.光電效應(yīng)光子把能量傳給原子的軌道電子，光子消失，獲得能量的電子脫離原子的束縛而成為自由電子（光電子），這一過程稱為光電效應(yīng)。

光電子吸收的能量一部分用于克服電離能，其余能量就是光電子逸出時的能量。

對于確定能量的光子，原子結(jié)合能大的內(nèi)層發(fā)生光電效應(yīng)的概率較大。在內(nèi)層留下空位，被外層電子填補(bǔ)，則將發(fā)射標(biāo)識X射線和俄歇電子。第45頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三46

2.康普頓效應(yīng)光子與原子核外的電子（多為外層電子）發(fā)生非彈性碰撞，一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而散射光子的能量和運(yùn)動方向發(fā)生變化，這一過程稱為康普頓效應(yīng)或康普頓散射?？灯疹D效應(yīng)中光子的能量只損失一部分，散射的光波長。

3.電子對效應(yīng)當(dāng)能量大于1.022MeV的光子從原子核旁經(jīng)過時，光子在原子核的庫侖場作用下轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負(fù)電子，這一過程稱為電子對效應(yīng)。入射光子的能量除轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對的靜止質(zhì)量（1.022MeV

）外，其余的轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子的動能。第46頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三47第47頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三48三、中子與物質(zhì)的相互作用

中子不帶電，不能直接引起電離而損失能量，在物質(zhì)中能穿行很長的距離。其相互作用主要受到原子核的散射或與原子核發(fā)生核反應(yīng)。1.彈性散射：中子與原子核發(fā)生碰撞時，將部分能量傳給原子核，改變自身運(yùn)動方向和速度，同時引起原子核發(fā)生反沖。

中子與輕核作用時，主要是彈性散射，反沖核愈輕，反沖能量愈多，中子損失能量愈大。所常用含氫核多的水、石蠟等物質(zhì)使中子減速，防止中子照射。第48頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三492.非彈性散射：由于中子不受庫侖力的阻礙，容易進(jìn)入原子核引起核反應(yīng)，放射出各種次級射線，其反應(yīng)前后的中子和原子核系統(tǒng)的總能量不守恒。因為入射中子的能量必須大于原子核的最低激發(fā)態(tài)，所以非彈性散射主要是由能量大的中子引起。重核的最低激發(fā)態(tài)能量較低，約0.1MeV，故此能量低于0.1MeV的中子作用于重核物質(zhì)不會發(fā)生非彈性散射。

第49頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三503.俘獲反應(yīng)：原子核俘獲中子，并留在核內(nèi)，同時放射γ射線

若中子留在核內(nèi)而發(fā)射質(zhì)子，稱為電荷交換反應(yīng)（n,p反應(yīng)）。如：

會發(fā)生β－衰變中子留在核內(nèi)，發(fā)射α粒子的反應(yīng)稱為（n,α反應(yīng)）第50頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三51第十五章原子核和放射性第一節(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)律第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)輻射劑量與防護(hù)第六節(jié)放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用第51頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三52第五節(jié)輻射劑量與防護(hù)一、電離輻射的生物效應(yīng)二、電離輻射的計量單位三、電離輻射的防護(hù)第52頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三53

電離輻射：α、β粒子、γ射線通過物質(zhì)時，能直接和間接產(chǎn)生電離作用，統(tǒng)稱為電離輻射。各種電離輻射都將使物質(zhì)發(fā)生變化，稱為輻射效應(yīng)。人體組織吸收電離輻射能量后，產(chǎn)生的物理、化學(xué)和生物學(xué)的變化，導(dǎo)致生物組織的損傷，稱為生物效應(yīng)。生物效應(yīng)的危害與生物體吸收的電離輻射能量成正比。一、電離輻射的生物效應(yīng)第53頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三54二、電離輻射的計量單位

1.照射量定義：用X射線核γ射線在單位質(zhì)量空氣中產(chǎn)生的陽（或陰）離子電量來表征X射線和γ射線的照射量。定義式為：dQ是射線在質(zhì)量為dm的干燥空氣中形成的離子總量.SI制中的單位：C/kg；曾用單位：倫琴（R）

注意：dQ中不包括次級電子輻射韌致輻射被吸收后產(chǎn)生的電離。單位時間內(nèi)的照射量叫做照射率。單位為：C/(kg·s)第54頁，講稿共61頁，2023年5月2日，星期三55

2.吸收劑量定義：被照射物質(zhì)單位質(zhì)量所吸收的電離輻射能量叫做吸收劑量，定義式為：SI制的單位是：J/kg，其專用名稱為戈瑞(Gy)曾用單位為拉