原子核和放射性

第十五章

原子核和放射性醫(yī)用物理(wùlǐ)教研室

第一頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件基本內(nèi)容：

1、原子核的基本性質(zhì)2、原子核的衰變類型(lèixíng)

3、原子核的衰變規(guī)律第二頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件

1945年8月7日早晨，一顆掛在降落傘下的“炸彈”在日本廣島上空爆炸，這座城市頃刻間被夷為平地，死傷306545人．三天之后，同樣的命運(yùn)降臨長(zhǎng)崎，死傷138905人．造成這場(chǎng)空前浩劫的，是一種叫“原子彈”的新式武器．它的出現(xiàn)結(jié)束了二戰(zhàn)，卻又帶來(lái)了冷戰(zhàn)．它的出現(xiàn)深刻地改變了軍事戰(zhàn)略，也深遠(yuǎn)地影響著人類(rénlèi)命運(yùn)．原子彈爆炸結(jié)束二戰(zhàn)核武器競(jìng)爭(zhēng)威脅人類。第三頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件

1945年5月，前蘇聯(lián)紅軍攻克柏林，德國(guó)法西斯宣布投降．然而，在遠(yuǎn)東，日本法西斯仍在作垂死掙扎．當(dāng)時(shí)估算，如果占領(lǐng)日本本土，美軍起碼還得付出死亡一二百萬(wàn)人的沉重代價(jià)．這一切促使美國(guó)最高當(dāng)局下決心動(dòng)用原子彈，以盡早結(jié)束戰(zhàn)爭(zhēng)．其實(shí)，當(dāng)時(shí)日本和德國(guó)都在研制原子彈，只是由于四面楚歌、力不從心而進(jìn)展緩慢．就在廣島被原子彈轟炸后幾小時(shí)，日本軍部立即派研制原子彈的核科學(xué)家二階義男帶領(lǐng)“2號(hào)研究”（即原子彈研究）人員去廣島作現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查．之后(zhīhòu)，把這批人員招集到大本營(yíng)，副總參謀長(zhǎng)河邊將軍問道：“你們能不能在半年內(nèi)造出原子彈來(lái)？如果能做到的話，我們就把你們這些專家和天皇一起藏到長(zhǎng)野山下用花崗巖造的地下堡壘中保護(hù)起來(lái)．軍隊(duì)不惜代價(jià)再堅(jiān)持6個(gè)月沒有問題，到那時(shí)就可以對(duì)美軍還以顏色了．”第四頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件

二階義男回答說(shuō)：“閣下，不要說(shuō)6個(gè)月內(nèi)造不出原子彈，就是再花6年也不行．”聽了首席科學(xué)家的這番話，河邊將軍默不作聲，并立即向軍部作了匯報(bào)．三天后，當(dāng)長(zhǎng)崎也傳來(lái)被原子彈炸成平地的消息后，日本最高當(dāng)局中的主戰(zhàn)派頓時(shí)像泄了氣的皮球．此時(shí)(cǐshí)，美國(guó)又放出空氣，聲稱還有100顆原子彈（其實(shí)當(dāng)時(shí)還沒有新的原子彈生產(chǎn)出來(lái)）將投向日本，如果日本不投降的話．在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，經(jīng)過幕后活動(dòng)，日本天皇終于在8月15日宣布無(wú)條件投降．第五頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件原子彈爆炸(bàozhà)第六頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件大亞灣核電站夜景(yèjǐnɡ)第七頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者(huànzhě)頭部的核磁共振斷面像第八頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件人類認(rèn)識(shí)(rènshi)原子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單歷史1787年，道爾頓——原子一切物質(zhì)(wùzhì)都是由不可見的、不可再分割的原子組成。1811年，阿佛加德羅——分子原子(yuánzǐ)不能獨(dú)立存在，相互結(jié)合在一起形成分子才能獨(dú)立存在。十九世紀(jì)中期——原子分子論原子不可再分。1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子——提出原子結(jié)構(gòu)模型原子是由帶正電的連續(xù)體和在其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的負(fù)電子構(gòu)成的。1911年，盧瑟福α散射——核式模型1913年，玻爾原子模型20世紀(jì)20年代以來(lái)——現(xiàn)代模型（電子云模型）

電子繞核運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)帶負(fù)電荷的云團(tuán)，在一個(gè)確定電子的時(shí)刻不能精確測(cè)定電子的確切位置第九頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件第一節(jié)原子核的基本(jīběn)性質(zhì)15.1原子核的組成(zǔchénɡ)、質(zhì)量和大小1．原子核的電荷（1）質(zhì)子帶正電，其電量絕對(duì)值等于電子的電量。Z（2）中子不帶電，N核子(hézǐ)數(shù)：也稱為質(zhì)量數(shù)A＝Z+N第十頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件（1）原子核質(zhì)量(zhìliàng)的表示原子質(zhì)量單位（以12C的1/12為原子質(zhì)量單位）1u＝1.660540×10-27kg（2）原子核的分類a.同位素（元素周期表中位置相同，同位素豐度）b.同中子異位素（中子數(shù)相同）c.同量異位素（質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同）d.同質(zhì)異能素（質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同，能量不同）2.原子核的質(zhì)量(zhìliàng)第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件15.2原子核的性質(zhì)(xìngzhì)對(duì)于(duìyú)輕核的核半徑為:對(duì)于(duìyú)重核的核半徑為:

通過估算,可以看出各種原子核半徑大小均處于同一數(shù)量級(jí)上,且隨著各種元素之不同彼此之間又略有差異.第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明,除少數(shù)例外(lìwài),原子核是近似球形的,其體積為:

由此可得到(dédào)一個(gè)非常重要的結(jié)論:在一切原子核中,核物質(zhì)的密度近似為一常數(shù),不妨作這樣一個(gè)比擬,水的密度是103kg/m3,而原子核的密度比水要大1014倍,足見原子核是物質(zhì)緊密集中之處,且密度大得驚人！————針尖大的物體，質(zhì)量一噸！第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件15.4原子核的結(jié)合能及質(zhì)量(zhìliàng)虧損

原子核既然是由質(zhì)子(zhìzǐ)和中子組成的，它的質(zhì)量就應(yīng)等于所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和：

根據(jù)(gēnjù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，可得原子核的結(jié)合能：mx=Zmp+(A-Z)mn

但實(shí)驗(yàn)測(cè)定的原子質(zhì)量mx總是小于所有核子質(zhì)量之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損：m=Zmp+(A-Z)mn-mX第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件

質(zhì)子和中子組成(zǔchénɡ)核的過程中，有能量E釋放出來(lái)。反之，要使原子核再分解為單個(gè)的質(zhì)子和中子就必須吸收E的能量。

氘核吸收(xīshōu)E能量后分解為質(zhì)子和中子E氘質(zhì)子(zhìzǐ)中子E=(m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c2愛因斯坦第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件原子(yuánzǐ)結(jié)合能的計(jì)算一原子質(zhì)量單位(dānwèi)具有(jùyǒu)能量質(zhì)子質(zhì)量中子質(zhì)量核子平均結(jié)合能第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件核子(hézǐ)的比結(jié)合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。原子核的結(jié)合能非常大，所以一般原子核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。然而，不同(bùtónɡ)原子核的穩(wěn)定程度不同(bùtónɡ)。每個(gè)核子(hézǐ)的平均結(jié)合能稱為比結(jié)合能：第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件a.中等質(zhì)量原子核的核子平均(píngjūn)結(jié)合能較大8.79MeV8.47MeV8.75MeVb.輕核和重核的核子(hézǐ)平均結(jié)合能都較小2.83MeV7.5MeV7.56MeV第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件

核力是一種短程力；核力是強(qiáng)相互作用；核力具有(jùyǒu)飽和性;核力與電荷無(wú)關(guān)；核力在極短程內(nèi)存在斥心力，它使核子不能無(wú)限靠近。第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件第二節(jié)原子核的衰變(shuāibiàn)類型放射性：(1896法國(guó)科學(xué)家年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)U的放射性)放射性元素：原子序數(shù)(yuánzǐxùshù)83（包括83）以后的所有元素都具有天然放射性。貝克勒爾放大(fàngdà)了1000倍的鈾礦石第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件居里居里夫人1898年發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)放射性更強(qiáng)的元素釙（Po）和鐳（Ra）。

貝克勒耳和居里夫婦一起，因?yàn)榉派湫缘陌l(fā)現(xiàn)(fāxiàn)和研究，1903年得到科學(xué)界的最高榮譽(yù)——諾貝爾獎(jiǎng)。

第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件三種(sānzhǒnɡ)射線：、、。三種射線的性質(zhì)：最弱最強(qiáng)C光子較弱較弱接近C電離本領(lǐng)貫穿本領(lǐng)速率組成物質(zhì)射線射線種類氦核電子最強(qiáng)最弱衰變(shuāibiàn)原則：質(zhì)量數(shù)守恒(shǒuhénɡ)，電荷數(shù)守恒(shǒuhénɡ)。第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件15.1

α衰變(shuāibiàn)（質(zhì)量數(shù)A>209）123母核子核α粒子(lìzǐ)衰變(shuāibiàn)能

α粒子的能譜與子核或母核的能級(jí)結(jié)構(gòu)有密切連續(xù)。第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件15.2

衰變(shuāibiàn)1.-衰變(shuāibiàn)2.+衰變(shuāibiàn)放出電子、反中微子放出正電子、中微子第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件3.電子(diànzǐ)俘獲(E.c)

能量一部分可以以標(biāo)識(shí)X射線的形式放出;

一部分可以使另外一層電子電離成自由電子(zìyóudiànzǐ)------俄歇電子。一個(gè)(yīɡè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微子第二十五?yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件中微子質(zhì)量極輕，不帶電荷，與物質(zhì)的相互作用十分微弱。因此極難探測(cè)，需要(xūyào)用體積龐大的探測(cè)器。4.中微子簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)1930泡利假設(shè)了中微子，以解決b衰變中能量不守恒問題1956Reines和Cowan發(fā)現(xiàn)中微子（1995年諾貝爾獎(jiǎng)）1962Lederman等發(fā)現(xiàn)μ中微子（1988年諾貝爾獎(jiǎng)）1957Pontecorvo提出中微子可以發(fā)生振蕩1968Davis發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)(tàiyáng)中微子丟失，中微子振蕩.（2002年諾貝爾獎(jiǎng)）1998超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)證實(shí)大氣中微子丟失,中微子振蕩！(2002年諾貝爾獎(jiǎng)）2001SNO實(shí)驗(yàn)證實(shí)丟失的太陽(yáng)中微子變成了其它中微子2002KamLAND用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)證實(shí)太陽(yáng)中微子振蕩第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件15.3

γ衰變(shuāibiàn)和內(nèi)轉(zhuǎn)換：

處于激發(fā)態(tài)的原子核不穩(wěn)定(wěndìng)，要向低能態(tài)躍遷，放出γ光子。常常伴隨著α衰變和β衰變過程產(chǎn)生。例6027Co→6028Ni+γ+γ0MeV2.50MeV1.33MeV第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件

在醫(yī)療上，射線可以使癌細(xì)胞受到抑制或死亡，因此常利用鈷60的射線按理(ànlǐ)治療肺癌、食道癌等。射線還可以用于醫(yī)療器械的消毒滅菌，處理醫(yī)院排出的污水，殺死各種病原體，保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生。伽瑪輻射儀第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件內(nèi)轉(zhuǎn)換：

在某些情況下，原子核從激發(fā)態(tài)向較低能級(jí)躍遷時(shí)不一定放出γ光子、而是把這部分能量直接(zhíjiē)交給核外電于，使其脫離原子的束縛而成為自由電子，這稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換。锝99Tcm基態(tài)(jītài)時(shí)89%射線(shèxiàn)11%內(nèi)轉(zhuǎn)換第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件第三節(jié)原子核的衰變(shuāibiàn)規(guī)律15.1衰變(shuāibiàn)定律（1）對(duì)一個(gè)特定的放射性核素，其衰變(shuāibiàn)的精確時(shí)間是無(wú)法預(yù)測(cè)的；（2）對(duì)足夠多的放射性核素的集合，其衰變規(guī)律是確定的，并服從量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件衰變(shuāibiàn)定律

λ衰變常數(shù)：一個(gè)原子核在單位(dānwèi)時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，衰變常數(shù)與外界條件（溫度、壓力、磁場(chǎng)等）幾乎無(wú)關(guān)。第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件15.2半衰期

在放射性衰變(shuāibiàn)過程中，放射性元素的原子核數(shù)減少到原有核數(shù)的一半時(shí)所需的時(shí)間。衰變定律(dìnglǜ)的另一種表示：1、衰變(shuāibiàn)定律當(dāng)有一半粒子發(fā)生衰變時(shí)：第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件例：一個(gè)(yīɡè)放射性物質(zhì)T=2d,過了四天后：第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件

t=0時(shí)，核數(shù)為N0，經(jīng)t時(shí)間的衰變，剩下

N(t)=Noe-λt，再經(jīng)dt(t~t+dt)時(shí)間，有-dN=λNdt發(fā)生衰變。這意味著-dN個(gè)核子存活(cúnhuó)了t時(shí)間，所以核素的總壽命是(1)平均壽命(pínɡjūnshòumìnɡ)2、有效(yǒuxiào)半衰期和平均壽命第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件任一核素的平均壽命(pínɡjūnshòumìnɡ)為第三十五頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件（2）有效(yǒuxiào)半衰期：放射性元素進(jìn)入(jìnrù)生物體內(nèi)物理(wùlǐ)衰變?chǔ)?/p>

N=N0e-λt生物衰變:λb（常數(shù)）λb------生物衰變常量。放射性元素隨生物體的代謝排出體外，其衰減也按指數(shù)規(guī)律。第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件有效(yǒuxiào)衰變常數(shù)λe,據(jù)半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系(guānxì)：采用(cǎiyòng)放射性元素作生物體內(nèi)示蹤劑。第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件例題:臨床上常用59Fe檢查或在患者(huànzhě)血液的異常情況.已知59Fe的物理半衰期46.3d,生物半衰期為65d,問服用13.5d后,殘留在體內(nèi)的放射性核素的相對(duì)量N/N0為多大?第三十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件15.3放射性活度

放射性活度（簡(jiǎn)稱活度）一定量的放射性核素在單位時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生(fāshēng)的核衰變數(shù)，即

dN:在時(shí)間間隔dt內(nèi)自發(fā)(zìfā)核衰變次數(shù)。第三十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。編輯課件（1）活度服從同樣(tóngyàng)的指數(shù)規(guī)律。（2）活度單位是居里.（3）1居里(Ci)＝3.7×1