原子核和放射性

第十五章

原子核和放射性醫(yī)用物理教研室

編輯ppt根本內(nèi)容：1、原子核的根本性質(zhì)2、原子核的衰變類型3、原子核的衰變規(guī)律編輯ppt1945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)降臨長崎，死傷138905人．造成這場空前浩劫的，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)地影響著人類命運(yùn)．原子彈爆炸結(jié)束二戰(zhàn)核武器競爭威脅人類。編輯ppt1945年5月，前蘇聯(lián)紅軍攻克柏林，德國法西斯宣布投降．然而，在遠(yuǎn)東，日本法西斯仍在作垂死掙扎．當(dāng)時估算，如果占領(lǐng)日本外鄉(xiāng)，美軍起碼還得付出死亡一二百萬人的沉重代價．這一切促使美國最高當(dāng)局下決心動用原子彈，以盡早結(jié)束戰(zhàn)爭．其實(shí)，當(dāng)時日本和德國都在研制原子彈，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，日本軍部立即派研制原子彈的核科學(xué)家二階義男帶著“2號研究〞〔即原子彈研究〕人員去廣島作現(xiàn)場調(diào)查．之后，把這批人員招集到大本營，副總參謀長河邊將軍問道：“你們能不能在半年內(nèi)造出原子彈來？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野山下用花崗巖造的地下堡壘中保護(hù)起來．軍隊(duì)不惜代價再堅(jiān)持6個月沒有問題，到那時就可以對美軍還以顏色了．〞編輯ppt二階義男答復(fù)說：“閣下，不要說6個月內(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)長崎也傳來被原子彈炸成平地的消息后，日本最高當(dāng)局中的主戰(zhàn)派頓時像泄了氣的皮球．此時，美國又放出空氣，聲稱還有100顆原子彈〔其實(shí)當(dāng)時還沒有新的原子彈生產(chǎn)出來〕將投向日本，如果日本不投降的話．在這種嚴(yán)峻的形勢下，經(jīng)過幕后活動，日本天皇終于在8月15日宣布無條件投降．編輯ppt原子彈爆炸編輯ppt大亞灣核電站夜景編輯ppt神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者頭部的核磁共振斷面像編輯ppt人類認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的簡單歷史1787年，道爾頓——原子一切物質(zhì)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——現(xiàn)代模型〔電子云模型〕電子繞核運(yùn)動形成一個帶負(fù)電荷的云團(tuán)，在一個確定電子的時刻不能精確測定電子確實(shí)切位置編輯ppt第一節(jié)原子核的根本性質(zhì)15.1原子核的組成、質(zhì)量和大小1．原子核的電荷〔1〕質(zhì)子帶正電，其電量絕對值等于電子的電量。Z〔2〕中子不帶電，N核子數(shù)：也稱為質(zhì)量數(shù)A＝Z+N編輯ppt〔1〕原子核質(zhì)量的表示原子質(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)量編輯ppt15.2原子核的性質(zhì)對于輕核的核半徑為:對于重核的核半徑為:

通過估算,可以看出各種原子核半徑大小均處于同一數(shù)量級上,且隨著各種元素之不同彼此之間又略有差異.編輯ppt根據(jù)實(shí)驗(yàn)說明,除少數(shù)例外,原子核是近似球形的,其體積為:由此可得到一個非常重要的結(jié)論:在一切原子核中,核物質(zhì)的密度近似為一常數(shù),不妨作這樣一個比較,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！編輯ppt15.4原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損

原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，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)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編輯ppt

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

氘核吸收E能量后分解為質(zhì)子和中子E氘質(zhì)子中子E=(m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c2愛因斯坦編輯ppt原子結(jié)合能的計(jì)算一原子質(zhì)量單位具有能量質(zhì)子質(zhì)量中子質(zhì)量核子平均結(jié)合能編輯ppt核子的比結(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，不同原子核的穩(wěn)定程度不同。每個核子的平均結(jié)合能稱為比結(jié)合能：編輯ppta.中等質(zhì)量原子核的核子平均結(jié)合能較大8.79MeV8.47MeV8.75MeVb.輕核和重核的核子平均結(jié)合能都較小2.83MeV7.5MeV7.56MeV編輯ppt

核力是一種短程力；核力是強(qiáng)相互作用；核力具有飽和性;核力與電荷無關(guān)；核力在極短程內(nèi)存在斥心力，它使核子不能無限靠近。編輯ppt第二節(jié)原子核的衰變類型放射性：(1896法國科學(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)83〔包括83〕以后的所有元素都具有天然放射性。貝克勒爾放大了1000倍的鈾礦石編輯ppt居里居里夫人1898年發(fā)現(xiàn)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)和研究，1903年得到科學(xué)界的最高榮譽(yù)——諾貝爾獎。

編輯ppt三種射線：、、。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)最弱衰變原那么：質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。編輯ppt15.1α衰變〔質(zhì)量數(shù)A>209〕

1

2

3母核子核α粒子衰變能

α粒子的能譜與子核或母核的能級結(jié)構(gòu)有密切連續(xù)。編輯ppt15.2

衰變1.

-衰變2.

+衰變放出電子、反中微子放出正電子、中微子編輯ppt3.電子俘獲(E.c)能量一局部可以以標(biāo)識X射線的形式放出;一局部可以使另外一層電子電離成自由電子------俄歇電子。一個質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微子編輯ppt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，需要用體積龐大的探測器。4.中微子簡介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〕1962Lederman等發(fā)現(xiàn)μ中微子〔1988年諾貝爾獎〕1957Pontecorvo提出中微子可以發(fā)生振蕩1968Davis發(fā)現(xiàn)太陽中微子喪失，中微子振蕩.〔2002年諾貝爾獎〕1998超級神岡實(shí)驗(yàn)證實(shí)大氣中微子喪失,中微子振蕩！(2002年諾貝爾獎〕2001SNO實(shí)驗(yàn)證實(shí)喪失的太陽中微子變成了其它中微子2002KamLAND用反響堆實(shí)驗(yàn)證實(shí)太陽中微子振蕩編輯ppt15.3

γ衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換：

處于激發(fā)態(tài)的原子核不穩(wěn)定，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編輯ppt

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。伽瑪輻射儀編輯ppt內(nèi)轉(zhuǎn)換：在某些情況下，原子核從激發(fā)態(tài)向較低能級躍遷時不一定放出γ光子、而是把這局部能量直接交給核外電于，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)時89%射線11%內(nèi)轉(zhuǎn)換編輯ppt第三節(jié)原子核的衰變規(guī)律15.1衰變定律〔1〕對一個特定的放射性核素，其衰變的精確時間是無法預(yù)測的；〔2〕對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。編輯ppt衰變定律λ衰變常數(shù)：一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，衰變常數(shù)與外界條件〔溫度、壓力、磁場等〕幾乎無關(guān)。編輯ppt15.2半衰期

在放射性衰變過程中，放射性元素的原子核數(shù)減少到原有核數(shù)的一半時所需的時間。衰變定律的另一種表示：1、衰變定律當(dāng)有一半粒子發(fā)生衰變時：編輯ppt例：一個放射性物質(zhì)T=2d,過了四天后：編輯ppt

t=0時，核數(shù)為N0，經(jīng)t時間的衰變，剩下

N(t)=Noe-λt，再經(jīng)dt(t~t+dt)時間，有-dN=λNdt發(fā)生衰變。這意味著-dN個核子存活了t時間，所以核素的總壽命是(1)平均壽命2、有效半衰期和平均壽命編輯ppt任一核素的平均壽命為編輯ppt〔2〕有效半衰期：放射性元素進(jìn)入生物體內(nèi)物理衰變λN=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。編輯ppt有效衰變常數(shù)λe,據(jù)半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系：采用放射性元素作生物體內(nèi)示蹤劑。編輯ppt例題:臨床上常用59Fe檢查或在患者血液的異常情況.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量N/N0為多大?編輯ppt15.3放射性活度放射性活度〔簡稱活度〕一定量的放射性核素在單位時間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)，即

dN:在時間間隔dt內(nèi)自發(fā)核衰變次數(shù)。編輯ppt〔1〕活度服從同樣的指數(shù)規(guī)律。〔2〕活度單位是居里.〔3〕1居里(Ci)＝3.7×1010次核衰變／s?！?〕我國用貝可(Bq)作單位：〔5〕1貝可〔Bq〕＝1次核衰變／s，說明：放射性活度編輯ppt例設(shè)一臺60Coγ－刀初裝時Co源活度為6040Ci，使