原子核與放射性衰變

關(guān)于原子核與放射性衰變主要內(nèi)容2.1原子核的基本性質(zhì)2.2核模型2.3放射性衰變及衰變規(guī)律2.4典型放射性衰變2.5衰變綱圖第2頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天概述1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，這是第一次實(shí)現(xiàn)的人工核反應(yīng)。1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，安德遜發(fā)現(xiàn)了正電子，考克饒夫和瓦爾頓觀察到第一次用加速粒子進(jìn)行的人工核反應(yīng)。第3頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1原子核的基本性質(zhì)原子的中心：原子核原子核的線度只有原子的萬(wàn)分之一，質(zhì)量占原子的99%以上。原子和原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中涇渭分明的兩個(gè)層次元素的化學(xué)、物理性質(zhì)、光譜特性與核外電子有關(guān)，放射性現(xiàn)象與原子核有關(guān)。第4頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的成分

質(zhì)子和中子A=Z+N同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同種元素的原子核。核素：質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)均相同，并且原子核處于同一能量狀態(tài)的一種原子或原子核同位素的化學(xué)性質(zhì)完全相同(化學(xué)性質(zhì)取決于核外電子排列狀況，質(zhì)子數(shù)相同，表明核外電子的數(shù)量和排布規(guī)律完全相同)。第5頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的質(zhì)量

原子質(zhì)量：相對(duì)質(zhì)量 質(zhì)子質(zhì)量=1.007碳當(dāng)量 中子質(zhì)量=1.008碳當(dāng)量 電子質(zhì)量=1/1836質(zhì)子原子核質(zhì)量=Z(質(zhì)子數(shù))+N(中子數(shù))第6頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的半徑

原子核原子說(shuō)明原子內(nèi)大部分空間為空，原子核只占很小一部分。原子核半徑與質(zhì)量數(shù)A之間存在關(guān)系：其中為常數(shù)，值為第7頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的密度密度 N=A/M—阿伏伽德羅常數(shù)。6.02×10^23第8頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的電荷、角動(dòng)量和磁矩原子核的電荷原子呈電中性(原子核所帶的正電荷必須與軌道電子所帶電荷相等，符號(hào)相反)。確定方法：原子序數(shù)原子核的自旋實(shí)驗(yàn)證明：原子核象陀螺一樣旋轉(zhuǎn)著。 帶電粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。第9頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的結(jié)合能

分析原子核的質(zhì)量可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：原子核的質(zhì)量<各組成部分的質(zhì)量和，即怎么解釋？相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系 核子結(jié)合成原子核時(shí)，即有質(zhì)量的減少，表明在結(jié)合成原子核時(shí)釋放能量，所釋放的能量稱為原子核的結(jié)合能。

注意：原子核的結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是把核子分開(kāi)所需要的能量。第10頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天核力

原子核內(nèi)各核子之間的相互作用力，其性質(zhì)：短程力：只在相鄰核子之間發(fā)生作用，作用范圍在1.5×10-13cm之內(nèi)強(qiáng)相互作用力：在它的作用范圍內(nèi)，比庫(kù)侖力大100倍飽和性：一個(gè)核子能相互作用的其它核子數(shù)目是有限的。使得原子核和水一樣，呈現(xiàn)不可壓縮性，即原子核的密度近似為常數(shù)與電荷無(wú)關(guān)，質(zhì)子和中子都受到核力作用核力在極短程內(nèi)存在斥力核力與自旋有關(guān)第11頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天原子核的穩(wěn)定性

原子核的穩(wěn)定性是指原子核不會(huì)自發(fā)地改變其質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和它的基本性質(zhì)。按原子核的穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定原子核和不穩(wěn)定(或放射性)原子核兩類。其穩(wěn)定性與質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有關(guān)第12頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2核模型第13頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)核的費(fèi)米氣體模型

費(fèi)米氣體模型認(rèn)為，核內(nèi)核子的運(yùn)動(dòng)跟容器內(nèi)理想氣體分子的運(yùn)動(dòng)類似，除了應(yīng)滿足不相容原理的要求外，在半徑的球形空間內(nèi)進(jìn)行著自由運(yùn)動(dòng)，即核內(nèi)核子類似于容器內(nèi)的費(fèi)米子理想氣體。費(fèi)米氣體模型可以說(shuō)明輕核的一些性質(zhì)，但不能說(shuō)明中、重核的主要性質(zhì)。第14頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)液滴模型

依據(jù)：核力的飽和性、原子核不可壓縮性液滴模型認(rèn)為，原子核可看成是一種帶電的高密度、不可壓縮的均勻液體，而各式各樣的核都是由這種液體形成的大小不同的液滴。第15頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天(3)殼層摸型

對(duì)于原子核，許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，當(dāng)組成它的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于2,8,20,28,50,82,126這些數(shù)字時(shí)，原子核特別穩(wěn)定，這些數(shù)字稱為幻數(shù)。

如：自然界質(zhì)子數(shù)82、中子數(shù)126的鉛同位素Pb，雙幻數(shù)，顯得異常穩(wěn)定?；脭?shù)的存在使人們想到，原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子按泡利不相容原理和能量最低原理分別填充自己的殼層，當(dāng)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為幻數(shù)時(shí)正好填滿一個(gè)殼層。第16頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天(4)集體模型一方面考慮核作為集體的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)，另一方面考慮每個(gè)核子又在一個(gè)變動(dòng)的非球?qū)ΨQ的平均勢(shì)場(chǎng)中作獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)還有相互影響。根據(jù)集體模型可很好說(shuō)明核的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)，關(guān)于核的電器極矩、磁矩以及γ躍遷率的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)值的符合程度也都有明顯改善。第17頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3放射性核衰變第18頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性有關(guān)概念放射性：物質(zhì)發(fā)射這種射線的性質(zhì)。放射性元素：具有放射性的元素。天然放射性元素：自然界存在的放射性元素天然放射現(xiàn)象：放射性元素的原子核不穩(wěn)定，它們能自發(fā)發(fā)生蛻變，發(fā)射射線。人工放射性同位素：用質(zhì)子、中子或其他基本粒子作為炮彈轟擊原子核，改變核內(nèi)質(zhì)子或中子的數(shù)目，可人工制造新的同位素。第19頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.1放射性衰變基態(tài)(groundstate) 原子核可處于不同的能量狀態(tài)，平常情況下處于最低的狀態(tài)稱為基態(tài)。激發(fā)態(tài)(excitedstate) 原子核在某些核反應(yīng)、核裂變及放射性衰變后仍處于高能狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。放射性衰變 不穩(wěn)定的原子核會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時(shí)放出射線，稱為放射性衰變。第20頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天核衰變與核反應(yīng)核反應(yīng)：核與核，或核與光子、中子、質(zhì)子等粒子相互作用的過(guò)程。核衰變和核反應(yīng)統(tǒng)稱核過(guò)程。區(qū)別在于，核衰變是不穩(wěn)定核的自發(fā)核過(guò)程，而核反應(yīng)則是穩(wěn)定核在其它粒子作用下誘發(fā)的核過(guò)程。第21頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天核過(guò)程中的守恒定律核子數(shù)守恒電荷守恒質(zhì)—能守恒動(dòng)量守恒角動(dòng)量守恒第22頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.2放射性衰變規(guī)律

對(duì)于由大量原子組成的放射源，每個(gè)原子核都可能發(fā)生衰變，但不是所有原子在同一時(shí)刻都發(fā)生衰變，某一時(shí)刻僅有極少數(shù)原子發(fā)生衰變。放射性核素衰變是隨機(jī)的、自發(fā)的按一定的速率進(jìn)行。每一個(gè)核在什么時(shí)候發(fā)生衰變是無(wú)法預(yù)測(cè)的，但大量的原子核其衰變過(guò)程遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第23頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性衰變規(guī)律規(guī)律：某一放射性物質(zhì)的衰變率是與當(dāng)時(shí)存在的原子核數(shù)目成正比。即若t時(shí)刻樣品中有N個(gè)核，在dt時(shí)間內(nèi)有dN個(gè)發(fā)生衰變 兩邊積分，并令時(shí)，，得到即放射性衰變基本定律，也是同位素地質(zhì)年代學(xué)的基本公式。第24頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天衰變常數(shù)λ表征衰變快慢的常數(shù)，取決于放射性物質(zhì)本身。物理意義： t時(shí)刻，每單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)與該時(shí)刻原子核總數(shù)的比。(一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率)越大，衰變?cè)娇臁１硎驹吹南鄬?duì)衰變速度。第25頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性衰變特點(diǎn)衰變的方式和速率是由原子核本身決定與原子核所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)外界條件(如溫度、壓力等)也不能改變它的衰變方式和速率第26頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.3半衰期描述放射性衰變的快慢放射性原子核數(shù)目因衰變減少到原來(lái)數(shù)目一半時(shí)所需的時(shí)間，用T1/2表示。

當(dāng)t=T1/2時(shí)，根據(jù)定義

第27頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天半衰期的應(yīng)用例：已知Co60放射性同位素的半衰期為5.3年，其衰變常數(shù)是多少？8年后其放射強(qiáng)度衰變到初始強(qiáng)度的百分之幾？第28頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.4平均壽命平均壽命是衰變常數(shù)的倒數(shù)，它比半衰期長(zhǎng)一些。

第29頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.5放射性活度定義：放射性源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核的個(gè)數(shù)，單位是貝可(勒爾)。

1Bq=1/s物理意義：反映射線源的產(chǎn)生射線的強(qiáng)度常用單位為居里(Ci)1Ci=3.7×1010次核衰變/s注意：活度不等于射線強(qiáng)度。對(duì)同一種放射性元素，活度大的源其射線強(qiáng)度也大，但對(duì)不同的放射性元素，不一定存在該關(guān)系。第30頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天銥-192第31頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天比活度:射線源的活度和射線源的尺寸之比放射性活度亦遵從指數(shù)衰變規(guī)律A0—初始時(shí)刻(t=0)放射性物質(zhì)的活度；A—t時(shí)刻放射性物質(zhì)的活度；t—經(jīng)過(guò)的衰變時(shí)間；

—衰變常數(shù)第32頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性活度衰減與半衰期的關(guān)系第33頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天放射性活度的應(yīng)用例：一放射性同位素經(jīng)過(guò)100天后，其放射性活度變?yōu)槌跏贾档?/4，求該放射性同位素的衰變常數(shù)？第34頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天例：6個(gè)月前購(gòu)進(jìn)192Ir源，當(dāng)時(shí)的射源強(qiáng)度為148х1010Bq，現(xiàn)在的強(qiáng)度為多少(按30天/月)Th=75天第35頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天長(zhǎng)半衰期的測(cè)定例：鈾的半衰期 方法：測(cè)量它的放射性活度A，算出產(chǎn)生A的核素的數(shù)目N，然后從A=λN求出λ。取1mg238U，可測(cè)得它的放射性活度為

A=740個(gè)α粒子/min

λ=A/N=(740個(gè)/60s)/(6.022x1023x10-3/238)=4.87x10-18s-1

T=0.693/

λ=4.5x109a第36頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3.6放射系自然界里的一些重元素往往發(fā)生一系列連續(xù)的衰變而形成放射族(系)。天然存在的放射系有三個(gè)，它們是鈾系、釷系和錒系。第37頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天鈾系鈾系始祖是，其半衰期，經(jīng)8次a衰變和6次β衰變最后成穩(wěn)定的，該族所有成員的質(zhì)量數(shù)（n是一個(gè)不定的正整數(shù))，因此又叫4n+2族。第38頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4典型放射性衰變衰變遵循規(guī)則：衰變前粒子的電荷總數(shù)和質(zhì)量總數(shù)與衰變后所有粒子的電荷總數(shù)和質(zhì)量總數(shù)相等。衰變衰變衰變第39頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.1α衰變?cè)雍酸尫懦靓亮Ｗ拥乃プ冞^(guò)程：α粒子特點(diǎn) 穿透物體的能力很小，在空氣中也只能飛行幾個(gè)厘米，但具有很強(qiáng)的電離能力。第40頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天α衰變分析能量守恒：Eα,Eγ分別為粒子動(dòng)能和子核反沖動(dòng)能α衰變的衰變能：Eα,Eγ之和a衰變條件：必須是母核的靜質(zhì)量大于子核與粒子的靜質(zhì)量之和。第41頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.2β衰變?cè)雍酸尫懦靓铝Ｗ?正電子、負(fù)電子)的衰變過(guò)程： 對(duì)

衰變： 對(duì)

+衰變：β粒子特點(diǎn) 具有較大的穿透能力，甚至可以穿透幾毫米厚的鋁，但電離作用較弱。第42頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天軌道電子俘獲母核俘獲核外軌道上的一個(gè)電子，使母核中的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)為中子，過(guò)渡到子核的同時(shí)釋放出一個(gè)中微子(中微子由泡利提出)。由于K層最靠近原子核，K電子俘獲最易發(fā)生。第43頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.3衰變

放射性元素的核，經(jīng)過(guò)

衰變或

衰變后變成處于激發(fā)態(tài)的核，當(dāng)它返回基態(tài)時(shí)將輻射

射線。

射線的釋放不影響原子核的數(shù)目，僅減少原子核的能量。屬于原子核能級(jí)躍遷第44頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

射線的特點(diǎn)波長(zhǎng)很短的電磁波穿透物體的能力很強(qiáng)，甚至可以穿透幾個(gè)厘米厚的鉛板它的電離作用卻很小第45頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.4電子躍遷與原子核躍遷比較比較 電子：軌道能級(jí)躍遷eV~keV 原子核：原子核能級(jí)躍遷MeV(不同數(shù)量級(jí))第46頁(yè),共50