[医学]医学影像学课件 原子核和放射性

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1、一. 原子的核状结构二. 玻尔理论的基本假设三. 原子的能级和电子的轨道半径原子的能级 J.JJ.J汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型1903年 J.J.汤姆逊提出，原子 中的正电荷和原子质量均匀地分布 在半径为10-10m的球体内，电子浸于 此球体中，即“葡萄干蛋糕模型” 。 卢瑟福是J.J.汤姆逊的学生， 提出了原子的有核模型。原子核介绍l l 粒子散射实验粒子散射实验 卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型卢瑟福用 粒子轰击原子，探索原子内部结构，并 提出原子的有核模型。 粒子为氦核以c/15轰击金箔，在原子中带电物质的电场力作用下，使它偏离原来的 入射方向，从而发生散射现象。 粒子粒子镭放

2、射源镭放射源 荧光屏荧光屏显微镜显微镜金箔金箔绝大部分粒子经金箔散射后 ，散射角很小2-3， 1/8000的粒子偏转大于90 l l卢瑟福原子有核模型结论卢瑟福原子有核模型结论.原子的中心是原子核，几乎占有原子的全部质量， 集中了原子中全部的正电荷。.电子绕原子核旋转。.原子核的体积比原子的体 积小得多。原子半径 10-10m原子核半径10-14 - 10-15m 1911年卢瑟福在他所做的粒子散射实验基础 上，提出原子的中心是一个重的带正电的核 ，与整个原子的大小相比，核很小。电子围 绕核转动，类似大行星绕太阳转动。这种模 型叫做原子的核模型，又称行星模型。从这 个模型导出的结论同实验结果符

3、合的很好， 很快就被公认了。按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子 将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从 而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。所以原 子应是一个不稳定的系统。轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是 连续的， 原子光谱应是连续的光谱。实验表明原子 相当稳定，这一结论与实验不符。实验测得原子光谱 是不连续的谱线。l l有核模型与经典理论的矛盾有核模型与经典理论的矛盾玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885-1962丹 麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一。1911年 ，他来到卡文迪什实验室，在J.J.汤姆逊的指导下学 习和研究，当得知卢瑟福从

4、 粒子散射实验提出了原 子的有核模型后，他深感钦佩，同时也非常理解该模 型所遇到的困难。于是他又转赴卢瑟福实验室求学， 并参加 粒子散射的实验工作，他坚信卢瑟福的有核 模型，认为要解决原子的稳定性问题，必须用量子概 念对经典物理来一番改造。 玻尔量子论玻尔量子论在1913年玻尔在卢瑟福所提出的核模型的基础上 ，结合原子光谱的经验规律，应用普朗克于1900 年提出的量子假说，和爱因斯坦于1905年提出的 光子假说，发表了论原子构造与分子构造等三 篇论文，提出了原子所具有的能量形成不连续的能 级，当能级发生跃迁时，原子就发射出一定频率的 光的假说。从而完满地解释了氢原子光谱的规律。 玻尔的成功，使

5、量子理论取得重大进展，推动了量 子物理学的形成，具有划时代的意义。一. 原子核的组成二. 原子核的表示三. 原子核的大小四. 原子核的质量亏损五. 原子核的结合能第一节 原子核的基本性质氢核 带一个单位的正电核 质子数 Z mp = 1.007276u 质量数 A=Z+N 1u = 1.66056610-27kg不能长期存在于自然界 不带电中子数 N mn = 1.008665u质子(proton)中子(neutron)一. 原子核的组成原子核的基本性质二. 原子核的表示AXZ质量数原子序数元素的化学符号例:氦核镭核碳核He4 2226Ra88 13C6原子核的基本性质四. 质量亏损 (mas

6、s defect)实验证明，一个原子核的质量，总是小于组成它们的核子的质量之和。m = Zmp+ ( A - Z ) mn - mA例：核子组成氦核所发生的质量亏损为氦核4 2He m = (21.007276+21.008665) - 4.001506= 0.030376u原子核的基本性质五. 结合能 (binding energy)由相对论质能关系，系统的质量改变 m时，一定伴有能量改变Emc2 核子组成核时所释放出的能量叫做原子核的结合能。1u的质量改变对应的能量为1uc2 = 1.660566 10-27 (2.99792 108)2= 1.49244 10-10J = 931.5Me

7、V原子核的基本性质核子结合成核核分裂为核子放出能量供给能量原子核的稳定性核子组成原子核时所释放的能量对核子数求平均值-平均结合能描述原子核的稳定性原子核的基本性质 五. 结合能 (binding energy)一. 衰变 （ alpha decay ）二. 衰变 （beta decay）三. 衰变 （gamme decay）第二节 原子核的衰变原子核自发地放射出某种射线而转变 为另一种核素的现象这种不稳定核素叫做放射性核素核素放出射线的性质叫做放射性母核 母体子核 子体原子核的衰变一. 衰变 放射性核素的原子核放射出粒子而衰变 为另一种原子核的过程,叫做衰变. 氦核4 2He衰变反应式AZXA

8、-4Z-2Y+42He + Q原子核的衰变例 镭核衰变为氡核22688RaRn +4222862He + QQ 衰变能粒子及其动能 射线原子核的衰变一. 衰变 衰变过程中放出的能量。 大部分以粒子的动能的形 式放出，还有一部分是子核 反冲动能（约占2）。Q 衰变能原子核的衰变一. 衰变 衰变能中的大部分转变为 粒子的 动能，本例中为4.777MeV和4.589MeV。射线就是粒子流。粒子高速从核中飞出,在受到物质阻止 失去速度后,俘获两个电子变成一个 中性的氦原子.粒子及其动能94.3%5.7%原子核的衰变一. 衰变 生成的子核具有不 同的能态，当子核从激 发态向基态跃迁时，把 多余的能量以光

9、子的形 式辐射出来，就是 射 线。22688RaRn222 86 射线原子核的衰变一. 衰变 一. 衰变 放射性核素的原子核放射出粒子而衰变为 另一种原子核的过程,叫做衰变. 氦核4 2He衰变反应式AZXA-4Z-2Y+42He + Q衰变的位移法则：子核在元素同期 表中位置比母核前移两位。原子核的衰变1. 衰变3. 电子俘获2. 衰变二. 衰变放射性核素的原子核放射出粒子而 衰变为另一种原子核的过程,叫做衰变. 原子核的衰变1. 衰变放射性核素的原子核放射出负电子而 衰变为另一种原子核的过程,叫做衰变. 衰变反应式衰变的位移法则：子核在元素同期 表中位置比母核后移一位。AZXAZ1Y+0

10、1e + Q0 0中微子原子核的衰变原子核内是不含有电子的。在 衰变中，原子核中一个中子转换为一 个质子时，同时产生一个负电子和一 个中微子。np+0 1e + Q0 0原子核的衰变二. 衰变例 放射性磷衰变为硫核v 中微子3215PS +321601e + Q0 0电荷数为零，质量均为电子质量的 0.05%，质量数也为零。v 射线原子核的衰变二. 衰变v 射线生成的子核具有不 同的能态，当子核从激 发态向基态跃迁时，把 多余的能量以光子的形 式辐射出来，就是 射 线。激发态基态子核能态母核能态原子核的衰变二. 衰变2. 衰变放射性核素的原子核放射出正电子而 衰变为另一种原子核的过程,叫做衰变

11、. 衰变反应式衰变的位移法则：子核在元素同期 表中位置比母核前移一位。AZXAZ1Y + 0 1e + Q0 0原子核的衰变原子核内也不含有正电子。在 衰变中，原子核中一个质子放出一个 正电子转变为一个中子，同时放出一 个中微子。np+0 1e + Q0 0原子核的衰变二. 衰变例 放射性氮核衰变为碳核v 中微子137NC+1360+1e + Q0 0电荷数为零，质量均为电子质量的0.05%， 质量数也为零。 v 电子对淹没v 射线正电子寿命很短，它与周围物质相互作用时 ，可在核场的作用下与一个电子结合产生两个飞 行方向相反的光子。 0.511 MeV原子核的衰变二. 衰变v 射线生成的子核具

12、有不 同的能态，当子核从激 发态向基态跃迁时，把 多余的能量以光子的形 式辐射出来，就是 射 线。 高职截止！激发态基态子核能态母核能态原子核的衰变二. 衰变3. 电子俘获放射性核素的原子核俘获一个核外电 子，使核中的一个质子转变为一个中子， 从而衰变为另一种原子核的过程,叫做电子 俘获. 衰变反应式电子俘获的位移法则：子核在元素同期 表中位置比母核前移一位。AZXAZ1Y+ 01+ Q0 0e原子核的衰变原子核俘获的电子是内层电子，俘获 后原子核的壳层中缺少一个内层电子,这 是不稳定状态，当外壳层电子跃迁到内 层来填补这个空位时，放射出子核的标 识X射线。有些核素在发生电子俘获后，子核处 于

13、激发状态，这时会发射 射线。原子核的衰变二. 衰变1. 衰变3. 电子俘获2. 衰变二. 衰变AZXAZ1Y+0 1e + Q0 0AZXAZ1Y + 0 1e + Q0 0AZXA Z1Y+ 0 1+ Q0 0e原子核的衰变三. 衰变与内转换核衰变中产生的子核若处于激发态，它 会很快地从高能级跃迁到较低的能级，同时 把多余的能量以光子的形式辐射出来。衰变反应式AmZXA ZY+ 激发态核基态 核原子核的衰变若原子核从激发态跃迁到较低能态或 基态时，不向外幅射光子，而是将能量直 接传递给核外的内壳层电子，使其脱离原 子的束缚而成为自由电子，这一过程叫做 内转换。内转换的结果，使原子内壳层上出现

14、 了空位，较外层电子将来填补这一空位， 从而辐射出标识X射线或俄歇电子。原子核的衰变 三. 衰变与内转换一.衰变规律第三节 核衰变的规律二.半衰期 ( half life )三. 平均寿命 ( mean life ) 四. 放射性活度 (radioactivity)核衰变的规律 一.衰变规律一.衰变规律tN: 衰变常数,是反映原子核衰变快慢的物理量.核衰变的规律二.半衰期 ( half life )1.物理半衰期2.生物半衰期3.有效半衰期核衰变的规律1.物理半衰期衰变规律把 t=T 时 N = N0/2 代入得：取对数： ln2 = 0.693 T核衰变的规律放射性核素衰减到原来数量一半所

15、需的时间。1.物理半衰期放射性核素衰减到原来数量一半所需的时 间。衰变定律又可为核衰变的规律2.生物半衰期在生物体内，放射性核素除按上述物理衰变规律减少外，由于生物体的新陈代谢，也会使母核减少。我们把母核由于这种原因减到原来数量一半所需的时间叫做生物半衰期。生物衰变常数核衰变的规律3.有效半衰期由于上述两种原因，生物体内的放射性核素的母核衰减到原来数量一半所需的时间。核衰变的规律考虑到两种衰变过程同时发生，有有效衰变常数核衰变的规律衰变规律3.有效半衰期把 t=T 时 N = N0/2 代入取对数： ln2 = 0.693 eT核衰变的规律衰变规律3.有效半衰期二.半衰期 ( half life )1.物理半衰期2.生物半衰期3.有效半衰期核衰变的规律dt时间内衰变的原子核有其寿命为 t寿命之和为 t Ndt在 t = 0 到 t = 时间内N0个核衰变其寿命之和核衰变的规律三. 平均寿命 ( mean life ) 三. 平均寿命 ( mean life ) 放射性核素在全部衷变完之前平均存在的时间 。与、T一样，也是表示核衰变快慢的常数。核衰变的规律四. 放射性活度 (radioactivity)单位时间内衰变的核子数.单位:贝可 Bq (becquerel)1Bq=1核衰变/秒核衰变的规律核