原子核和放射性

《原子核和放射性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原子核和放射性（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第章 。第章 。教学基本要求第十七章 原子核和放射性 掌握原子核的衰变规律和应用。 理解射线与物质相互作用的几种形式。 理解射线剂量的定义及射线的防护方法。 了解原子核的基本性质和原子核的衰变类型。放射性核素在医学上的应用。第章 。 第一节 原子核的基本性质一、原子核的组成、质量和大小1. 原子核的组成 原子核由质子和中子组成。中子不带电，质子带正电。质子和中子统称核子。2. 原子核的质量 原子核的质量常用原子质量单位u来 表示，规定:1u= =1.660 54010-27kg=931.5MeVc-2用原子质量单位来量度原子核质量时，其数值都接 近于某一整数即质量数A。质量数A是原子核的核子数

2、 。第十七章 原子核和放射性第章 。第十七章 原子核和放射性3. 核素 一类具有确定质子数、核子数和能量状态的中 性原子称为核素。核素的符号表示: 其中Z为原子序数，即质子数；A为原子质量数，即核子数。同位素 质子数相同、中子数不同的一类核素，它 们在周期表中处于同一位置上。同中子异位素 具有相同中子数、不同质子数的一 类核素。同量异位素 质量数相同、质子数不同的一类核素 。同核异能素 质量数和质子数均相同而处于不同能 量状态的一类核素。或第章 。第十七章 原子核和放射性4. 原子核的大小 原子核的半径R与质量数A有关， 可用如下经验公式表示：式中R0为常数，其值约等于1.210-15m。若把

3、原子核看作球形，其平均核密度为： 将u及R0的数值代入上式得： 1017 kgm-3，可见原子 核密度非常高。第章 。第十七章 原子核和放射性二、原子核的自旋和磁矩 1. 原子核的自旋 原子核具有的角动量习惯上称为核 自旋：2. 原子核的磁矩奇/偶核，I 为半整数；偶偶核，I 为零；奇奇核，I 为整数。（mI是核自旋磁量子数）式中g为原子核的g因子式中N称为核磁子。在空间z轴方向上的投影:在z轴方向上的投影：式中I 为核自旋量子数。第章 。第十七章 原子核和放射性三、原子核的结合能及质量亏损1. 原子核的质量亏损 组成原子核所有核子的质量 与原子核质量之差称为原子核的质量亏损。2. 原子核的结

4、合能 自由核子结合成原子核时释放 的能量称为原子核的结合能。任意一个核素 的结合能E定义为根据质能关系，1 u的质量相当于931.5MeV的能量。 第章 。第十七章 原子核和放射性3. 原子核的平均结合能，即比结合能 越大，表示核子间结合得越紧密； 的大小可以作为核稳定性的量度。不同原子核的比结合能曲线： 从图中可见，轻核和重 核的比结合能小于中等核的 比结合能。当比结合能小的 核变成比结合能大的核时， 将释放出能量。这是采用重 核裂变和轻核聚变两种途径 获得原子能的依据。4. 核力 原子核内核子之间的作用力称为核力。 第章 。第十七章 原子核和放射性四、原子核的宇称宇称是表征微观粒子运动特性

5、的一个物理量。 通常用波函数在空间坐标反演下的变换性质来表示 。当(r) = +(r)时，称粒子的运动状态具有 偶宇称（或称其宇称为正）；当(r) = (r)时，称粒子的运动状态具有奇 宇称（或称其宇称为负）。第章 。第十七章 原子核和放射性 第二节 原子核的衰变类型一、衰变质量数 A 209的放射性核素自发地放射出射 线而变成电荷数减少2、核子数减少4的另一种核素 的现象称为衰变。粒子即氦核。衰变式：Q为衰变过程放出的能量称为衰变能，在数值上等于 粒子的动能与子核反冲动能之和。例如：第章 。第十七章 原子核和放射性镭 226Ra放射出3种能量 的粒子，其中最大动能E1 对应226Ra放出粒子

6、到达氡222Rn的基态，E 2和E3分别 对应226Ra到达氡222Rn的第 一激发态及第二激发态。由 此可以确定222Rn的低激发态 的能级结构。例如：镭 226Ra的衰变第章 。第十七章 原子核和放射性二、衰变-衰变式 ：例如：60Co的衰变放射性核素自发地放射出射线（高速电子）或 俘获轨道电子而变成另一个核素的现象称为衰变。 它主要包括- 衰变、+ 衰变和电子俘获三种类型。1. - 衰变 母核自发地放射出一个-粒子（普通电 子e-）和一个反中微子，而变成电荷数增加1、核 子数不变的子核。 第章 。第十七章 原子核和放射性衰变式 ：3. 电子俘获 母核俘获一个核外轨道电子而变成电荷 数减少

7、1、核子数不变的子核，同时放出一个中微 子。 +衰变式 ：2. + 衰变 母核自发地放射出一个+ 粒子（正电子 e+）和一个中微子，而变成电荷数减少1、核子数 不变的子核。 由于在衰变过程中有中微子参与，衰变所放出的能量将在电 子、中微子和子核之间任意分配。因此射线能谱是连续的。 第章 。第十七章 原子核和放射性第章 。第十七章 原子核和放射性三、衰变和内转换 衰变 处于激发态的原子核在不改变其组成的 情况下，以放出射线（光子）的形式释放能量而 跃迁到较低能级的现象称为衰变。内转换 在某些情况下，原子核从激发态向较低 能级跃迁时不一定放出光子，而是把这部分能量 直接交给核外电子，使其脱离原子的

8、束缚而成为 自由电子，这称为内转换，释放的电子称为内转 换电子。第章 。第十七章 原子核和放射性 第三节 原子核的衰变规律一、衰变规律由大量核素组成的放射性物质，其衰变服从统计规 律。在dt时间内发生衰变的原子核数目dN一定正比于 当时存在的原子核数目N，以及时间间隔dt，即dN = Ndt 设t=0时原子核数目为N0，则对上式积分可得t时 刻原子核数目N为：称为衰变常量这就是核衰变服从的指数规律，称为衰变定律。第章 。第十七章 原子核和放射性二、半衰期1. 半衰期 原子核数目因衰变减少到原来的一半所 需的时间，称为半衰期，即物理半衰期T 。T与一样，是放射性核素的特征常数，越大，T越小。衰

9、变定律式也可用T表示为：2. 平均寿命任一核素的平均寿命：第章 。第十七章 原子核和放射性Te、T和Tb的关系： 3. 生物半衰期Tb 由于各种排泄作用而使生物体内 的放射性原子核数目减少一半所需的时间称为生物半 衰期。生物机体排出放射性核素的规律，也近似服从 衰变定律式。 4. 有效半衰期Te 同时考虑物理半衰期和生物半衰期 ，使生物机体内放射性原子核数目减少一半所需的时 间。式中b为生物衰变常量、 e为有效衰变常量。衰变定律可改写为：第章 。第十七章 原子核和放射性三、放射性活度 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数 称为该物质的放射性活度A。比活度 单位质量放射源的放射性活度 比活度

10、越大，该放射性物质的纯度越高。式中A0表示t=0时刻的放射性活度。在国际单位制中，A的单位是贝可（Bq），1 Bq = 1次核衰变 / 秒；放射性活度的单位也用居里（Ci）。1 Ci = 3.71010 Bq。第章 。第十七章 原子核和放射性例17-1 设一台60Co -刀初装时钴源活度为 6040Ci，使用5年后，钴源活度还剩多少Bq？其平 均寿命为多少年？解：60Co的半衰期T = 5.27a，已知A0 = 6040Ci 224 TBq，t = 5 a，将以上数据代入活度公式，得 5年后钴源活度为60Co的平均寿命为 = 1.44T = 7.6 a第章 。第十七章 原子核和放射性四、放射性

11、平衡 级联衰变 许多放射性核素并非一次衰变就达到稳定 ，而是由于其子核仍具有放射性而继续衰变下去， 直到稳定核素而终止。设t=0时，NA=NA0，NB0=NC0=0。在tt+dt时间内 ，核素A、核素B衰变的数目分别为第章 。第十七章 原子核和放射性放射性平衡 在级联衰变中，当满足一定条件下， 各代核的数量比与时间无关的现象。即TATB（或ATB，当母核(99Mo)与子核 (99mTc)达到或接近放射性平衡时，子核的放射性活度与 母核近似相等达到最大值，这时利用化学方法可将99mTc 分离出来，例如将99Mo吸附于Al2O3色层柱上，而衰变产 生的99mTc在Al2O3柱上吸附能力很弱，用生理

12、盐水洗脱 ，即可得到 洗脱液。 第章 。第十七章 原子核和放射性例17-2 （1）从子核衰变表达式出发，讨论当A B时， 子核NB(t)何时达到最大值假设NB(0)=0？（2）对钼锝母牛， 一次洗脱后，再经过多少时间淋洗99mTc，得到的子核99mTc数 目最多？ 解：（1）为使NB(t)达最大值，令t=tm时，得到由此可见，洗脱时间间隔最好在约23h，此时子核99mTc的放 射性活度与母核99Mo近似相等达到最大值；但在实际中为了有 效合理使用新鲜的99mTc，每天可以间隔46 h洗脱23次。（2）已知TA=66.02h，TB=6.02h代入上式，得第章 。第十七章 原子核和放射性 第四节

13、射线与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用1. 电离和激发 、等带电粒子通过物质时，使原 子或分子中的电子获得能量，产生离子对，这一过程 称为电离；若电子获得的能量只能使它由低能级跃迁 到高能级，则称为激发。2 .散射与韧致辐射 带电粒子通过物质，因受原子 核静电场的作用而改变运动方向，叫做散射；带电粒 子通过物质时，受到原子核的作用，速度急剧减少， 带电粒子的一部分能量以光子的形式发射出来，这种 现象称为轫致辐射。第章 。第十七章 原子核和放射性3. 射程和吸收 带电粒子在物质中沿运动轨迹所经过 的距离称为路程，而路程沿入射方向的投影称为射程 。带电粒子的能量损失与粒子的动能和吸收物质

14、的性 质有关，所以射程直观地反映带电粒子贯穿本领的大 小。4. 正电子与物质的相互作用 高能正电子进入物质 后将很快慢化，然后遇负电子发生湮没，同时发出两 个发射方向相差180、各自能量均为0.511 MeV的 光子。第章 。第十七章 原子核和放射性二、光子与物质的相互作用1. 光电效应 光子将其全部能量传递给物质原子的轨道 电子，获得能量的电子脱离原子的束缚而成为自由电子（ 称为光电子），这一过程称为光电效应。光子与物质的作用方式主要有以下三种：2. 康普顿效应 光子与原子核外的电子（多为外层电子 ）发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原 子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向

15、发生变化 ，这一过程称为康普顿效应，或康普顿散射。我国物理学 家吴有训在发现和研究康普顿效应中作出了重要贡献。3. 电子对效应 当能量大于1.022 MeV的光子从原子 核旁经过时，光子在原子核的库仑场作用下转化为一个正 电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。 第章 。第十七章 原子核和放射性光子与物质的这三种作用形式与光子的入射能量 和物质的原子序数Z有不同的依赖关系：从图中可见，能量 低的光子和高原子序数 的物质，以光电效应为 主；中等能量的射线 以康普顿散射为主；电 子对效应主要发生在高 能光子和高原子序数的 物质中，但在能量极高 光子的作用下，较低原 子序数物质中，电子对 效应也不可忽视