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1、原子核与放射性,信息工程学院 数理教研室,原子与原子结构,1932海森堡,1964夸克,1990年代 轻子 12 夸克 36 媒介子 13 希格斯粒子 1 合计 62 其中 2个粒子尚未发现：引力子和希格斯粒子。,1. 现代原子核的组成,n (udd),P (uud),原子核与原子核的基本性质,质子,中子,核素及符号表示,核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素 核素是原子核的一种统称,核素表示符号,其它： 稳定核素和不稳定核素 稳定同位素和不稳定同位素 放射性核素和非放射性核素,最常用的两个术语：核素和同位素,实验发现:原子核内的质子+中子紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子
2、情况不同). 稳定原子核基本上类似与球体 原子核的半径 R = r0A1/3 原子核半径常数 r0 = 1.2 10-15 m = 1.2 fm A 原子核的质量数 例如：238U 7.4 fm,原子核的大小,R,原子核的质量,电子 me = 9.110-31 kg = 5.4810-4 u = 0.511 MeV/c2 质子 mp = 1.007276 u = 938.256 MeV/c2 中子 mn = 1.008665 u = 939.550 MeV/c2,原子核质量 = 原子质量 全部电子的质量 MN(Z,A) = Ma(Z,A) Z me 忽略了电子的结合能 （ eV 量级） 原子的
3、质量可以用质谱计精确测量(有表可查) 原子核质量可以精确确定,核物质密度,原子核中核子紧密挤在一起 根据 = M/V 计算 核物质密度 : 2.3 1014 g/cm3 1 cm3 核物质 2 亿吨重 !,黑 洞 1018 核物质 1014 中子星 109 白矮星 105 水 1,密度比较 g/cm3,天平为何倾斜?,重,轻,原子核结合能和原子核稳定性,质量亏损 氦原子核（ 4He）由2个质子 + 2个中子构成 2个质子质量 + 2 个中子质量 =原子核 4He 的质量 2 x 1.007276 + 2 x 1.008665 - 4.002603 M (4He) = 4.031882 - 4.
4、002603 = - 0.029279 u,E(4He)= M (4He) C2 = 27.27 MeV 亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是 27.27 MeV,亏损的质量哪里去了?,质能关系 E = M C 2,原子核结合能,定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量 原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定,比结合能 (原子核结合能/核子数),估算裂变释放的能量,n + 235U (236U) X + Y + E 假设裂变成质量相等的两块 质量数各约为118 235U 核子平均结合能 7.6 MeV 质量数为118的原子核平均结合能 8.6 MeV 两者平均结合能差 1 Me
5、V 230多个核子 总的 E = 200 MeV,比较 : 裂变能 n + 235U X + Y+ E 200 MeV 化学能 C + O2 CO2 + E 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV,放射性衰变及其表示,什麽是核辐射 不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子，有的带电有的不带电。 中子 质子 裂变碎片等,1）亚原子粒子 ( 原子大小 10-10 m） 射线 氦原子核（4He） 2.2 x 10-15 m 射线 电子(e)经典电子半径 2.8 x 10-15 m 射线 光子(电磁辐射） 0 质子和中子 1-2
6、 x 10-15 m 原子核 Au (金） 7 x 10-15 m,带电和不带电,不稳定原子核衰变 X Y + b + E 母核 子核 发射射线 衰变能量,载能（几十keV MeV 量级或更高） 226Ra 衰变发射 射线的能量 4.785 MeV,放射性衰变的三种基本类型： 衰变 衰变 衰变,母核 子核 发射射线 衰变能量 226Ra 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) ( 2,4 ),衰变能在反冲核与 粒子间按动量能量守恒分配 原子核变化发射的载能的亚原子粒子 放射性粒子。,1）衰变, (4
7、He),2）-衰变 母核 子核 -射线 衰变能量 14 C 14N + 0e + (Z,A) ( 6,14 ) ( 7,14 ) ( -1,0 ) ( 0,0 ) 负电子 反中微子,发生-衰变的原因 ：原子核中中子数太多,14 C原子核中的中子发生 -衰变， 产生一个质子，一个负电子和一个反中微子 中子-衰变： n p + e- +,p,n,3） 衰变,光子是什麽？ 射线就是高能量的光子 ：几百keV-MeV 量级 衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃迁，在这个过程中发射 射线，原子核能态降低。 射线是高能量的电磁辐射 光子,137 Cs 137 Ba* （激发态） 母核 -衰变 衰
8、变 137 Ba + 射线（661.7 keV） 子核（基态） （0.0）, 衰变,- 衰变,+ 衰变, 衰变,放射性衰变基本规律,指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 :放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快,N = N0e-t,半衰期 (T1/2),定义：一定量的某种放射性原子核，其中有一半发生了衰变所经过的时间。,经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n,N = N0e-t 由半衰期定义 t = T1/2 ， N=N0/2 代入
9、计算得到 T1/2 = ln 2/ T1/2 = 0.693 / , 和 T1/2 两者有一一对应关系 理论研究中多用衰变常数 实际应用中一般用半衰期,半衰期与衰变常数的关系,核辐射通过物质时的作用和效应,一 核辐射与物质的基本作用 二 带电粒子通过物质 三 射线通过物质 四 射线的吸收 五 中子与物质的作用,核辐射量度及其单位 1 放射性活度（A） 2 吸收剂量(D) 3 剂量当量（H）,核辐射的基本性质,核辐射与物质的基本作用,。 。 。 。原子。, n,物 质：气体 液体 固体 包括人体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,带电粒子通过物质,自由电
10、子,正离子, + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对： 正离子和自由电子,+,e-,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,库仑作用, 射线与射线电离效应比较, 射线 射线 径迹 粗 直 细 弯, 电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用 Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z1 靶粒子原子序数
11、 v 入射粒子速度,实验结果,粒子径迹是一条直线 5.3 MeV粒子在空气中 的射程3.83 cm,电子径迹是折线,射线通过物质,1 射线是什麽 2 射线的电离作用 3 轫致辐射 4 正电子湮灭,射线是波长很短能量高的电磁辐射 （ 10-11 米，keV，MeV），来自原子核衰变, 不带电， 静止质量为0,射线是什麽？,能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。,射线对物质的电离作用：两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应 次级电子使 物质原子电离,射线,第 1 步 初级作用,
12、第 2 步 次级作用,光电效应,自由电子,作用机制 光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线,原子,受激原子,电子对效应 能量1.02 MeV 的射线 与原子核作用可能产生一对正-负电子,M M + e+ + e- 1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV 基本条件： 射线能量 E 1.02 MeV,能量转化成质量 M = E /C2,3 轫致辐射,电子打在荧光屏上产生X射线 电视机显像管,特征: x 射线能量连续 0
13、 EMax(电子能量) 电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0 -15 keV,应注意玻璃含有40K U Th,产生机制,原子核,4 正电子湮灭,正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %）,射线通过介质时由于同物质的作用,光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对射线的吸收。,I(x)= I0 e-x,厚 度 X,I0,射线的吸收,I,实验发现：射线强度随通过介质层厚度增加而减小，服从指数衰减规律。,指数衰
14、减规律,指数衰减因子 线性吸收系 1）射线能量高 值小 2） 原子序数高 值大,I(x)= I0 e-x,铅和铝吸收系数,射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用 重金属铅、水泥等， 构成很厚的防护墙。,半吸收厚度 单位：cm,物质层厚度,0 I / I,半吸收厚度(d1/2),对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m) 离子对密度/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个,1 MeV 的粒子穿透物质能力, 1 页 60页/本,铅,地 下 1-2 米深,铅室,n,4580本,中子源,射线穿透物质能力, 射线穿透 人体皮肤情况,中子不带电不能直接使原子电离，但中子容易进入原子核内，同原子核发生作用引起核反应,1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n + H n + p 第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O) 重水(2D2O),中子与物质的作用,2） 中子核反应 例如( n,p)反应 n + 14N 14C + p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用,n,p 电离,14N,14C,人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重,
