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1、第十三章 原子核和放射性,原子核的基本性质 原子核的衰变类型 原子核的衰变规律 射线与物质的相互作用 辐射剂量与防护,1911年卢瑟福通过金箔对粒子的散射实验确立了原子的核式模型,即原子由处于中心的原子核和核外运动的电子组成.由此开始了对原子核的探索.,卢瑟福(E. Rutherford, 18711937)英籍新西兰物理学家.1908年因研究元素的蜕变和放射化学获诺贝尔化学奖.,金箔对粒子的散射实验,一.原子核的组成 1896年贝克勒尔发现铀的放射性,1898年居里夫妇发现了放射性元素钋和镭. 1919年卢瑟福发现质子(proton). 1932年查德威克发现中子(neutron). 海森伯
2、等人提出原子核是由质子和中子组成的.质子和中子统称为核子(necleon). 原子核中的质子数等于核外电子数,即原子序数Z.原子核的质量数A就是核子的总数,若以N表示中子数,则A=Z+N.,131 原子核的基本性质,查德威克(J. Chadwick, 18911974)英国物理学家.1935年因发现中子获诺贝尔物理学奖.,贝克勒尔(H. Becquerel, 18521908)法国物理学家.1903年因发现自发放射性获诺贝尔物理学奖.,居里夫妇(P. Curie,18591906,右,法国物理学家；M. Curie,18671934,左,法籍波兰物理学家) 1903年因对贝克勒尔发现的辐射现象
3、作出了卓越贡献,其中包括发现了钋和镭获诺贝尔物理学奖.居里夫人1911年又因提纯镭而获诺贝尔化学奖.,约里奥居里夫妇(F. Joliot-Curie,19001958,左；I. Joliot-Curie,18971956,右)在实验室中(1932年).,约里奥居里夫妇是居里夫人的女儿、女婿,他们错失了发现中子、正电子和核裂变的机会.但仍于1935年因发现人工放射性获得诺贝尔化学奖.,原子核的质量常用原子质量单位(atomic mass unit) u表示,原子质量单位定义为自然界中碳最丰富的同位素 原子质量的1/12.,质子质量 mn=1.008 665 u 中子质量 mp=1.007 276
4、 u 质量数为A的原子核质量近似为Au. 一类具有确定质子数和核子数的中性原子称为核素(nuclide),用 表示.其中X为元素符号,Z和A分别表示原子序数和原子质量数.,质子数相同的不同核素称为同位素(isotope)；具有相同中子数,不同质子数的异类核素称为同中子异位素(isotone)；质量数相同,质子数不同的一类核素称为同量异位素(isobar)；质量数和质子数相同而处于不同能量状态的一类核素称为同核异能素(isomer).同位素在自然界中的含量百分比称为同位素丰度(isotope abundance). 原子核半径与核子数有近似关系 式中R0 1.210 -15m. 因此,原子核体积
5、很小,密度很大.,二.原子核的结合能 原子核的质量总是小于组成该原子核的核子质量之和,两者的差值称为质量亏损(mass defect). 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(binding energy).任意一个核素 的结合能E定义为,式中 、 及 分别表示氢原子、中子及 原子的质量.,原子核的结合能E 与该核核子数A的比值称为比结合能(specific binding energy)：, 的大小可以作为核稳定性的量度.,比结合能曲线,获得原子能的途径：重核裂变、轻核聚变. 原子弹和氢弹就是分别利用重核裂变和轻核聚变原理研制出来的核武器.,右图分别为中国第一颗原子弹(1964
6、年)和第一颗氢弹(1967年)爆炸时产生的蘑菇云.下图为美国投到广岛的原子弹 “Little Boy”.,核磁共振在化学中用于研究分子结构 乙醇的核磁共振谱线,四.核力,自然界中天然存在的核素300多种.其中60多种是不稳定的放射性核素,他们会自发放出各种射线变成另一种核素,这种现象称为原子核的放射性衰变(radioactive decay),简称核衰变(decay).人工方法制造了1600多种放射性核素. 放射性核素的衰变类型主要有三种：衰变、衰变和衰变.,132 原子核的衰变类型,一.衰变 射线是高速运动的氦核,也称粒子.衰变过程为 X称母核,Y称子核,Q为衰变过程放出的能量. 射线的用途
7、：研究原子和原子核结构的工具.例如,用射线确立原子核式模型,发现质子和中子.,二. 衰变 放射性核素自发地放射出射线或俘获轨道电子而变成另一个核素的现象称为衰变.主要包括衰变、 +衰变和电子俘获. 衰变母核自发放射出一个粒子和一个反中微子 ： +衰变母核自发放射出一个+粒子和一个中微子 ：,电子俘获母核俘获一个核外轨道电子,同时放出一个中微子 ： Bi的 能谱,三. 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. 概念：内转换、内转换电子、俄歇电子 原子核衰变纲图(decay scheme)：,一.衰变规律 核衰变服从的指数规律
8、衰变定律： 式中称为衰变常量(decay constant),N0为t = 0时原子核的数目.,133 原子核的衰变规律,二.半衰期 原子核数目因衰变减少到原来的一半所需的时间T,称为半衰期(half life)： 半衰期T 与一样,是放射性核素的特征常量. 用T 表示的衰变定律：,原子核衰变的快慢可以用平均寿命(mean life)表示.对于任一核素的平均寿命为 在核医学中,采用放射性物质做生物机体示踪剂.进入机体的放射性核素除因自身衰变而减少外,还可以通过机体的代谢排除体外.,生物机体排出放射性核素的规律近似服从衰变定律：生物半衰期Tb ( biological half life),生物
9、衰变常量b( biological decay constant). 生物机体内放射性原子核的衰变定律： 其中e= + b称为有效衰变常量(effective decay constant),它对应的半衰期为有效半衰期Te (effective half life).它与物理半衰期T和生物半衰期Tb的关系为,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(activity)： 式中A0是t =0时的放射性活度. A的单位：国际单位制中是贝可(Becquerel,Bq), 1Bq=1次核衰变/秒.放射性活度单位还有居里(Curie,Ci),1 Ci=3.71010Bq. 概念：比活度(specific activity),四.放射性平衡 概念：级联衰变(cascade decay) 自然界中存在4个放射系：钍系、铀系、锕系、镎系. 级联衰变时母核与子核的衰变规律： t =0时核素A的数目为NA0,而核素B、C的数目NB0= NC0=0. t t + dt时间内： 得出,对于核素B在tt+dt时间内： 得出 临床显像检查： 放射性测定年代14C鉴年法,
