原子核与放射性_1 (2)

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1、第一章 原子核与放射性,物质世界是由什麽组成的？ 是什麽把它们组合在一起？,第一部分 原子与原子结构,1）“原子”概念的提出,朴素的认识论： 世界万物由 水 空气 土 火等构成,古希腊时代: 思辩性古代原子论 万物由原子构成,原子是物质世界的共同基础， 不能再分割。,2） 1803道耳顿化学原子论,原子是保持元素化学性质的基本粒子-科学概念,伦琴发现X射线,1895年，德国物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了X射线 它不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。 伦琴因此成为1901年第一个诺贝尔物理学奖得主,世界上第一张X光照片,电子是在研究阴极射线的本质过程中

2、得到的，阴极射线究竟是什么？物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置，证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的。,指出电子是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离子的千分之一 。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成部分。,汤姆逊发现电子,1903年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。 同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环

3、上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。,汤姆逊的原子结构模型,卢瑟福的原子结构模型,1911年，卢瑟福借助于粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径10-15米的范围内，而原子半径却有1010米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明长冈半太郎的“土星型模型”比汤姆逊的“葡萄干面包模型”更接近于物理真实。,玻尔的原子模型 (用普朗克的量子假设 hn)： E1-E2= hn！,原子结构模型演化示意图,1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰

4、变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。 并提出了“原子能”的概念。,卢瑟福、索迪元素衰变,卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖,以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链： 索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。 元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。,卢瑟福、索迪元素衰变,卢瑟福用镭发射的粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果， 18N

5、17Op 。 这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为新炼金术。,人工衰变,核的组成 A = Z + N 质量数 原子序数,1932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。 由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想“炮弹“。,探索原子核奥妙的钥匙中子,现代原子结构,公元前4世纪 德寞克利特,1803 道尔顿,1911 卢瑟福,1913 玻耳,1932海森堡,？,人类认识物质“基本砖

6、块”历程,电子,2000 多年,6 0 多 年,100,1990年代 “基本砖块” 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。,1964夸克,第二部分 核与放射性的基本物理基础,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,核素及符号表示,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,定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。,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（与原子情况不同). 稳定原子核基本上类似与球体 原子核的半

7、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,1) 原子核的大小,原子核的基本性质,2) 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） 原子的质量可以用质谱计精确测量(

8、有表可查) 原子核质量可以精确确定,3) 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,4) 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 - 4.002603

9、= - 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,表: 比结合能 (原子核结合能/核子数),原子核平均结合能(比结合能 )曲线,1 各原子核中，每个 核子的平均结合能 随质量数而变化 6-9 MeV 2 中等重量的原子核 的比结合能较大,释放能量途径: 1）重核裂变 2）轻核聚合成原子核,重核裂变,轻核聚合,252Cf 自发裂变,中子

10、引起 235U 裂变,H 原子核聚合 H 的燃烧,太阳能,释放能量举例,例：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 MeV 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,从母核中射出 的4He

11、原子核,粒子得到大部分衰变能,238U4He + 234Th,放射性母核!,基本衰变衰变,放射性衰变及衰变规律,衰变241Am 237Np,发生原因：母核中子或质子过多,质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷,中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷,基本衰变衰变,基本衰变衰变（动画）,衰变3H 3He,正衰变11C 11B,电子俘获,电子俘获7Be 7Li,基本衰变衰变,基本衰变衰变,衰变特点： 1、从原子核中发射出光子 2、常常在 或 衰变后核子从激发态退 激时发生 3、产生的射线能量不连续 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别,衰变3He 3He, 衰变,- 衰变,+ 衰变

12、, 衰变,半衰期 (T1/2) 定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。,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,放射性衰变规律,半衰期,放射性衰变基本规律,1 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,核辐射的基本性质,核辐射与物质的相互作用,一 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

13、有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,二 带电粒子与物质的作用,自由电子,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

14、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 v 入射粒子速度,实验结果,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 0 。,1 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。,能量 E = h） 动量 p = h / c,2 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,第 2 步 次级作用

15、,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 为什麽？,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 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 正电子湮没,正电子与负电子相遇发生湮没，产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+ + e-