原子核和放射性_2

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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 及衰变规律 放射性核素,1908年因研究元素的蜕变和放射化学获诺贝尔化学奖.,卢瑟福(E. Rutherford, 1871-1937)英籍新西兰物理学家.,金箔对粒子的散射实验,1911年卢瑟福用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.,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).,13-1 原子核的组成,海森伯等人

2、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.,查德威克(J. Chadwick, 1891-1974)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, 1852-1908)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, 1859-1906, 右,法国物理学家；M. Curie, 1867-1934, 左,法籍波兰物理学家) 1903年因对贝克勒尔发现的辐射现象作出了卓越

3、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, 1900-1958, I. Joliot-Curie, 1897-1956, 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mp=1.007 276 u 中子质量mn=1.008 665 u

4、 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.,同位素:质子数相同的不同核素. 同中子异位素:具有相同中子数,不同质子数的异类核素. 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:质量数和质子数相同而处于不同能量状态的一类核素.,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,因此,原子核体积很小,密度很大.,式中R0 1.210 -15m.,二.原子核的结合能 原子核质量总是小于组成原子核的核

5、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., 的大小可以作为核稳定性的量度.,比结合能曲线,原子核的结合能与该核核子数A的比值称为比结合能(specific binding energy),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.,图为投到广岛的原子弹 “Little Boy”.,分别为中国第一颗原子弹(1964年)和第一颗氢弹(1967年)爆炸

6、时产生的蘑菇云.,三.原子核的自旋和磁矩 原子核的角动量称为核自旋(nuclear spin).原子核角动量大小为： ,I为核自旋量子数,可以取半整数或整数.,角动量在空间某一方向的投影是量子化的：,mI为核自旋磁量子数.对于确定的I 值,mI 可取 I,I - 1,I - 2,- I + 1,- I,共2I + 1个值.,原子核的自旋与状态有关,激发态原子核的自旋不一定等于基态的自旋.实验发现基态时：,原子核不仅具有自旋,也具有核磁矩(nuclear magnetic moment).,核磁矩一方面来自核子的自旋磁矩,另一方面来自各核子的轨道磁矩.但核磁矩并不是各核子磁矩的简单相加. 核磁矩

7、矢量与核角动量矢量成正比：,其中mp为质子质量,g称为朗德因子(Lande g factor),或称原子核的g因子(g-factor),不同核的g因子不同.核磁矩在z轴方向上的投影为：,称为核磁子(nuclear magneton),是核磁矩的单位.定义核磁矩大小为mI 取I 时的Iz 值,即gIN .质子磁矩大小为2.793N,并不是“理所当然”的为1N(电子磁矩1B)；中子磁矩大小为-1.913N ,其中,并非“当然为零”(因为中子不带电).这说明：虽然中子整体不带电,但它内部还存在电荷分布； 质子和中子都不是几何的“点”,而具有内部结构.,四.核力,自然界中天然存在的核素300多种.其中

8、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).,13-2 原子核的放射性 、衰变定律 核反应,人工方法制造了1600多种放射性核素.,一. 放射性核素的衰变类型,1.衰变 射线是高速运动的氦核, 也称粒子. 衰变过程为：,衰变、衰变和衰变,X称母核,Y称子核,Q为衰变过程放出的能量., 射线用途：研究原子和原子核结构的工具；确立原子核式模型, 发现质子和中子。,衰变的位移定则：子核在周期表中比母核向 前移两个位置。,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

9、象称为衰变。,2. 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 ：,衰变的位移定则：子核在周期表中比母核向 后移一个位置。,+衰变母核自发放射出一个+粒子和一个中微子 ：,衰变的位移定则：子核在周期表中比母核向 前移一个位置。,衰变在只有少数人工放射性核素中发现。天然放射性核素中，尚未发现。,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(铋)的 能谱,3. 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。,式中称为衰变常量(decay constant), N0为t=0时原

10、子核的数目.,二. 衰变规律,1.核衰变服从的指数规律衰变定律：,2.放射性活度,式中I0是t=0时的放射性活度. I的单位：国际单位制中是贝可(Becquerel, Bq), 1Bq=1次核衰变/秒.,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)：,3.半衰期,半衰期T 与一样,是放射性核素的特征常量.,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(half life).,见 P313 13-4,生物机体内放射性原子核的衰变定律：,其中表示物理衰变常数， b生物衰变常数 c= + b 称为有效衰变常量(effective decay const

11、ant) 。,4.有效半衰期,三种衰变常数对应的半衰期为有效半衰期Tc (effective half life).它与物理半衰期T和生物半衰期Tb的关系为：, c= + b,5. 平均寿命(mean life),定义：每个核在衰变前平均能存在的时间.,对于任一核素的平均寿命为：,例13-2已知镭的半衰期为1600a,求它的衰变常数和1g纯镭的放射性活度。,解：,在核医学中,采用放射性物质做生物机体示踪剂.,三 放射性核素的应用,诊断疾病：甲状腺功能异常、肠胃系统的吸收能力、扫描检查（肝脏、肾脏、 脑部等）,治疗疾病：恶性肿瘤放疗,1986年4月26日，位于乌克兰北部，距首都基辅只有140公里

12、切尔诺贝利核电站爆炸。,据估算，核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本广岛原子弹爆炸产生的放射污染的100倍。爆炸使8吨多强辐射物质泄露，尘埃随风飘散，致使俄罗斯、白俄罗斯和乌克兰许多地区遭到核辐射的污染。,堵住污染源头是一项艰巨的任务，而清除核辐射尘埃则是另一项艰巨的任务。一年之后，切尔诺贝利核泄漏事故中最先遇难的核电站工作和消防员被转移在莫斯科一处公墓内，安葬他们用的是特制的铅棺材！因为他们的的遗体成为了足以污染正常人的放射源。 核尘埃几乎无孔不入。核放射对乌克兰地区数千万平方公里的肥沃良田都造成了污染。,永远的噩梦,乌克兰共有250多万人因切尔诺贝利而身患各种疾病，其中包括47.3多万名儿童。 据专家估计，完全消除这场浩劫对自然环境的影响至少需要800年，而持续的核辐射危险将持续10万年。 在经济上，可能达数百亿美元。,