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1、第十五章 原子核和放射性,* 本章内容,第一节 原子核的基本性质,第二节 原子核衰变的类型,第三节 原子核的衰变规律,第四节 射线与物质的相互作用,第五节 辐射剂量与射线防护,一、学习本章后，我们应该： 1.掌握放射性核素的衰变类型； 2.掌握放射性核素的衰变规律和应用； 3.理解射线与物质相互作用的几种形式； 4.理解射线剂量的定义及射线的防护方法； 5.了解放射性核素在医学上的应用。,二、重点：原子核的衰变类型及衰变规律,原子的构成,中子,第一节 原子核的基本性质,质子,中子,原子核,带单位正电荷 e=1.60210-19C,质量数为 1（mp=1.623 10-27kg=1.007276
2、u）,不带电,质量数为 1（mn=1.675 10-27kg=1.008665u）,一 、原子核的组成与符号表示 原子核是由质子和中子组成。质子和中子统称核子。,* 原子核的符号表示：,质量数 元素符号 原子序数,这一符号表达了原子核的两大特征： 质量和电量。,* 核素、同位素：,核素：具有一定的Z值、N值的原子（原子核）称为一种核素。 比如： （三种核素）,同位素：具有相同的Z值，而N值不同的核素称为同位素。同位素具有相同的化学性质. 比如： 氧的三种同位素 氢的三种同位素,*同量异位素：具有相同A值而Z值不同的核素。 比如:,*同质异能素：具有相同Z值和N值，但能量状态不同的核素。 表示：
3、,基态,激发态,0.1426,0.1405,0.0000,99Tcm,(氩),(钙),(锝),二、 原子核的性质,1.原子核的大小和密度,*原子核的形状和大小：近似为球体 R=R0A 1/3 R0=1.210-15 m,*原子核的平均密度： =2. 3 1017kg.m-3 (地球平均密度 =6 103kg.m-3 ）,3.核能级,2.核力：核子间强相互作用力。 核力属于短程力，其作用范围：10-15 m 核力是一种强相互作用 核力具有饱和性 核力与电荷无关,原子核可以处于不同的能量状态，且可发生核能级间的跃迁。,特征,三、原子核的结合能和质量亏损,1.原子核的结合能,*核子结合成原子核时释放
4、的能量，称为原子核的结合能。,例子：2H（氘核）的结合能（2 .22 MeV）,+,P（质子）,n（中子）,2H（氘核）,释放能量为2.22 MeV的一个光子,（反之亦然）,2.原子核的质量亏损（mass defect）,* 原子核的静质量比组成它的核子的静质量总和要小一些，这样减少的质量（m）称为质量亏损。,* 质量亏损（m)的计算：,m = mi- m,* 质量亏损的原因： 由质能公式 E = mC2 知，释放的能量变化（E）相当于一定的质量变化（m） 。,(各个核子的总静质量）,(原子核的静质量),* 微观粒子的质量，常用（统一）原子质量单位u来衡量。,3.原子质量单位（atomic m
5、ass unit）：,* 一个原子质量单位等于12C原子质量的1/12； 即 1u=1.66054010-27 kg,*用u为质量单位，用MeV为能量单位表示的质能公式：,1u,931.5MeV,m(u) = 1.073510-3E(MeV),E(MeV) = 931.5 m(u),或,C2,四、原子核的稳定性,*平均结合能：= E/A,*平均结合能表示松紧程度：（图17-1平均结合能曲线）,3、重核（质量数A200）： 较小，原子核结合较松； 其中A 209的核都是放射性核素。,*中等核比重核和轻核都稳定。 由此知道获得核能的两种途径：重核裂变和轻核聚变。,1、轻核（质量数A30）： 较小，
6、原子核结合较松 （除偶偶核外）,2、中等核（质量数A 为40120）：较大，原子 核结合较紧。,* 轻核聚变： 轻核聚合成较重的原子核，也会释放出大量的能量。,* 重核裂变： 重核分裂成两个中等核，会释放出大量的能量。,例子 铀核裂变及其链式反应: 慢中子轰击235U核时，会分裂成两个质量大致相等的中等核和1-3个中子，并释放出大量的能量；新的中子又引起其他铀核裂变。这种核反应可持续进行下去。,原子弹（我国1964年）和原子反应堆（我国1958年）,例子 氘核聚变及其热核反应：在极高温度（108K）下，氘核高速运动相互碰撞而发生大量聚合，单位质量氘核聚变释放能量是单位质量铀核裂变释放能量的4倍
7、左右。,应用 氢弹（我国1967年）和太阳能源,原子弹的基本构造,110秒蘑菇云,37秒对流风,11秒振波,0秒爆炸,原子弹爆炸,氢弹,美国50年代研制出的第一颗航空投掷型氢弹MK17型氢弹,核电站,“LittleBoy” 原子弹的照片,第二节 原子核的衰变类型,* 核衰变过程严格遵守如下守恒定律： 能量守恒定律， 动量守恒定律， 电荷守恒定律， 核子数守恒定律.,* 核衰变: 核素自发地放出射线变为另一种核素的现象，称为核衰变（nuclear decay）.,* 衰变能: 核衰变过程释放出来的能量，称为衰变能（decay energy）,记为Q。,一、衰变,* 衰变: A 值超过209的重核
8、发射 核（也称为粒子），而衰变为A值减小4的另一种原子核。称这种衰变为衰变( decay)。,* 衰变式：,* 位移法则：子核在元素周期表中位于母核前两位。,* 子核可处于激发态,所以有射线和内转换电子伴随射线发射出来。,1(5.5%),2(94.45%),0.186,0.000,(镭),(氡),二、衰变,原子核发射电子（也称-粒子： )，这种衰变过程叫做-衰变.,1.-衰变(- decay)：,* 衰变式：,* 位移法则：子核在元素周期表中位于母核后一位。,* 子核处于激发态，所以有射线伴随射线和反中微子射线发射出来。,2.+衰变(+ decay)：,原子核发射正电子（也称为+粒子： )，这
9、种衰变方式称为+衰变.,* 衰变式：,* 位移法则：子核在元素周期表中位于母核前一位。,*子核可以处于激发态；所以有射线伴随+射线发射出来。,* +粒子与电子结合转变为双光子（能量各为0.511MeV)发出。,0.546,0.000,0.378,EC(43%),+(57%),1.022MeV,(铁),(锰),原子核俘获一个核外电子，发射一个中微子而转变为另一种核，这个衰变过程称为电子俘获.,3.电子俘获（electron capture；EC）：,* 衰变式：,（中微子）,* 位移法则：子核在元素周期 表中位于母核前一位。,* 子核发出标识X射线。 探测电子俘获的基础。,0.647,0.000
10、,0.392,EC(1.7%),EC(98.2%),(锡),(铟),被俘获的电子主要来自核外的K、L层， 电子被俘获后将产生标识X射线或俄歇电子，,俄歇电子：电子跃迁时不辐射标识射线，而将其能量传给同一能级的另一电子，使其成为自由电子，此自由电子即为俄歇电子。,-衰变,+衰变,三、 衰变和内转换,* 衰变( decay): 射线是从原子核内发出的高能量光子。原子核激发态的能量通过发出射线的衰变方式称为衰变.,例子：99Tc的衰变。,基态,激发态,能级（MeV),0.1811,0.1426,0.1405, 射线,0.0000,99Tcm,*内转换(internal conversion)：,原子
11、核激发态的能量也可直接传递给核外内层电子，使从原子中飞出。,内转换（internal conversion),第一、二节小结,核素 同位素 同质异能素 同量异位素,原子核的组成,核力,原子核的密度,核能级 结合能和质量亏损,原子核的基本性质,核衰变,四个守恒定律,衰变类型,第三节 核衰变的规律,* 衰变定律： 不稳定核素的衰变率 与现有的原子核个数N成正比,一、衰变定律,* 自发过程遵循统计规律。,利用初始条件:t=0时， N=N0；对上式积分得到：,* 放射性物质按指数规律衰减.,二、衰变常数和半衰期,(1) 衰变常数 (decay constant),单位：S-1,物理意义：衰变常数越大的
12、放射性核素，其衰变越快。,(2)半衰期T （half-life） ：,定义：放射性核素减少至一半所需的时间。,表达式：,物理意义：半衰期越小的放射性核素，其衰变越快。,单位：y(a), d, h, min, S等。,衰变定律另一表式：,（3）平均寿命 ,* 定义：放射性核平均生存的时间,注意上式中衰变常数、半衰期和平均寿命 三者的关系。,三、放射性活度（radioactivity，A）,* 放射性活度的国际单位称为贝可，记为Bq。 1Bq=1次核衰变/秒 常用旧单位是居里，用Ci表示。 1Ci=3.71010Bq。 = 3.7104MBq,* 定义：用单位时间内衰变的原子核数（-dN/dt）来
13、表示放射性活度 A (即放射性强度)。 A=-dN/dt 单位：核衰变/秒,* 放射性活度A的衰变规律：,1mCi=3.7107Bq ； 1Ci=3.7104Bq,四、放射平衡,*放射性核的衰变若递次衰变,形成放射族.,铀核,如:铀族,8次衰变和6次衰变,铅核,母核 第一代子核,第二代子核,*子核按照自己的衰变规律进行衰变.经过一定时间,子核每秒衰变的核数等于母核衰变而来的核数.这种现象称为放射平衡.,*放射平衡的应用: 核素发生器(俗称“母牛”). -制取短寿命的放射性核素.,* 放射源内原子核数目（N）的计算：,m: 放射源核素总质量 。,:放射性核素的摩尔质量。,NA=6.0221023
14、/mol,补充：,例题： 3215P 经过7.15天后留存的核数与开始时的核数之比为2/2，求：（1） 3215P的半衰期；（2）1.00ug的3215P的活度；（3） 1.00ug的3215P在28.6天中所放出的 _粒子数。,(1)由公式：N= N0(1/2)t/T (1/2)7.15/T= 2/2=(1/2)1/2 得： 3215P的半衰期为 T=14.3d.,(2)设1.00ug的3215P共有N0个原子，则 N0=1.0010-6/32 6.0221023=1.88 1016(个) =0.693/T=0.693/14.3=0.0485d-1=5.61 10-7s-1 活度为：A0=
15、N0= 5.61 10-7 1.88 1016 =1.05 1010Bq=0.285Ci (3)经28.6d留存的核数为N，衰变掉的核数为： N0 - N = N0(1 - (1/2)t/T)=1.411016(个),第四节 射线与物质的相互作用,射线 1.带电粒子射线： 、 - 、 + 2.光子射线： X射线、射线 3.不带电粒子射线： 中子射线,一、带电粒子射线与物质的相互作用,1.电离和激发 2.散射和轫致辐射,1. 电离和激发,1.1 直接电离： 带电粒子使某个电子脱离原子成为自由电子过程称为直接电离。 形成的正、负离子称为离子对。 1.2 间接电离： 从原子中脱离的电子，因为具有动能仍将与其它原子作用，引起新的电离，这种电离称为间接电离或次级电离。 1.3 比电离（specific ionization) ： 每厘米长的径迹上离子对的数目称为比电离（又称电离比值、电离比度）。,1.4 影响电离比值大小的量,a.带电粒子的电荷量q b.带电粒子的速度v c.物质的密度,1.5 激发 带电粒子使核外电子由低能级跃迁到高能级的现象称为激发。 激发的结果：退激时产生光子或转变为热运动的能量。,2.
