第一章 核物理基础第一节 基本概念一、原子结构原子是构成物体的微小单位，其大小为 10－10m 数量级，原子的中心是带正电的原子核，其大 小是原子的万分之一，为 10－14m 数量级；核的周围是带负电的电子在绕核运动，每个电子所带电荷 量为e = 1.60219X 10-19C原子核由不同数目的质子和中子组成，质子带正电荷e,中子不带电， 质子和中子统称为核子原子序数：任何原子的核外电子数，统称为原子的原子序数由于原子是电中性，核内质子数 必然等于核外电子数，因此原子序数同时表示了核外电子数、核内质子数和核电荷数核素：具有确定质子数和中子数的原子总体称为核素目前已知的核素有2000多种元素：具有相同原子序数（质子数）的原子总体称为元素到目前为止，天然和人工合成的元 素有109种，组成元素周期表同位素：质子数相同而中子数不同的核素，在元素周期表中处于同一位置，故互称同位素原子的符号表示：aX , X是元素符号，Z是原子序数，A是原子的质量数（原子量），也是原Z子核内的核子数例： 1H 、2H、3H 、 226Ra 、 99Tc1 1 1 88 43量子力学揭示：核外电子的运动状态由主量子数n轨道角动量量子数1,轨道方向量子数mz 和自旋量子数m决定。
根据泡利不相容原理，在原子中不能有两个电子处于同一状态，即不能有两 S个电子具有完全相同的四个量子数在一个原子中具有相同n量子数的电子构成一个壳层，n=1、 2、3、4、5、6、7的各层分别被称为K、L、M、N、O、P、Q层；在一个壳层内，具有相同1量子 数的电子构成一个次壳层，1=0、1、2、3、4、5、6的各次壳层分别用符号s、p、d、f、g、h、i 表示二、原子、原子核能级电子在原子核的库仑场中所具有的势能主要由主量子数n和轨道角动量量子数l决定，并随n、 1 的增大而升高零势能规定：习惯上规定当电子与核相距无穷远时，电子所具有的势能为零因此，当电子填 充核外某一个壳层时，其势能为负值基态：电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序进行，以保证原子处于最低能量状态由于内 层电子对外层电子具有屏蔽效应，所以实际电子填充壳层时，会出现能级交错，而不是按壳层顺序 逐个填充结合能：当一个自由电子填充壳层时，会以发射一个光子的形式释放能量，能量的大小等于壳 层能级能量的绝对值，这些能量称为相应壳层的结合能结合能随n、l的增大而减小，对于同一个 能级，结合能随原子序数增大而增加激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而使低能级出现空位时，称原子处于激发态。
辐射称为特征辐射：处于激发态的原子很不稳定，高能级的电子会自发跃迁到低能级空位上， 从而使原子回到基态两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种辐射称为特征辐 射，当特征辐射的能量足够高，进入X射线能量范围时，又称为特征X射线；另一种可能是传递给 外层电子，使之脱离原子束缚成为自由电子，这种电子称为俄歇电子，它的能量等于相应跃迁的X 射线能量减去该电子的结合能K系特征辐射：如果空位出现在K层，L和M及更外层的电子就会跃迁到K层，同时产生K 系特征辐射类似，有L系特征辐射、M系特征辐射等原子核内部也存在类似原子的壳层结构和能级每 个壳层只能容纳一定数目的中子和质子核子填充壳层的 顺序也是从低能级到高能级当核获得能量，可以从基态 跃迁到某个激发态，当它再跃迁到基态时，以Y射线的 形式辐射能量，能量值等于能级能量之差回到基态的过 程可以一步完成，也可以先跃迁到其它较低能级，再经数 步回到基态微观粒子的能量单位：eV、keV、MeVleV是一个 电子在真空中通过1V电位差所获得的动能换算关系：1eV=1.0X10-3keV=1.0X10-6MeV=1.6X10-i9j三、原子、原子核的质量1原子质量单位定义：1u= 12C原子质量12 6相对原子质量：原子的质量以u为单位时测量得数。
阿伏加德罗定律：1摩尔任何元素的物质包含有NA (6.022X1023)个原子摩尔质量：1摩尔物质的质量，其数值等于相对原子质量，单位为g/mol)12C的摩尔质量为 612g/mol四、基本粒子的种类和物理特性基本粒子：质子、中子、电子、光子、n介子和其他一些粒子被认为是构成物质结构的基本单 元比较稳定的、寿命比较长的基本粒子共有30多种表 1-2 重要基本粒子的特性*1-1朮要基古H子的特性芮电蒋z特 性1.007277 u+1曲虑詈子核的基本单无■騎子张用于故疔中子戎b oonu u0构風廉于挨的莠本草孟-即于康用于敷疔电子00054ft v-1吨于贡■与越子相址观小"羸用加覺出产空的电于JT广 淳用TJRrf正电子e+,p*S 00054S u+ i正电于威置制电匿均与电于相简，佢电性相盘「用予稱00光护束捷敢疔中庖用蚯广陆一科辭凰中誉子叭小于电于质it的1棉000因中読子车带舐*并且JS誥和唱烘几子为并，科学界掷 证廉其萍在曽进:二207 mE+ i A-i□于不暮崖+蠱昌贤査变为电子和中磁子■區应式分JM A 卩」-*c++2v ・#•—u- +2»W介子"介子星窪龍代于S(盛重于取亞击絶物U的卢粉不那+3?3 si*+ 1越足■会发生袁变展盧，*■173 m.TK4 f p + +卄瞬亠-*P」4-V.詰f 加】+hvi265 mr。
1负*介子可用于竝疔注t费申的帝号河”我示电于刖*止欣■第二节 放射性一、原子核的稳定性实验上已发现的核素约有 2000 种，其中只有近 300 种是稳定的，不稳定核素都会自发地放出 射线，最终变为稳定核素影响核素稳定的因素如下：1、中子数与质子数之间的比例关系 对于轻核，中子数和质子数相等的核素比较稳定对于重核，由于核内质子数增多，相互间的库仑斥力增大，为了保持核稳定，必须有更多的中子来增加相互间的核吸引力但中子数也不是越B M榛的惯定性与威子独、中子裁的关摹⑷帕叩鶴密管n点竄玉•一牛tn建畫囂，爭tf的…加科堆樂示・・F便競.狭长区域为稳定核素的位置其中心线，可以用一个经验公式表示：Z 二 A1.98 + 0.0155A2/32、核子数的奇偶性对近 300 中稳定核素进行奇偶分类，偶偶核占大多数，奇偶核和偶奇核各占40％，奇奇核占不 到 2 ％表明，质子数和中子数各自成对时，原子核比较稳定3、重核的不稳定性原子序数小于82 的元素至少存在一种稳定核素，而原子序数大于82 的元素都不稳定，会自发 的放射出a粒子或自发裂变而成为铅（Z=82）的同位素二、衰变类型 不稳定核素自发的放出射线，而变成为另一种核素，这种现象称为放射性，这个过程称为放射 性衰变，这些核素称为放射性核素。
衰变前的核称为母核，衰变后的核称为子核衰变过程中释放 的能量称为衰变能反应过程可以用反应式表示，也可以用衰变纲图来表示一） a 衰变原子核自发地放射出a粒子的转变过程称为a衰变，衰变后质量数减少4,电荷数减少2 反应式为AX T A-4Y + 4He + Q （衰变能）Z Z-2 2前提条件：只有母核与子核的静止质量之差大于 a 粒子的静止质量时，衰变能大于零，衰变 才可能发生重核易发生 a 衰变图 1－5 从镭到氡的衰变纲图图1-5从镭到氯的衰变纲图（二） B衰变原子核自发的放射出电子（0 -粒子）或正电子（0 +粒子）或俘获一个轨道电子的转变过程称为B衰变反应式为:ZAX T Z捫 + e-+ v + QaX t aY + e + + v + QaX + e- T aY + v + QZ Z-1v和v表示中微子和反中微子前提条件：对于P-衰变，母核的原子质量应大于子核的原子质量对于B+衰变，母子核的原 子质量之差应大于两个电子的静止质量对于轨道电子俘获，母子核的原子质量之差所对应的能量 应大于轨道电子的结合能Q(0 -) = [m (乙 A) -m (Z +1,A) -m ]c2 (m = 0)X Y e V={[M (乙 A) - Zm ] - [M (Z +1,A) - (Z + 1)m ] - m }c2X e Y e e=[M (乙 A) - M (Z +1,A)]c2XYQ(B+) = [m (乙 A) - m (Z -1,A) - m ]c2 (m = 0)X Y e V={[M (Z, A) - Zm ] - [M (Z -1,A) - (Z - 1)m ] - m }c2X e Y e e={[M (Z, A) - M (Z -1,A)] - 2m }c2X Y eQ(s ) = [m (乙 A) + m - m (Z -1, A)]c2 - W (m = 0)X e Y i V={[M (Z,A)-Zm ]+m -[M (Z-1,A)-(Z-1)m ]}c2-WX e e Y e i=[M (Z,A)-M (Z-1,A)]c2-WX Y i0衰变的能谱：类似图1 — 6,两端低、中间高的连续谱分布。
由于在一次衰变时会发射出两个粒子(0 -和V或P+和v ),子核的动能可以忽略，所以衰变 能近似等于两个粒子的动能之和每个粒子分配到的能量可以是零到衰变能之间的任何值S 1-6强P蛊銮过程申发肘的胃做子的能谶耳一粒于的平CL69aMeV+a大能itfj 1.71他肌在图 1—4 中的稳定核素区的左上方时，因为它的中子数比相应的稳定同位素的中子数多而被称为丰中子核素丰中子核素容易发生0-衰变，经衰变后，一个中子变成一个质子，而质量数不变，因此它是沿同量异位线向右下靠拢稳定核素区相反，如果一个核素位于稳定核素区的右下方则被称为缺中核素缺中子核素容易发生0 +衰变或轨道电子俘获反应，沿着同量异位线向左上靠拢稳定核素区图1 — 7从3尹到評的3-衰变90.5M)21« MeV吊■】・275 MeVffil'8 IfNaW 变为 fiNeM 衰变《9EE（三）Y跃迁和内转换a衰变和B衰变后的子核很可能处于激发态，会以y射线形式释放能量跃迁到较低的能态或 基态，这种跃迁的过程称为Y跃迁例如，放疗中常用的钻一60源、铯一137源和铱一192源均具 有B衰变，同时也具有Y放射性原子核的能级间隔一般在10-3MeV以上，所以Y射线能量低限 是10-3MeV，高端可达到MeV量级。
处于激发态的原子核还有另一种释放能量的方式，即将跃迁的能量直接转移给一个轨道电子而 将后者发射出原子，这种现象称为内转换，发射出的电子称为内转换电子根据能量守恒定律，内 转换电子的动能等于跃迁的能量减去轨道电子的结合能由于K层电子最靠近原子核，因此只要能 量足够， K 层内转换的概率最大由于发生内转换的概率要比发生内光电效应的概率大得多，不能 将内转换理解为内光电效应无论是内转换还是轨道电子俘获，由于原子的内壳层缺少了电子而出现空位，外层电子将会来 填充这个空位，因此两个过程都会伴随特征X射线和俄歇电子的发射三、放射性度量 放射性活度：是指一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间 隔之商公式表达如下：A 二 dN 二九 N = Ae 一九dt 0活度的国际单位制单位是贝可勒尔（Bq），衍生单位有MBq, GBq和TBq在此之前的。