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1、原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律 在迄今为止发现的在迄今为止发现的2000多种核素中，绝大多数多种核素中，绝大多数都不稳定，会自发地蜕变为另一种核素，同时放出都不稳定，会自发地蜕变为另一种核素，同时放出各种射线。这种现象称为各种射线。这种现象称为放射性衰变放射性衰变。能自发地放。能自发地放射出各种射线的核素称为射出各种射线的核素称为放射性核素放射性核素，也叫，也叫不稳定不稳定核素核素。放射性衰变放射性衰变1.提供原子核内部的信息提供原子核内部的信息2.用于为人类造福
2、用于为人类造福 放射性衰变过程中，原来的核素放射性衰变过程中，原来的核素(母体母体)或者变或者变为另一种核素为另一种核素(子体子体)，或者进入另一种能量状态。，或者进入另一种能量状态。原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放放射射性性衰衰变变的的类类型型衰变衰变衰变的位移定则衰变的位移定则:子核在元素周子核在元素周期表中的位置左移期表中的位置左移2格。格。,K衰变衰变衰变的位移定则衰变的位移定则:子核在元素子核在元素周期表中的位置右移周期表中的位置右移1格。格。 衰变衰变高能短波电磁辐射高能短波电磁辐射+内转换内转
3、换p放射性放射性;12C放射性放射性;延迟延迟n(p)发发射射;双双- -衰变衰变;自发裂变自发裂变(SF)等。等。原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律1.指数衰变律指数衰变律原子核是一个量子体系，核衰变是一个量子原子核是一个量子体系，核衰变是一个量子跃迁过程。跃迁过程。对一个特定的放射性核素，其衰变的精确时对一个特定的放射性核素，其衰变的精确时间是无法预测的；间是无法预测的；但对但对足够多足够多
4、的放射性核素的集合，其衰变规的放射性核素的集合，其衰变规律是确定的，并服从量子力学的律是确定的，并服从量子力学的统计规律统计规律。原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律设设t0时，放射性核素的数目为时，放射性核素的数目为N0，在，在dt 内发内发生衰变的数目生衰变的数目为为dN，则：，则：称为称为衰变常数衰变常数，它表示，它表示一一个原子核在单位时间内发个原子核在单位时间内发生衰变的几率生衰变的几率，标志着衰，标志着衰变的快慢。变的快慢。衰变常数与外衰变常数与外界条件（温度、压力、磁界条件（温度、压力、磁场等）场等
5、）几乎无关几乎无关。1T1T 2T2T3T3T 4T4T衰变衰变原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律2.半衰期半衰期T称称为为半半衰衰期期，它它表表示示放放射射性性核核素素的的数数目目衰衰变变到到原原来来数数目目的的一一半半所所经经过过的的时时间间。不不同同放放射射性性核核素素的的半半衰衰期期是是大大不不相相同同的的，60Co的的半半衰衰期期为为5.27a; 238U的半衰期为的半衰期为4.5 109a。1.000.500.25 0 1T 2T 3T 4T tN/No衰变衰变原子核物理概论原子核物理概论 6 6
6、放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律3.平均寿命平均寿命 对于某种放射性核素，有些核早衰变，有些对于某种放射性核素，有些核早衰变，有些核晚衰变，即有的寿命长，有的寿命短，所有原核晚衰变，即有的寿命长，有的寿命短，所有原子核寿命的平均值子核寿命的平均值称为称为平均寿命平均寿命。平均寿命平均寿命表示：经过表示：经过时间以后，剩下的核素数时间以后，剩下的核素数目为初始核素数目的目为初始核素数目的37%原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律4.放射性核素的特征量放射性核素的特征量
7、 衰变常数衰变常数 、半衰期半衰期T和和平均寿命平均寿命都可以作都可以作为放射性核素的特征量，不同核素的特征量差别为放射性核素的特征量，不同核素的特征量差别很大。我们可以根据测量的特征量很大。我们可以根据测量的特征量判断它属于哪判断它属于哪种核素。例如单晶硅中痕量碳的分析：种核素。例如单晶硅中痕量碳的分析：原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律5.放射性单位放射性单位放射性活度放射性活度A：为了表示某放射源的放射性强弱，为了表示某放射源的放射性强弱，人们引入放射性活度人们引入放射性活度A，定义为，定义为单位时间内发
8、生衰单位时间内发生衰变的原子核数变的原子核数：A有时也称有时也称“放射性强度放射性强度”、“放射率放射率”或或“衰变率衰变率”。 注意：注意：A只描述放射源每秒发生核衰变的次只描述放射源每秒发生核衰变的次数数, ,并不表示放射出的粒子数并不表示放射出的粒子数.原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性活度单位：放射性活度单位： 1975年以前年以前 1卢瑟福（卢瑟福（Rd）=106次核衰变次核衰变/秒秒 1居里（居里（Ci）=3.7 1010次核衰变次核衰变/秒秒 1毫居毫居=0.001居里，居里，1微居微居=0
9、.001毫居毫居 1g226Ra的放射性强度近似为的放射性强度近似为1居里居里（早期定义）（早期定义） 1975年以后（目前通用的国际单位）年以后（目前通用的国际单位） 1贝克勒（贝克勒（Bq）=1次核衰变次核衰变/秒秒1居里（居里（Ci）=3.7 1010贝克勒贝克勒（Bq）原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射源所含放射性物质的原子核数：放射源所含放射性物质的原子核数：放射源所含放射性物质的质量：放射源所含放射性物质的质量： 比活度比活度（放射性比度、（放射性比度、比放射性比放射性）：是指放射源的）：是指放
10、射源的放射性活度与其质量之比，它表明放射性物质纯度放射性活度与其质量之比，它表明放射性物质纯度的高低，其单位的高低，其单位为为Bq/g。射线强度射线强度：是指放射源在单位时间内放出某种射线：是指放射源在单位时间内放出某种射线的个数，其单位也为的个数，其单位也为Bq。原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律 射线的物质效应射线的物质效应：射线对物质的效应不仅取决于放：射线对物质的效应不仅取决于放射性物质本身的强弱，还取决于所释放的射线的特射性物质本身的强弱，还取决于所释放的射线的特性及接受射线的材料的性质。射线对物质的
11、物质效性及接受射线的材料的性质。射线对物质的物质效应单位：应单位： 1伦琴（伦琴（R）=使使1kg空气中产生空气中产生2.58 10-4库库 仑电量的辐射量仑电量的辐射量 1拉德（拉德（rad）=1g受辐照物质吸收受辐照物质吸收100erg的的 辐射能量辐射能量 1戈瑞（戈瑞（Gr）=1kg受辐照物质吸收受辐照物质吸收1J的的辐辐 射能量射能量 原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律6.长半衰期的测定长半衰期的测定 半衰期是放射性核素的手印半衰期是放射性核素的手印，测定半衰期，测定半衰期是确定放射性核素的重要方法。
12、是确定放射性核素的重要方法。斜率法：中等寿命的放射性元素斜率法：中等寿命的放射性元素直接法：长寿命的放射性元素，例如直接法：长寿命的放射性元素，例如1mg238U平衡关系测量法：短寿命的放射性元素平衡关系测量法：短寿命的放射性元素原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律盖盖革革计计数数器器是是根根据据受受辐辐射射气气体体发发生生电电离离而而产产生的离子和电子能传导电流的原理设计的。生的离子和电子能传导电流的原理设计的。每个被放大了的电脉冲每个被放大了的电脉冲即代表一次放射性记数即代表一次放射性记数 原子核物理概论原子
13、核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律W.F.Libby(利比利比)鉴年法的先驱鉴年法的先驱获获19601960年度年度诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖方法：放射性测定年代法方法：放射性测定年代法依据：半衰期与反应物的起始浓度无关依据：半衰期与反应物的起始浓度无关 假定：大气中、的比值是恒定的假定：大气中、的比值是恒定的 宇宙射线中的大量质子与大气中原子核反应产生许多宇宙射线中的大量质子与大气中原子核反应产生许多次级中子，这些次级中子与大气中的反应而产生次级中子，这些次级中子与大气中的反应而产生而自发地进行而自发地进行衰变：衰变：由于宇宙射
14、线的质子流、大气组分相对恒由于宇宙射线的质子流、大气组分相对恒定定,故上述次级中子流也相对恒定故上述次级中子流也相对恒定,使得使得 的产生率保持恒定的产生率保持恒定,经相当时间后产出与衰经相当时间后产出与衰变达平衡变达平衡,其数目保持不变其数目保持不变.而大气中的而大气中的是稳定核素是稳定核素.研究表明：研究表明：原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律埃埃及及一一法法老老古古墓墓发发掘掘出出来来的的木木质质遗遗物物样样品品中中, ,放放射射性性碳碳-14-14的的比比活活度度为为432Bqg432Bqg-1-1 即
15、即s s-1-1(gC)(gC)-1-1,而而地地球球上上活活体体植植物物组组织织相相应应的的比比活活度度则则为为756Bqg756Bqg-1-1, ,试试计计算算该该古墓建造的年代古墓建造的年代. .解解: :衰变反应是衰变反应是: : 根据一级反应的速率方程和半衰期公式根据一级反应的速率方程和半衰期公式: : lnlnc ct t( )= -( )= -ktkt lnlnc c0 0( )( ) T T1/21/2 = 0.693/ = 0.693/k k得得：k k = 0.693/ = 0.693/t t1/21/2 = 0.693/5730 a = 1.2110 = 0.693/57
16、30 a = 1.2110-4-4 a a-1-1 t t=n756Bqg=n756Bqg-1-1/432Bqg/432Bqg-1-1/(1.2110/(1.2110-4-4a a-1-1) ) =4630 =4630 a a 如以上数据系如以上数据系20052005年所得，则年所得，则4630-20054630-200526252625即该古墓大约是公元前即该古墓大约是公元前26252625年建造的年建造的。 原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律解解: :测得古墓测得古墓100g100g骸骨碳的衰变率为骸骨碳的
17、衰变率为900/min900/min，求此墓年代。，求此墓年代。据衰变定律和半衰期公式据衰变定律和半衰期公式当前当前100g100g骸骨中的数目为骸骨中的数目为N N，结论：古墓年代约结论：古墓年代约为公元前为公元前22002200年年墓主死亡时墓主死亡时100g100g骸骨碳中含原子的数目为：骸骨碳中含原子的数目为：原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律7.级联衰变级联衰变 许多放射性同位素并非一次许多放射性同位素并非一次衰变就达到稳定，而是一代接一衰变就达到稳定，而是一代接一代地衰变，直到稳定的核素为止，代地衰
18、变，直到稳定的核素为止，这样就构成一个级联（第次）衰这样就构成一个级联（第次）衰变，也称为放射系。自然界共有变，也称为放射系。自然界共有四个放射系，其中三个是天然存四个放射系，其中三个是天然存在的，一个是人工制造的。在的，一个是人工制造的。放放 射射 系系镎镎 系系钍钍 系系锕锕 系系铀铀 系系原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律808590145140135130125ZN808590145140135130125ZN808590145140135130125ZN808590145140135130125ZN钍
19、系（钍系（4n）级联衰变级联衰变铀系（铀系（4n+2）级联衰变级联衰变原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律808590145140135130125ZN808590145140135130125ZN锕系（锕系（4n+3）级联衰变级联衰变808590145140135130125ZN镎系（镎系（4n+1）级联衰变级联衰变原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律对于简单的级联衰变：对于简单的级联衰变：原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放
20、射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律1.暂时平衡暂时平衡原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律2.长期平衡长期平衡寿命测量；寿命测量；短寿命核素的保存短寿命核素的保存（母体（母体+ +子体）。子体）。原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律 例如医用例如医用 射线源射线源113In*，其半衰期为，其半衰期为104分，分，经三个小时后，只剩下原来的经三个小时后，只剩下原来的1/4。但若与母体。但若与
21、母体113Sn(113In *)一块存放，一块存放，113Sn的半衰期为的半衰期为118天天, AB因此有因此有ANABNB 。达到长期平衡后，。达到长期平衡后，单位时间内子核（单位时间内子核（B）的衰变数等于从母核）的衰变数等于从母核（A）供给的补养数。由）供给的补养数。由 ANABNB 还可给出还可给出短寿命核（短寿命核（B）的半衰期：）的半衰期：原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律3.不平衡不平衡当时间足够长时，母体将几乎全部转变为子体，当时间足够长时，母体将几乎全部转变为子体，子体则按照自身的指数规律衰减
22、，因此母子体之子体则按照自身的指数规律衰减，因此母子体之间根本不会出现任何平衡。间根本不会出现任何平衡。原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律8.同位素生产同位素生产 在二千多种核素中，有在二千多种核素中，有1600多种是人工方法制造多种是人工方法制造的，人们在生产放射性核素时，生产的同时，衰变也的，人们在生产放射性核素时，生产的同时，衰变也在发生，怎样达到一个最佳的产出率呢？一方面，某在发生，怎样达到一个最佳的产出率呢？一方面，某种核素由于生产在增加，另一方面它也在衰变。种核素由于生产在增加，另一方面它也在衰变。同位素生产图示同位素生产图示0 1 2 3 4 5 60.51.0A/Pt/T原子核物理概论原子核物理概论 6 6 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律
