1、謝謝觀賞山東大學(xué)精品課程山東大學(xué)精品課程 第十四章第十四章 原子核和放射性原子核和放射性謝謝觀賞第一節(jié)第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)原子核的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)一、核的組成一、核的組成質(zhì)子質(zhì)子 p +e Z中子中子 n 0 N核核核核子子質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A = Z + N 核內(nèi)核子的個數(shù)；核內(nèi)核子的個數(shù)；近似計算用近似計算用 Au代替核的質(zhì)量代替核的質(zhì)量mn=1.008665u；mp=1.007276u單位量度為原子質(zhì)量單位單位量度為原子質(zhì)量單位：1u=1.6605655 10- -27 kg 任何一個原子核都任何一個原子核都可以用符號來表示可以用符號來表示 謝謝觀賞1. 同位素：同位素：Z相同、相同、

2、N不同；不同； 化學(xué)性質(zhì)相同；化學(xué)性質(zhì)相同； 周期表中占同一位置周期表中占同一位置如如HHHccc3121111261161062. 同量異位素：同量異位素：A 相同，相同，Z 不同的核素不同的核素ONCHeH1481471463231;如如3. 同核異能素：同核異能素：A、Z 相同，能量不同的核素相同，能量不同的核素InIn1154911549如如4. 放射性核素：不穩(wěn)定的、能自發(fā)放出某種射線的核素放射性核素：不穩(wěn)定的、能自發(fā)放出某種射線的核素NZCHeH1066231如如 處于激發(fā)態(tài)的核處于激發(fā)態(tài)的核謝謝觀賞二、核的大小和密度二、核的大小和密度原子半徑原子半徑1010 m核半徑核半徑試驗常

3、數(shù)試驗常數(shù)1/31500330271733301431.2 101.244331.66 102.3 10 (/)44332.3 10 (/)RR ARmfmVRR AVAmAkg mRR A-即噸 米謝謝觀賞1）核力具有飽和性）核力具有飽和性只能與核內(nèi)相鄰近核子發(fā)生核力作用，而鄰近核子只能與核內(nèi)相鄰近核子發(fā)生核力作用，而鄰近核子數(shù)是相當(dāng)有限的，核力具有明顯的數(shù)是相當(dāng)有限的，核力具有明顯的飽和性飽和性。 1、核力的性質(zhì)、核力的性質(zhì)(nuclear force)三、原子核的性質(zhì)三、原子核的性質(zhì)謝謝觀賞 2） 核力是強(qiáng)相互作用核力是強(qiáng)相互作用 每一核子的平均結(jié)合能是每一核子的平均結(jié)合能是8Mev，而

4、核子間的萬，而核子間的萬 有引力勢能只有有引力勢能只有10-36Mev。 4） 核力是核力是短程力短程力兩核子間距大于兩核子間距大于10 fm時完全無核力作用；時完全無核力作用；0.82.0 fm時表現(xiàn)為引力；小于時表現(xiàn)為引力；小于0.8 fm時為強(qiáng)烈的斥力作用。時為強(qiáng)烈的斥力作用。 3） 核力與核子的帶電狀況無關(guān)核力與核子的帶電狀況無關(guān) 質(zhì)子和質(zhì)子之間，中子和中子之間，中子和質(zhì)子質(zhì)子和質(zhì)子之間，中子和中子之間，中子和質(zhì)子之間的核力是相同的。之間的核力是相同的。謝謝觀賞2、 原子核是個帶電系統(tǒng)原子核是個帶電系統(tǒng)具有動量矩和磁矩具有動量矩和磁矩自旋自旋在磁場的作用下，原來的一個在磁場的作用下，原

5、來的一個能級分裂成幾個子能級。能級分裂成幾個子能級。原子核是一個帶正電荷的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)原子核是一個帶正電荷的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)3、原子核的能級是分立的。原子核可以處在不同的、原子核的能級是分立的。原子核可以處在不同的能量狀態(tài)上，即能級上，在外界作用下可以發(fā)生核能能量狀態(tài)上，即能級上，在外界作用下可以發(fā)生核能 級的躍遷。級的躍遷。謝謝觀賞 原子核質(zhì)量原子核質(zhì)量mX總小于它所包含的質(zhì)子質(zhì)量和中總小于它所包含的質(zhì)子質(zhì)量和中子質(zhì)量之和，子質(zhì)量之和，核子結(jié)合成原子核，質(zhì)量減少了，核子結(jié)合成原子核，質(zhì)量減少了，所減少的質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損。所減少的質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損。 孤立核子組成原子核時所放出的能量，稱為孤立核子組成原子核

6、時所放出的能量，稱為原子核的結(jié)合能。原子核的結(jié)合能。 原子核原子核 質(zhì)量為質(zhì)量為mX，包含，包含Z個質(zhì)子和個質(zhì)子和(A- -Z)個個中子，實驗表明中子，實驗表明 ZAX所謂所謂“1+1 2”四、質(zhì)量虧損和結(jié)合能四、質(zhì)量虧損和結(jié)合能謝謝觀賞1. 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損9494H0Be4 1.00782525 1.00866549.0746278( )Be9.0121858( )9.074639.012190.06244( )numuMZmAZ mmmu -原子質(zhì)量：質(zhì)量虧損：質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損M 對應(yīng)核放出的能量（結(jié)合能）為對應(yīng)核放出的能量（結(jié)合能）為2cmE2. 結(jié)合能結(jié)合能1u 相應(yīng)的結(jié)合能：相應(yīng)的

7、結(jié)合能：E = 1uC2 = 931.441MeV924Be58EM cMeV 謝謝觀賞五、原子核的穩(wěn)定性五、原子核的穩(wěn)定性結(jié)合能表示：結(jié)合能表示：核子結(jié)合成核時放出的能量；核子結(jié)合成核時放出的能量； 核的穩(wěn)定程度。核的穩(wěn)定程度。平均（比）結(jié)合能：平均（比）結(jié)合能：EA92.17.712EMeVA例：例：C12把一個核子放入原子核里，把一個核子放入原子核里，平均釋放能量平均釋放能量94Be586.49EMeVA謝謝觀賞原子核的平均結(jié)合能曲線原子核的平均結(jié)合能曲線謝謝觀賞 為了研究原子核的不穩(wěn)定性，尋找不穩(wěn)定性與為了研究原子核的不穩(wěn)定性，尋找不穩(wěn)定性與核所包含的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的關(guān)系，將核素都標(biāo)核

8、所包含的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的關(guān)系，將核素都標(biāo)在在核素圖核素圖(chart of nuclides )上。上。 208Pb : N/Z = 1.54謝謝觀賞第二節(jié)第二節(jié) 原子核的放射性衰變原子核的放射性衰變一、衰變規(guī)律一、衰變規(guī)律核衰變是一隨機(jī)過程核衰變是一隨機(jī)過程 (random process)， 所有核衰變服從同樣的統(tǒng)計規(guī)律。所有核衰變服從同樣的統(tǒng)計規(guī)律。NdtdN-l衰變常量衰變常量表示一個原子核在表示一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率；單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率；nTotal.211、微分關(guān)系、微分關(guān)系l若一種核能進(jìn)行幾種若一種核能進(jìn)行幾種類型的衰變：類型的衰變：謝謝觀賞2、積分關(guān)系、積分

9、關(guān)系tNNteNNdtNdN-000放射性核素隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減放射性核素隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減謝謝觀賞二、半衰期和平均壽命二、半衰期和平均壽命1、半衰期、半衰期 T：放射性核數(shù)衰減為原有數(shù)量的一半所：放射性核數(shù)衰減為原有數(shù)量的一半所 需的時間需的時間TttTTTTtNeNNTeeNNNNN)21(693. 02lnln21ln2202ln0000-單位：單位：s；min；h；d；a謝謝觀賞例題：例題：131I 用于治療甲狀腺疾病。用于治療甲狀腺疾病。T=8.1d。服用。服用 8.1d、16.2d、60d后，現(xiàn)有核占原有核的百分之幾？后，現(xiàn)有核占原有核的百分之幾？實際上，還應(yīng)以實際上，還應(yīng)以1

10、80 天的生物半衰期天的生物半衰期 Tb 逐步排泄。逐步排泄。8.18.10000128.1/1/2216.2/1/460/0.59%NNtTdN NtTdN NtdN N8.1012tNN謝謝觀賞2、平均壽命、平均壽命u放射性核素平均生存的時間；放射性核素平均生存的時間；u一個核衰變前存在的時間（壽命）：一個核衰變前存在的時間（壽命）：0無無 法確定；法確定；u大量核用平均壽命：大量核用平均壽命：dN中的每個核，衰變前存在的時間都是中的每個核，衰變前存在的時間都是 t ;dN個核的壽命之和為個核的壽命之和為 t (dN) = tNdt ；N0 個核的壽命總和為個核的壽命總和為-0N00tNd

11、t)tdN(謝謝觀賞T44. 1693. 0T11dteNtN1NdttN100t000-即：平均壽命為為的倒數(shù)，約比的倒數(shù)，約比 T 大大 50%謝謝觀賞生物半衰期生物半衰期 Tb :由于生物代謝核素的排除生物衰變常數(shù)為由于生物代謝核素的排除生物衰變常數(shù)為b有效衰變常數(shù)有效衰變常數(shù)有效半衰期有效半衰期例：例：臨床上常用臨床上常用 59Fe 作血液異常檢查。已知作血液異常檢查。已知 59Fe T=46.3d, Tb=65d, 問服用問服用 13.5d 后，殘留于體內(nèi)的放后，殘留于體內(nèi)的放射性核素的相對量射性核素的相對量 N/N0 為多少？為多少？ln2ln2ln2ebebbebTTTT TTT

12、T三、有效半衰期三、有效半衰期謝謝觀賞四、放射性活度四、放射性活度 (A)單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)（放射性強(qiáng)度）單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)（放射性強(qiáng)度）單位：單位：00ttdNANN edtAA e- -即：1011/13.7 10BqsCiBq次核衰變比活度：單位質(zhì)量放射源的放射性活度比活度：單位質(zhì)量放射源的放射性活度謝謝觀賞例題：例題：求求 5q 鈾鹽鈾鹽(U3O8)的放射性活度的放射性活度 (TU = 4.47109 a)求求 U 在在 U3O8 中所占的百分比中所占的百分比 U分子量分子量 = 238 U3O 8分子量分子量 = 2383+168 = 842%8 .84%10084232

13、38占：U求求 5q 鈾鹽中所含鈾鹽中所含 U 的質(zhì)量的質(zhì)量 m = 584.8% = 4.24q求鈾的原子核數(shù)求鈾的原子核數(shù) N 個222310073. 110023. 623824. 4NU 的放射性活度的放射性活度 A = N = 52400Bq = 1.42Ci摩爾數(shù)摩爾數(shù)謝謝觀賞 不穩(wěn)定的核素自發(fā)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，不穩(wěn)定的核素自發(fā)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，同時還放出一定的粒子流，這種性質(zhì)稱為同時還放出一定的粒子流，這種性質(zhì)稱為放射性放射性。放射性衰變放射性衰變(radioactive decay) 不穩(wěn)定核素的自發(fā)變化，稱為原子核的不穩(wěn)定核素的自發(fā)變化，稱為原子核的衰變衰變，或稱

14、為原子核的放射性衰變?；蚍Q為原子核的放射性衰變。衰變過程中釋放出來的粒子流稱為衰變過程中釋放出來的粒子流稱為射線射線。 具有放射性的同位素，稱為具有放射性的同位素，稱為放射性同位素放射性同位素。第三節(jié)第三節(jié) 核衰變方式核衰變方式謝謝觀賞核素核素穩(wěn)定性核素穩(wěn)定性核素放射性核素放射性核素天然天然 (Z 81)人工人工反應(yīng)堆、加速器反應(yīng)堆、加速器遵守遵守 電荷、質(zhì)量、能量、動量和核子數(shù)守恒定律。電荷、質(zhì)量、能量、動量和核子數(shù)守恒定律。衰變能衰變能：依據(jù)質(zhì)能關(guān)系式，核衰變前后的質(zhì)量依據(jù)質(zhì)能關(guān)系式，核衰變前后的質(zhì)量差值，將轉(zhuǎn)變?yōu)楹怂プ冞^程中所釋放的能量。差值，將轉(zhuǎn)變?yōu)楹怂プ冞^程中所釋放的能量。轉(zhuǎn)變?yōu)樗プ?/p>

15、生成的所有粒子的動能。轉(zhuǎn)變?yōu)樗プ兩傻乃辛Ｗ拥膭幽?。謝謝觀賞一、一、衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換處于激發(fā)態(tài)的原子核，在不改變組成（處于激發(fā)態(tài)的原子核，在不改變組成（Z Z、N N）的情況下，發(fā)射的情況下，發(fā)射射線，射線，躍遷到較低能態(tài)的現(xiàn)象。躍遷到較低能態(tài)的現(xiàn)象。射線即為射線即為光子。光子。1、衰變衰變 能量以能量以 射線方式放出射線方式放出YXAZAZ同核異能素同核異能素2、內(nèi)轉(zhuǎn)換、內(nèi)轉(zhuǎn)換 能量直接傳遞給內(nèi)層軌能量直接傳遞給內(nèi)層軌道電子（電離），內(nèi)轉(zhuǎn)換電子道電子（電離），內(nèi)轉(zhuǎn)換電子謝謝觀賞二、二、衰變：放出氦核衰變：放出氦核A 209重核，放射出重核，放射出粒粒子，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌怂氐倪^程。子，轉(zhuǎn)

16、變?yōu)槠渌怂氐倪^程。QYXAZAZ-4242Q主要為主要為粒子的動能粒子的動能42He衰變綱圖衰變綱圖226222488862RaRnHeQ鐳鐳氡氡謝謝觀賞1、 衰變（天然，人工）衰變（天然，人工）中中子數(shù)過多的原子核子數(shù)過多的原子核QYXepnAZAZ-0001100011110三、三、衰變衰變 （包括（包括+、 和和K俘獲三種方式）俘獲三種方式）323200151610PSQ-謝謝觀賞2、 + 衰變衰變 （人工核素）（人工核素） QYXenpAZAZ-0001100011011中微子：靜止質(zhì)量為零、自旋中微子：靜止質(zhì)量為零、自旋 的中性粒子，穿的中性粒子，穿 透力極強(qiáng)透力極強(qiáng) 222222

17、00111010NaNeQ謝謝觀賞3、電子俘獲、電子俘獲 (electron capture，EC)QYeXnepAZAZ-0010100100111主要俘獲主要俘獲K殼層電子；殼層電子；原原子放出標(biāo)識子放出標(biāo)識 X 射線譜或俄歇電子。射線譜或俄歇電子。謝謝觀賞第四節(jié)第四節(jié) 放射平衡和放射性核素來源放射平衡和放射性核素來源放射性平衡放射性平衡ABC母體核母體核子體核子體核孫代子體孫代子體111dNNdt -母體核：釷，鈾，錒，镎系釷，鈾，錒，镎系謝謝觀賞212122112(0NNNNdtdN即：短壽命）長壽命）放射平衡：核素發(fā)生核素發(fā)生器器 母牛母牛謝謝觀賞l人工放射性核素來源人工放射性核素來

18、源反應(yīng)堆：反應(yīng)堆：把適當(dāng)?shù)脑鼗蚧衔锓胚M(jìn)反應(yīng)把適當(dāng)?shù)脑鼗蚧衔锓胚M(jìn)反應(yīng) 堆，利用反映堆中的大量中子照堆，利用反映堆中的大量中子照 射，引起核反應(yīng)。射，引起核反應(yīng)。加速器：加速器：高速帶電粒子轟擊核素，引起核高速帶電粒子轟擊核素，引起核 反應(yīng)。反應(yīng)。謝謝觀賞帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生3種形式的能量轉(zhuǎn)換：種形式的能量轉(zhuǎn)換：能量轉(zhuǎn)換為激發(fā)能和電離能；能量轉(zhuǎn)換為激發(fā)能和電離能；軔致輻射；軔致輻射；能量轉(zhuǎn)換為熱能（碰撞）。能量轉(zhuǎn)換為熱能（碰撞）。一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)第五節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用謝謝觀賞電離比值電離比值：離子對數(shù)離

19、子對數(shù) / cm 表示電離本領(lǐng)表示電離本領(lǐng)粒子粒子 質(zhì)量大（不易散射）；質(zhì)量大（不易散射）； 運(yùn)動速度慢；運(yùn)動速度慢； 帶電量多帶電量多1、電離和散射、電離和散射每厘米路徑上產(chǎn)生的離子對每厘米路徑上產(chǎn)生的離子對謝謝觀賞粒子粒子 質(zhì)量小，徑跡彎曲質(zhì)量小，徑跡彎曲散射散射 非彈性碰撞非彈性碰撞韌致輻射韌致輻射 ； 電量電量2ee速度速度慢慢快快電離比值電離比值410450例如：例如：1Mev謝謝觀賞2、射程與吸收規(guī)律、射程與吸收規(guī)律吸收：帶電粒子通過物質(zhì)時，由于電離、激發(fā)、吸收：帶電粒子通過物質(zhì)時，由于電離、激發(fā)、散射和軔致輻射損失能量直至停止；散射和軔致輻射損失能量直至停止；射程：粒子在物質(zhì)中被

20、吸收前通過的最大距離。射程：粒子在物質(zhì)中被吸收前通過的最大距離。粒子：電離比值大，射程短；粒子：電離比值大，射程短；空氣中，幾厘米；空氣中，幾厘米；生物體，幾百個微米。生物體，幾百個微米。謝謝觀賞粒子：粒子：電離比值小、射程長；電離比值小、射程長；比比粒子大粒子大 100多倍；多倍；外照射下危害大。外照射下危害大。徑跡：質(zhì)量小、易被散射，徑跡彎曲徑跡：質(zhì)量小、易被散射，徑跡彎曲謝謝觀賞二、二、(x) 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用1、光電效應(yīng)：、光電效應(yīng)：2、康普頓效應(yīng)：、康普頓效應(yīng)：3、電子對生成、電子對生成謝謝觀賞三種作用的發(fā)生幾率三種作用的發(fā)生幾率低能：原子序數(shù)低能：原子序數(shù)Z

21、大，大， 光電效應(yīng)為主；光電效應(yīng)為主；中能：康普頓散射為主；中能：康普頓散射為主；高能：電子對生成為主。高能：電子對生成為主。謝謝觀賞三、中子與物質(zhì)的相互作用三、中子與物質(zhì)的相互作用作用方式：作用方式：散射散射與核碰撞與核碰撞核反沖、中子減核反沖、中子減 速變方向子易被含氫多的物質(zhì)吸收，水、速變方向子易被含氫多的物質(zhì)吸收，水、 石蠟）石蠟） 核反應(yīng)核反應(yīng)打出質(zhì)子或中子、或核發(fā)生打出質(zhì)子或中子、或核發(fā)生 星裂高能中子用中等或重原子核的非彈星裂高能中子用中等或重原子核的非彈 性散射來慢化性散射來慢化謝謝觀賞核反應(yīng)類型：核反應(yīng)類型：非彈性散射非彈性散射 ( n , n ) 中子發(fā)射，能量減小，核處于中子發(fā)射，能量減小，核處于激發(fā)態(tài)；激發(fā)態(tài)；中子俘獲中子俘獲 ( n , ) 中子留在核內(nèi)，結(jié)合能以光子形中子留在核內(nèi)，結(jié)合能以光子形式發(fā)射；式發(fā)射；電荷交換電荷交