1、第十五章原子核和放射性,醫(yī)用物理教研室,1,基本內(nèi)容： 1、原子核的基本性質(zhì) 2、原子核的衰變類型 3、原子核的衰變規(guī)律,2,1945年8月7日早晨，一顆掛在降落傘下的“炸彈”在日本廣島上空爆炸，這座城市頃刻間被夷為平地，死傷306545人三天之后，同樣的命運(yùn)降臨長(zhǎng)崎，死傷138905人造成這場(chǎng)空前浩劫的，是一種叫“原子彈”的新式武器它的出現(xiàn)結(jié)束了二戰(zhàn)，卻又帶來了冷戰(zhàn)它的出現(xiàn)深刻地改變了軍事戰(zhàn)略，也深遠(yuǎn)地影響著人類命運(yùn) 原子彈爆炸結(jié)束二戰(zhàn)核武器競(jìng)爭(zhēng)威脅人類。,3,1945年5月，前蘇聯(lián)紅軍攻克柏林，德國(guó)法西斯宣布投降然而，在遠(yuǎn)東，日本法西斯仍在作垂死掙扎當(dāng)時(shí)估算，如果占領(lǐng)日本本土，美軍起碼還得

2、付出死亡一二百萬人的沉重代價(jià)這一切促使美國(guó)最高當(dāng)局下決心動(dòng)用原子彈，以盡早結(jié)束戰(zhàn)爭(zhēng) 其實(shí)，當(dāng)時(shí)日本和德國(guó)都在研制原子彈，只是由于四面楚歌、力不從心而進(jìn)展緩慢就在廣島被原子彈轟炸后幾小時(shí)，日本軍部立即派研制原子彈的核科學(xué)家二階義男帶領(lǐng)“2號(hào)研究”（即原子彈研究）人員去廣島作現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查之后，把這批人員招集到大本營(yíng)，副總參謀長(zhǎng)河邊將軍問道：“你們能不能在半年內(nèi)造出原子彈來？如果能做到的話，我們就把你們這些專家和天皇一起藏到長(zhǎng)野山下用花崗巖造的地下堡壘中保護(hù)起來軍隊(duì)不惜代價(jià)再堅(jiān)持6個(gè)月沒有問題，到那時(shí)就可以對(duì)美軍還以顏色了”,4,二階義男回答說：“閣下，不要說6個(gè)月內(nèi)造不出原子彈，就是再花6年也不行”

3、聽了首席科學(xué)家的這番話，河邊將軍默不作聲，并立即向軍部作了匯報(bào)三天后，當(dāng)長(zhǎng)崎也傳來被原子彈炸成平地的消息后，日本最高當(dāng)局中的主戰(zhàn)派頓時(shí)像泄了氣的皮球此時(shí)，美國(guó)又放出空氣，聲稱還有100顆原子彈（其實(shí)當(dāng)時(shí)還沒有新的原子彈生產(chǎn)出來）將投向日本，如果日本不投降的話在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，經(jīng)過幕后活動(dòng)，日本天皇終于在8月15日宣布無條件投降,5,原子彈爆炸,6,大亞灣核電站夜景,7,神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者頭部的核磁共振斷面像,8,人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單歷史,1787年，道爾頓原子 一切物質(zhì)都是由不可見的、不可再分割的原子組成。,1811年，阿佛加德羅分子 原子不能獨(dú)立存在，相互結(jié)合在一起形成分子才能獨(dú)立存在。,十

4、九世紀(jì)中期原子分子論 原子不可再分。,1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子提出原子結(jié)構(gòu)模型 原子是由帶正電的連續(xù)體和在其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的負(fù)電子構(gòu)成的。,1911年， 盧瑟福散射核式模型,1913年，玻爾原子模型,20世紀(jì)20年代以來現(xiàn)代模型（電子云模型） 電子繞核運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)帶負(fù)電荷的云團(tuán)，在一個(gè)確定電子的時(shí)刻不能精確測(cè)定電子的確切位置,9,第一節(jié) 原子核的基本性質(zhì),15.1 原子核的組成、質(zhì)量和大小 1原子核的電荷 （1）質(zhì)子 帶正電，其電量絕對(duì)值等于電子的電量。Z （2）中子 不帶電，N,核子數(shù)：也稱為質(zhì)量數(shù) AZ+N,10,（1）原子核質(zhì)量的表示 原子質(zhì)量單位（以12C的1/12為原子質(zhì)量單位） 1u1

5、.66054010-27kg （2）原子核的分類 a.同位素（元素周期表中位置相同，同位素豐度） b.同中子異位素（中子數(shù)相同） c.同量異位素（質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同） d.同質(zhì)異能素（質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同，能量不同）,2. 原子核的質(zhì)量,11,15.2 原子核的性質(zhì),對(duì)于輕核 的核半徑為:,對(duì)于重核 的核半徑為:,通過估算,可以看出各種原子核半徑大小均處于同一數(shù)量級(jí)上,且隨著各種元素之不同彼此之間又略有差異.,12,根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明,除少數(shù)例外,原子核是近似球形的,其體積為:,由此可得到一個(gè)非常重要的結(jié)論:在一切原子核中,核物質(zhì)的密度近似為一常數(shù),不妨作這樣一個(gè)比擬,水的密度是103kg/m3

6、,而原子核的密度比水要大1014倍,足見原子核是物質(zhì)緊密集中之處,且密度大得驚人！針尖大的物體，質(zhì)量一噸！,13,15.4 原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損,原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，它的質(zhì)量就 應(yīng)等于所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和：,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，可得原子核的結(jié)合能：,mx=Zmp+(A-Z)mn,但實(shí)驗(yàn)測(cè)定的原子質(zhì)量mx總是小于所有核子質(zhì)量 之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損：,m=Zmp+(A-Z)mn-mX,14,質(zhì)子和中子組成核的過程中，有能量E釋放出來。反之，要使原子核再分解為單個(gè)的質(zhì)子和中子就必須吸收E的能量。,氘核吸收E能量后分解為質(zhì)子和中子,E,氘,質(zhì)子,中子,E=(m)c2

7、=Zmp+(A-Z)mn-mXc2,愛因斯坦,15,原子結(jié)合能的計(jì)算,一原子質(zhì)量單位,具有能量,質(zhì)子質(zhì)量,中子質(zhì)量,核子平均結(jié)合能,16,核子的比結(jié)合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。,原子核的結(jié)合能非常大，所以一般原子核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。然而，不同原子核的穩(wěn)定程度不同。,每個(gè)核子的平均結(jié)合能稱為比結(jié)合能：,17,a.中等質(zhì)量原子核的核子平均結(jié)合能較大,8.79MeV,8.47MeV,8.75MeV,b.輕核和重核的核子平均結(jié)合能都較小,2.83MeV,7.5MeV,7.56MeV,18,核力是一種短程力；核力是強(qiáng)相互作用；核力具有飽和性;核力與電荷無關(guān)；核力在極短程內(nèi)存在斥心力，它使核子不能無限靠近

8、。,19,第二節(jié) 原子核的衰變類型,放射性：(1896法國(guó)科學(xué)家年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)U的放射性) 放射性元素：原子序數(shù)83（包括83）以后的所有元素都具有天然放射性。,貝克勒爾,放大了1000倍的鈾礦石,20,居 里,居里夫人,1898年發(fā)現(xiàn)放射性更強(qiáng)的元素釙（Po）和鐳（Ra）。,貝克勒耳和居里夫婦一起，因?yàn)榉派湫缘陌l(fā)現(xiàn)和研究，1903年得到科學(xué)界的最高榮譽(yù)諾貝爾獎(jiǎng)。,21,三種射線： 、。 三種射線的性質(zhì)：,氦核,電子,衰變?cè)瓌t：,質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。,22,15.1 衰變（質(zhì)量數(shù)A209）,1,2,3,母核,子核,粒子,衰變能,粒子的能譜與子核或母核的能級(jí)結(jié)構(gòu)有密切連續(xù)。,23,15.2

9、衰變,1. - 衰變,2. + 衰變,放出電子、反中微子,放出正電子、中微子,24,3. 電子俘獲 (E.c),能量一部分可以以標(biāo)識(shí)X射線的形式放出; 一部分可以使另外一層電子電離成自由電子-俄歇電子。,一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微?25,中微子質(zhì)量極輕，不帶電荷，與物質(zhì)的相互作用十分微弱。因此極難探測(cè)，需要用體積龐大的探測(cè)器。,4. 中微子簡(jiǎn)介,1930 泡利假設(shè)了中微子，以解決b衰變中能量不守恒問題 1956 Reines和Cowan發(fā)現(xiàn)中微子（1995 年諾貝爾獎(jiǎng)） 1962 Lederman等發(fā)現(xiàn)中微子（1988年諾貝爾獎(jiǎng)） 1957 Pontecorvo提出中微子可以發(fā)生振蕩 196

10、8 Davis發(fā)現(xiàn)太陽中微子丟失，中微子振蕩. （2002年諾貝爾獎(jiǎng)） 1998 超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)證實(shí)大氣中微子丟失, 中微子振蕩！ (2002年諾貝爾獎(jiǎng)） 2001 SNO 實(shí)驗(yàn)證實(shí)丟失的太陽中微子變成了其它中微子 2002 KamLAND 用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)證實(shí)太陽中微子振蕩,26,15.3 衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換：,處于激發(fā)態(tài)的原子核不穩(wěn)定，要向低能態(tài)躍遷，放出光子。常常伴隨著衰變和衰變過程產(chǎn)生。,例 6027Co6028Ni+,27,在醫(yī)療上，射線可以使癌細(xì)胞受到抑制或死亡，因此常利用鈷60的射線按理治療肺癌、食道癌等。射線還可以用于醫(yī)療器械的消毒滅菌，處理醫(yī)院排出的污水，殺死各種病原體，保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生。,

11、伽瑪輻射儀,28,內(nèi)轉(zhuǎn)換：,在某些情況下，原子核從激發(fā)態(tài)向較低能級(jí)躍遷時(shí)不一定放出光子、而是把這部分能量直接交給核外電于，使其脫離原子的束縛而成為自由電子，這稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換。,锝99Tcm 基態(tài)時(shí),89% 射線,11% 內(nèi)轉(zhuǎn)換,29,第三節(jié) 原子核的衰變規(guī)律,15.1 衰變定律,（1）對(duì)一個(gè)特定的放射性核素，其衰變的精確時(shí)間是無法預(yù)測(cè)的； （2）對(duì)足夠多的放射性核素的集合，其衰變規(guī)律是確定的，并服從量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,30,衰變定律,衰變常數(shù)：一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，衰變常數(shù)與外界條件（溫度、壓力、磁場(chǎng)等）幾乎無關(guān)。,31,15.2 半衰期,在放射性衰變過程中，放射性元素的原子核數(shù)

12、減少到原有核數(shù)的一半時(shí)所需的時(shí)間。,衰變定律的另一種表示：,1、衰變定律,當(dāng)有一半粒子發(fā)生衰變時(shí)：,32,例：一個(gè)放射性物質(zhì)T=2d,過了四天后：,33,t=0時(shí)，核數(shù)為N0， 經(jīng)t時(shí)間的衰變，剩下 N(t)=Noe-t， 再經(jīng) dt(tt+dt) 時(shí)間，有-dN=Ndt發(fā)生衰變。 這意味著-dN個(gè)核子存活了t時(shí)間，所以核素的總壽命是,(1)平均壽命,2、有效半衰期和平均壽命,34,任一核素的平均壽命為,35,（2）有效半衰期：,放射性元素進(jìn)入生物體內(nèi),物理衰變 N=N0e-t,生物衰變: b （常數(shù)）,b-生物衰變常量。 放射性元素隨生物體的代謝排出體外，其衰減也按指數(shù)規(guī)律。,36,有效衰變常數(shù)e ,據(jù)半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系：,采用放射性元素作生物體內(nèi)示蹤劑。,37,例題:臨床上常用59Fe檢查或在患者血液的異常情況.已知59Fe的物理半衰期46.3d,生物半衰期為65d,問服用13.5d后,殘留在體內(nèi)的放射性核素的相對(duì)量N/N0為多大?,38,15.3 放射性活度,放射性活度（簡(jiǎn)稱活度）一定量的放射性核素在單位時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)，即,dN:在時(shí)間間隔dt內(nèi)自發(fā)核衰變次數(shù)。,39,（1）活度服從同樣的指數(shù)規(guī)律。 （2）活度單位是居里. （3）1居里(Ci)3.71010 次核衰變s。 （4）我國(guó)用貝可(