原子核和放射性

1、1908年因研究元素的年因研究元素的 蜕变和放射化学获诺蜕变和放射化学获诺 贝尔化学奖贝尔化学奖. 卢瑟福卢瑟福(E. Rutherford, 1871-1937)英籍新西英籍新西 兰物理学家兰物理学家. 金箔对金箔对 粒子的散射实验粒子的散射实验 v 1911年卢瑟福用金箔对年卢瑟福用金箔对 粒子的散射实粒子的散射实 验确立了原子的核式模型验确立了原子的核式模型,即原子由处于即原子由处于 中心的原子核和中心的原子核和 核外运动的电子核外运动的电子 组成组成.由此开始了由此开始了 对原子核的探索对原子核的探索. 一一.原子核的组成原子核的组成 1896年贝克勒尔发现铀的放射性年贝克勒尔发现铀的

2、放射性,1898年居年居 里夫妇发现了放射性元素钋和镭里夫妇发现了放射性元素钋和镭. 1919年卢瑟福发现质子年卢瑟福发现质子(proton). 1932年查德威克发现中子年查德威克发现中子(neutron). 13-1 原子核的组成原子核的组成 海森伯等人提出原子核是由质子和中子海森伯等人提出原子核是由质子和中子 组成的组成的.质子和中子统称为核子质子和中子统称为核子(necleon). 原子核中的质子数等于核外电子数原子核中的质子数等于核外电子数,即原即原 子序数子序数Z.原子核的质量数原子核的质量数 A就是核子的就是核子的 总数总数,若以若以N表示中子数表示中子数,则则 A=Z+N. 查

3、德威克查德威克(J. Chadwick, 1891-1974)英国物理学英国物理学 家家.1935年因发现中子年因发现中子 获诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理学奖. 贝克勒尔贝克勒尔(H. Becquerel, 1852-1908)法国物理学法国物理学 家家.1903年因发现自发放年因发现自发放 射性获诺贝尔物理学奖射性获诺贝尔物理学奖. 居里夫妇居里夫妇(P. Curie, 1859-1906, 右右,法国物法国物 理学家；理学家；M. Curie, 1867-1934, 左左,法籍波法籍波 兰物理学家兰物理学家) 1903年年 因对贝克勒尔发现的因对贝克勒尔发现的 辐射现象作出了卓越辐射现象作出

4、了卓越 贡献贡献,其中包括发现了其中包括发现了 钋和镭获诺贝尔物理钋和镭获诺贝尔物理 学奖学奖.居里夫人居里夫人1911年年 又因提纯镭而获诺贝又因提纯镭而获诺贝 尔化学奖尔化学奖. 约里奥约里奥-居里夫妇居里夫妇(F. Joliot-Curie, 1900-1958, I. Joliot-Curie, 1897-1956, 右右)在实验室中在实验室中(1932年年) v 约里奥约里奥-居里夫妇是居里居里夫妇是居里 夫人的女儿、女婿夫人的女儿、女婿,他们错他们错 失了发现中子、正电子和失了发现中子、正电子和 核裂变的机会核裂变的机会.但仍于但仍于1935 年因发现人工放射性获得年因发现人工放射

5、性获得 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖. 22712 6 cMeV5 .931kg10539660. 1C)( 12 1 u1 m 原子核的质量常用原子质量单位原子核的质量常用原子质量单位(atomic mass unit) u表示表示,原子质量单位定义为自然原子质量单位定义为自然 界中碳最丰富的同位素界中碳最丰富的同位素 原子质量的原子质量的1/12.C 12 6 质子质量质子质量mp=1.007 276 u 中子质量中子质量mn=1.008 665 u 质量数为质量数为A的原子核质量近似为的原子核质量近似为Au. 一类具有确定质子数和核子数的中性原子一类具有确定质子数和核子数的中性原子 称为核素

6、称为核素(nuclide), 用用 表示表示.其中其中X为元素为元素 符号符号,Z和和A分别表示原子序数和原子质量数分别表示原子序数和原子质量数. X A Z 同位素同位素:质子数相同的不同核素质子数相同的不同核素. 同中子异位素同中子异位素:具有相同中子数具有相同中子数,不同质子数不同质子数 的异类核素的异类核素. 同量异位素同量异位素:质量数相同质量数相同,质子数不同的一类质子数不同的一类 核素核素. 同核异能素同核异能素:质量数和质子数相同而处于不质量数和质子数相同而处于不 同能量状态的一类核素同能量状态的一类核素. 同位素在自然界中的含量百分比称为同位素同位素在自然界中的含量百分比称为

7、同位素 丰度丰度(isotope abundance). 原子核半径与核子原子核半径与核子 数有近似关系数有近似关系 31 0 ARR 因此因此,原子核体积很小原子核体积很小,密度很大密度很大. 式中式中R0 1.2 10 -15m. 二二.原子核的结合能原子核的结合能 原子核质量总是小于组成原子核的核子质原子核质量总是小于组成原子核的核子质 量之和量之和,两者的差值称为质量亏损两者的差值称为质量亏损(mass defect).自由核子结合成原子核时释放的能自由核子结合成原子核时释放的能 量称为原子核的结合能量称为原子核的结合能(binding energy).任任 意一个核素意一个核素 的结

8、合能的结合能 E定义为：定义为：X A Z 式中式中 、 及及 分别表示氢分别表示氢 原子、中子及原子、中子及 原子的质量原子的质量. .X A Z X)( A Z Mn)( 1 0 MH)(1 1 M 21 0 1 1 X)(n)()(H)(X)(cMMZAZME A Z A Z u c E m MeVE ummmm um uuumm H dnp d np 002389. 0 225. 2 002389. 0 .013552. 2 015941. 2008665. 1007276. 1 2 2 1 根据 的光子，结合的过程释放能量为 质量亏损 两者的差值为实验测的为 构成。由一个中子和一个质

9、子氘元素 的大小可以作为核稳定性的量度的大小可以作为核稳定性的量度. . 比结合能曲线 原子核的结合能与该核核子数原子核的结合能与该核核子数A A的比值称为的比值称为 比结合能比结合能(specific binding energy) AE/ 获得原子能的途径：重核裂变、轻核聚变获得原子能的途径：重核裂变、轻核聚变 原子弹和氢弹就是分别利用重核裂变和轻原子弹和氢弹就是分别利用重核裂变和轻 核聚变原理研制出来的核武器核聚变原理研制出来的核武器. 图为投到广岛的原子图为投到广岛的原子 弹弹 “Little Boy”. 分别为中国第一颗原子弹分别为中国第一颗原子弹(1964年年)和第一颗氢弹和第一颗

10、氢弹 (1967年年)爆炸时产生的蘑菇云爆炸时产生的蘑菇云. 三三.原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩 原子核的角动量称为核自旋原子核的角动量称为核自旋(nuclear spin). 原子核角动量大小为：原子核角动量大小为： ,I为核自旋量子数为核自旋量子数,可以取半整数可以取半整数 或整数或整数. ) 1( I I IP 2h 角动量在空间某一方向的投影是量子化的：角动量在空间某一方向的投影是量子化的： I mP Iz mI为核自旋磁量子数为核自旋磁量子数.对于确定的对于确定的I 值值,mI 可取可取 I,I - 1,I - 2,- I + 1,- I,共共2I + 1个值个值. 原子核的

11、自旋与状态有关原子核的自旋与状态有关, ,激发态原子核激发态原子核 的自旋不一定等于基态的自旋的自旋不一定等于基态的自旋. .实验发现实验发现 基态时：基态时： 质子、中子数目质子、中子数目原子核的自旋原子核的自旋I 奇偶核或偶奇核奇偶核或偶奇核半整数半整数 偶偶核偶偶核零零 奇奇核奇奇核整数整数 原 子 核 不 仅 具 有 自 旋原 子 核 不 仅 具 有 自 旋 ,也 具 有 核 磁 矩也 具 有 核 磁 矩 (nuclear magnetic moment). 核磁矩一方面来自核子的自旋磁矩核磁矩一方面来自核子的自旋磁矩,另一另一 方面来自各核子的轨道磁矩方面来自各核子的轨道磁矩.但核磁

12、矩并但核磁矩并 不是各核子磁矩的简单相加不是各核子磁矩的简单相加. 核磁矩矢量与核角动量矢量成正比：核磁矩矢量与核角动量矢量成正比： I m e gP p 2 I N pp 22 IIIz gmm m e gP m e g Iz 其中其中mp为质子质量为质子质量,g称为朗德因子称为朗德因子(Lande g factor),或称原子核的或称原子核的g因子因子(g-factor),不同核不同核 的的g因子不同因子不同.核磁矩在核磁矩在z轴方向上的投影为：轴方向上的投影为： 称为核磁子称为核磁子(nuclear magneton),是核磁矩的是核磁矩的 单位单位.定义核磁矩大小为定义核磁矩大小为mI

13、 取取I 时的时的 Iz 值值,即即 gI N .质子磁矩大小为质子磁矩大小为2.793 N,并不是并不是“理所理所 当然当然”的为的为1 N(电子磁矩电子磁矩 1 B)；中子磁矩；中子磁矩 大小为大小为-1.913 N , 1- TJ100508. 5 2 27 p N m e 其中其中 并非并非“当然为零当然为零”(因为中子不带电因为中子不带电).这说这说 明：虽然中子整体不带电明：虽然中子整体不带电,但它内部还存但它内部还存 在电荷分布；在电荷分布； 质子和中子都不是几何的质子和中子都不是几何的 “点点”,而具有内部结构而具有内部结构. 四四. .核力核力 万有引力万有引力电磁力电磁力核

14、力核力 长程力长程力长程力长程力短程力短程力 弱相互作用弱相互作用 弱相互作用弱相互作用 强相互作用强相互作用 自然界中天然存在的核素自然界中天然存在的核素300多种多种.其中其中60多多 种是不稳定的放射性核素种是不稳定的放射性核素,他们会自发放出各种他们会自发放出各种 射线变成另一种核素射线变成另一种核素,这种现象称为原子核的放这种现象称为原子核的放 射性衰变射性衰变(radioactive decay),简称核衰变简称核衰变(decay). 13-2 原子核的放射性原子核的放射性 、衰变定律、衰变定律 核反应核反应 人工方法制造了人工方法制造了1600多种放射性核素多种放射性核素. 一一

15、. 放射性核素的衰变类型放射性核素的衰变类型 1. 衰变衰变 射线是高速运动的氦核射线是高速运动的氦核, 也称也称 粒子粒子. 衰变衰变 过程为：过程为： Q A Z A Z HeYX 4 2 4 2 衰变、衰变、 衰变和衰变和 衰变衰变 X X称母核称母核,Y,Y称子核称子核, ,Q Q为衰变过程放出的能量为衰变过程放出的能量. . Q A Z A Z HeYX 4 2 4 2 射线用途：研究原子和原子核结构的工具；射线用途：研究原子和原子核结构的工具； 确立原子核式模型确立原子核式模型, , 发现质子和中子。发现质子和中子。 衰变的位移定则：子核在周期表中比母核向衰变的位移定则：子核在周期

16、表中比母核向 前移两个位置。前移两个位置。 2262244 88862 RnHeRaQ 放射性核素自发地放射出放射性核素自发地放射出 射线或俘获轨道电子射线或俘获轨道电子 而变成另一个核素的现象称为而变成另一个核素的现象称为 衰变衰变。 2. 衰变衰变 主要包括主要包括 -衰变、衰变、 +衰变和电子俘获衰变和电子俘获. 0 11e XY AA ZZ eQ e - 衰变衰变母核自发放射出一个母核自发放射出一个 -粒子和一个粒子和一个 反中微子反中微子 ： 衰变的位移定则：子核在周期表中比母核向衰变的位移定则：子核在周期表中比母核向 后移一个位置。后移一个位置。 110 011e nHeQ +衰变

17、衰变母核自发放射出一个母核自发放射出一个 +粒子和粒子和 一个中微子一个中微子 ： e 0 11e XY AA ZZ eQ 衰变的位移定则：子核在周期表中比母核向衰变的位移定则：子核在周期表中比母核向 前移一个位置。前移一个位置。 衰变在只有少数人工放射性核素中发现。衰变在只有少数人工放射性核素中发现。 天然放射性核素中，尚未发现。天然放射性核素中，尚未发现。 110 101 Hn e evQ 电子俘获电子俘获母核俘获一个核外轨道电子母核俘获一个核外轨道电子, 同时放出一个中微子同时放出一个中微子 ： 0 11e XY AA ZZ eQ e Bi(铋)的的 能谱能谱 101 011 nH e

18、evQ 3. 衰变衰变 处于激发态的原子核在不改变其组成的情况下处于激发态的原子核在不改变其组成的情况下, ,以放出以放出 射射 线线( (光子光子) )的形式释放能量而跃迁到较低能级的现象。的形式释放能量而跃迁到较低能级的现象。 60Co(T1/2=5.27a) - 0.309(100%) 2.50Mev 1.33Mev 0 1 2 60Ni 式中式中 称为衰变常量称为衰变常量(decay constant), N0为为t=0时时 原子核的数目原子核的数目. t eNN 0 二二. 衰变规律衰变规律 1.核衰变服从的指数规律核衰变服从的指数规律衰变定律：衰变定律： dN N dt dN dt

19、 N 2.放射性活度放射性活度 00 d ee d tt N INNI t 式中式中I0是是t=0时的放射性活度时的放射性活度. I的单位：国际单位制中是贝可的单位：国际单位制中是贝可(Becquerel, Bq), 1Bq=1次核衰变次核衰变/秒秒. 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称 为该物质的放射性活度为该物质的放射性活度(activity)： () dN N dt 3.半衰期半衰期 693. 02ln T 0 0 2 T N NN e 半衰期半衰期T 与与 一样一样,是放射性核素的特征常量是放射性核素的特征常量. 原子核数目因衰变减少到

20、原来的一半所需的时间原子核数目因衰变减少到原来的一半所需的时间,称称 为半衰期为半衰期(half life). 见见 P313 13-4 生物机体内放射性原子核的衰变定律：生物机体内放射性原子核的衰变定律： bc () 00 ee tt NNN 其中其中 表示物理衰变常数，表示物理衰变常数， b生物衰变常数生物衰变常数 c= + b 称为有效衰变常量称为有效衰变常量(effective decay constant) 。 4.有效半衰期有效半衰期 三种衰变常数对应的半衰期为有效半衰期三种衰变常数对应的半衰期为有效半衰期Tc (effective half life).它与物理半衰期它与物理半衰

21、期T和生物半衰和生物半衰 期期Tb的关系为：的关系为： b 111 c TTT c= + b 5. 平均寿命平均寿命(mean life) 定义：每个核在衰变前平均能存在的时间定义：每个核在衰变前平均能存在的时间. - -, ttdtdN dNt :设在时间间隔内有个原子核衰变， 在个核中的每个核的寿命为 dNNdt Q -.dNt dN个核的总寿命为() 0 0 ()tdNt Ndt Nt Ndt 个母核的寿命总和为 0 0 1 1.44 ln2 Ntdt T T N 对于任一核素的平均寿命为：对于任一核素的平均寿命为： 0 0 Nt Ndt 个母核的寿命总和为 例例13-2已知镭的半衰期为

22、已知镭的半衰期为1600a,求它的衰变常求它的衰变常 数和数和1g纯镭的放射性活度。纯镭的放射性活度。 111 0.693 0.6930.693 1.4 10() 1600 365 24 3600 T s T Q 解：解： 2321 =,1 1 =6.022 10 =2.66 10 226 A Ag m NN A 镭的质量数为226镭含原子核个数 个 10 3.7 10 () dN INBq dt 在核医学中在核医学中, ,采用放射性物质做生物机体示踪剂采用放射性物质做生物机体示踪剂. . 三三 放射性核素的应用放射性核素的应用 诊断疾病：甲状腺功能异常、肠胃系统的诊断疾病：甲状腺功能异常、肠

23、胃系统的 吸收能力、扫描检查（肝脏、肾脏、吸收能力、扫描检查（肝脏、肾脏、 脑部等）脑部等） 治疗疾病：恶性肿瘤治疗疾病：恶性肿瘤放疗放疗 19861986年年4 4月月2626日，位于乌克兰北部，距首都基辅只日，位于乌克兰北部，距首都基辅只 有有140140公里切尔诺贝利核电站爆炸。公里切尔诺贝利核电站爆炸。 据估算，核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本据估算，核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本 广岛原子弹爆炸产生的放射污染的广岛原子弹爆炸产生的放射污染的100100倍。爆炸使倍。爆炸使8 8吨多吨多 强辐射物质泄露，尘埃随风飘散，致使俄罗斯、白俄罗强辐射物质泄露，尘埃随风飘散，致使俄罗斯

24、、白俄罗 斯和乌克兰许多地区遭到核辐射的污染。斯和乌克兰许多地区遭到核辐射的污染。 堵住污染源头是一项艰巨的任务，而清除核辐堵住污染源头是一项艰巨的任务，而清除核辐 射尘埃则是另一项艰巨的任务。一年之后，切尔诺射尘埃则是另一项艰巨的任务。一年之后，切尔诺 贝利核泄漏事故中最先遇难的核电站工作和消防员贝利核泄漏事故中最先遇难的核电站工作和消防员 被转移在莫斯科一处公墓内，安葬他们用的是特制被转移在莫斯科一处公墓内，安葬他们用的是特制 的铅棺材！因为他们的的遗体成为了足以污染正常的铅棺材！因为他们的的遗体成为了足以污染正常 人的放射源。人的放射源。 核尘埃几乎无孔不入。核放射对乌克兰地区数核尘埃几

25、乎无孔不入。核放射对乌克兰地区数 千万平方公里的肥沃良田都造成了污染。千万平方公里的肥沃良田都造成了污染。 永远的噩梦永远的噩梦 乌克兰共有乌克兰共有250250多万人因切尔诺贝利而身患各种疾病，多万人因切尔诺贝利而身患各种疾病， 其中包括其中包括47.347.3多万名儿童。多万名儿童。 据专家估计，完全消除这场浩劫对自然环境的据专家估计，完全消除这场浩劫对自然环境的 影响至少需要影响至少需要800800年，而持续的核辐射危险将持续年，而持续的核辐射危险将持续1010 万年。万年。 在经济上，可能达数百亿美元。在经济上，可能达数百亿美元。 1908年因研究元素的年因研究元素的 蜕变和放射化学获

26、诺蜕变和放射化学获诺 贝尔化学奖贝尔化学奖. 卢瑟福卢瑟福(E. Rutherford, 1871-1937)英籍新西英籍新西 兰物理学家兰物理学家. 居里夫妇居里夫妇(P. Curie, 1859-1906, 右右,法国物法国物 理学家；理学家；M. Curie, 1867-1934, 左左,法籍波法籍波 兰物理学家兰物理学家) 1903年年 因对贝克勒尔发现的因对贝克勒尔发现的 辐射现象作出了卓越辐射现象作出了卓越 贡献贡献,其中包括发现了其中包括发现了 钋和镭获诺贝尔物理钋和镭获诺贝尔物理 学奖学奖.居里夫人居里夫人1911年年 又因提纯镭而获诺贝又因提纯镭而获诺贝 尔化学奖尔化学奖. 同位素同位素:质子数相同的不同核素质子数相同的不同核素. 同中子异位素同中子异位素:具有相同中子数具有相同中子数,不同质子数不同质子数 的异类核素的异类核素. 同量异位素同量异位素:质量数相同质量数相同