第十四章原子核和放射性

1、第十四章 原子核和放射性14-2 14-2 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变14-3 14-3 核衰变的规律核衰变的规律14-4 14-4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用14-5 14-5 放射性的探测、剂量与防护放射性的探测、剂量与防护14-1 14-1 原子核的结构和性质原子核的结构和性质14-6 14-6 放射性核素的医学应用放射性核素的医学应用14-1 原子核的结构和性质质子质子: :带一个单位的正电荷带一个单位的正电荷中子中子: :不带电的粒子不带电的粒子一、原子核的组成和性质一、原子核的组成和性质1.1.核子核子-27p1.6726231 10kgm -27n1.67

2、49286 10kgm * *原子核中有一种强大的核力，将核子紧密地原子核中有一种强大的核力，将核子紧密地束缚在一起。束缚在一起。 原子质量单位原子质量单位: :取：取： 原子质量的原子质量的1/121/12，为，为1 1个原子质量单位个原子质量单位126C2.2.原子核的质量：原子核的质量：-271u1.6606 10kg原子核的质量数原子核的质量数A：原子的质量以原子的质量以“原子质原子质量单位量单位”量度时，接近某一整数；质量数实际量度时，接近某一整数；质量数实际上就是原子核内质子数和中子数的和。上就是原子核内质子数和中子数的和。 pn1.007276u,1.008665umm二、原子核

3、的性质2.2.原子核的半径原子核的半径:(:(只有原子半径的万分之一）只有原子半径的万分之一）130Rr A150(1.2 10m)r（X代表与代表与Z对应的元素符号）对应的元素符号）1.1.核电荷数核电荷数Z：元素的原子序数元素的原子序数 eqZXAZ原子核的表示：原子核的表示： 3.3.核子间存在核力作用：核子间存在核力作用：短程力短程力, , 再在再在10101515m范范围内才起作用。围内才起作用。4.4.核能级是量子化的：原子核处在不同的能量状核能级是量子化的：原子核处在不同的能量状态，可以跃迁。态，可以跃迁。130Rr A33173300uu2.3 10 kg m444333mmA

4、Vrr Ar三、放射性核素和同位素1.1.核素：原子序数核素：原子序数Z、中子数、中子数N、质量数、质量数A都相同都相同的一类原子。的一类原子。2.2.一些原子能自发地放出射线。一些原子能自发地放出射线。* *所有原子序数大于所有原子序数大于8383的天然存在的元素都具有的天然存在的元素都具有放射性。放射性。 3.3.同位素：同一种元素的原子核内含有的核子不同位素：同一种元素的原子核内含有的核子不相同。即：质子数相同，但中子数不同。相同。即：质子数相同，但中子数不同。 4.4.同质异能素：处于激发态、寿命较长的核素同质异能素：处于激发态、寿命较长的核素 Tc99m43（左上角带（左上角带m表示

5、原子核处于激发态）表示原子核处于激发态） 四、结合能 原子核的稳定性1.1.结合能和质量亏损：结合能和质量亏损：质量亏损：原子核的静止质量要比组成它的核质量亏损：原子核的静止质量要比组成它的核子的静止质量总和少一些，这些减少的质量就是子的静止质量总和少一些，这些减少的质量就是质量亏损。质量亏损。结合能：核子和核子结合成原子核时，释放能结合能：核子和核子结合成原子核时，释放能量量, ,且和质量亏损有关。且和质量亏损有关。2Emc 2pn()ZmA Z mmc931.5(MeV)m平均结合能越大，原子核分解为单独的核子平均结合能越大，原子核分解为单独的核子所需要的能量就越大，原子核就越稳定。所需要

6、的能量就越大，原子核就越稳定。2.2.原子核的稳定性原子核的稳定性平均结合能平均结合能EA4He6Li7Li8Be10B11B14N12C16O20Ne24Mg9876543210 4 12 20 28 30 50 100 150 200 240/ MeV3HeE/A原子核的平均结合能曲线原子核的平均结合能曲线4He6Li7Li8Be10B11B14N12C16O20Ne24Mg3He* *中等质量原子核与轻核或重核相比，平均结合能中等质量原子核与轻核或重核相比，平均结合能大，稳定。大，稳定。* *原子核内的质子和中子数都是偶数时，原子核最原子核内的质子和中子数都是偶数时，原子核最稳定。稳定。

7、* *重核和核内质子中子比例失调的原子核不稳定。重核和核内质子中子比例失调的原子核不稳定。1.1.核衰变：放射性核素自发进行各种方式的变化。核衰变：放射性核素自发进行各种方式的变化。 * *母核母核X: :衰变前的原始核。衰变前的原始核。 * *子核子核Y: :衰变后，形成的新的原子核。衰变后，形成的新的原子核。 * *衰变能衰变能Q:衰变时释放出的能量。衰变时释放出的能量。14-2 原子核的放射性衰变2.2.核衰变的规律核衰变的规律: :衰变过程中衰变过程中, ,严格遵守质量、能严格遵守质量、能量、动量、电荷和核子数的守恒定律。量、动量、电荷和核子数的守恒定律。3.3.易产生衰变的原子核易产

8、生衰变的原子核: :重核重核; ;核内质子数与中子核内质子数与中子数比例失调数比例失调; ;大多数人造核素。大多数人造核素。一、衰变1.1.衰变：原子核放射出氦核的衰变。衰变：原子核放射出氦核的衰变。衰变的位移定则衰变的位移定则 0.185MeV 14.785MeV 24.6MeV Rn（氡氡） 86 222 Ra（镭）镭） 88 2264422XYHeAAZZ+Q* *衰变能被子核和衰变能被子核和粒子共同分粒子共同分享享; ;其中绝大部分转化为其中绝大部分转化为粒子粒子的动能，子核所占的动能很小。的动能，子核所占的动能很小。* *多数子核处于激发态或基态，多数子核处于激发态或基态，粒子的能粒

9、子的能谱是不连续的线状谱，谱是不连续的线状谱，而且常伴有而且常伴有射线射线 。 二、 衰变和电子俘获1.1.- -衰变：核内中子数过多，质子数少时，其中衰变：核内中子数过多，质子数少时，其中的一个中子会自动转变为质子，原子核发射出一的一个中子会自动转变为质子，原子核发射出一个电子和一个反中微子。个电子和一个反中微子。实质：实质：011001np+ +Q001XY+ +AAZZQ中微子是一种基本中微子是一种基本粒子粒子，不带电，质量极小，几乎不与其，不带电，质量极小，几乎不与其他物质作用，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大他物质作用，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过

10、我们眼睛的中微子数以十亿计量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计 2.2.衰变：核内质子数过多，中子数少时，其衰变：核内质子数过多，中子数少时，其中的一个质子会自动转变为中子，原子核发射中的一个质子会自动转变为中子，原子核发射出一个正电子和一个中微子。出一个正电子和一个中微子。010XY+ +AAZZQ实质：实质：110100pn+ +Q3.3.电子俘获：核内质子数过多，中子过少，质电子俘获：核内质子数过多，中子过少，质子也可以俘获一个核外电子，发射中微子，而子也可以俘获一个核外电子，发射中微子，而转变成中子。转变成中子。00110X+eYAAZZ+Q* *若母核俘获若母核俘获K层电子

11、称层电子称K俘获俘获，同理有，同理有L俘获和俘获和M俘获。俘获。K层最靠近原子核，层最靠近原子核，K俘获概率最大。俘获概率最大。三、 衰变和内转换1.1.衰变衰变: :原子核原子核发生发生、+ +衰变后，子核衰变后，子核能量较高，子核从高能量较高，子核从高激发态激发态向低激发态或向低激发态或基态基态跃跃迁对外发射迁对外发射光子，形成光子，形成射线。射线。2.2.内转换：原子核从激发态向较低能级跃迁时，内转换：原子核从激发态向较低能级跃迁时，不辐射不辐射光子，而是把能量直接交给内层电子，光子，而是把能量直接交给内层电子，使电子（使电子（内转换电子内转换电子）飞出原子。）飞出原子。mXX+AAzz

12、14-3 核衰变的规律 单位时间内衰变掉的母核数单位时间内衰变掉的母核数dN/ /dt（即衰变率）即衰变率）与现有的母核数与现有的母核数N在数量上成正比。在数量上成正比。1.1.放射性衰变定律：放射性衰变定律：一、指数衰变定律一、指数衰变定律ddNNt 0etNN2.2.衰变常量衰变常量：由原子核本身性质决定，与其化学状态无关，由原子核本身性质决定，与其化学状态无关，不受温度、压力等物理因素的影响。不受温度、压力等物理因素的影响。每一种放射性核素都有各自的每一种放射性核素都有各自的值。值。表征衰变快慢的物理量，表征衰变快慢的物理量，越大，衰变越快。越大，衰变越快。若一种核素同时发生若一种核素同

13、时发生n 种类型的核衰变，则种类型的核衰变，则多种衰变同时进行，互不影响：多种衰变同时进行，互不影响：12n二、半衰期和平均寿命用半衰期表示衰变方程用半衰期表示衰变方程:00e2TNN1.1.半衰期半衰期: :可得：可得：ln20.693Tln2001e2t TtTNNN2.2.有效半衰期：有效半衰期： 当放射性核素引入体内时，将同时参与两种当放射性核素引入体内时，将同时参与两种衰变：生理衰变和物理衰变衰变：生理衰变和物理衰变eb由：由：0.693T可得：可得：eb111TTT设设0 0时刻核子数目为时刻核子数目为N0 0个，到时间个，到时间t 还有还有N个个全部核子的总寿命为：全部核子的总寿

14、命为：0dNt t则则N0 0个核子总的平均寿命为：个核子总的平均寿命为：3.3.平均寿命平均寿命 ：从从t t到到t t+d+dt t时刻，衰变掉的核子数为时刻，衰变掉的核子数为ddNN t这这dN个核子的总寿命：个核子的总寿命：ddt NNt t00000111ded1.44ln2tTNt tNt tTNN三、放射性强度1.1.放射性强度（放射性强度（放射性活度放射性活度）: :描述放射性强弱描述放射性强弱的物理量的物理量, ,等于单位时间内衰变的核子数目。等于单位时间内衰变的核子数目。ddNANt 0etN0etA或或: :ln20001ee2t TttTAAAA2.2.国际单位：贝可国

15、际单位：贝可: :11Bq =1s居里：居里： 1013.7 10CiBq例题镭的半衰期是镭的半衰期是16001600年，求年，求1 1g纯镭的放射性活度。纯镭的放射性活度。11110.6930.693s1.4 10s1600 365 24 3600T1123A11.4 106.02 10 Bq226mANNM103.7 10 Bq1Ci例题417211.92 101.41 103.91 100.6930.693ATN解：解：440.52Ci0.52 3.7 10 Bq 1.92 10 BqA=99174.47 10 =4.47 10365 24 3600 s 1.41 10 sTa23892U 一铀一铀 放射性样品，质量为放射性样品，质量为5.765.76g，实实测得放射性活度为测得放射性活度为0.520.52CiCi， 半衰期为半衰期为4.474.4710109 9年，求该样品中铀年，求该样品中铀 的百分含量。的百分含量。23892U23892U21A233.91 102380.26926.9%6.02 105.76NMNmmm总总四、放射平衡1.1.放射系：放射性核素衰变后，生成的新核素仍放射系：放射性核素衰变后，生成的新核素仍然不稳定，又会立刻开始衰变，发射自己的射线然不稳定