高中物理实用辞典-同位素学案

1、高中物理实用辞典-同位素【同位素】同属一种元素（即核电荷数相同）但具有不同的质量数的原子。它们彼此之间的化学性质几乎相同，在周期表中占同一位置。每一种元素包括几种同位素。同位素的表示是在该元素符号的左上角（有时在右上角）注明质量数。需要时可同时在左下角（或右下角）注明核性同位素及人工放射性同位素在内，已达2000种左右。【放射性同位素】具有放射性的元素，叫做放射性同位素。根据放射性同位素的性质和特点，人们利用放射性同位素解决了很多技术上的问题，在工农业生产和医药卫生各方面都起着重要的作用：（1）利用射线的穿透性质来检查金属制品内部的缺损，测量物体的密度和厚度。例如，对金属板进行探伤时，就要选用

2、穿透本领强的射线的同位素。如钴60或钽182都是放出射线的同位素。（2）利用射线的电离本领来消除工业上有害的静电积累。这时应用电离本领较大的或射线。（3）利用射线的生理效应来消毒杀菌和医治肿瘤。（4）示踪原子的应用。在物质中加入少量的放射性同位素而追踪探索，如用放射性同位素检漏、研究机械部件的磨损、分析农业上的肥效，炼钢中的去硫和去磷过程等。对于需要长时间的示踪工作，就要选择半衰期较长的同位素。（5）辐射育种和辐射保鲜等工作。【射线】也称“甲种射线”。是放射性物质所放出的粒子流。它可由多种放射性物质（如镭）发射出来。粒子的动能可达几兆电子伏特。从粒子在电场和磁场中偏转的方向，可知它们带有正电荷

3、。由于粒子的质量比电子大得多，通过物质时极易使其中的原子电离而损失能量，所以它能穿透物质的本领比射线弱得多，容易被薄层物质所阻挡。从粒子的质量和电荷的测定，确定粒子就是氦的原子核。【射线】也称“乙种射线”。它是由放射性原子核所发出的电子流。电子的动能可达几兆电子伏特以上，由于电子质量小，速度大，通过物质时不易使其中原子电离，所以它的能量损失较慢，穿透物质的本领比粒子强。实质上它是高速运动的电子流。【射线】射线与X射线、光、无线电波一样，为一种电磁辐射，是原子核内所发出的电磁波。原子核从能量较高的状态过滤到能量较低的状态时所放出的能量常以射线形式出现。射线也称为“丙种射线”。带电粒子的轫致辐射，

4、基本粒子转化过程中发生的湮没，以及原子核的衰变过程中都产生射线。它的穿透本领极强。【衰变】原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化叫做原子核的衰变。大量的同种原子核由于衰变过程，原状态的核数目不断减少，新核的数目不断增加。如衰变、衰变等。对个别核来说，这种衰变以一定的几率发生（见半衰期）。此外，不稳定的基本粒子转变为新粒子的过程也称为衰变。【衰变】不稳定的重原子核，自发放出粒子的衰变叫做衰变。例如，-238核放出粒子变成钍-234核的衰变，即为衰变，可用方程表示为由此可见，衰变的规律是：新核的质量数比原核的质量数减少4，新核的电荷数比原来核的电荷数减少2，所以新核在元素周期表中的位置要向前移两

5、位。衰变的半衰期与所放射的粒子的能量密切有关，原子核发射出的粒子能量越大，它的半衰期越短。在衰变中往往有辐射伴随发生。【衰变】放射性原子核放射电子（粒子）和中微子而转变为另一种核的过程。放出正电子的称为“正衰变”，放射负电子的称为“负衰变”。在正衰变中，核内的一个质子转变成电子，在负衰变中，核内的一个中子转变为质子。因为粒子就是电子，而电子的质量比起核的质量来要小很多，所以一个原子核放出一个粒子后，它的质量数不变。电子的质量数是零，电荷数是-1。可以用可用方程表示为由此可见，衰变的规律是：新核的质量数不变，电荷数增加1，新核在元素周期表中的位置要向后移一位。衰变中放出的电子能量是连续分布的，但

6、对每一种衰变方式有一个最大的限度，可达几兆电子伏特以上。此外电子俘获也是衰变的一种。【半衰期】在放射性衰变过程中，放射性元素的核数减少到原有核数的一半时所需的时间。半衰期是放射性元素的一个特性常数，一般不随外界条件的变化，元素所处状态（游离态或化合态）的不同、或元素质量的多少而改变。每一种放射性元素都有一定的半衰期，不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如，氡-222变为钋-218的半衰期为3.8天，镭-226变为氡-222的半衰期为1620年，铀238变为钍-234的半衰期是4.5×109年。因此，放射性元素经过一个半衰期后其核数余存一半，经过两个半衰期后其核数余存四分之

7、一。短的半衰期仅有几千万分之一秒。长者可达数亿年（如钍Th）的衰变半衰期可达139亿年，（即1.39×1010年）。原子核的衰变规律是：N=N0e-t，这里的N0是初始时刻（t=0）时的原子核数，为衰变常数，N为衰变后留下的原子核数。由此可以导出半衰期T和衰变常数的关系，即故  T=ln2/=0.693/。由元素的半衰期可以计算出岩石结构及其年龄。【云室】在原子核物理研究中观测微观粒子径迹的仪器，由英国物理学家威尔逊于1911年发明。故又称为威尔逊云室。威尔逊云室的作用是以体中的离子作为气体的凝结核（凝结中心）。如果在云室中充满空气、水和酒精的饱和蒸气。若使云室中的主体突然

8、膨胀而变冷，这时室中的蒸气达到饱和状态。此时如有带电粒子进入云室主体，在它经过的路程上产生离子时，则过饱和蒸气即在离子的周围凝成雾滴，在适当的照明下，就能看到或拍到粒子运动的径迹。根据径迹的长短、浓淡，以及在磁场中的弯曲程度等可以分辨粒子的种类和性质（如质量、电荷和能量）。通过间接的分析也可以测定不带电的粒子。这种云室有时也称为“膨胀云室”。威尔逊云室的示意图如图5-7所示。C是一个圆筒状的容器，里面盛有气体和水或任何液体的饱和汽。圆筒上面用一玻璃窗O封闭起来。活塞P能够在圆筒C内移动。当活塞P迅速下降时，气体绝热地膨胀，结果气体变冷，而形成汽体的过饱和状态。如果将极少量的放射性制品R引入容器

9、中，则放射性物质放射出的粒子在自己的轨道上使气体电离，因而使粒子的路径上形成雾滴的凝聚，致使轨迹为可见的。 【计数器】是一种常用的原子核辐射探测器。适用于不同的用途，有各种不同的结构和型式。常见的一种是在一玻璃管内，装一个金属圆筒作为阴极，在其轴线上有一细钨丝作为阳极，管内充以惰性气体（如氩）和少量有机气体或卤素气体（如乙醚、溴等），并在两极之间加上适当的电压。如果有带电粒子或光子射入管内使气体分子电离，所产生的电子就向阳极运动，同时在强电场的加速下，与更多的气体分子和碰撞，并使它们电离而产生大量电子。这些电子由阳极收集后在外部电路中形成一个脉冲电压，记录这种脉冲发生的次数，便可获知

10、射入管内的粒子数目。此种计数器应用很广。另一种是正比计数器，结构和前者相似，但所加电压较低，产生的脉冲电压大小与入射粒子的能量近似成正比，主要应用在科学研究中。【电离室】一种测量电磁辐射或粒子流强度或测量短射程带电粒子（如粒子）能量的仪器。在一个充有气体（如氩、空气等）的密封容器内装两个电极，其上加有几百伏特的电压。（1）当带电粒子、X射线或射线进入容器后，使电极间的气体电离而产生正负离子，这些离子分别向两极运动而形成电流。用测量仪器测出电流的大小，就可以推知粒子流的强度或物质所受X射线或射线照射的剂量。这种是“电流电离室”或“累积电离室”。（2）当短射程带电粒子进入后，将在两极间消耗其全部能

11、量于使气体电离，所产生的正负离子分别到达两极，使它们间的电势发生改变（“脉冲电压”）。测量出脉冲电压的大小和数目，就可推知带电粒子的能量和数量。这种是“脉冲电离室”。【核乳胶】记录带电微观粒子运动径迹的一种特制照相乳胶。这种方法，是根据带电粒子穿过照相乳胶时，使乳胶粒子内的溴化银分解。因此，在厚的照相乳胶层中，显影像后得到的粒子轨道痕迹是一个跟一个的黑点。核乳胶层比一般照相乳胶层厚，溴化银的含量更多，且颗粒细，分布均匀。作为一种核物理实验中的径迹探测器、核乳胶的优点是体积小、轻便、能将高能粒子的径迹永久保存等。故常用于高空宇宙射线和基本粒子的研究方面；其缺点是根据径迹测量粒子能量时精确度较低。

12、核乳胶经适当处理后，也可用来记录不带电粒子，如中子等。【质子】质子是带正电的基本粒子，常用符号P来表示。质子是氢的原子核，也是其它任何原子核的组成部分。原子核中所含质子的数目就是该核的原子序数Z。质子的静止质量为1.673×10-27kg（千克），电量为1.602×10-19C（库仑），半径约为0.8×10-15m（米）。质子的自旋量子数（简称自旋）为1/2。1919年英国物理学家卢瑟福用天然放射性产生的粒子轰击氮的原子核，核反应方程为这是第一次用人工方法使原子核发生变化，实验中产生的新粒子但所带电荷符号相反。质子和反质子相遇时发生质子对“湮没”而转变为其他的基本

13、粒子。我们说，质子是氢的原子核，是指普通氢（即只含一个质子而没有中子的核）。氢还有两种同位素。即氘（重氢）和氚（超表示。显然氘核中包含1个质子和1个中子。而氚核中包含1个质子和2个中子。【布拉凯特】Blaskett， Ratrik Maynard Stuart（18971974年）英国物理学家。1948年诺贝尔物理学奖的获得者。他用威尔逊云室观测和研究粒子轰击氢、氦、氮等元素原子核的情况，并成功地从氮原子核中击出质子。还从事宇宙射线中高能粒子的研究。证明了C·D·安德森所发现的正电子。第二次世界大战期间从事军事技术研究以对付德国的U型导弹。【闪烁计数器】由透明荧光体和光电倍

14、增管以及有关电子仪器组成的记录原子核辐射的仪器。当一个粒子射入荧光体，其能量被吸收后，荧光体便发出一次为时极短（无机荧光体约为10-610-7秒；有机的约10-810-9秒）的闪光，再经光电倍增管转变一个电脉冲，最后由电子仪器记录下来。采用的荧光物质多种多样，有某些无机或有机化合物的单晶、塑料、有机溶液等。目前常用的荧光体是单晶体。其光学性能较好。且它们对于自己的特征荧光都是透明的。常用的无机晶体有碘化钠（加铊）、钨酸镉、钨酸钙等，有机晶体有萘、蒽、反式 等。射线产生荧光的过程基于射线对物质中电子的激发。电子吸收射线的能量以后跃迁到较高的激发能级，电子从激发能级恢复到正常状态时可能发射荧光，也

15、可能以别的方式把能量放出。在荧光物质中前者的几率大。闪烁计数器的主要优点是其分辨时间短和效率高。根据脉冲的大小，还可用以测定粒子的能量。【半导体探测器】近些年来发展的一种新型核辐射探测器。它的特点是能量分辨本领好，分辨时间快。常用的半导体探测器有两种类型：（1）金硅面垒型，它是在一块n型硅单晶片上喷涂一层金膜，在金硅交界面附近形成一个高阻区。也就是形成一个非常薄的P型反型层，接线从底面和靠近交接部分的表面引出。形成一个半导体二极体。如果加上一个方向偏压，在二极体交接部分的电场使得只有微弱的电流能通过。在靠近交接部分的两边有一个所谓耗尽层的区域，所有反向偏电压都加在这个区域。耗尽层是半导体射线探

16、测器的灵敏部分，如果射线穿过这部分，产生载流子，它们就会被收集，和气体电离室的情形一样。（2）锗（或硅）锂漂移型探测器。它是使适量的锂均匀地漂移进一块P型锗（或硅）单晶，形成高阻区。使用时探测器接上反向电压，当有射线进入高阻区时，损耗能量产生电子空穴对，在电场作用下，电子、空穴被收集，就有电信号输出，再用电子仪器记录。其中金硅面垒探测器适用于测量带电粒子。锗（或硅）锂漂移探测器测量射线、X射线等的能量分辨率特别好，但必须要在低温（77K）真空条件下工作。一般必须用液态氮冷却真空条件下工作。一般必须用液态氮冷却条件下使用。近代也曾把此种探测器放在火箭中升到太空做宇宙射线的探测和研究，在化学方面用

17、来做化学分析后的放射性物质的精密测定。由于半导体探测器的体积小，将来会在医学上得到广泛的应用。【核反应】利用天然放射性的高速粒子或利用人工加速的粒子去轰击原子核时，由于相互作用而产生各种变化的过程叫做核反应。在核反应过程中将有能量放出或吸收。所放出或吸收的能量叫做反应能。放出能量的核反应叫做放能反应，吸收能量的核反应叫做吸能反应。历史上轰击氮，产生了的核反应。现在利用各种加速器和原子核反应堆，能进行上万种核反应，由此获得了千余种放射性同位素和各种介子、超子、反质子、反中子等基本粒子。任何核反应的过程都遵守能量、动量、质量和电荷等守恒定律。这方面的研究对于了解原子核的结构，基本粒子间的相互作用。

18、以及探索新的能源等方面都有重大意义，通过裂变反应而释放出来的巨大能量在技术上已能加以控制和利用。要发生吸能反应，入射粒子的能量必须大于阈能。阈能的值大于反应能。如果入射粒子的能量小于阈能，吸能反应就不能发生。反应能的量值和符号，可以按爱因斯坦相对论的质能关系式加以确定。如果引起反应的粒子和靶核的静止质量分别为Ma和Mx，反应后产物的静止质量分别为Mb和My，根据质量守恒定律应满足下式：Mx+Ma=My+Mb+m如果m0，则在反应中是放出能量的。反之，当m0时，反应将吸收能量。反应中放出或吸收的能量为E=mc2。【约里奥-居里】 Joliot-Curie， Jean Frederic（19001958年）法国物理学家。物理学家居里夫妇的女婿。对原子核物理学有重要贡献。1932年和他的妻子伊丽夫-居里（18971956年）合作，用放射性元素钋（Po）所产生的射线轰击铍、锂、硼等元素，发现了前所未见的穿透性强的辐射