原子核与放射性

关于原子核与放射性第一页，共二十八页，2022年，8月28日1.原子核的组成一、原子核的组成、质量和大小核子：质子＋中子A核子数、质量数Z电荷数、质子数、原子序数X相应原子的元素符号N中子数＝A-Z第一节原子核的基本性质第二页，共二十八页，2022年，8月28日2.原子核的质量原子的质量等于原子核的质量加上核外电子的质量减去相当电子全部结合能的数值。但是一般电子组成原子的结合能很小，可以忽略不计。在原子核物理中，常把12Ｃ原子质量的1/12作为质量单位即原子质量单位（atmoicmassunit)记作amu或u1u=1.66055×10-27kg

质子

中子 电子质量/kg1.673×10-27

1.675×10-279.109×10-31相对质量 1.007

1.008

1/1836近似整数值

1

1

忽略不计

电量/C1.602×10-19

0

1.602×10-19第三页，共二十八页，2022年，8月28日核素核素（nuclide):Z和A都相同的原子核称为某种核素。核子组分不同（Ｚ不同，Ｎ也不同）的各种原子核的统称目前已知的元素（包括人工合成的）共107种，而核素却有2300多种元素：具有相同质子数的一类原子的总称。核素：具有一定质子数和一定中子数的一种原子。同位素：同种元素的不同种核素间的互称。C614C612元素、核素和同位素的关系H11H12H13互为同位素核素1核素2某种元素……第四页，共二十八页，2022年，8月28日核素（1）同位素（isotope)（3）同量异位素（2）同中子异位素核素（nuclide):Z和A都相同的原子核称为某种核素。核子组分不同（Ｚ不同，Ｎ也不同）的各种原子核的统称目前已知的元素（包括人工合成的）共107种，而核素却有2300多种

质子数相同而中子数不同的一类核素，在元素周期表中处于相同的位置。

中子数相同而质子数不同的一类核素

质量数相同，质子数不同的一类核素原子核按组成分为三类第五页，共二十八页，2022年，8月28日3.原子核的大小通过α粒子散射实验，证明原子核的形状近似球形，其半径小于10－15m,通过精确测定，原子核的半径同质量数的关系为：其中R0是一个常数，为1.2×10-15m原子核的体积为：原子核的密度为：因此，原子核的体积与核子数成正比，而各种原子核密度相同，与核子数无关第六页，共二十八页，2022年，8月28日

由核子构成的原子核，虽然质子间存在静电排斥力，却结合得非常紧密，因此核子间必然存在强大的吸引力，这种使核子紧密结合在一起的力称为核力。现在某些方面至今还未认识清楚，从目前的理论和实事，可以说明核力具有以下性质：（4）核力与电荷无关（1）核力是短程力因为核力既能把带电的质子束缚在原子核中，也能把不带电的中子束缚在原子核中，促成质子和中子成双成对地结合。核力的作用范围只有10-15m的数量级。一个核子所能相互作用的其他核子的最大数目是有限制的。（2）核力是强相互作用（3）核力具有饱和性（5）核力极短程内存在斥心力核子不能无限靠近。第七页，共二十八页，2022年，8月28日7原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和实验测定表明：原子核的质量总小于组成它的核子质量之和，其质量差，即损失了一部分质量:

通常把这部分损失的质量，称为质量亏损(massdefect)质能方程：这个能量称为原子核的结合能（bindingenergy)三、原子核的结合能及质量亏损第八页，共二十八页，2022年，8月28日

质子和中子组成核的过程中，有能量E释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收E的能量。氘核吸收E能量后分解为质子和中子E氘质子中子爱因斯坦H12第九页，共二十八页，2022年，8月28日原子核的稳定性原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。核子在结合成原子核时要放出大量的结合能，反之，如果想要使原子核内的核子重新分裂出来，需要供给同样多的能量。因此，核子结合过程释放的能量越大，其核就越稳定，（能量越低越稳定），对于不同的原子核其稳定性不相同。通常用每个原子的平均结合能来反映原子核的稳定程度，即比结合能核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。第十页，共二十八页，2022年，8月28日

核素中，原子序数很高的重元素，如铀（Ｕ）、镭（Ｒa）等，不稳定的原子核自发地过渡到稳定的原子核的变化过程称为原子核的衰变。

质能守恒定律动量守恒定律电荷守恒定律核子数守恒定律衰变过程遵守的定律定义1.衰变2.衰变3.衰变衰变的类型第二节原子核的衰变类型第十一页，共二十八页，2022年，8月28日一、

衰变1.定义２.衰变方程

某些原子核，由于核子数(质量数)过多，在衰变过程中，放出一个粒子而变成另一种原子核的过程称为衰变。衰变能用Ｘ代表衰变前的母体原子核，Ｙ代表衰变后形成的子体原子核,42He

γ质量数守恒，不是质量守恒第十二页，共二十八页，2022年，8月28日由于衰变过程是不稳定的原子核变成稳定的原子核的自发过程，因此Q>0即：

第十三页，共二十八页，2022年，8月28日

粒子特性

粒子实质上是He原子核；

衰变发生在原子序数大于82的重元素核素；在空气中的射程约为３-８cm，mm；因其射程短，一张纸即可阻挡；

粒子的电离能力很强。射线是大量放射性核素进行衰变的产物，是高速的He原子核组成的粒子束流。对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在的优势。第十四页，共二十八页，2022年，8月28日二、衰变三种形式：－衰变＋衰变轨道电子俘获1.－衰变（1）定义

某些原子核，由于中子数过多，放出一个－

粒子和一个反中微子而变成另一种原子核的过程称为－衰变。（2）条件

(a)中子数过多(b)－

粒子－1e（负电子)β－γnp+e-反中微子：中微子的反粒子。反中微子是中微子对应的反物质粒子，其性质跟中微子正好相反。它是一种非常轻的中性带电粒子。第十五页，共二十八页，2022年，8月28日β-粒子的特性β-粒子实质是负电子；衰变后质量数不变，原子序数加１；β-粒子的能量分布从0～最大具有连续能谱，穿透力比

粒子大；电离能量比

粒子弱，能被铝和机体吸收；通常说的放射性核素就是-放射性核素。医学中常用32P、3H、14C等β-射线是大量放射性核素进行β-衰变的产物。并且其能谱是连续的。在软组织中的射程仅为几厘米，可用于治疗，如碘治疗甲亢。

第十六页，共二十八页，2022年，8月28日2.＋衰变（1）定义

某些原子核，由于质子数过多，放出一个＋粒子和一个中微子而变成另一种原子核的过程称为＋衰变。（2）条件

(a)质子数过多(b)＋

粒子＋1e（正电子)β＋γp

n+e+第十七页，共二十八页，2022年，8月28日β＋粒子的特性β＋粒子实质是正电子；衰变后子核质量数不变，但质子数减１；

β＋也为连续能谱；β＋射线

是正电子组成的粒子束流，停下来后会与电子发生湮没反应，转化成一对γ光子。

天然核素不发生β＋衰变，只有人工核素才发生；第十八页，共二十八页，2022年，8月28日（1）定义

某些原子核可以俘获一个轨道电子使核内的一个质子转换成中子和一个中微子的过程称为轨道电子俘获。（2）条件

质子数过多

3.轨道电子俘获标识X射线Auger电子γp+e-n轨道电子俘获使原子处于激发态第十九页，共二十八页，2022年，8月28日三、

衰变和内转换1.

衰变

处于激发态的原子核在不改变其组分的情况下跃迁至稳定的基态，同时放出粒子的过程.注：衰变通常伴随着衰变和β衰变γ粒子就是光子，是从原子核内发射出来的电磁波；衰变后子核质量数和质子数不变；只是能量状态从激发态到了基态。

γ射线为光子流，不带电，穿透力强，电离能力弱；γ射线在真空中速度为30万km/s。2.γ粒子特性第二十页，共二十八页，2022年，8月28日3.

内转换

处于激发态的原子核跃迁至稳定的基态时，将其衰减能直接传递给核外壳层电子，使该壳层的电子脱离原子成为自由电子，这种衰变方式称为内转换,由此发射的电子叫内转换电子。内转换主要发生在Ｋ壳层电子。注：内转换使原子处于激发态，伴有Ｘ射线或俄歇电子。发射射线和发射内转换电子是原子核从激发态回到基态的两种方式。内转换电子γ第二十一页，共二十八页，2022年，8月28日21氦核正电1/10C强弱电子负电9/10C弱强电磁波不带电C很弱最强物质电性速度电离本领穿透本领放射性物质发射出来的射线放射性表明原子核是有内部结构的。一种元素只能发生一种衰变，但在一块放射性物质中可以同时放出α、β和γ三种射线。第二十二页，共二十八页，2022年，8月28日

一、衰变规律注:

1.N0

为t=0时的核子数;2.由积分形式可知,核子数N以指数形式随时间减少.3.一种核素的物质同时进行多种类型衰变，通过精确的实验证明：若在ｔ时刻原子核的数目为Ｎ，经过dt（dt→0)时间后，其中有－dN个发生了衰变(负号表示原子核数目在减小)即-dN=Ndt其中:为核衰变的衰变常数N=N0e-t微分形式积分形式第三节原子核的衰变规律=Σ第二十三页，共二十八页，2022年，8月28日二、半衰期和平均寿命1.半衰期

放射性原子核数目中有一半发生衰变所需要的时间叫做核素的半衰期，

常用Ｔ表示第二十四页，共二十八页，2022年，8月28日例：32P(磷)的半衰期为14.3天，问经过多长时间后，它变为原来的1/64？解：例：131I（碘）的半衰期为T天，经过32天后变为N，又经过96天，还剩余（1/4）N，求T。解：据题意有第二十五页，共二十八页，2022年，8月28日生物半衰期Tb：各种排泄而使体内的反射性原子数目减少一半所需时间生物衰变常量b:单位时间内由人体代谢所产生的原子核减少的概率有效半衰期Te

:人体内实际的半衰期自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C。14C的半衰期为5730年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古