放射性及其衰变规律

放射性及其衰变规律第一页，共二十六页，2022年，8月28日第二章放射性及其衰变规律教学内容

1、核衰变及放射性核素

2、放射性衰变与积累规律

3、放射性测量单位与标准源第二页，共二十六页，2022年，8月28日核衰变与放射性核素一、原子结构及原子核衰变自然界由各种各样的物质组成，每种物质的元素都由化学性质完全相同的原子组成。每种元素的原子由原子核及核外的电子组成。原子核由质子和中子组成，中子不带电，质子带正电，质子所带的正电荷量与核外电子所带负电荷量相等，电性相反，整个原子成电中性。所有这些物质都是由存在于自然界的90多种元素的原子(核)组成。例如水由二个氢原子和一个氧原子组成(Ｈ２Ｏ)；乙醇由六个氢原子，二个碳原子和一个氧原子组成(C２H５OH).

第三页，共二十六页，2022年，8月28日核衰变与放射性核素

原子很小，其直径为10－８cm；原子核的直径只有10－１２～10－１３cm，约为原子线度的1/10000。原子核集中了原子的全部正电荷和99.95％以上的质量，原子质量在10－２２～10－２４g的范围内。例如，自然界最轻的氢元素的原子质量只有1.6736×10-24g，最重的铀原子的质量也只有3.9510×10-22g

质子质量mｐ=1.67252x10-24g电子质量mｅ=9.1091x10-28g

所以质子的质量为电子质量的1836。第四页，共二十六页，2022年，8月28日原子与原子核一个原子核由Ｚ个质子(原子序数)和N个中子所组成，则该原子核质量m=Z·mｐ+N·mｎ,由于mｐ和mｎ都很接近于1，因此，当用u作单位时，原子核质量非常接近于一个整数，我们用A来表示原子核质量最接近的整数，并称为质量数，这样有A=Z+N。铀原子核表示为238U。第五页，共二十六页，2022年，8月28日核衰变及放射性核素具有确定质子数和中子数的一类原子或原子核称为核素。原子序数相同而质量数不相同的核素互为同位素，如氢，氘和氚原子序数Ｚ都为１，但质量数A分别为1，2，3这种具有相同原子序数但质量数不同的核素称为同位素。这三种核素为氢的同位素。原子序数和质量数都相同的原子核，原子核处于不同核能态的一类核素称为同质异能素。世界上已发现109种元素，核素2000多种(其中稳定性核素300种左右，如31Ｐ，32Ｓ等；其余都是放射性核素，如131Ｉ，32Ｐ等)。第六页，共二十六页，2022年，8月28日核衰变及放射性核素原子核结合能处于最低能量状态（即基态），是所有稳定原子核的状态。高于基态的能量状态，为不稳定的激发态。自然界中有些天然物质是由不稳定的原子组成的。它们能自发地转变成稳定的原子。在这种转变过程中，常伴随着发射带电粒子和γ射线，其本身变成另一种核素，该过程称放射性衰变，这种现象称放射性现象，这类元素称放射性核素（同位素）。第七页，共二十六页，2022年，8月28日核衰变及放射性核素1896年法国科学家亨利·贝可勒尔(H·Becquerel)发现了放射性现象。这些不稳定的原子核主要的衰变类型如下：

1）α衰变：处于激发态的放射性核素（X)，自发地放出α粒子，而转变成另一种原子核（Y)的过程，称为α衰变。

例如：原子核经α衰变转变成为第八页，共二十六页，2022年，8月28日核衰变及放射性核素

2）β衰变：处于激发态的放射性核素（X)，自发地放出β粒子，而转变成另一种原子核（Y)的过程，称为β衰变。

β+衰变:

β-衰变:

3)电子俘获:

放射性核素（X)自发地俘获一个轨道电子,使核内一个质子变为中子,生成的新核素质量数与母核相同,原子序数比母核减少一位.第九页，共二十六页，2022年，8月28日核衰变及放射性核素

4)同质异能γ跃迁α衰变和β衰变产生的新原子核,处于激发态的时间很短,(约10-13s），很快跃迁到较低能级或基态，并放出γ光子。而核的原子序数和质量数都不变。

第十页，共二十六页，2022年，8月28日天然放射性核素天然放射性核素可分为两类：

1）与地球同时形成的至今存在的一些的长寿命放射性核素。如：238U、232Th、87Rb、40K等。

2）宇宙射线撞击地球物质原子核，引起核反应生成的放射性核素。如：14C、10Be、26Al、36CL等。

自然界的放射性系列有三个：铀(U)系、钍(Th)系和锕铀(AcU)系。有人工方法能够得到镎(Np)系，放射性系列中的元素的原子序数都大于81。

除上述成系列的天然放射性元素外，还有180多种不成系列的天然放射性元素，它们经过一次衰变后即成稳定元素，如钾40K，铷87Rb等。

第十一页，共二十六页，2022年，8月28日天然放射性核素(一）三个天然放射性系列

1、铀系铀是在然界存在的主要放射性元素矿产，起始的放射性母体核素为238U,如图所示：第十二页，共二十六页，2022年，8月28日天然放射性核素第十三页，共二十六页，2022年，8月28日天然放射性核素

2）钍系钍系的起始放射性母体核素为232Th，如图所示：第十四页，共二十六页，2022年，8月28日天然放射性核素第十五页，共二十六页，2022年，8月28日天然放射性核素

3）锕（铀）系

锕系的起始放射性母体核素为232U,衰变如图所示：第十六页，共二十六页，2022年，8月28日天然放射性核素第十七页，共二十六页，2022年，8月28日天然放射性核素

（二）三个放射性系列的共同特点

1）每个系列都有一个常寿命的起始放射性核素，半衰期都在7.13x108～1.41x108a之间。

2）每个系列得最后都是铅的稳定同位素。

3）每个系列都有一个气体，氡的放射性核素。

4）每个系列核素的质量数变化有相似的规律性。人工第十八页，共二十六页，2022年，8月28日放射性核素的衰变与积累规律

衰变前的核称为母核,衰变后的核称为子核。一、衰变规律如果起始时刻放射性核素母核数目为N0。由于衰变减少，精确试验测定表明t到t+dt内核衰变数目dN与尚未衰变母核数N成正比，即

dN∝Ndt

写成等式：式中：λ为比例系数，称衰变常数，负号表示N随时间增长而减少。第十九页，共二十六页，2022年，8月28日放射性核素的衰变与积累规律

半衰期的定义：当原子核的数目衰减到原来一半所经历的时间，称为半衰期。二、系列放射性核素的衰变与积累规律放射性核素（A)衰变产生的子体（B)也是放射性核素，且没有与A分离。核素B一方面按自身衰变规律减少，另一方面由核素A衰变使B得到积累。

第二十页，共二十六页，2022年，8月28日放射性核素的衰变与积累规律

在应用中，尚存的原子个数N不易测量，而放射性活度A可用仪器测量它的放射性射线，因为每次核衰变都有某种放射性射线放出，仪器的计数率I(t)与原子核的衰变率-dN/dt成正比，即：

放射性活度单位是Bg(贝克勒尔)，即每秒衰变次数：放射性浓度专用于液体或气体，指单位体积的物质中含有的放射性活度，即贝克/毫升(Bq/ml)。第二十一页，共二十六页，2022年，8月28日放射性核素的衰变与积累规律子体核素B具有积累规律和自身衰变规律。在t时刻的瞬间间隔dt内B核素的原子数变化率应为：

己知t=0时，A原子数为N0A，有：得一阶线性非齐次微分方程： 给定初始条件t=0时，NB=N0B，解得下式：

第二十二页，共二十六页，2022年，8月28日放射性核素的衰变与积累规律式中λ

A、λB，则λ

ANA为核素A的衰变率，也即核素B的增加率；核素B的衰变率为λ

BNB。

则得出：

1）λ

A《λB时，可以达到放射性平衡；

2）λ

A〈λB时，可以达到暂时平衡；

3）λ

A〉λB时，不能达到放射性平衡。第二十三页，共二十六页，2022年，8月28日放射性核素的衰变与积累规律

铀镭平衡系数K：衡量铀镭处于平衡状态的量。

当k=1时，铀镭处于平衡状态，k〈1时偏铀；

k〉1时偏镭。

第二十四页，共二十六页，2022年，8月28日放射性测量单位与标准源

一、放射性测量的常用单位（1）放射性活度与比活度：Bq、Bq/kg（2）放射性物质的质量及含量单位：g、g/g（3）照射量与照射量率：C/kg、C/kg.s（4）辐射吸收剂量：Gy（5）剂量当量:Sv