原子核与放射性

原子核与放射性第1页/共84页

物质世界是由什麽组成的？是什麽把它们组合在一起？第一部分原子与原子结构第2页/共84页

1）“原子”概念的提出

朴素的认识论：世界万物由水空气土火等构成古希腊时代:思辩性古代原子论万物由原子构成,原子是物质世界的共同基础，不能再分割。2）1803道耳顿—化学原子论原子是保持元素化学性质的基本粒子-科学概念第3页/共84页伦琴发现X射线1895年，德国物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了X射线——它不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因此成为1901年第一个诺贝尔物理学奖得主第4页/共84页世界上第一张X光照片第5页/共84页电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的，阴极射线究竟是什么？物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置，证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的。

指出电子是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离子的千分之一。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成部分。汤姆逊发现电子第6页/共84页1903年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。汤姆逊的原子结构模型第7页/共84页卢瑟福的原子结构模型1911年，卢瑟福借助于α粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径10-15米的范围内，而原子半径却有10－10米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明长冈半太郎的“土星型模型”比汤姆逊的“葡萄干面包模型”更接近于物理真实。

第8页/共84页玻尔的原子模型(用普朗克的量子假设hn)：

E1-E2=hn！第9页/共84页原子结构模型演化示意图第10页/共84页1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。并提出了“原子能”的概念。卢瑟福、索迪——元素衰变卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖第11页/共84页以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链：索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。卢瑟福、索迪——元素衰变第12页/共84页卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，18N＋α17O＋p

。这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。人工衰变第13页/共84页

核的组成

A=Z+N

质量数原子序数第14页/共84页1932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想"炮弹"。探索原子核奥妙的钥匙——中子第15页/共84页现代原子结构原子核中子质子电子(电子云)+++第16页/共84页公元前4世纪德寞克利特1803道尔顿1911卢瑟福1913玻耳1932海森堡？

人类认识物质“基本砖块”历程电子2000多年60多年1001990年代“基本砖块”轻子12夸克36媒介子13希格斯粒子1合计62其中2个粒子尚未发现：引力子和希格斯粒子。1964夸克第17页/共84页第二部分

核与放射性的基本物理基础第18页/共84页核素：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核素是原子核的一种统称核素及符号表示核素质子数中子数质量数符号氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C第19页/共84页名称质子数中子数质量数举例同位素相同不同不同1H2H3H同中子素不同相同不同2H3He同量素不同不同相同3H3He其它：稳定核素和不稳定核素稳定同位素和不稳定同位素放射性核素和非放射性核素定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。同位素第20页/共84页实验发现:原子核内的质子+中子紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同).稳定原子核基本上类似与球体原子核的半径R=r0A1/3

原子核半径常数

r0=1.210-15m=1.2fmA原子核的质量数例如：238U7.4fm1)原子核的大小R原子核的基本性质第21页/共84页2)

原子核的质量电子me=9.1×10-31kg=5.48×10-4u=0.511MeV/c2质子mp=1.007276u=938.256MeV/c2中子mn=1.008665u=939.550MeV/c2原子核质量=原子质量—

全部电子的质量

MN(Z,A)=Ma(Z,A)—Zme

忽略了电子的结合能（eV量级）原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查)

原子核质量可以精确确定第22页/共84页3)核物质密度原子核中核子紧密挤在一起根据=M/V计算核物质密度:

~2.3

1014g/cm3

1cm3

核物质2亿吨重!黑洞1018核物质1014中子星109白矮星105

水1密度比较g/cm3

第23页/共84页

天平为何倾斜?重轻4)原子核结合能和原子核稳定性第24页/共84页

质量亏损氦原子核（4He）由2个质子+2个中子构成

2个质子质量+2个中子质量=﹖原子核4He的质量

2x1.007276+2x1.008665-4.002603

ΔM(4He)=4.031882-4.002603=-0.029279u

ΔE(4He)=ΔM(4He)C2=27.27MeV亏损的质量转化为能量氦原子核的结合能是27.27MeV亏损的质量哪里去了?质能关系

E=MC2第25页/共84页

原子核结合能

定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量

原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定

表:比结合能(原子核结合能/核子数)核素比结合能

MeV核素比结合能

MeV核素比结合能

MeV2H1.11212C7.68235U7.593He2.57316O7.98238U7.574He7.0756Fe8.79最大

6Li5.33107Ag8.55

7Li5.61208Pb7.87

第26页/共84页

原子核平均结合能(比结合能)曲线1各原子核中，每个核子的平均结合能随质量数而变化

6-9MeV2中等重量的原子核的比结合能较大

释放能量途径:1）重核裂变

2）轻核聚合成原子核重核裂变轻核聚合第27页/共84页252Cfα自发裂变中子引起235U

裂变H原子核聚合

H的燃烧太阳能

释放能量举例第28页/共84页例：估算裂变释放的能量

n+235U(236U)X+Y+E假设裂变成质量相等的两块质量数各约为118

235U核子平均结合能7.6MeV

质量数为118的原子核平均结合能8.6MeV

两者平均结合能差1MeV230多个核子总的E=200MeV!比较:

裂变能n+235U

X+Y+E200MeV

化学能

C+O2

CO2+

E

4ev

汽油与氧的爆炸，一个分子释放40-50eVTNT爆炸自身释放能量，每个分子30eV第29页/共84页+++++++++从母核中射出的4He原子核粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!!基本衰变——衰变放射性衰变及衰变规律第30页/共84页衰变——241Am237Np第31页/共84页+++++++++发生原因：母核中子或质子过多质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷+反中微子－中微子

三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能量基本衰变——衰变第32页/共84页基本衰变——衰变（动画）第33页/共84页衰变——3H3He第34页/共84页正衰变——11C11B第35页/共84页

质子变成中子X射线电子俘获第36页/共84页电子俘获——7Be7Li第37页/共84页+++++++++－中微子光子基本衰变——衰变第38页/共84页基本衰变——衰变衰变特点：1、从原子核中发射出光子2、常常在或衰变后核子从激发态退激时发生3、产生的射线能量不连续4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类类别第39页/共84页衰变——3He3He第40页/共84页α

衰变β-

衰变β+

衰变

衰变第41页/共84页半衰期(T1/2)定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来的一半所需要的时间。时间t(T1/2)012345n放射性原子核数目N0N0/2N0/4N0/16N0/32N0/64N0/2n经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1/2n放射性衰变规律第42页/共84页半衰期第43页/共84页放射性衰变基本规律

1指数衰减规律

N=N0e-t

N0:（t=0）时放射性原子核的数目N:经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关;

数值越大衰变越快N=N0e-t第44页/共84页核辐射的基本性质1.0086650n中子1.007276+1p质子00

5.486×10-4

±1e±

β

4.00279+24Heα质量

(u)电荷（e)符号种类

α

β核辐射与物质的相互作用第45页/共84页一核辐射与物质的基本作用

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。原子。。。αβγn

物质：气体液体固体包括人体等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递库仑作用1电离作用

2电离效应第46页/共84页二带电粒子与物质的作用自由电子正离子α+靶原子→正离子

+电子

+α

4He+Ar→Ar+

+e-+4He物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子

+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用第47页/共84页α

射线与β射线电离效应比较

α射线

β射线径迹粗直细弯

α

电离作用强电离作用严重产生离子对数目多

电离作用Z1Z2/v2

Z1

入射粒子原子序数

Z1

靶粒子原子序数

v入射粒子速度

实验结果第48页/共84页第49页/共84页γ射线是波长很短能量高的电磁辐射（﹤

10-11米，keV，MeV），来自原子核γ衰变,

不带电，静止质量0

。1γ射线是什麽？

能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级带电粒子，可以对物质发生电离作用。能量E=hν）动量p=hν/c第50页/共84页2γ射线对物质的电离作用两步过程三种作用效应

光电效应康普顿效应电子对效应

产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用第51页/共84页光电效应

自由电子

作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。

γ+AA*+e-

（光电子）

原子

A+X射线原子受激原子第52页/共84页

电子对效应能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。

M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

1.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ1.02MeV为什麽？能量转化成质量M=E/C2第53页/共84页3轫致辐射电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管特征:x射线能量连续

0–EMax(电子能量)

电视机高压15kV

电子束能量15keVx射线能量0-15keV应注意玻璃含有40KUTh产生机制原子核第54页/共84页4正电子湮没正电子与负电子相遇发生湮没，产生两个0.511MeV的γ光子。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

质量转化为能量转化效率(100%）

γ

γ第55页/共84页γ射线通过介质时由于同物质的作用,γ光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对γ射线的吸收。

I(x)=I0e-μx

厚度X

I0四γ射线的吸收I

实验发现：γ射线强度随通过介质层厚度增加而减小，服从指数衰减规律。

第56页/共84页

指数衰减规律μ指数衰减因子线性吸收系1）γ射线能量高μ值小2）原子序数高μ值大I(x)=I0e-μx能量（MeV)

铅（Pb)cm-1

铝（Al）cm-10.61.60.21.00.80.182.00.50.1铅和铝吸收系数第57页/共84页

αβγ对物质电离作用的比较

2MeV射程(m)离子对密度/mmα0.016000β2-360

γ10几个第58页/共84页1MeV的粒子穿透物质能力

α1页

β60页/本

铅地下1-2米深铅室γn4580本中子源第59页/共84页

电离辐射直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子(能量﹥keV)α、β、γ、x、n、p、裂变碎片介子等

来源

1)放射性物质(人造天然）2)加速器3)反应堆4)宇宙射线5)地球环境

电离辐射和非电离辐射非电离辐射紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应～eV量级移动电话800-1800MHz﹤0.01eV(没有电离作用）第60页/共84页1原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量，既可造福人类，也可能对环境和人类产生危害。2核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递的过程；没有能量和动量传递就没有作用。3通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会对物体产生一系列的影响，人体也不例外。

小结第61页/共84页第三部分核辐射量度及其单位第62页/共84页1.放射性活度（activity,A)定义：放射性核素在单位时间(dt)内发生核衰变的数目(dN)

A=dN/dt单位：

SI:Becquerel(Bq)1Bq=1s-1

居里1Ci=3.7×1010Bq

第63页/共84页2.吸收剂量（absorbeddose,D)定义：授予单位物质(dm)（或被单位物质吸收）的任何导致电离辐射的平均能量（dE)。单位：

J/kg1J/kg=1Gy（戈瑞）

1Gy=100rad（拉德）第64页/共84页吸收剂量1戈瑞（1焦耳/千克）时的能量效应

1）水温升高（比热4.2×103J/千克度）

1kg水物质吸收剂量1Gy

水温度上升1/（4.2×103）=2.4×10-4C°2）转化为物体的动能

mD=(1/2)mv2

运动速度v=1.4m/s3)转化为物体的势能

mD=mgh上升高度

h=0.1m剂量——实际上是单位物质吸收电离辐射能大小的一种量度第65页/共84页定义：组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积。3.当量剂量（equivalentdose,HT)单位：焦耳/千克专用名称：Sievert,Sv（希沃特）

1Sv=1J/kg第66页/共84页辐射权重因子

(Radiationweightingfactor,WR)

辐射类型能量范围WR光子电子和介子中子质子（反冲质子除外）粒子，裂变碎片，重核所有能量所有能量能量＜10keV10-100keV＞100keV-2MeV＞2-20MeV＞20MeV能量＞2MeV1151020105520第67页/共84页组织权重因子（tissueweightingfactor，WT）

组织或器官组织权重因子WT睾丸红骨髓结肠肺胃膀胱乳腺肝食道甲状腺皮肤骨表面其余组织或器官0.200.120.120.120.120.050.050.050.050.050.010.010.05第68页/共84页4.有效剂量（effectivedose,E)定义：各组织或器官的当量剂量（HT）与相应的组织权重因子（WT）的乘积的总和。意义：定量评价随机效应的危险度单位：Sv（希沃特）第69页/共84页例：

某人骨表面接受0.3Sv的剂量当量，而另一个人骨表面受0.2Sv的照射，同时肝脏又受到0.1Sv的照射，哪个人危险更大些？第70页/共84页放射性活度(A)

吸收剂量(D)

剂量当量(H)

有效剂量（E）

吸收剂量(D)1戈瑞=1焦耳/千克1Gy=1J/kg放射源活度(A)

1贝克=1次核衰变/秒

剂量当量(H)有效剂量（E）

1希沃特=1焦耳/千克三者意义和区别任何物质有机体第71页/共84页小结剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。不同种类、能量的核辐射，对生物体造成的辐射损伤不同。辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行估算。第72页/共84页第四部分核科学的基本工具与测量第73页/共84页1观测和研究事物的工具

工欲善其事,必先利其具。第74页/共84页望远镜1608年荷兰出现伽利略发现全新宇宙景象：木星有卫星、月球上有山脉、太阳上黑子、金星有转动周期。支持哥白尼日心理论显微镜

1650年代荷兰列文虎克制造出放大200倍显微镜，看见了：细菌、红血球、肌肉的条纹结构、血液在毛细血管中流动等。一滴久置的雨水中发现有250万个微生物在浮游。1673向英国皇家协会报告会员们不相信，认为是骗子，派人亲自登门观察，在事实面前承认是了不起的发现英国国王和俄国彼得大帝拜访列文虎克并观看了神奇的显微镜。将人们注意力引向微小世界。第75页/共84页

放射源

2卢瑟福“看”原子探测器光源：载能粒子束观测物体：出射粒子眼睛：探测器背散射粒子第76页/共84页

探针粒子的波长应小于观测物体的尺度即：物体越小，所需粒子的能量越高。被看物体大小探针粒子的能量原子10-10

米10eV（电子）高倍电子显微镜原子核10-14

米107eV（）卢瑟福实验核子10-15

米108eV（电子）加速器对撞机夸克？10-1