原子核和放射性

原子核和放射性1第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五教学要求掌握放射性核的衰变类型、衰变规律、放射性活度及半衰期。理解原子核的基本性质和射线与物质的相互作用。了解平均寿命、辐射防护及放射性核素在医学上的应用。2第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第十五章原子核和放射性第一节原子核的基本性质第二节原子核的衰变类型第三节原子核的衰变规律第四节射线与物质的相互作用第五节辐射剂量与防护第六节放射性核素在医学上的应用3第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第一节原子核的基本性质一、原子核的组成二、原子核的结合能及质量亏损三、原子核的稳定性4第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五一、原子核的组成1.中子-质子模型一切原子核都由质子和中子组成，它们统称为核子。原子核的质量数A就是核子的总数，A＝Z＋N2.原子核的质量：自然界中原子质量的1/12。质子的质量：中子的质量：5第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五3.核素：质子数和中子数相同的原子与原子核的集合。同位素：质子数相同而中子数不同的核素。同位素丰度：同位素在自然界中的含量百分比称为同位素丰度。同核异能素：质子数和中子数都相同，能量状态不同的核素。同中子异位素：具有相同的中子数和不同的质子数的一类核素。6第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五①核力是短程力，只在距离为10-15m的数量级内发生作用；②是强相互作用，比库仑力大约大100倍；③具有饱和性，即每个核子只能与有限个数的相邻核子相互作用；④核力与电荷无关，各个核子间的引力是相等的；⑤核力在极短程（<6×10-16m）内存在斥力，使得核子不能无限靠近。4.核力：将核子结合在一起的力是核力7第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五原子核的半径约为数量级，它与质量数A有关，试验经验公式：

把原子核看成球形，其平均密度ρ为：5.原子核的半径8第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、原子核的结合能及质量亏损

实验发现：如何一个原子核的质量，总是小于组成原子核的核子的质量和。如氢的同位素氘，核子质量之和为：实验测得氘核的质量为：其差值为称为质量亏损9第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五质量亏损：原子核的质量比构成这一原子核的核子质量之和要小，两者的差称为质量亏损(massdefect)。原子核的结合能：自由核子结合成原子核时释放的能量。要使原子核分裂成为自由核子时，也必须吸收与结合能同样大小的能量。核的质量质子质量中子质量10第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五三、原子核的稳定性比结合能：每个核子的平均结合能。原子核的稳定性通常用比结合能来描述结合能核子数11第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第十五章原子核和放射性第一节原子核的基本性质第二节原子核的衰变类型第三节原子核的衰变规律第四节射线与物质的相互作用第五节辐射剂量与防护第六节放射性核素在医学上的应用12第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第二节原子核的衰变类型一、衰变二、衰变三、衰变和内转换13第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五放射性衰变：不稳定的放射性核素会自发地放出各种射线变成另一种核素。简称核衰变。放射性核素的衰变类型主要有三种：α衰变β衰变γ衰变。放射性衰变：14第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五威尔逊云室查尔斯·汤姆逊·里斯·威尔逊水蒸气遇到尘埃->云雾没有尘埃？云室内存在大量水蒸气射线入射后，形成云雾1927年，威尔逊因发明云室而与康普顿同获诺贝尔物理学奖15第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五1粒子本质：氦核（两个质子，两个中子）能量：3-7MeV形式：电离，激发，核反应特点：电离能力强，穿透能力较弱，在云室中留下粗而短的径迹粒子与物质的相互作用16第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五一、α

衰变质量数A大于209的放射性核素自发地放射出α射线而变成电荷数减少2，核子数减少4的另一种核素的现象称为α衰变。α射线是高速运动的氦核，也称α粒子。实验发现：大部分核素放出的α粒子的能量不是单一的，而有几组不同的分立值。这表明：原子核内部也有能级存在，α粒子的能谱与子核或母核的能级结构有密切联系。母核子核衰变能17第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五铀238钍144粒子18第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2粒子本质：电子（β-衰变、β+衰变）β-衰变：中子转变成质子β+衰变：质子转变成中子电子俘获：k电子被原子核俘获，外层电子填补空缺，发射X射线能量：小于4MeV形式：电离，激发，散射，次级辐射特点：电离作用较弱，穿透本领较强，云室中的径迹细而长粒子与物质的相互作用19第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、β

衰变β衰变：放射性核素自发地放射出β射线（高速的电子）或俘获轨道电子而变成另一个核素β衰变包括β－衰变、β＋衰变和电子俘获三种类型。1.β－衰变母核自发地放出一个β－粒子（普通电子e－）和一个反中微子，电荷数增加1，核子数不变。20第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五21第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2.β＋衰变母核自发地放出一个β＋粒子（普通电子e＋）和一个中微子，电荷数减少1，核子数不变3.电子俘获原子核俘获了与它最接近的内层电子，使核内的一个质子转变为一个中子，同时放出一个中微子，电荷数减少1，核子数不变22第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五

在电子俘获过程中，只放出一个中微子，它几乎带走了全部衰变能，故能量是单一的。

一个内层电子被原子核俘获后，外层电子会立即填补这一空位，同时放出能量。这个能量发射标识X射线谱的形式放出，也可以使电子电离成为自由电子。这种被电离出来的电子称为俄歇电子。

由于在β衰变过程中有中微子参与，衰变所放出的能量将在电子、中微子和子核之间任意分配。因此β衰变的能量谱是连续的，即发出的电子的能量可以取从0到某一最大值Emax之间的任何数值。23第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五

β－衰变是母核中的一个中子转变成一个质子、一个电子和一个反中微子的过程。

β＋衰变是母核内一个质子转变为一个中子、一个正电子和一个中微子的过程。

电子俘获则是母核的一个质子俘获一个轨道电子后转变为一个中子和一个中微子的过程。24第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五3γ射线本质：光子能量：keV-MeV特点：电离作用最弱，穿透本领最强，云室中不留痕迹粒子与物质的相互作用25第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五三、衰变和内转换

处于激发态的原子核在不改变其组成的情况下，以放出射线（光子）的形式释放能量而跃迁代较低能级的现象称为衰变。衰变通常是伴随着α、β衰变发生的，由于α、β衰变的结果往往产生处于激发态的子核，它们的寿命一般极短，因而立即有衰变发生。

在某些情况下，原子核从激发态向较低能级跃迁时不一定放出光子，而是把这部分能量直接交给核外电子，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这个过程称为内转换，释放的电子称为内转换电子。

内转换电子的能谱是分离的，它与β衰变时电子的连续谱截然不同。一般重核的低激发态发生跃迁时，发生内转换的概率比较大。26第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五4中子本质：中子慢中子：俘获反应快中子：弹性和非弹性反射粒子与物质的相互作用27第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第十五章原子核和放射性第一节原子核的基本性质第二节原子核的衰变类型第三节原子核的衰变规律第四节射线与物质的相互作用第五节辐射剂量与防护第六节放射性核素在医学上的应用28第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第三节原子核的衰变规律一、衰变规律二、半衰期三、放射性活度四、放射平衡29第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五一、衰变规律

大量核素组成的放射性物质，其衰变服从统计规律。在dt时间内发生衰变的原子核数目-dN一定正比于当时存在的原子核数目N，以及时间间隔dt，即：

即为衰变定律，它给出了原子核发生衰变的概率。

称为衰变常数，表示1个原子核在单位时间内发生衰变的概率；衰变前原子核的数目为N0，上式的解为：30第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、半衰期

原子核数目衰变减少到原来的一半所需的时间，称为半衰期T：则衰变定律也可用T表示为：

原子核衰变的快慢还可以用平均寿命表示，在dt时间内发生衰变的原子核数为，这些核的寿命(一个核素的衰变时间)为t，它们（dN个核素）的总寿命为。核素的总寿命为：31第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五32第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五

表示核素的衰变的快慢物理量有三个：衰变常数、半衰期T和平均寿命。三者不是独立的，其关系是：所以平均寿命为：33第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五三、放射性活度放射性活度：放射性物质在单位时间内发生衰变的核数A0是t＝0时的活度，A为t时刻的活度SI制中的单位为:贝克勒尔(Bq);曾用单位：Ci(居里)。

1Bq＝1次核衰变/秒，1Ci＝3.7×1010Bq34第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五四、放射平衡递次衰变：许多放射性核素并非一次衰变就达到稳定，而是由于其子核仍具有放射性而继续衰变下去，直到稳定核素而终止。即：母核A衰变为子核B，子核B有作为母核衰变为子核C。35第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五放射平衡：在递次衰变过程中，当满足一定条件时，各代子核的数量比，会出现与时间无关的现象。1.长期放射性平衡：子核的放射性活度与母核的放射性活度相等。条件：母核半衰期远大于子核半衰期。2.暂时放射性平衡：母核与子核数目保持一个固定的常数。条件：母核的半衰期不太长，但比子核的半衰期长得多3.不成放射性平衡：母核几乎全部转变为子核，子核按照自己的方式衰变。条件：母核半衰期远小于各代子核。36第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第十五章原子核和放射性第一节原子核的基本性质第二节原子核的衰变类型第三节原子核的衰变规律第四节射线与物质的相互作用第五节辐射剂量与防护第六节放射性核素在医学上的应用37第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第四节射线与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用二、光子与物质的相互作用三、中子与物质的相互作用38第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五一、带电粒子与物质的相互作用1）电离：α,β等带电粒子穿过物质时，与物质中的核外电子做非弹性碰撞将能量转移给电子，电子获得能量后脱离原子核，产生自由电子和正离子，合称离子对，这一过程称为电离。间接电离：脱离出来的电子若有足够的能量还可使其他的原子电离，也成为次级电离。

2）激发：若电子获得的能量不足以使他脱离原子，它将由低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，这一过程称为激发。退激：原子由激发态到基态。1.电离和激发39第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五电离损失：带电粒子因与核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子电离或激发而损失能量的过程称为电离损失。比电离:发生电离时，粒子通过路径周围将留下许多粒子对，每厘米路径上产生的离子对。它表示带电粒子的电离本领的大小，在生物体内表示对机体的损失程度。比电离和带电粒子的速度、电量和物质有关。带电粒子的速度越小，电核数越多，物质的密度越大，则比电离的值越大α粒子比β粒子的电离能力强。40第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2.散射和韧致辐射散射：带电粒子通过物质时，因受到原子核静电场得作用而改变运动方向，这种现象叫散射。散射前后带电粒子得能量若保持不变，称为弹性散射。若能量有部分损失，称为非弹性散射。α粒子的质量大，散射不明显，路径基本为直线；β粒子因受到原子核的多次散射，路径曲折。41第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五韧致辐射：带电粒子通过物质时，受到原子核的作用，速度急剧减少，带电粒子的一部分能量以光子的形式发射出来这是X射线的发生机制由此造成的能量损失称为辐射损失。轻带电粒子的辐射损失比重带电粒子的辐射损失大得多。因此，一般忽略重带电粒子的辐射损失。3.韧致辐射42第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五4.射程射程：带电粒子在物质沿运动轨迹所经过的距离称为路程，而路程沿入射方向的投影称为射程。带电粒子的能量损失与粒子的动能和吸收物质的性质有关射程能比较直观地反映带电粒子地贯穿本领地大小。天然放射性核素粒子在空气中的射程在生物体中的射程α几厘米几百微米β几米长几毫米～几十毫米粒子的吸收α吸收2个电子

变成一个β－能量损失后变成自由电子β＋与自由电子结合转变为2个光子43第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、光子与物质的相互作用电磁辐射与物质相互作用只与光子的能量有关，一般与电磁辐射的起源无关。粒子与原子的作用时，能量是逐步损失的；而光子与原子的作用时，只要发生一次碰撞就会损失相当大一部分的甚至全部能量，光子也可能穿过物质而不损失能量。电磁辐射穿过物质时，其强度按指数规律衰减，没有射程的概念。44第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五光子与物质的作用方式主要有三种：

1.光电效应光子把能量传给原子的轨道电子，光子消失，获得能量的电子脱离原子的束缚而成为自由电子（光电子），这一过程称为光电效应。

光电子吸收的能量一部分用于克服电离能，其余能量就是光电子逸出时的能量。

对于确定能量的光子，原子结合能大的内层发生光电效应的概率较大。在内层留下空位，被外层电子填补，则将发射标识X射线和俄歇电子。45第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五

2.康普顿效应光子与原子核外的电子（多为外层电子）发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应或康普顿散射。康普顿效应中光子的能量只损失一部分，散射的光波长。

3.电子对效应当能量大于1.022MeV的光子从原子核旁经过时，光子在原子核的库仑场作用下转化为一个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。入射光子的能量除转化为正负电子对的静止质量（1.022MeV

）外，其余的转化为正负电子的动能。46第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五47第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五三、中子与物质的相互作用

中子不带电，不能直接引起电离而损失能量，在物质中能穿行很长的距离。其相互作用主要受到原子核的散射或与原子核发生核反应。1.弹性散射：中子与原子核发生碰撞时，将部分能量传给原子核，改变自身运动方向和速度，同时引起原子核发生反冲。

中子与轻核作用时，主要是弹性散射，反冲核愈轻，反冲能量愈多，中子损失能量愈大。所常用含氢核多的水、石蜡等物质使中子减速，防止中子照射。48第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2.非弹性散射：由于中子不受库仑力的阻碍，容易进入原子核引起核反应，放射出各种次级射线，其反应前后的中子和原子核系统的总能量不守恒。因为入射中子的能量必须大于原子核的最低激发态，所以非弹性散射主要是由能量大的中子引起。重核的最低激发态能量较低，约0.1MeV，故此能量低于0.1MeV的中子作用于重核物质不会发生非弹性散射。

49第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五3.俘获反应：原子核俘获中子，并留在核内，同时放射γ射线

若中子留在核内而发射质子，称为电荷交换反应（n,p反应）。如：

会发生β－衰变中子留在核内，发射α粒子的反应称为（n,α反应）50第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第十五章原子核和放射性第一节原子核的基本性质第二节原子核的衰变类型第三节原子核的衰变规律第四节射线与物质的相互作用第五节辐射剂量与防护第六节放射性核素在医学上的应用51第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第五节辐射剂量与防护一、电离辐射的生物效应二、电离辐射的计量单位三、电离辐射的防护52第五十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五

电离辐射：α、β粒子、γ射线通过物质时，能直接和间接产生电离作用，统称为电离辐射。各种电离辐射都将使物质发生变化，称为辐射效应。人体组织吸收电离辐射能量后，产生的物理、化学和生物学的变化，导致生物组织的损伤，称为生物效应。生物效应的危害与生物体吸收的电离辐射能量成正比。一、电离辐射的生物效应53第五十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、电离辐射的计量单位

1.照射量定义：用