章原子核和放射性

（優(yōu)選）章原子核和放射性當(dāng)前1頁(yè)，總共61頁(yè)。金箔對(duì)粒子的散射實(shí)驗(yàn)

1911年盧瑟福用金箔對(duì)粒子的散射實(shí)驗(yàn)確立了原子的核式模型,即原子由處于中心的原子核和核外運(yùn)動(dòng)的電子組成.由此開(kāi)始了對(duì)原子核的探索.當(dāng)前2頁(yè)，總共61頁(yè)。一.原子核的組成1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射性,1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳.1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子(proton).1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子(neutron).§13-1原子核的基本性質(zhì)當(dāng)前3頁(yè)，總共61頁(yè)。海森伯等人提出原子核是由質(zhì)子和中子組成的.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為核子(necleon).原子核中的質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù),即原子序數(shù)Z.原子核的質(zhì)量數(shù)A就是核子的總數(shù),若以N表示中子數(shù),則A=Z+N.當(dāng)前4頁(yè)，總共61頁(yè)。查德威克(J.Chadwick,1891-1974)英國(guó)物理學(xué)家.1935年因發(fā)現(xiàn)中子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).貝克勒爾(H.Becquerel,1852-1908)法國(guó)物理學(xué)家.1903年因發(fā)現(xiàn)自發(fā)放射性獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)前5頁(yè)，總共61頁(yè)。居里夫婦(P.Curie,1859-1906,右,法國(guó)物理學(xué)家；M.Curie,1867-1934,左,法籍波蘭物理學(xué)家)

1903年因?qū)ω惪死諣柊l(fā)現(xiàn)的輻射現(xiàn)象作出了卓越貢獻(xiàn),其中包括發(fā)現(xiàn)了釙和鐳獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).居里夫人1911年又因提純鐳而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)前6頁(yè)，總共61頁(yè)。約里奧-居里夫婦(F.Joliot-Curie,1900-1958,I.Joliot-Curie,1897-1956,右)在實(shí)驗(yàn)室中(1932年)約里奧-居里夫婦是居里夫人的女兒、女婿,他們錯(cuò)失了發(fā)現(xiàn)中子、正電子和核裂變的機(jī)會(huì).但仍于1935年因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)前7頁(yè)，總共61頁(yè)。原子核的質(zhì)量常用原子質(zhì)量單位(atomicmassunit)

u表示,原子質(zhì)量單位定義為自然界中碳最豐富的同位素

原子質(zhì)量的1/12當(dāng)前8頁(yè)，總共61頁(yè)。質(zhì)子質(zhì)量mp=1.007

276

u中子質(zhì)量mn=1.008

665

u質(zhì)量數(shù)為A的原子核質(zhì)量近似為Au.一類(lèi)具有確定質(zhì)子數(shù)和核子數(shù)的中性原子稱(chēng)為核素(nuclide),用表示.其中X為元素符號(hào),Z和A分別表示原子序數(shù)和原子質(zhì)量數(shù).當(dāng)前9頁(yè)，總共61頁(yè)。質(zhì)子數(shù)相同的不同核素稱(chēng)為同位素(isotope)；具有相同中子數(shù),不同質(zhì)子數(shù)的異類(lèi)核素稱(chēng)為同中子異位素(isotone)；質(zhì)量數(shù)相同,質(zhì)子數(shù)不同的一類(lèi)核素稱(chēng)為同量異位素(isobar)；質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)相同而處于不同能量狀態(tài)的一類(lèi)核素稱(chēng)為當(dāng)前10頁(yè)，總共61頁(yè)。同核異能素(isomer).同位素在自然界中的含量百分比稱(chēng)為同位素豐度(isotopeabundance).原子核半徑與核子數(shù)有近似關(guān)系因此,原子核體積很小,密度很大.式中R01.210-15m.當(dāng)前11頁(yè)，總共61頁(yè)。二.原子核的結(jié)合能原子核質(zhì)量總是小于組成原子核的核子質(zhì)量之和,兩者的差值稱(chēng)為質(zhì)量虧損(massdefect).自由核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量稱(chēng)為原子核的結(jié)合能(bindingenergy).任意一個(gè)核素的結(jié)合能E定義為：當(dāng)前12頁(yè)，總共61頁(yè)。式中、及分別表示氫原子、中子及原子的質(zhì)量.原子核的結(jié)合能E

與該核核子數(shù)A的比值稱(chēng)為比結(jié)合能(specificbindingenergy)當(dāng)前13頁(yè)，總共61頁(yè)。的大小可以作為核穩(wěn)定性的量度.比結(jié)合能曲線(xiàn)當(dāng)前14頁(yè)，總共61頁(yè)。獲得原子能的途徑：重核裂變、輕核聚變?cè)訌椇蜌鋸椌褪欠謩e利用重核裂變和輕核聚變?cè)硌兄瞥鰜?lái)的核武器.右圖分別為中國(guó)第一顆原子彈(1964年)和第一顆氫彈(1967年)爆炸時(shí)產(chǎn)生的蘑菇云.下圖為投到廣島的原子彈“LittleBoy”.當(dāng)前15頁(yè)，總共61頁(yè)。位于浙江海鹽的秦山核電站是我國(guó)第一座自行研究、設(shè)計(jì)、建設(shè)的核電站.1991年12月首次并網(wǎng)發(fā)電,結(jié)束了中國(guó)大陸無(wú)核電的歷史.上圖為全景,下圖為主控制室.

當(dāng)前16頁(yè)，總共61頁(yè)。三.原子核的自旋和磁矩原子核的角動(dòng)量稱(chēng)為核自旋(nuclearspin).原子核角動(dòng)量大小為：I為核自旋量子數(shù),可取半整數(shù)或整數(shù).角動(dòng)量在空間某一方向的投影是量子化的：當(dāng)前17頁(yè)，總共61頁(yè)。mI為核自旋磁量子數(shù).對(duì)于確定的I

值,mI

可取

I,I

-

1,I

-

2,…,-

I

+

1,-

I,共2I

+

1個(gè)值.原子核的自旋與狀態(tài)有關(guān),激發(fā)態(tài)原子核的自旋不一定等于基態(tài)的自旋.當(dāng)前18頁(yè)，總共61頁(yè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基態(tài)時(shí)：質(zhì)子、中子數(shù)目原子核的自旋I奇偶核或偶奇核半整數(shù)偶偶核零奇奇核整數(shù)原子核不僅具有自旋,也具有核磁矩(nuclearmagneticmoment).當(dāng)前19頁(yè)，總共61頁(yè)。核磁矩一方面來(lái)自核子的自旋磁矩,另一方面來(lái)自各核子的軌道磁矩.但核磁矩并不是各核子磁矩的簡(jiǎn)單相加. 核磁矩矢量與核角動(dòng)量矢量成正比：當(dāng)前20頁(yè)，總共61頁(yè)。其中mp為質(zhì)子質(zhì)量,g稱(chēng)為朗德因子(Landegfactor),或稱(chēng)原子核的g因子(g-factor),不同核的g因子不同.核磁矩在z軸方向上的投影為：當(dāng)前21頁(yè)，總共61頁(yè)。稱(chēng)為核磁子(nuclearmagneton),是核磁矩的單位.定義核磁矩大小為mI

取I

時(shí)的Iz

值,即gIN

.質(zhì)子磁矩大小為2.793N,并不是“理所當(dāng)然”的為1N(電子磁矩1B)；中子磁矩大小其中當(dāng)前22頁(yè)，總共61頁(yè)。雖然中子整體不帶電,但它內(nèi)部還存在電荷分布;質(zhì)子和中子都不是幾何的“點(diǎn)”,而具有內(nèi)部結(jié)構(gòu).為-1.913N

,并非“當(dāng)然為零”(因?yàn)橹凶硬粠щ?.這說(shuō)明：當(dāng)前23頁(yè)，總共61頁(yè)。1964年蓋爾曼和茨威格(G.Zweig,1937-)獨(dú)立地提出質(zhì)子和中子不是基本粒子,而是由夸克(quark)組成.質(zhì)子由2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克組成；中子由1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克組成.因質(zhì)子電量為1個(gè)元電荷,故夸克帶分?jǐn)?shù)電量. 蓋爾曼(M.Gell-Mann,1929-)美國(guó)物理學(xué)家.1969年因?qū)玖Ｗ蛹捌湎嗷プ饔玫姆诸?lèi)所作的貢獻(xiàn)和發(fā)現(xiàn)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)前24頁(yè)，總共61頁(yè)。原子核磁矩在外磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生附加能量,導(dǎo)致能級(jí)分裂.在外磁場(chǎng)中的原子核將吸收特定頻率的電磁波,這種現(xiàn)象稱(chēng)為核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR).當(dāng)前25頁(yè)，總共61頁(yè)。mI=

1/2mI=

-1/2E2E1E

=

gN

B氫核在外磁場(chǎng)中的能級(jí)當(dāng)前26頁(yè)，總共61頁(yè)。拉比(I.Rabi,1898-1988,左)美籍奧地利物理學(xué)家,1944年因用共振方法記錄了原子核的磁特性獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).布洛赫(F.Bloch,1905-1983,中)美籍瑞士物理學(xué)家和珀塞爾(E.Purcell,1912-1997,右)美國(guó)物理學(xué)家.1952年因發(fā)展了核磁精密測(cè)量的新方法及由此所作的發(fā)現(xiàn)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)前27頁(yè)，總共61頁(yè)。勞特伯爾(P.Lauterbur,1929-,右)美國(guó)化學(xué)家和曼斯菲爾德(P.Mansfield,1933-,下)英國(guó)物理學(xué)家.2003年因發(fā)明磁共振成像技術(shù)(MRI)獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)前28頁(yè)，總共61頁(yè)。核磁共振在化學(xué)中用于研究分子結(jié)構(gòu)乙醇的核磁共振譜線(xiàn)當(dāng)前29頁(yè)，總共61頁(yè)。四.核力萬(wàn)有引力電磁力核力長(zhǎng)程力長(zhǎng)程力短程力弱相互作用弱相互作用強(qiáng)相互作用當(dāng)前30頁(yè)，總共61頁(yè)。五.原子核的宇稱(chēng)宇稱(chēng)(parity)是表征微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量,是原子核的重要特征,核狀態(tài)發(fā)生變化,核的宇稱(chēng)才發(fā)生變化.偶宇稱(chēng)奇宇稱(chēng)宇稱(chēng)的表示：(1/2)-,0+當(dāng)前31頁(yè)，總共61頁(yè)。自然界中天然存在的核素300多種.其中60多種是不穩(wěn)定的放射性核素,他們會(huì)自發(fā)放出各種射線(xiàn)變成另一種核素,這種現(xiàn)象稱(chēng)為原子核的放射性衰變(radioactivedecay),簡(jiǎn)稱(chēng)核衰變(decay).人工方法制造了1600多種放射性核素.§13-2原子核的衰變類(lèi)型當(dāng)前32頁(yè)，總共61頁(yè)。放射性核素的衰變類(lèi)型主要有三種：衰變、衰變和衰變.一.衰變射線(xiàn)是高速運(yùn)動(dòng)的氦核,也稱(chēng)粒子.衰變過(guò)程為：當(dāng)前33頁(yè)，總共61頁(yè)。X稱(chēng)母核,Y稱(chēng)子核,Q為衰變過(guò)程放出的能量.射線(xiàn)的用途：研究原子和原子核結(jié)構(gòu)的工具；確立原子核式模型,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子.二.衰變放射性核素自發(fā)地放射出射線(xiàn)或俘獲軌道當(dāng)前34頁(yè)，總共61頁(yè)。電子而變成另一個(gè)核素的現(xiàn)象稱(chēng)為衰變.主要包括-衰變、+衰變和電子俘獲.-衰變——母核自發(fā)放射出一個(gè)-粒子和一個(gè)反中微子：當(dāng)前35頁(yè)，總共61頁(yè)。+衰變——母核自發(fā)放射出一個(gè)+粒子和一個(gè)中微子：電子俘獲——母核俘獲一個(gè)核外軌道電子,同時(shí)放出一個(gè)中微子：當(dāng)前36頁(yè)，總共61頁(yè)。Bi的能譜當(dāng)前37頁(yè)，總共61頁(yè)。三.衰變處于激發(fā)態(tài)的原子核在不改變其組成的情況下,以放出射線(xiàn)(光子)的形式釋放能量而躍遷到較低能級(jí)的現(xiàn)象稱(chēng)為衰變.概念：內(nèi)轉(zhuǎn)換、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、俄歇電子原子核衰變綱圖(decayscheme)：當(dāng)前38頁(yè)，總共61頁(yè)。60Co(T1/2=5.27a)-0.309(100%)2.50Mev1.33Mev01260Ni當(dāng)前39頁(yè)，總共61頁(yè)?！?3-3原子核的衰變規(guī)律一.衰變規(guī)律核衰變服從的指數(shù)規(guī)律——衰變定律：式中稱(chēng)為衰變常量(decayconstant),N0為t=0時(shí)原子核的數(shù)目.當(dāng)前40頁(yè)，總共61頁(yè)。二.半衰期原子核數(shù)目因衰變減少到原來(lái)的一半所需的時(shí)間,稱(chēng)為半衰期(halflife).半衰期T與一樣,是放射性核素的特征常量.當(dāng)前41頁(yè)，總共61頁(yè)。用T表示的衰變定律：原子核衰變的快慢可以用平均壽命(meanlife)表示.對(duì)于任一核素的平均壽命為：當(dāng)前42頁(yè)，總共61頁(yè)。在核醫(yī)學(xué)中,用放射性物質(zhì)做生物機(jī)體示蹤劑.進(jìn)入機(jī)體的放射性核素除因自身衰變而減少外,還通過(guò)機(jī)體的代謝排出體外.生物機(jī)體排出放射性核素的規(guī)律近似服從衰變定律：生物半衰期Tb(biologicalhalflife),生物衰變常量b(biological

decayconstant).當(dāng)前43頁(yè)，總共61頁(yè)。生物機(jī)體內(nèi)放射性原子核的衰變定律：其中e=+b稱(chēng)為有效衰變常量(effectivedecayconstant),它對(duì)應(yīng)的半衰期為有效半衰期Te(effectivehalflife).它與物理半衰期T和生物半衰期Tb的關(guān)系為：當(dāng)前44頁(yè)，總共61頁(yè)。三.放射性活度放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱(chēng)為該物質(zhì)的放射性活度(activity)：當(dāng)前45頁(yè)，總共61頁(yè)。式中A0是t=0時(shí)的放射性活度.A的單位：國(guó)際單位制中是貝可(Becquerel,Bq),1Bq=1次核衰變/秒.放射性活度單位還有居里(Curie,Ci),1Ci=3.71010Bq.概念：比活度(specificactivity):單位質(zhì)量放射源的放射性活度當(dāng)前46頁(yè)，總共61頁(yè)。四.放射性平衡概念：級(jí)聯(lián)衰變(cascadedecay)自然界中存在4個(gè)放射系：釷系、鈾系、錒系、镎系.級(jí)聯(lián)衰變時(shí)母核與子核的衰變規(guī)律：當(dāng)前47頁(yè)，總共61頁(yè)。t=0時(shí)核素A的數(shù)目為NA0,而核素B、C的數(shù)目NB0=NC0=0.tt+dt時(shí)間內(nèi)：得出：對(duì)于核素B在tt+dt時(shí)間內(nèi)：當(dāng)前48頁(yè)，總共61頁(yè)。放射性測(cè)定年代——14C鑒年法得出：臨床顯像檢查：當(dāng)前49頁(yè)，總共61頁(yè)。一.帶電粒子與物質(zhì)相互作用的機(jī)制(1)與核外電子的非彈性碰撞電離(ionization)、激發(fā)(exitation)(2)與原子核的非彈性碰撞韌致輻射(bremsstrahlung)§13-4射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用當(dāng)前50頁(yè)，總共61頁(yè)。入射粒子在單位路徑上的能量損失稱(chēng)為能量損失率.它反映了物質(zhì)對(duì)帶電粒子的阻止本領(lǐng).阻止本領(lǐng)與入射粒子的質(zhì)量無(wú)關(guān),與其速度平方成反比;與粒子的電荷數(shù)平方成正比;(3)與原子核的彈性碰撞二.重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用當(dāng)前51頁(yè)，總共61頁(yè)。與靶物質(zhì)的密度和電荷數(shù)的乘積成正比.粒子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的路程沿原運(yùn)動(dòng)方向的投影稱(chēng)為射程(rang),用R表示.

粒子在空氣中射程的經(jīng)驗(yàn)公式：

帶電粒子穿過(guò)靶物質(zhì)時(shí)使物質(zhì)原子電離產(chǎn)生當(dāng)前52頁(yè)，總共61頁(yè)。電子—離子對(duì),單位路程上產(chǎn)生的電子-離子對(duì)數(shù)目稱(chēng)為比電離(specificionization).

布拉格峰與腫瘤的放射治療.三.β射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用1.電子的能量損失(由電離損失和輻射損失構(gòu)成)當(dāng)前53頁(yè)，總共61頁(yè)。電子單位路徑上的電離損失(阻止本領(lǐng)):電子軔致輻射引起的能量損失率:2.電子的散射：電子與核作彈性碰撞后的彈性散射當(dāng)前54頁(yè)，總共61頁(yè)。3.正電子與物質(zhì)的相互作用:正電子發(fā)射斷層成像(PET)及其應(yīng)用當(dāng)前55頁(yè)，總共61頁(yè)。四.光子與物質(zhì)的相互作用