章原子核和放射性课件

1908年年因因研研究究元元素素的的蜕蜕变变和和放放射射化化学学获获诺诺贝尔化学奖贝尔化学奖.卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford,1871-1937)英籍新西英籍新西兰物理学家兰物理学家.金箔对金箔对 粒子的散射实验粒子的散射实验v 1911年年卢卢瑟瑟福福用用金金箔箔对对 粒粒子子的的散散射射实实验确立了原子的核式模型验确立了原子的核式模型,即原子由处于即原子由处于中心的原子核和中心的原子核和核外运动的电子核外运动的电子组成组成.由此开始了由此开始了对原子核的探索对原子核的探索.一一.原子核的组成原子核的组成1896年年贝贝克克勒勒尔尔发发现现铀铀的的放放射射性性,1898年年居居里夫妇发现了放射性元素里夫妇发现了放射性元素钋钋和和镭镭.1919年卢瑟福发现年卢瑟福发现质子质子(proton).).1932年查德威克发现年查德威克发现中子中子(neutron).).13-1 13-1 原子核的基本性质原子核的基本性质海海森森伯伯等等人人提提出出原原子子核核是是由由质质子子和和中中子子组组 成成 的的.质质 子子 和和 中中 子子 统统 称称 为为 核核 子子(necleon).).原原子子核核中中的的质质子子数数等等于于核核外外电电子子数数,即即原原子子序序数数Z.原原子子核核的的质质量量数数 A就就是是核核子子的的总数总数,若以若以N表示中子数表示中子数,则则 A=Z+N.查查德德威威克克(J.Chadwick,1891-1974)英英国国物物理理学学家家.1935年年因因发发现现中中子子获诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理学奖.贝贝克克勒勒尔尔(H.Becquerel,1852-1908)法法国国物物理理学学家家.1903年年因因发发现现自自发发放放射性获诺贝尔物理学奖射性获诺贝尔物理学奖.居居里里夫夫妇妇(P.Curie,1859-1906,右右,法法国国物物理理学学家家；M.Curie,1867-1934,左左,法法籍籍波波兰兰物物理理学学家家)1903年年因因对对贝贝克克勒勒尔尔发发现现的的辐辐射射现现象象作作出出了了卓卓越越贡贡献献,其其中中包包括括发发现现了了钋钋和和镭镭获获诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖.居居里里夫夫人人1911年年又又因因提提纯纯镭镭而而获获诺诺贝尔化学奖贝尔化学奖.约约里里奥奥-居居里里夫夫妇妇(F.Joliot-Curie,1900-1958,I.Joliot-Curie,1897-1956,右右)在在实实验验室室中中(1932年年)v 约约里里奥奥-居居里里夫夫妇妇是是居居里里夫夫人人的的女女儿儿、女女婿婿,他他们们错错失失了了发发现现中中子子、正正电电子子和和核核裂裂变变的的机机会会.但但仍仍于于19351935年年因因发发现现人人工工放放射射性性获获得得诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖.原原子子核核的的质质量量常常用用原原子子质质量量单单位位(atomic mass unit)u表表示示,原原子子质质量量单单位位定定义义为为自自然然界界中中碳碳最最丰丰富富的的同同位位素素 原原子子质质量量的的1/121/12质子质量质子质量mp=1.007 276 u中子质量中子质量mn=1.008 665 u质量数为质量数为A的原子核质量近似为的原子核质量近似为Au.一一类类具具有有确确定定质质子子数数和和核核子子数数的的中中性性原原子子称称为为核核素素(nuclide),),用用 表表示示.其其中中X为为元元素素符符号号,Z和和A分分别别表表示示原原子子序序数数和和原原子子质量数质量数.质质 子子 数数 相相 同同 的的 不不 同同 核核 素素 称称 为为同同 位位 素素(isotope)；具具有有相相同同中中子子数数,不不同同质质子子数数的的异异类类核核素素称称为为同同中中子子异异位位素素(isotone)；质质量量数数相相同同,质质子子数数不不同同的的一一类类核核素素称称为为同同量量异异位位素素(isobar)；质质量量数数和和质质子子数数相相同同而而处处于于不不同同能能量量状状态态的的一一类类核核素素称称为为同核异能素同核异能素(isomer).).同位素在自然界中同位素在自然界中的含量百分比称为的含量百分比称为同位素丰度同位素丰度(isotope abundance).).原子核半径与核子数有近似原子核半径与核子数有近似关系关系因此因此,原子核体积很小原子核体积很小,密度很大密度很大.式中式中R R0 0 1.21.2 10 10-15-15m.m.二二.原子核的结合能原子核的结合能 原原子子核核质质量量总总是是小小于于组组成成原原子子核核的的核核子子质质量量之之和和,两两者者的的差差值值称称为为质质量量亏亏损损(mass defect).).自自由由核核子子结结合合成成原原子子核核时时释释放放的的能能量量称称为为原原子子核核的的结结合合能能(binding energy).).任任意一个核素意一个核素 的结合能的结合能 E定义为：定义为：式式中中 、及及 分分别别表表示示氢氢原子、中子及原子、中子及 原子的质量原子的质量.原原子子核核的的结结合合能能 E 与与该该核核核核子子数数A的的比比值值称为称为比结合能比结合能(specific binding energy)的大小可以作为核稳定性的量度的大小可以作为核稳定性的量度.比结合能曲线获得原子能的途径：重核裂变、轻核聚变原子弹和氢弹就是分别利用重核裂变和轻核聚变原理研制出来的核武器.右图分别为中国第一颗原子弹(1964年)和第一颗氢弹(1967年)爆炸时产生的蘑菇云.下图为投到广岛的原子弹“Little Boy”.位于浙江海盐的秦山核电站是我国第一座自行研究、设计、建设的核电站.1991年12月首次并网发电,结束了中国大陆无核电的历史.上图为全景,下图为主控制室.三三.原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩 原原 子子 核核 的的 角角 动动 量量 称称 为为 核核 自自 旋旋(nuclear(nuclear spin).spin).原子核角动量大小为：原子核角动量大小为：I为核自旋量子数为核自旋量子数,可取半整数或整数可取半整数或整数.角动量在空间某一方向的投影是量子化的：角动量在空间某一方向的投影是量子化的：mI为为核核自自旋旋磁磁量量子子数数.对对于于确确定定的的I 值值,mI 可可取取 I,I-1,I-2,-I+1,-I,共共2I+1个值个值.原子核的自旋与状态有关原子核的自旋与状态有关,激发态原子核的激发态原子核的自旋不一定等于基态的自旋自旋不一定等于基态的自旋.实验发现基态时：实验发现基态时：质子、中子数目质子、中子数目原子核的自旋原子核的自旋I奇偶核或偶奇核奇偶核或偶奇核半整数半整数偶偶核偶偶核零零奇奇核奇奇核整数整数 原原子子核核不不仅仅具具有有自自旋旋,也也具具有有核核磁磁矩矩(nuclear magnetic moment).(nuclear magnetic moment).核核磁磁矩矩一一方方面面来来自自核核子子的的自自旋旋磁磁矩矩,另另一一方方面面来来自自各各核核子子的的轨轨道道磁磁矩矩.但但核核磁磁矩矩并并不不是是各各核子磁矩的简单相加核子磁矩的简单相加.核磁矩矢量与核角动量矢量成正比：核磁矩矢量与核角动量矢量成正比：其其中中m mp p为为质质子子质质量量,g g称称为为朗朗德德因因子子(Lande(Lande g g factor),factor),或或称称原原子子核核的的g g因因子子(g-factor),(g-factor),不不同同核核的的g g因因子子不不同同.核核磁磁矩矩在在z z轴轴方方向向上上的的投影为：投影为：称称为为核核磁磁子子(nuclear(nuclear magneton),magneton),是是核核磁磁矩矩的的单单位位.定定义义核核磁磁矩矩大大小小为为mI 取取I 时时的的 Iz 值值,即即gI N .质质子子磁磁矩矩大大小小为为2.7932.793 N N,并并不不是是“理理所所当当然然”的的为为1 1 N N(电电子子磁磁矩矩 1 1 B B)；中中子子磁磁矩矩大大小小其中其中 虽虽然然中中子子整整体体不不带带电电,但但它它内内部部还还存存在在电电荷荷分分布布;质质子子和和中中子子都都不不是是几几何何的的“点点”,”,而而具具有内部结构有内部结构.为为-1.913-1.913 N N ,并非并非“当然为零当然为零”(”(因为中子因为中子不带电不带电).).这说明：这说明：19641964年年盖盖尔尔曼曼和和茨茨威威格格(G.Zweig,1937-)(G.Zweig,1937-)独独立立地地提提出出质质子子和和中中子子不不是是基基本本粒粒子子,而而是是由由夸夸克克(quark)(quark)组组成成.质质子子由由2 2个个上上夸夸克克和和1 1个个下下夸夸克克组组成成；中中子子由由1 1个个上上夸夸克克和和2 2个个下下夸夸克克组组成成.因因质质子子电电量量为为1 1个个元元电电荷荷,故故夸夸克克带带分分数数电电量量.盖盖尔尔曼曼(M.Gell-Mann,1929-)美美 国国 物物 理理 学学 家家.1969年年因因对对基基本本粒粒子子及及其其相相互互作作用用的的分分类类所所作作的的贡贡献献和和发发现现获获诺诺贝贝尔尔物理学奖物理学奖.原原子子核核磁磁矩矩在在外外磁磁场场作作用用下下将将产产生生附附加加能能量量,导导致致能能级级分分裂裂.在在外外磁磁场场中中的的原原子子核核将将吸吸收收特特定定频频率率的的电电磁磁波波,这这种种现现象象称称为为核核磁磁共共振振(nuclear magnetic resonance,NMR).(nuclear magnetic resonance,NMR).mI=1/2mI=-1/2E2E1 E=g N B氢核在外磁场中的能级氢核在外磁场中的能级拉拉比比(I.Rabi,1898-1988,左左)美美籍籍奥奥地地利利物物理理学学家家,1944年年因因用用共共振振方方法法记记录录了了原原子子核核的的磁磁特特性性获获诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖.布布洛洛赫赫(F.Bloch,1905-1983,中中)美美籍籍瑞瑞士士物物理理学学家家和和珀珀塞塞尔尔(E.Purcell,1912-1997,右右)美美国国物物理理学学家家.1952年年因因发发展展了了核核磁磁精密测量的新方法及由此所作的发现获诺贝尔物理学奖精密测量的新方法及由此所作的发现获诺贝尔物理学奖.劳劳特特伯伯尔尔(P.Lauterbur,1929-,右右)美美国国 化化 学学 家家 和和 曼曼 斯斯 菲菲 尔尔 德德(P.Mansfield,1933-,下下)英英国国物物理理学学家家.2003年年因因发发明明磁磁共共振振成成像像技技术术(MRI)获诺贝尔生理学或医学奖获诺贝尔生理学或医学奖.核磁共振在化学中用于研究分子结构核磁共振在化学中用于研究分子结构乙醇的核磁共振谱线乙醇的核磁共振谱线四四.核力核力万有引力万有引力电磁力电磁力核力核力长程力长程力长程力长程力短程力短程力弱相互作用弱相互作用弱相互作弱相互作用用强相互作强相互作用用五五.原子核的宇称原子核的宇称 宇称宇称(parity)(parity)是表征微观粒子运动状态的是表征微观粒子运动状态的物理量物理量,是原子核的重要特征是原子核的重要特征,核状态发生变核状态发生变化化,核的宇称才发生变化核的宇称才发生变化.偶宇称偶宇称奇宇称奇宇称宇称的表示：宇称的表示：(1/2)(1/2)-,0 ,0+自自然然界界中中天天然然存存在在的的核核素素300300多多种种.其其中中6060多多种种是是不不稳稳定定的的放放射射性性核核素素,他他们们会会自自发发放放出出各各种种射射线线变变成成另另一一种种核核素素,这这种种现现象象称称为为原原子子核核的的放放射射性性衰衰变变(radioactive(radioactive decay),decay),简简称称核核衰衰变变(decay).(decay).人人工工方方法制造了法制造了16001600多种放射性核素多种放射性核素.13-2 原子核的衰变类型 放射性核素的衰变类型主要有三种：放射性核素的衰变类型主要有三种：衰变、衰变、衰变衰变和和 衰变衰变.一一.衰变衰变 射射线线是是高高速速运运动动的的氦氦核核,也也称称 粒粒子子.衰衰变过程为：变过程为：X X称母核称母核,Y,Y称子核称子核,Q Q为衰变过程放出的能为衰变过程放出的能量量.射射线线的的用用途途：研研究究原原子子和和原原子子核核结结构构的的工工具；确立原子核式模型具；确立原子核式模型,发现质子和中子发现质子和中子.二二.衰变衰变 放射性核素自发地放射出放射性核素自发地放射出 射线或俘获轨道射线或俘获轨道 电电子子而而变变成成另另一一个个核核素素的的现现象象称称为为 衰衰变变.主要包括主要包括-衰变衰变、+衰变衰变和和电子俘获电子俘获.-衰变衰变母核自发放射出一个母核自发放射出一个-粒子和粒子和一个反中微子一个反中微子 ：+衰变衰变母核自发放射出一个母核自发放射出一个+粒子和一粒子和一个中微子个中微子 ：电子俘获电子俘获母核俘获一个核外轨道电子母核俘获一个核外轨道电子,同时放出一个中微子同时放出一个中微子 ：Bi的 能谱三三.衰变衰变 处处于于激激发发态态的的原原子子核核在在不不改改变变其其组组成成的的情情况况下下,以以放放出出 射射线线(光光子子)的的形形式式释释放放能能量量而而跃迁到较低能级的现象称为跃迁到较低能级的现象称为 衰变衰变.v 概念：内转换概念：内转换、内转换电子、俄歇电子内转换电子、俄歇电子v 原子核衰变纲图原子核衰变纲图(decay scheme)(decay scheme)：60Co(T1/2=5.27a)-0.309(100%)2.50Mev1.33Mev01260Ni13-3 13-3 原子核的衰变规律原子核的衰变规律一一.衰变规律衰变规律 核衰变服从的指数规律核衰变服从的指数规律衰变定律衰变定律：式中式中 称为称为衰变常量衰变常量(decay constant),(decay constant),N N0 0为为t t=0=0时原子核的数目时原子核的数目.二二.半衰期半衰期 原原子子核核数数目目因因衰衰变变减减少少到到原原来来的的一一半半所所需需的时间的时间,称为称为半衰期半衰期(half life).(half life).半衰期半衰期T T 与与 一样一样,是放射性核素的特征常是放射性核素的特征常量量.用用T T 表示的衰变定律：表示的衰变定律：原子核衰变的快慢可以用原子核衰变的快慢可以用平均寿命平均寿命(mean(mean life)life)表示表示.对于任一核素的平均寿命为：对于任一核素的平均寿命为：在在核核医医学学中中,用用放放射射性性物物质质做做生生物物机机体体示示踪踪剂剂.进进入入机机体体的的放放射射性性核核素素除除因因自自身身衰衰变变而而减减少少外外,还还通通过过机机体体的的代代谢谢排排出出体体外外.生生物物机机体体排排出出放放射射性性核核素素的的规规律律近近似似服服从从衰衰变变定定律律：生生物物半半衰衰期期T Tb b(biological(biological half half life),life),生生物物衰变常量衰变常量 b b(biologicalbiological decay constant).decay constant).生物机体内放射性原子核的衰变定律：生物机体内放射性原子核的衰变定律：其中其中 e e=+b b称为有效衰变常量称为有效衰变常量(effective(effective decay constant),decay constant),它对应的半衰期为有效半它对应的半衰期为有效半衰期衰期T Te e(effective(effective half life).half life).它与物理半它与物理半衰期衰期T T和生物半衰期和生物半衰期T Tb b的关系为：的关系为：三三.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原子放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称为该物质的核数称为该物质的放射性活度放射性活度(activity)(activity)：式中式中A A0 0 是是t t=0=0 时的放射性活度时的放射性活度.A A的的单单位位：国国际际单单位位制制中中是是贝贝可可(Becquerel,(Becquerel,Bq),Bq),1Bq=11Bq=1次次核核衰衰变变/秒秒.放放射射性性活活度度单单位位还还有有居里居里(Curie,Ci),1Ci=3.7(Curie,Ci),1Ci=3.7 10101010Bq.Bq.概概念念：比比活活度度(specific(specific activity):activity):单单位位质质量放射源的放射性活度量放射源的放射性活度四四.放射性平衡放射性平衡概念：概念：级联衰变级联衰变(cascade decay)(cascade decay)自然界中存在自然界中存在4 4个放射系：钍系、铀系、锕个放射系：钍系、铀系、锕系、镎系系、镎系.级联衰变时母核与子核的衰变规律：级联衰变时母核与子核的衰变规律：t t=0=0时核素时核素A A的数目为的数目为N NA0A0,而核素而核素B B、C C的数的数目目N NB0B0=N NC0C0=0.=0.t tt t+d+dt t时间内：时间内：得出：得出：对于核素对于核素B B在在t tt t+d+dt t时间内：时间内：放射性测定年代放射性测定年代1414C C鉴年法鉴年法得出：得出：临床显像检查：临床显像检查：一一.带电粒子与物质相互作用的机制带电粒子与物质相互作用的机制(1)(1)与核外电子的非弹性碰撞与核外电子的非弹性碰撞 电离电离(ionization)(ionization)、激发、激发(exitation)(exitation)(2)(2)与原子核的非弹性碰撞与原子核的非弹性碰撞 韧致辐射韧致辐射(bremsstrahlung)(bremsstrahlung)13-4 13-4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 入射粒子在单位路径上的能量损失称为入射粒子在单位路径上的能量损失称为能能量损失率量损失率.它反映了物质对带电粒子的它反映了物质对带电粒子的阻止本阻止本领领.阻止本领与入射粒子的质量无关阻止本领与入射粒子的质量无关,与其速与其速度平方成反比度平方成反比;与粒子的电荷数平方成正比与粒子的电荷数平方成正比;(3)(3)与原子核的弹性碰撞与原子核的弹性碰撞二二.重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用与靶物质的密度和电荷数的乘积成正比与靶物质的密度和电荷数的乘积成正比.粒粒子子在在物物质质中中运运动动的的路路程程沿沿原原运运动动方方向向的的投影称为射程投影称为射程(rang),(rang),用用R R表示表示.粒子在空气中射程的经验公式：粒子在空气中射程的经验公式：带电粒子穿过靶物质时使物质原子电离产生带电粒子穿过靶物质时使物质原子电离产生电电子子离离子子对对,单单位位路路程程上上产产生生的的电电子子-离离子子对数目称为对数目称为比电离比电离(specific ionization).(specific ionization).布拉格峰布拉格峰与肿瘤的放射治疗与肿瘤的放射治疗.三三.射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1.1.电电子子的的能能量量损损失失(由由电电离离损损失失和和辐辐射射损损失失构构成成)电子单位路径上的电子单位路径上的电离损失电离损失(阻止本领阻止本领):):电子轫致辐射引起的能量损失率电子轫致辐射引起的能量损失率:2.2.电子的散射：电子与核作弹性碰撞后的弹电子的散射：电子与核作弹性碰撞后的弹性散射性散射3.3.正电子与物质的相互作用正电子与物质的相互作用:正电子发射断层成像正电子发射断层成像(PET)(PET)及其应用及其应用四四.光子与物质的相互作用光子与物质的相互作用光子与物质的三种作用方式光子与物质的三种作用方式:光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应五五.中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用 中子的中子的弹性散射弹性散射能量低的中子与轻核能量低的中子与轻核的相互作用主要是弹性散射的相互作用主要是弹性散射.中子的中子的非弹性散射非弹性散射,如中子俘获反应如中子俘获反应(n n,)、电荷交换反应、电荷交换反应(n n,p),p)、(n n,)反反应应.照照射射量量的的单单位位是是CkgCkg-1-1,曾曾用用单单位位为为伦伦琴琴(Roentgen,R).(Roentgen,R).13-5 13-5 辐射剂量与防护辐射剂量与防护一一.辐射计量及其单位辐射计量及其单位照射量照射量(Exposure)(Exposure)E E 定义为：定义为：照射量的定义只适用于照射量的定义只适用于X(X()能量在几个能量在几个keVkeV到几个到几个MevMev的范围内的范围内.单位时间内的照射量单位时间内的照射量称为称为照射率照射率.单单位位质质量量的的物物质质所所吸吸收收到到的的辐辐射射能能量量称称为为吸吸收收剂剂量量(absorbed(absorbed dose);dose);吸吸收收剂剂量量的的单单位位为戈瑞为戈瑞(Gray,Gy).(Gray,Gy).曾用单位为拉德曾用单位为拉德(rad).(rad).吸收剂量适用于任何类型和任何能量的电吸收剂量适用于任何类型和任何能量的电离辐射离辐射,并适用于受照射的任何物质并适用于受照射的任何物质.单位单位时间内的吸收剂量称为时间内的吸收剂量称为吸收剂量率吸收剂量率.当量剂量当量剂量(vequivalent dose)(vequivalent dose)H HT T等于某一等于某一组织或器官组织或器官T T所接受的平均吸收剂量所接受的平均吸收剂量D DT,RT,R与辐与辐射射 权权 重重 因因 子子(radiation(radiation weighting weighting factor)factor)R R的乘积：的乘积：H HT T的的单单位位为为希希沃沃特特(Sievert,(Sievert,Sv),Sv),曾曾用用单单位位为为雷雷姆姆.当当量量剂剂量量只只适适用用于于人人和和生生物物体体,是反映辐射对人体损伤程度的物理量是反映辐射对人体损伤程度的物理量.二二.辐射防护辐射防护 国国际际上上规规定定经经过过长长期期积积累累或或一一次次性性照照射射后后,对对机机体体无无损损害害又又不不发发生生遗遗传传危危害害的的最最大大照照射射剂剂 量量,称称 为为 最最 大大 容容 许许 剂剂 量量(maximum(maximum permissible dose,MPD).permissible dose,MPD).我国现行规定我国现行规定MPDMPD每年不超过每年不超过50mSv,50mSv,放射放射