绪论与第一章核物理与核化学基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,核素应用技术,选修须知,1,1、上课时间2-16周。,2、注意课堂纪律,认真听课做好笔记。,3、认真做好作业，在,首页下端,注明：,姓名、学号：,院系、班级：,选修须知 2,4.本课程的成绩考核方式,总成绩 =平时成绩30%,+ 期末考试成绩70%,其中：平时成绩 = 作业 + 出勤,选修须知 3,5.联系方式,钟伟良,生命科学学院南楼402室,Email,：,同位素示踪原理与应用技术,刘琼英编,本课程教材,参考教材1,参考教材2,本课程主要内容(1),绪论(1学时),第一章核物理和核化学根底(5学时),第二章 放射性同位素示踪法(4学时),第三章 放射性测量(4学时),第四章 放射性自显影技术(2学时),第五章 稳定同位素示踪技术(2学时),本课程主要内容(2),第六章 几项实验技术(,4学时,),第七章 同位素示踪技术应用(,2学时,),第八章 辐照技术应用(,2学时,),第九章 辐射剂量及防护:,附(放射性防护常识) (,2学时,),绪 论,一、核技术的重要意义,核技术是原子核科学技术的简称,。核科学技术除核能利用外，还包括核素工业仪表、核探测与分析、核辐射应用、核素示踪技术等。,1896年A. H. Becguerel 对铀矿石天然放射性的发现，揭开了原子时代的序幕。,大量成熟的核技术使工业进入仪表化、系列化、专业化和商业化的阶段：如射线无损探伤仪等。,碳-14可用于年代测定，是考古学的重要手段之一。,辐射技术在高分子有机化学中具有聚合、改性、接枝等特殊效用。,二、核技术农学应用的成就,一核素示踪技术应用,在农业科学上的应用已有六十余年的历史，现已成为一项应用广泛的先进技术。,例如：美国、前苏联五十年代研究磷肥合理使用，改进施肥方法，收到了上千万美元的经济效益。,二核辐射在农业上的应用,1、作物辐射育种。,2、食品贮藏。,3、辐射昆虫不育防治害虫。,4、低剂量辐射刺激增产。,第一章核物理和核化学根底,第一节 原子核、核素和同位素,第二节 放射性衰变,第三节 核辐射与物质的相互作用,第四节 放射性核素的制备,第五节 放射性标记化合物的贮存,第一节 原子核、核素和同位素,一、原子和原子核,1、原子,直径：10,-10,米,氢原子质量：1.673610,-27,kg,原子质量单位：1u=1.660566 10,-27,kg,2、原子核,由质子p和中子n组成，因此又将其统称为核子。中子比质子略重。,所有元素的原子质量都接近某一整数，我们将其称为质量数A。,用Z表示质子数，N表示中子数，那么：,A = N + Z,3、原子核的结合能和质量亏损,原子核由质子和中子构成，但是核质量小于其核子质量之和，即：,M核 Z MP + N Mn,这是为什么呢？,其差值： M = Z MP + N Mn- M核,又代表什么呢？,原来，原子中的所有质子和中子结合起来时会放出一局部的能量。我们把这局部的能量称之为原子核的结合能 E 。,M 那么称为质量亏损。,根据质能联系定律， E= M C2。,如将E除以该核的核子数，得到每个核子的结合能，又称为比结合能。,相反，当我们将原子核分裂成它的各组成成分时，就需要供给能量E 。因此，比结合能反映了核的稳定性：其值越大，核越稳定。,大多数核的比结合能为8MeV,而一些很轻或很重的核，比结合能小。因此在轻核聚变或重核裂变时，均会放出大量的能量，称为“原子能。,4、核裂变和核聚变,1核裂变,液滴模型：,235,U +,1,n,90,Sr +,143,Xe + 3,1,n,235,U,90,Sr,143,Xe,此反响是一个释放巨量热量的放热反响，1摩尔的 235U 裂变释放的能量为,2.0 1013 焦耳,而燃烧一吨煤的热量约为,2.0 108 焦耳。,235U裂变的另一个重要特点是：中子的产额比原先捕获的多。这意味着什么呢？,链式反响,1964年10月16日中国第一颗原子弹爆炸1,2核聚变,太阳内部被认为进展如下的核聚变： 1H + 2H 3He,3He + 3He 4He + 2 1H,1H + 1H 2H + +,核聚变与核裂变释放能量比较：,6Li + 2H 2 4He,上述反响产生的释放能量为： 2.810-12 焦耳， 以1摩尔的锂-6计，那么为：,2.21012 焦耳,而1摩尔的 235U 裂变释放的能量为,2.0 1013 焦耳,1967年6月17日，在新疆罗布泊上空，我国,第一颗氢弹爆炸,试验获得完全的成功。,二、核素和同位素,核素 是具有特定核特征，即具有一定的质子数、中子数及核能级的一种原子。例如：H1H、D2H和T3H都是一种核素。,通常用AZX 或AX的形式来表示一种核素，其中X代表原子的符号，A和Z分别表示质量数和质子数。如碳-14核素可表示为： 146C 或14C。,核素可分为稳定核素和不稳定核素也称放射性核素。,不稳定核素：能自发地改变核构造，放射出某种射线而转变成另一种原子核的原子。,同位素：具有一样的Z值而A值不同的一系列核素称为该元素的同位素，它们之间也互称为同位素。,一般地讲，每一种元素都有一种以上的同位素，多的达十几种。例如：碳元素有13种同位素，其中11种是放射性同核素。,第二节 放射性衰变,研究说明：原子核的稳定性与其核内中子数与质子数的比例有关。对于稳定的原子核：在原子序数较低时，其值接近1，而z值较大时，其值接近1.5。也就是说，当某核素内中子数与质子数之比偏离此值时，其就可能不稳定。,核稳定性与中子数和质子数之比的关系,不稳定的核素会自发地通过放射性衰变，来到达稳定的状态。,一、放射性衰变类型,放射性衰变类型多种多样，这里讨论五种即：衰变、衰变、 +衰变、电子俘获及衰变。,一 衰变,衰变：从放射性核素的核里放射出粒子的过程。,粒子的本质： 氦核。,那为什么不直接叫氦核呢？,衰变的衰变表达式为：,AZX A-4Z-2Y + 42He +Q,粒子的性质,1具有很强的电离作用和照相作用，在磁场中会偏转，但贯穿本领很小一张纸就能挡住。,2能量是单一的。,一个实例：,226,88,Ra,222,86,Rn +,4,2,He +Q,222,86,Rn,218,84,Po +,4,2,He +Q,氡是无色、无味的惰性气体，易溶于水，特别易溶于脂肪中，它可以通过呼吸道和皮肤侵入机体，其子体进入人体就紧紧地附着在呼吸道，造成内照射。,研究说明：高浓度氡及其子体的居室是肺癌和呼吸癌的致癌主要因素之一。,氡具有较强的扩散能力，它在空气中的扩散系数为：0.105cm2/s。影响居室氡气浓度除和建筑物场地、建材和装饰材料种类有关外，还和建筑物位置、通风条件及氡析出有关。,衰变纲图,：,222,86,Rn, 3.825d,5.49MeV,0.51MeV,21884Po钋,3.11min,二 衰变,衰变：从放射性核素的核里放射出粒子的过程。,粒子的本质： 电子。,那为什么不直接叫电子呢？,衰变的衰变表达式为：,AZX AZ+1Y + +v +Q,衰变的实质：,n P +, + v,反中微子不带电，其静止质量约为电子质量的万分之五。,在衰变时所释放的能量由子体核、,粒子和反中微子同时带走。但前者质量越大于后二者，其带走的能量可忽略不计。于是，Q约等于后二者的动能。,于是，对于粒子来说，其动能的取值范围是0Q的任意值，即其粒子形成了,一个连续能谱,。,粒子的平均能量约等于最大能量的1/3，而E,max,= Q。,一个实例：,60,27,Co,60,28,Ni+,+v,+Q,钴-60衰变纲图,三 +衰变,从放射性核素的核里放射出+粒子的过程称为+衰变。其实质是：,P n + + + v,+粒子的本质：正电子。,衰变表达式为：,AZX AZ-1Y+ + +v +Q,一个实例：,30,15,P,30,14,Si +,+,+ v,+,Q,对照：,32,15,P,32,16,S +, + v,+,Q,磷的同位素中，,32,P，,33,P 是,衰变体，,31,P是稳定的，,30,P ，,29,P，,28,P是,+,衰变体。,四电子俘获,不稳定的原子核俘获一个核外绕行电子，而使核内的一个质子转变成中子和中微子的过程称为电子俘获。由于 K层电子最靠近核，被俘获的几率最大，所以电子俘获有时也叫K俘获。其衰变过程可表达为：,AZX + -1 e AZ-1Y + v + Q,一个实例：,125,53,I +,-1,e,125,52,Te,+ v,+,Q,对于电子俘获衰变来说，除有些核处于激发态而发出射线外，核并不放出任何易探测的辐射。但却有次级辐射即,X特征射线及俄歇电子放出,。,K,L,M,X射线发射,俄歇电子发射,电子俘获后的次级辐射示意图,五 衰变,从原子核里放射出射线的过程称 衰变。 射线与、 -、+等不同，它是一种不带电的高能电磁波，是核从激发态跃迁到较低能态或基态时的产物。, 射线与X射线无本质区别。一般来讲， 射线的波长较短，能是较高，是从核里发射出来的。, 衰变是伴随、 或其它衰变一起产生的。在许多场合， 衰变的原子核也可以发射内转换电子指向外发射核外绕行电子的方式，从激发态回到较低能态或基态，而不必发射 射线。, 射线和内转换电子的能量都是单一的。当一个核衰变放出不止一种 射线时，那么 射线的能量就有两组或两组以上。,二、放射性衰变的一般规律,放射性核素的衰变是自发的，且衰变速度不受外界条件的影响。有的核素衰变得快，有的那么慢，这是各种核素的特性。,有的核衰变后的子体仍不稳定会继续衰变。我们这里仅讨论一次衰变后的子体核是稳定的情况，也即：一次衰变定律。,一衰变定律,对某一特定的原子核来说，其衰变过程是一个几率过程。研究说明：假设在时间间隔t至t+t内，有N个原子核衰变，且子体是稳定的，那么以下关系成立：,N N t,写成等式那么为： N/ t =- N，,其中是比例常数，被称为衰变常数。,当t 0时，上式可写成：,dN/dt = - N,假设t=0时，未衰变的总核数为N0那么经积分得：,N= N0 e- t,上式是衰变定律的数学表达式，它表示放射性原子核的数目按时间的指数函数而衰减。但在实际应用时，往往想知道在单位时间内有多少核发生衰变，也就是放射性核素衰变率-dN/dt。我们将其称为放射性活度A，,即A= -dN/dt = N。,由于A= N, 而N= N0 e- t，假设设A0和A分别表示原始放射性活度和经过时间t后的放射性活度，那么可得：,A= A0 e- t,这是一次衰变定律的另一数学表达式。也是较为常用的表达式。,二衰变常数、半衰期,1、衰变常数,由dN/dt = - N可得：,-dN,dt,N,=,的物理意义：在单位时间内，每一个核衰变的几率。显然，其值越大表示核衰变得越快；小那么反之。,衰变常数的单位是秒-1，小时 -1 或天 -1等。如：32P的值为0.04873/天；而60Co的值为0.01098/月。,2、半衰期T1/2 或T,定义：放射性核素的原子数因衰变而减少到原来一半所需的时间。,显然，半衰期长表示放射性核素衰变得慢；反之那么快。,根据半衰期的定义，当t=T时，Nt=N0/2, 代入 N= N0 e- t得：,T=ln2/ =0.693/ ,由上式可知：,半衰期与衰变常数成反比。,另外，根据半衰期的定义还可得放射性活度与半衰期之间的关系：,A= A,0,/ 2,n,式中，n= t / T。,这也是一个很有用的公式,。,三放射性活度及常用单位,放射性活度的定义是：,dN,dt,其物理意义是：单位时间内发生核衰变的次数。,国际单位专用名称为贝可勒尔，简称贝可，缩写为Bq。1Bq每秒衰变1次。,A=,也即：1 Bq = 1 dps degradation per second。,1 dps = 60 dpm,用仪器测量时常用以下单位：,cps ( counts per second ),cpm (counts per minute ),那么它们之间又有什么关系呢？,假设放射性测量仪器的探测效率为那么：,CPS,DPS,此外，至今仍在采用的放射性活度单位为居里,简称居，缩写为Ci。,1Ci = 3.71010 Bq,1mCi = 3.7107 Bq,1Ci = 3.7104 Bq=2.22 106 dpm,=,100%,在实际工作中，有时还使用比放射性或放射性比活度的概念。其定义是单位质量或单位体积的放射性活度。也即：,Ci/g, Bq/g, 或 Ci/ml, Bq/ml等；前两者适用于固体，后两者适用于液体。,课堂作业,请问1微居的32P原子的质量是多少？： 32P的半衰期为14. 3天。答案是 3.50 10 -12 g,解：,由 T=14.3天那么可得：,=0.693/T=0.693/14.3天=0.0485 天-1,再由A= N可得：,N=A/ = 1 Ci / 0.0485 天-1,= 3.7104 s-1/ 0.0485 (24 3600 s-1),= 6.59 1010,= 6.59 1010 (32g/6.02 1023),=3.50 10 -12 g,第三节 核辐射与物质的相互作用,一、带电粒子与物质的相互作用,二、射线与物质的相互作用,三、中子与物质的相互作用,核辐射,从原子核放射出来的射线。,一、带电粒子与物质的相互作用,一电离与激发,二弹性散射,三轫致辐射,四吸收作用,一电离与激发,当带电粒子通过物质时，电于它具有足够的能量，可以从物质的原子里打出轨道电子而产生自由电子和正离子组成的离子对，这种电离过程称为“初始电离。如果自由电子获得的能量足够大时，它可以按上述方式与物质作用产生离子对，这种电离叫“次级电离。,由于物质的构造不同，使物质电离所需的能量也不同，在空气中，产生一对离子对需要的平均能量约32 .5eV, 而使锗电离只需2.94eV。,带电粒子通过物质时，因电离作用，在其径迹周围留下许多离子对，在单位径迹中所产生的离子对数目称“电离比值。,电离比值和带电粒子所带的电荷及速度有很大的关系。,所带的电荷数越多，,静电作用越强；,速度越小，,相互作用时间越长，,电离比值就越大。,例如，与 粒子相比， 粒子所带的电荷多，速度小，所以在空气中， 粒子的电离比值范围约为1000070000离子对/厘米；而 粒子的电离比值范围约为607000离子对/厘米。,如果被束缚的轨道电子获得的能量缺乏以使其变成自由电子，而只是激发到更高的能态，这个过程称为激发作用。,处于激发态的电子仍旧留在原子内，随后通过发射具有特征波长的光辐射X射线回到基态。,二弹性散射,带电粒子在物质中通过时，还会因受到原子核电场的作用而改变运动的方向，但带电粒子与原子核碰撞前后总动能保持不变，这种现象称为弹性散射。,弹性散射与带电粒子的质量有关，质量大，弹性散射不显著；质量小那么反之。, 粒子的质量大，散射不显著；所以其径迹是相当直的；而 粒子质量小，不仅被子原子核散射显著，还会被子核外电子散射。其散射角与物质的原子序数有关，Z值越高角度越大。当散射角大于90。时称为反散射。此外，可能会屡次发生散射，因而 粒子的径迹是弯弯曲曲的。,在作 测量时其测样底座要选用原子序数低、密度小的材料，以提高测量准确度。？,三轫致辐射,轫致辐射是指快速运动的电子被物质阻挡而突然减速时，一局部动能转变为电磁辐射光子。,产生这种辐射的量与电子的能量、物质原子序数的平方成正比。,rad,dE,dx,z,2,Z,2,NE,m,2, 粒子能量损失的方式与其动能大小及物质的原子序数有关：,(dE/dx),rad,E,Z,(dE/dx),ion,700,由上式可见，对于高能电子轫致辐射是主要的，对于低能电子电离是主要的。对于低原子序数的铝、有机玻璃等物质，一般原子核放射出来的 粒子引起的轫致辐射是可以忽略的。,四吸收作用,带电粒子通过物质时因电离、激发、轫致辐射不断的损失能量，最终被物质吸收。,通常将粒子在物质中穿透的距离叫射程。射程的长短取决于粒子的能量大小、种类及其介质的性质。一般情况下，粒子的质量越大射程越短；介质密度越大，射程越短。, 粒子有很强的电离作用，且速度慢，因此通过介质时能量消耗极快，射程很短。,而 粒子电离作用相对较弱，且其速度接近光速；所以在介质中的射程比 粒子的长得多。,例如，同为3MeV的和 粒子，在铝中的射程分别为0.015mm和6.5mm。做放射性实验时，常需几毫米12厘米的铝或有机玻璃挡住 粒子。,简言之：, 粒子的径迹是短而直；,而 粒子的径迹是长而曲。,二、辐射与物质的相互作用,辐射是一种电磁辐射，它的能量从几千到几兆电子伏之间。它与物质的相互作用有三种根本方式：光电效应、康普顿-吴有训效应和电子对效应，其发生的几率与光子的能量和物质的原子序数有关。,一光电效应,当一个光子与物质的原子相互作用时，可能将全部能量都交给核外一个轨道电子，使它脱离原子成为自由电子，光子本身那么整个被子吸收，这个被打出来的电子叫光电子，这样的效应叫光电效应。,该光电子所带的动能是光子的能量与其结合能之差。这种光电子与 粒子一样，能使邻近的原子或分子发生电离或激发。,光电效应发生的几率与物质原子序数及光子的能量有关。当低能光子0.1MeV与原子序数大的物质相互作用时，光电效应占优势；其能量超过2MeV时，光电效应就不明显了。,+,-1,e,(二) 康普顿-吴有训效应,中能0.51MeV的光子和轨道电子弹性碰撞时， 光子将一局部能量传给轨道电子使其射出，而本身变成较低能量的光子被散射，并在屡次散射后，最终通过光电效应而被物质吸收，这种作用称康普顿-吴有训效应。,该效应发生的几率与物质的原子序数成正比，主要发生在中等能量的区域。,+,-1,e,(三) 电子对效应,当光子的能量大于两个电子的静止质量1.02MeV时，那么它与物质相互作用便会产生电子对效应，这时光子本身被吸收，产生一对具有不同能量分配的电子和正电子。,+,-1,e,+1,e,电子对效应示意图,光子三种效应发生的几率与其能量及物质的原子序数关系如以下图所示：,Z,10,-2,10,0,10,2,10,-1,10,1,E,r,( MeV ),20,100,80,60,40,光电效应占优势,康,-,吴效应占优势,电子对效应占优势,射线与物质不断作用，其强度将随物质层厚度的增加而逐渐减弱，并服从指数规律；可表示为：,I=I0e- d,式中I0 与I分别为吸收体厚度为零和d时的射线强度， 为该吸收体的吸收系数，如d以 cm为单位，那么的单位为cm-1，称此为线性吸收系数。,半减弱厚度与辐射防护,半减弱厚度,指把辐射强度减弱到原来值的一半所需要的屏蔽厚度。,此概念常用于计算对,源的防护厚度。,d,我是平安的！,三、中子与物质的相互作用,中子通过物质时，不与核外的轨道电子相互作用，而能进入原子核内部，并与核子相互作用产生散射击和核反响。,一散射,原子核对中子散射的结果，使入射中子改变运动方向或损失一局部能量。假设是非弹性散射那么损失这一局部能量，将消耗于原子核的激发上。,假设是弹性散射，那么原子核不被激发。中子因与弹性碰撞而损失能量，以跟轻核碰撞时损失最快，当1MeV的中子和氢核相碰撞时，就会发生最大的能量损失损失一半；而与铅碰撞时仅损失2%，这就是为什么含氢的物质石蜡和水比铅更适宜于防护中子的原因。,二核反响,被中子撞击的原子核俘获中子而形成一个新的不稳定核， 这种新的不稳定核通过发射射线、射线和 粒子或通过核裂变而衰变，也即分别产生n, 、n, 、n, P、n, 等核反响。,利用中子引起的核反响，可以制备人工放射性核素。,第四节 放射性核素的制备,一、天然放射性核素的提取,一直接从矿石中提取,如从铀矿中提取235U等具有实用价值的天然放射性核素。,二从它们长寿的母体中别离获得,如234Th、210Po。,天然放射系,铀-镭系4n: 23892U 20682Pb; 共经 8次; 6次。,镎系 (4n+1)：24194Pu 20982Pb 20983Bi; 共经 8次; 5次。,钍系 (4n+2)：23290Th 20882Pb; 共经 6次; 4次。,铀-锕系 (4n+3)：23592U 20782Pb; 共经 7次; 4次。,二、人工放射性核素的制备,一核反响类型,核反响是指原子核承受一个粒子撞击而放出一个或几个粒子，从而引起原子核变化的过程。,一般将撞击粒子称入射粒子，被撞击的核称靶核。,假设用A和a分别表示靶核及入射粒子；B和b分别表示反响后生成的新核和另一个粒子，那么核反响一般表示为：,A + a B + b,简单式为： A ( a, b ) B,例如：,59Co + 1n 60Co + ,可简单为： 59Con， 60Co,核反响的种类很多，一般可分成三类：,1、中子引起的核反响,慢中子0E1keV引起的主要是 n， ；例如： 31Pn， 32P。,快中子0.5E10MeV可引起n,P、n,2n等核反响。例如， 32Sn， P 32P。,2、带电粒子引起的核反响,带电粒子主要指质子、氘及氦核等；它们引起的核反响主要有P，n、(P， )、d, n、( d, )、 , n 等。,例如： 7Li (P， )8Be;,24Mg (d, )22Na;,27Al (, n )30P,第一个人工放射性核素,3、光子引起的核反响,用高能光子轰击靶核所引起的核反响称光致核反响如 ，n 反响。16O (, n )15O。,二制备人工放射性核素的设备,1、原子核反响堆,2、迥旋加速器,3、实验室中子源： 9Be(, n )8Be,三生物学中常用放射性核素的制备,1、氚3H的制备,天然源：,14N + 1n 12C + 3H,核反响堆：,6Li + 1n 3H + 4He,2、14C的制备,14Nn，P14C。,3、32P的制备,32Sn，P32P； 31Pn， 32P;,31Pd， P32P。,4、 35S的制备,35Cln，P35S。,第五节 放射化学根底,一、几个根本概念,放射性纯度 是指在放射性制剂中所需的某种放射性核素的放射性活度占总放射性的百分比。,放射性纯的标准是从是否存在放射性杂质，而不是从化学成分这一角度来衡量的。,放射化学纯度,是指在一种放射性制剂中，以某种特定的化合物或化学形态存在的放射性活度占该核素总放射性活度的百分数。,例如：,131,I的NaI注射液中，除了需要的,131,I,-,化学状态外，可能还有少量以,131,IO,-,3,，,131,IO,-,4,等化学状态。,在研究系统中参加常量非放射性的物质，并在化学反响及在生物学过程中与被研究的放射性核素具有一样或相似行为，参加的这类常量物质称作载体。载体又有同位素载体和非同位素载体之分。,二、放射化学的根本特点,一放射性,二不恒定性,三低浓度和超微量,在生物学研究中常用到微居级的放射性核素，这种活度的放射性物质其质量非常小。例如：1毫居的32P 和 14C的质量分别为：3.510-12克、2.210-7克。,三、标记化合物的贮存,如果某放射性核素已标记到化合物分子上，即合成为标记化合物。,标记化合物贮存时，主要由于辐射自分解及可能由于化合物分子本身不稳定产生分解而致使标记化合物纯度降低导致应用时产生错误的结果。,因此，标记化合物在贮存时，应取以下几种主要方法来减少或防止分解。,1、降低标记化合物的比活度：可采取参加载体或适当溶剂的稀释法。,2、降低贮存温度及避光。,3、枯燥：最好保存在枯燥器内，或密封在真空或隋性气体中。,课后作业,根据实验测定，大气中14C与12C数目之比为1.310-12， 此比例根本恒定。测得古墓骸骨100g碳的放射性活度因14C 衰变所致为900dpm，求此墓的年代。注： 14C的半衰期为5730年 ，答案为约4200年,