原子核与放射性-课件

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,*,第十七章 原子核与放射性,第十七章 原子核与放射性,1,1896年，法国物理学家,安东尼亨利贝克勒尔,发现,铀盐,能放射出穿透力很强的，并能使照相底片感光的一种不可见的射线。,1898年，,居里夫妇,发现了放射性更强的元素,钋(Po),和,镭(Ra).,由于发现放射性，,居里夫妇,和,贝可勒尔,共同获得了1903年诺贝尔物理学奖。,后来,卢瑟福,和他的合作者通过大量实验证实已发现的射线有,，,，,三种。,1911年，,卢瑟福,通过,粒子散射实验发现了原子的核式结构。,1896年，法国物理学家安东尼亨利贝克勒尔,2,本章拟学习内容：,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,本章习题：,第304-305页，17-1、17-4、17-6、17-8、17-10、17-11。,本章拟学习内容：,3,第一节 原子核的基本性质,一、原子核的组成、质量和大小,第一节 原子核的基本性质一、原子核的组成、质量和大小,4,原子,(atom),原子核,(nucleus),核外电子,(electron),质子,(proton),中子,(neutron),核子,(nucleon),质子数，,原子序数：,Z,中子数：,N,核子数，,原子质量数：,A,=,Z,+,N,1.原子核的组成,原子原子核核外电子质子中子核子质子数，中子数：N核子数，1.,5,原子质量单位,(u),：,原子质量的1/12.,-1,0,+1,电荷,/,e,0.5110,939.56563,938.27231,质量,/,质量,/,kg,1.0086649235,1.0072764660,质量,/,u,电子,中子,质子,原子核质量近似为,Au,.,原子质量单位(u)：原子质量的1/12.-10+,6,核素,：一类具有确定质子数、核子数和能量状态的,中性原子称为核素。,核素的表示形式：,同位素,(isotope),：,质子数相同，中子数不同的不同,核素。,同位素在元素周期表中处于同一位置。,如：氢原子的三种同位素：,碳的同位素有：,核素：一类具有确定质子数、核子数和能量状态的核素的表示形式：,7,同核异能素,：质量数和质子数均相同而处于不同能量,状态的一类核素。,如：和,表示处于较高核能级状态,原子核与原子一样具有分立的能级状态，在一定条件,下，可以在不同能级间跃迁。,天然存在的各元素中各同位素的多少是不一样的，各,种同位素所占比例叫作各该,同位素的天然丰度,。,如：在碳的同位素中，的天然丰度为,98.9,，的,为,1.1,，而 的只有 .,同核异能素：质量数和质子数均相同而处于不同能量如：,8,2.原子核的大小,卢瑟福根据,粒子散射实验的结果计算出了原子核的半径,R,约为 的量级。,如果将核看成球形，则,核的半径,R,和 成正比，即,核的半径为,4.6fm,，核的半径为,7.4fm,。,原子核的密度,：,各种核的密度都是一样的。,原子核的密度比地球的平均密度大,10,14,倍。,2.原子核的大小卢瑟福根据粒子散射实验的结果计算出了原子,9,3.原子核的结合能,核力,原子核中质子间距离非常小，因此它们间存在很大,的库仑斥力。,核的稳定性说明核子间一定存在一种和库仑力相抗,衡的吸引力，这种力称为,核力,。,在核的线度内，核力比库仑力大得多。,核力是短程力。,在核内，一个核子只受到和它相邻的其它核子的核力作用。,核力与电荷无关。,质子和质子，质子和中子，中子,和中子间的作用力是一样的。,3.原子核的结合能 核力原子核中质子间距离非常小，因此,10,原子核的结合能,由于核力将核子聚集在一起，所以要把一个核,分解成单个的中子和质子时必须克服核力做功，为,此所需的能量叫做,核的结合能,。它也是单个核子结,合成一个核时所能释放的能量。,核子结合成一个核时，根据能量守恒：,结合能：,质量亏损：,质量亏损是单独的核子结合成核后其总的,静质量,的,减少。,结合能,原子核的结合能 由于核力将核子聚集在一起，所以要,11,质量亏损：,氢原子质量,原子质量,结合能：,质量亏损：氢原子质量原子质量结合能：,12,例：,计算,5,Li,核和,6,Li,核的结合能，给定,5,Li,原子的质量,为,m,5,=5.012539u,6,Li,原子的质量为,m,6,=6.015121u,氢,原子的质量为,m,H,=1.007825u.,比较,5,Li,核的质量与质子,及,粒子的质量和（,m,He,=4.002603u).,解：,5,Li,核的结合能为,6,Li,核的结合能为,例：计算5Li核和6Li核的结合能，给定5Li原子的质量解：,13,m,5,=5.012539u m,H,+m,He,=5.010428u,可见，,5,Li,核的质量大于质子和,粒子的质量和。因此,5,Li,核不稳定，它会分裂成一个质子和一个粒子并放,出一定的能量，放出的能量为,m5=5.012539u mH+mHe=5.,14,原子核的,比结合能,：就一个核平均来讲，一个核子的,结合能。,比结合能越大，表明核子间结合得越紧密。,比结合能,的大小可作为核稳定性的量度。,原子核的比结合能：就一个核平均来讲，一个核子的比结合能越大，,15,比结合能和质量数的关系线,A,30,时，比结合,能变化不大，大约,都为,8MeV,。这说明,核力的“饱和性”，,它是核力短程性的,直接后果。,A,60,时，,逐渐减小，核越来,越不稳定。因为随着,A,的增大，,库仑力的效果渐趋显著，结合能,被削弱。,比结合能和质量数的关系线A30时,16,稳定核的中子数和质子数间的关系,稳定轻核的中子数等于质子,数。稳定重核的中子数大于,质子数。,Z,81,的绝大多数同位素核,都是不稳定的，它们都会通过,放射现象而衰变。,稳定核的中子数和质子数间的关系稳定轻核的中子数等于质子Z,17,轻核和重核的比结合能小于中等核的比结合能。,比结合能小的核变成比结合能大的核时，将释放能量。,采用,重核裂变,和,轻核聚变,两种途径获得原子能。,原子弹，反应堆,氢弹,轻核和重核的比结合能小于中等核的比结合能。比结合能小的核变成,18,第二节 原子核的衰变类型,第二节 原子核的衰变类型,19,放射性,是不稳定核自发地发射出一些射线而本身,变为新核的现象，这种核的转变也称为,放射性衰变,，,简称为,核衰变,。,放射性是,1896,年贝克勒尔发现的，他当时观察到铀盐,发射出的射线能透过不透明的纸使其中的照相底片感,光。,其后，卢瑟福和他的合作者把已发现的射线分成,，,和,三种。,再后来人们发现,射线就是,粒子，即氦核,(,4,He),流，,射线是电子流，,射线是光子流。,核衰变有三种类型：,衰变,，,衰变,和,衰变,。核衰变,过程中，,电荷数，核子数，能量,和,动量,等物理量守恒。,放射性是不稳定核自发地发射出一些射线而本身放,20,一、,衰变,放射性核自发地放射出,射线而变成电荷数减少,2,，,核子数减少,4,的另一种新核的现象称为,衰变,。,射线是高速运动的,氦核,(),。,衰变过程：,母核,子核,衰变能：衰变过程中释放,的能量。在数值上等于,粒子的动能与子核反冲动,能之和。,一、衰变放射性核自发地放射出 射线而变成电荷数减少2，,21,3.82d,0.186MeV,0,rays,镭 的衰变纲图,3.82d0.186MeV0 rays镭,22,二、,衰变,放射性核自发地放射出,射线（高速电子）或俘获轨,道电子而变成另一新核的现象称为,衰变,。,1.,-,衰变,母核自发地放射出一个,电子,e,-,和一个反中微子 ，,而变成电荷数增加,1,，核子数不变的子核。,二、衰变放射性核自发地放射出 射线（高速电子）或俘获轨,23,0,0.1426,6.02h,0.5091,0.9205,0.1811,0.1405,的衰变纲图,00.14266.02h0.50910.92050.1811,24,2.,+,衰变,母核自发地放射出一个正,电子,e,+,和一个中微子 ，,而变成电荷数减少,1,，核子数不变的子核。,2.+衰变母核自发地放射出一个正电子e+和一个中微,25,3.,电子俘获,母核俘获一个核外轨道电子而变成电荷数减少1，,核子数不变的子核，同时放出一个中微子 。,在电子俘获过程中，核捕获一个核外电子（常是,K,壳层的电子）后，壳层内就出现一空位，外层电子,会过来填补该空位，同时放出能量。这一能量可以,发射,标识,X,射线,形式放出，也可以使另一外层电子,电离变为自由电子（,俄歇电子,）。,3.电子俘获母核俘获一个核外轨道电子而变成电荷数减少1，在,26,Number,of,particles,Kinetic energy,衰变所放出的电子的能谱是连续的曲线，且有一最大能量值。,只有少数电子有最大动能，大多数电子的动能都比,KE,max,小,。,衰变时发出了另一种粒子带走了那“被消灭”的能量，它是,中微子,neutrino,(,),.,中微子不带电，质量很小可看为,0,，且和物质作用,非常微弱，不易被检测到。,NumberKinetic energy 衰变所放出的电,27,三、,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,射线的形式释放能量而跃迁到较低能级的现,象称为,衰变,。,，,衰变常伴随着,射线的产生。,医学上治疗肿瘤常用,60,Co,产生的,射线。,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,28,内转换,：一个处于激发态的核跃迁到低能态时把,能量传给了一个核外电子。这个核外电子接受到,此较大能量后即从原子中高速飞出而成为自由电,子，这一过程称为内转换，释放的电子称为内转,换电子。,内转换过程中，由于释放电子而在原子的内壳层,出现空位，外层电子将会填充这个空位而发射标,识,X,射线或俄歇电子。,内转换：一个处于激发态的核跃迁到低能态时把内转换过程中，由于,29,第三节 原子核的衰变规律,第三节 原子核的衰变规律,30,一、衰变规律,所有放射性核的衰变都遵守同样的统计规律：,在时间,d,t,内衰变的核的数目,-d,N,正比于当时放射性核的数目,N,以及时间间隔,d,t,。,：,衰变常量,。表示一个放射性核单位时间内衰变的,概率。,-d,N,：原子核的减少量。,（衰变定律）,N,0,：,t,=0,时放射性核的数目。,一、衰变规律 所有放射性核的衰变都遵守同样的统计规,31,二、半衰期,原子核数目因衰变减少到原来的一半所需的时间，,称为,半衰期,(half life),用,T,表示。,二、半衰期原子核数目因衰变减少到原来的一半所需的时间，,32,从,t,=0,开始，,-d,N,个放射性核的生存时间为,t,.,所有放射性核的,平均寿命,(mean life),为：,衰变常量越大，衰变越快，平均寿命也越短。,从t=0开始，-dN个放射性核的生存时间为t.所有放射,33,核医学中，进入体内的放射性核素除因自身衰变,而减小外，还会通过机体代谢而排除体外。因此，生,物机体内放射性核数目的减少比单纯的核衰变要快。,生物机体排出放射性核的规律也服从衰变定律。,物理衰变常量：,物理半衰期：,T,生物衰变常量：,b,生物半衰期：,T,b,有效衰变常量：,e,有效半衰期：,T,e,采用放射性物质做生物机体示踪剂时，有效半衰期是,一重要参数。,核医学中，进入体内的放射性核素除因自身衰变生物机,34,三、放射性活度,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,放射性活度,(activity),用,A,表示。,（起始活度）,放射性活度和放射性核数以相同的指数速率减小。,活度的国际单位：贝可,(Bq),活度的常用单位：居里,(Ci),三、放射性活度放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称为（,35,例：,设一台,60,Co,-刀初装时钴源活度为,6040Ci,，使用,5,年后，钴源活度还剩多少,Bq?,其平均寿命为多少年？,（已知,60,Co的半衰期为5.27a