原子核与放射性

,单击此处编辑母版标题样式,2019/11/23,上一内容,回主目录,返回,下一内容,#,2024/11/18,1,原子核物理 核磁共振成像,第十三章,2024/11/18,2,13.1,原子核的一般性质,原子核的组成,放射性同位素和核素,原子核的结合能,2024/11/18,3,1、原子核的组成成分,原子核由质子和中子组成。,质子（,P,）：,中子（,n,）：,原子核符号,核子,一、原子核的组成,2024/11/18,4,原子核的体积总是正比于它的质量数,A,在一切原子核中，核物质的密度是一个常数。,2、原子核的大小,2024/11/18,5,3、核力：,核子之间的相互作用力，,抵消核子之间的较强的库仑排斥力。,1）.核力是比电磁力强得多的,强相互作用力,，,主要是吸引力,。,2）.核力是,短程力,，核子间距离小于10,-15,m,时才明显。,3）.核力与核子,带电状况无关,。,4）.核力具有,饱和性,。,核力的特征：,2024/11/18,6,具有,相同的质子数,而,中子数不同,的原子核称为,同位素,。,质子、电子和中子符号,具有,相同的质子数,Z,和,中子数,N,的原子核称为,核素,。,质量数,A,相同,而,质子数,Z,不同,的原子核称为,同量异位素,。如,质量数,A,和,质子数,Z,都相同,的原子核可能处于不同的能量状态，习惯上将那些处于激发态、寿命又较长的核素称为,同质异能素,。,二、放射性同位素和核素,2024/11/18,7,原子核的质量总是小于组成该原子核的核子的总质量之和，它们之间的差额称为原子核的,质量亏损,。,核子在结合成原子核时，它们之间的核力作用使体系能量降低，从而释放出能量，相应质量减少了。,三、原子核的结合能,2024/11/18,8,Z,个质子和,(,A-Z),个中子结合成原子核时，释放能量,平均结合能(比结合能)：,原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。,原子核结合能：,由质子和中子形成原子核时所放出的能量。,平均结合能越大，,原子核越稳定。,2024/11/18,9,平均结合能特点：,1）较轻核与较重核平均结合能都较小；,2）轻核的平均结合能还出现周期性起伏，其值最大,的地方相应为质量数是4的整数倍的地方，如：,等核；,3）中等质量的核（,A,在40-120之间）平均结合能较大，,显示了核力的饱和性；,(P286),2024/11/18,10,13.2,原子核的放射性衰变,衰变,衰变,衰变和内转换,2024/11/18,11,核素分类：,稳定核素,放射性核素,天然放射性核素,人工放射性核素,利用加速器或反应堆制成（医用）,现有107种元素，2000多种核素，90%具有放射性,2024/11/18,12,原子核衰变：,三种衰变：,衰变、,衰变、,衰变,不稳定（放射性）的原子核会自发地转变成另一种核而同时放出射线，这种变化叫,放射性衰变,。,衰变遵循：,质量,、能量、动量、电荷数、核子数守恒。,2024/11/18,13,衰变,是原子核自发放射出,粒子(即氦核),一、,衰变,Q,衰变能,或,1）能发生,衰变的核素一般为质量数,A209,的重核；,2）发生,衰变后，子核比母核在元素周期表中位置前,移两位；,粒子以高速从核中飞出遇物质失去动能，,捕捉两电子变为,He,原子；,说明：,2024/11/18,14,3）,粒子能量分立，子核可能是基态或激发态，激发,态子核发出,射线回到基态；衰变能主要表现为,粒子,的动能，子核的动能很小；,4）伴有衰变纲图（如：镭）：,2024/11/18,15,衰变,是核电荷改变而核子数不变的核衰变.分,+,衰变,、,-,衰变,和,电子俘获（,EC),三种,二、,衰变,+,衰变,-,衰变,电子俘获(,EC),2024/11/18,16,-,衰变,是原子核内中子转变成质子，同时放出一个,电子和与电子相联系的反中微子,电子俘获(,EC)，,+,衰变,是原子核内质子转变成中子，同时放出一个正电子和一个中微子,说明：,1）,衰变的实质：,2）遵循位移定律：,-,衰变,子核后移一位，,+,衰变,和,电子俘获（,EC),子核前移一位；,3）,因为有中微子存在，,粒子能量连续；,2024/11/18,17,4）电子俘获（,EC),会伴随有标识,X,射线或俄歇电子产生；,5）伴随有,射线产生，激发态子核退激或正电子与电子,结合成2个能量为0.511,MeV,光子,；,6),衰变后子核与母核都为同量异位素，,A,不变,在元,素周期表中的位置改变。,7）,+,衰变发生的条件为：,因为：,2024/11/18,18,衰变：,射线,是光子流，是在,衰变或,衰变后形成新核时辐射出来的，属于同质异能跃迁。,三、,衰变和内转换,内转换,：,激发态子核向低能态跃迁时不发射,射线而直接将能量传给核外电子，使其脱离原子核束缚而成为自由电子，这种现象为内转换，此电子为内转换电子，伴随有标识,X,射线或俄歇电子,。,各种衰变都可以绘出其衰变纲图。,2024/11/18,19,一、放射性衰变规律,t,时刻样品中有,N,个核，在,dt,时间内有,dN,个发生衰变,13.3,核衰变规律,1、单个原子核随机衰变,2、大量原子核遵循以下规律：,所以：,2024/11/18,20,当,t,=,0,时,，,N,=,N,0,放射性衰变定律,t,时刻，每单位时间衰变的原子核数与该时刻原子核总数的比越大，衰变越快。,二、半衰期,原子核衰变到,N=N,0,/2,所需的时间。,2024/11/18,21,三、平均寿命,每个原子核衰变前存在的时间的平均值。,原子核的寿命：,平均寿命：,平均寿命与半衰期的关系：,2024/11/18,22,四、放射性活度,单位时间内衰变的原子核数为,放射性活度或强度,。,单位：贝可勒尔,居里,1,Ci,=3.710,10,Bq,2024/11/18,23,1,g,镭的放射性活度约等于1,Ci，,历史上人们正是将1,g,镭的放射性活度规定为1,Ci,的。,例1,3-2,：,226,Ra,的半衰期为1602年，1,g,226,Ra,的放射性活度为多少？,解：,1,g,226,Ra,的原子个数为：,2024/11/18,24,例,13-3,：,设一台,-,刀初装时,60,Co,源的总活度为6040,Ci,使用5年后,60,Co,源的活度为多少贝可？其平均寿命为多少年？,解：,60,Co,的半衰期为,T=5.27y,I,0,=60403.710,10,Bq,5,年后活度为：,平均寿命为：,2024/11/18,25,射线与实物的相互作用,带电粒子与实物的相互作用,射线与实物的相互作用,中子与实物的相互作用,2024/11/18,26,一、带电粒子与实物的相互作用,1、带电粒子为,、,粒子，它们与物质的相互作用有：,1）,激发,：使原子处于激发态，而自身能量减小。,（常伴随有标识,X,射线）,2）,电离,：使电子脱离形成自由电子，或间接次级电离。,电离比值,：带电粒子通路上每厘米路径上所产生的,离子对数目用来表示粒子电离本领的大小，与带电,粒子的速度、电量及物质密度有关。,且带电粒子的速度 电量 及物质密度 则电离比值,反之则电离比值减小。,2024/11/18,27,如：在空气中穿行的1,MeV,的带电粒子,粒子,电力比值为410,4,离子对，,粒子,的电离比值为50离子对,3）散射：,带电粒子在原子核静电场作用下改变运动方向。,分类,弹性散射（能量不变）,非弹性散射（能量改变）,粒子,由于,m,大，散射小，径迹为直线,粒子,由于,m,小，散射强，径迹曲折,2024/11/18,28,4）韧致辐射：,高速的带电粒子受原子核库仑场的突然阻滞而能量,减小，其能量以光子形式辐射。（比电离损失的能量小,得多）,辐射损失与粒子的质量平方成反比，即1/,m,2,而与物质原子序数平方成正比，即,Z,2,2024/11/18,29,2、射程：粒子在物质中沿最初入射方向所穿过的最大,直线距离。,几,MeV,的,粒子,的射程：空气中,几厘米，生物组织中,几百微米，径迹为直线；,所以,粒子体外防护容易而体内照射危害集中且大。,几,MeV,的,粒子,的射程：空气中,几米，,生物组织中,几毫米，径迹曲折。,2024/11/18,30,a),粒子吸收电子变为,He,原子,b),-,粒子变为自由电子，服从：,或,c),+,粒子与自由电子结合成两个能量都为0.511,MeV,的,光子，沿同一直线向相反方向射出。,3、带电粒子在物质中的吸收规律：,带电粒子由于电离、激发、韧致辐射其能量随物,质厚度增加而减弱至完全丧失。,2024/11/18,31,二、,射线与实物的相互作用,1、,射线的作用方式：,a),光电效应：,e,特点：低能,光子(小于500,keV),与原子序数较高的物,质相互作用，将其全部能量交给一个壳层的电,子使它脱离原子而成为自由电子，光子本身则,被吸收，这种现象为光电效应。,伴随有标识,X,射线和俄歇电子产生,2024/11/18,32,b),康普顿效应：,反冲电子,e,特点：中能,光子（500,1000,keV）,与原子序数较,低的物质相互作用，与物质原子较外层电子发,生非弹性碰撞，,光子的能量降低（频率减小）,改变运动方向而散射，被碰撞的电子也以某角,度散射，该光子称为散射光子，该电子为反冲电,子，这种现象为康普顿效应。,2024/11/18,33,c),电子对效应：,e,-,e,+,特点：高能,光子(大于1.022,MeV),与原子序数较,高的物质相互作用，在物质原子核电场作用,下，,光子转化为正负电子对，这种现象为,电子对效应。,三种效应都有可能电离、激发。,2024/11/18,34,0,MeV,0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100,光电效应,康普顿效应,电子对效应,120,100,80,60,40,20,光子与物质相互作用时各种作用占优势的区域,Z,2024/11/18,35,三、中子与实物的相互作用,中子,不带电，其主要的与物质的作用形式为受原子,核散射或与原子核发生核反应。,1、,弹性散射：,中子与原子核发生弹性碰撞满足能量,守恒和动量守恒，中子方向发生变化，原子核得,到反冲能量。,主要发生在低能中子与轻核的作用中。,如：中子防护时用含,H,较多的水或石蜡使中子减速。,2、,非弹性散射：,中子与原子核发生碰撞时，除中子方,向发生变化外，反冲原子核得到一定能量而被激发，,回到基态时发出,射线。（重核和高能中子）,2024/11/18,36,3、,核反应,：中子被原子核俘获，放出,射线和其他粒子,如：,中子照射时应特,别注意可能产生,的伤害,（,有电离作用，,注意防护）,2024/11/18,37,射线的防护：,a.,人体所能承受的最大辐射容许剂量为：5拉德(,rad)/,年,1,rad=0.01JKg,-1,b.,外照射防护：,射线,射程短，戴手套,射线,射程长，用有机玻璃，铝或中等,Z,的物质屏,蔽，高,Z,物质容易产生韧致辐射；,射线和,n(,中子）,能量大，用高,Z,物质防护，如：,用铅衣，铅砖，混凝土等。,2024/11/18,38,c.,内照射防护：,除介入疗法，尽量避免内照射，特别是,照射，遵,守规章制度防止放射性物质进入体内。,2024/11/18,39,放射性在医疗中的作用,示踪原理,核技术在医疗中的应用,2024/11/18,40,一、示踪原理,放射性核素作为示踪原子是指一种元素的各种同,位素都有相同的化学性质，在体内分布、转移、代谢,都是一样的，引入的放射性核素称为标记原子或示踪,原子。,体外标本测量,：血液、尿液和粪，,如尿液中测量,VB,12,可反映胃肠道的吸收情况。,放射自显影,：利用胶片追踪标记药物去向，,如：可以观察,DNA,分裂细节。,示踪优点：,灵敏度高，可在生理条件下研究机体内活动，简单,2024/11/18,41,二、核技术在医疗中的应用,1、治疗：,a),将放射性同位素直接注入或使人体吸收，利用其,中产生的射线（,、,、,）,杀伤病