原子核与放射性.ppt

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1、第十七章 原子核与放射性,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。,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。,第一节

2、 原子核的基本性质,一、原子核的组成、质量和大小,原子 (atom),原子核 (nucleus),核外电子 (electron),质子 (proton),中子 (neutron),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,原子质量单位(u) ： 原子质量的1/12.,原子核质量近似为Au.,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：,同核异能素：质量数和质子数均相同

3、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 .,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1014倍。,3. 原子核的结合能,

4、 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。,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

5、量的 减少。,结合能,质量亏损：,结合能：,例：计算5Li核和6Li核的结合能，给定5Li原子的质量 为m5=5.012539u,6Li原子的质量为m6=6.015121u,氢 原子的质量为mH=1.007825u.比较5Li核的质量与质子 及粒子的质量和（mHe=4.002603u).,解： 5Li核的结合能为,6Li核的结合能为,m5 = 5.012539u mH + mHe = 5.010428u,可见，5Li核的质量大于质子和粒子的质量和。因此 5Li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,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

6、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。,比结合能和质量数的关系线,A30时， 在A为 4的倍数时具有最大 值，说明这些核比 其邻近的核更稳定。,A30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。,A60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。,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。,轻核和重核的比结合能小于中等核的比结合能。,比结

7、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。,第二节 原子核的衰变类型,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(4He)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。,一、 衰变,放射性核自发地

8、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：,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。,3.82d,镭 的衰变纲图,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。,的衰变纲图,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。,3. 电子俘获,母核俘获一个核外轨道电子而变

9、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）。, 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KEmax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。,三、 衰变和内转换,处于激发态的原子核在不改变其

10、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60Co产生的 射线。,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。,第三节 原子核的衰变规律,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dt 内衰变的核的数目-dN 正比于当时放射性核的数目N 以及

11、时间间隔dt 。, ：衰变常量。表示一个放射性核单位时间内衰变的 概率。,-dN ：原子核的减少量。,（衰变定律）,N0：t = 0时放射性核的数目。,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。,从t = 0开始，-dN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。,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

12、： 物理半衰期：T 生物衰变常量： b 生物半衰期：Tb 有效衰变常量： e 有效半衰期：Te,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。,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),例：设一台60Co -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 60Co的半衰期为5.27a）,解：已知T=5.27a,t = 5a,例：226Ra的

13、半衰期为1600a，1g纯226Ra的活度是 多少？这一样品经过400a时的活度是多少？,解：样品中最初的核数为,衰变常量：,起始活度：,复习题：,一个A=64的原子核的半径应为（ ）。(已知 ),(B),2.核素 经衰变成核素 。其中A和Z分别为 A60和28； B57和27； C59和27； D60和26 。,(A),3.由于放射性衰变，使得 转化为 ，中间 经过 次衰变和 次衰变。,6,4,(A),5.一种放射性核素，经24小时后是它开始时的1/8, 该放射性核素的半衰期为 A12h； B6h； C3h； D8h。,(D),6. +衰变的位移法则是 A.子核在周期表的位置比母核前移一位；

14、 B.子核在周期表的位置比母核前移两位； C.子核在周期表的位置比母核后移一位； D.子核在周期表的位置比母核后移两位。,(A),4.利用 的溶液作甲状腺扫描，在溶液出厂时只需注射0.5 ml就够了。若出厂后贮存了16天（已知半衰期T=8 d），作同样扫描注射溶液的量为 A2 ml； B1 ml； C4 ml； D8 ml。,7. 32P的半衰期是14.3天，它的衰变常数是多少？平均 寿命是多少？1g的32P的放射性活度为多少？,解：已知T=14.3d =0.693/T=0.693/(14.3246060)=5.6110-7s-1 =1.44T=20.6d,8. 两种放射性核素的半衰期分别为8d和6h，设含这两 种放射性药物的放射性活度相同，问其中放射性物质 的mol数相差多少倍？,解：T1 = 8d = 824h =192h, T2=6h,因此，半衰期为8d的核的数量是半衰期为6h的核的 32倍。,9. 226Ra和222Rn原子质量分别为226.02536u和 222.01753u, 4He原子质量4.002603u,试求226Ra衰变 为222Rn时的衰变能Q为多大？,解：,