原子核与放射性

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)p11n10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+N1.原子核的组成原子质量单位(u)：原子质量的1/12.C126227MeV/4943931kg1066054021u1c..-10+1电荷/e0.5110939.56563938.27231质量/质量/kg1.00866492351.0072764660质量/u电子中子质子2MeVc/410485799035.271067262311.271067492861.311010938979.原子核质量近似为Au.XAZXAUAgO23810716,,如：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：氚氘HHH312111碳的同位素有：等CCCCC2061361269686,,,,,,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mTc9943Tc9943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.C12C14C13%.101031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。m10101415如果将核看成球形，则核的半径R和成正比，即31/A310/ARRm1021fm21150..R核的半径为4.6fm，核的半径为7.4fm。Fe56U238原子核的密度：VM334RM30304334RuARAu各种核的密度都是一样的。)(.317kg/m1032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⑴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。⑵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：EcmcNmZmNnp222cmNmZmENnp结合能：2mc质量亏损：NnpmNmZmm质量亏损是单独的核子结合成核后其总的静质量的减少。结合能质量亏损：NnpmNmZmmanHmNmZm氢原子质量原子质量2mcE结合能：2cmNmZmNnp2cmNmZmanH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2523cmmmEanH)(593101253950086651200782513.)...(MeV326.2MeV/5931u1c.6Li核的结合能为5931015121600866513007825136.)...(EMeV032.m5=5.012539umH+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25cmmmHeH593101042850125395...MeV02.原子核的比结合能：就一个核平均来讲，一个核子的结合能。AE/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。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。﹡Z81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()。He42衰变过程：QHeYXAZAZ4242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。aRa1600226883.82ds910320.94.6%MeV78441.0.186MeV5.4%MeV59842.0.0065%MeV3443.0Rn22286rays镭的衰变纲图Ra22688二、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。eQeYXeAZAZ011QeNiCoe0160286027eepn011110QeTcMoe0199439942)(hMo669942Tc99430a51022.0.14266.02h81%MeV2141.0.5091%).(.31MeV84000.9205%)(.17MeV4300.18110.1405Mo9942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。eQeYXeAZAZ011QeNeNae0122102211eenp0110113.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。eQYeXeAZAZ101QNeeNae2210012211enep100111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）。NumberofparticlesKineticenergymaxKE﹡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。eeCB01126125*CC126126*eeNiCo0160286027*NiNi60286028*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以及时间间隔dt。tNNdd：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。tNNtNN0dd10teNN0（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(halflife),用T表示。teNN0TeNN002/21Te69302.lnTTtNN/210tNNdd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(meanlife)为：0001NNtNd00d1tNtN0dtettTT44121.ln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。ttebeNeNN00物理衰变常量：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：TebeTTT111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。tteAeNNdtdNA0000NA（起始活度）teANA0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)1s1Bq1活度的常用单位：居里(Ci)Bq10703Ci110.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=5.27aBq10242Bq10736040Ci604014100..At=5aaaeAAt52756930Bq10242140..exp.aT27569302..lnBq1016116.aT67441..例：226Ra的半衰期为1600a