原子核及基本粒子简介.ppt

第12章原子核及基本粒子简介 大亚湾核电站夜景 12 1原子核的基本性质 一 原子核的组成 1932年查德威克发现了中子 1911年卢瑟福建立了原子核的概念 海森伯提出了原子核是由质子和中子组成的假设 说明 质子和中子统称核子 实验表明 质子是稳定粒子 自由中子却是不稳定的 A N Z 原子序数 原子质子数 原子核电荷数 质子电量 e 中子电量 0 核电量 Ze 核数 同位数 同中子异位数 例 原子核近似球体 核子的深层次结构 夸克模型 二 核自旋和磁矩 原子核的自旋运动产生了绕轴转动和环形电流 可分别用自旋角动量和磁矩描述 按量子力学理论 原子核的自旋 角动量 说明 I称为自旋量子数 只能取整数或半整数分立值 gI称为原子核g的因子 是一个纯数 其值可正可负 N称为核磁子 其大小为 上式反映了角动量的量子化和磁矩的量子化 说明核子自旋运动时 其自旋轴方位和广义角速度分立式的变化 三 结合能与质量亏损 理论表明 mA 原子核的质量 即 质子和中子组成原子核时 部分质量亏损 亏损质量 质量亏损到哪里去 所谓质量亏损是由于质子和中子结合成原子核过程中释放的能量带走了相应的质量 由爱因斯坦质能关系可得 释放的能量 逆向思维去想 将原子核撞击为质子和中子要使用的能量是多少呢 显然它就是上述所释放的能量 按此 将 称作结合能 12 2原子核的放射性衰变 一 放射性元素 1896年 贝克勒尔发现了重元素物质铀的放射性 时隔不久 居里夫人先后发现具有放射性的已知元素和新元素物质 钍 钋 镭 放射性 说明 天然放射性核素60多种 人工合成的放射性核素1600多种 放射性元素放出的射线具有下列特性 居里夫人 19世纪最伟大的科学家之一 发现了放射性元素钍 钋 镭 两度获得若贝尔奖 1 能使气体电离 2 能激发荧光 3 能使照相底片感光 4 具有很强的穿透能力 5 对生物细胞具有破坏作用 二 原子核的衰变 实验发现 各种放射性元素放出的射线包括三种不同的射线 分别命名为 射线 放射出这三种射线的过程称为衰变 1 衰变 射线实际上是带两个正电荷的氦核 衰变过程可表示为 氢弹爆炸 例 镭核数放出 射线衰变为氡 2 衰变 衰变中 放射性的核喷发或俘获一些电子 称这些电子为 粒子 衰变有下列三种形式 衰变过程中 放射性的核向外喷发电子 放出的电子来源于中子 放出电子的同时还放出一些轻的不带电的粒子 叫反中微子 衰变过程可表示为 例 1 衰变 2 衰变 衰变过程中 放射性的核向外喷发正电子 正电子来源于质子 放出正电子的同时还放出中微子 衰变过程可表示为 例 3 母核俘获轨道电子的 衰变 此衰变过程中 母核俘获核外某个轨道上运动的一个电子 同时放出中微子 此衰变过程可表示为 例 3 衰变 衰变是原子核进行能级跃迁时放出的光子流或电磁辐射 说明 衰变总是伴随着 衰变 衰变只涉及到原子核各能级间的跃迁 原子核的质量和电荷都不发生变化 三 放射性衰变规律 1 指数衰变率 设dt时间内有dN个原子发生衰变 则 衰变常量 表示单位时间内原子核发生衰变的概率 N t N0 T 2T 2 半衰期和平均寿命 半衰期T 衰变掉一半原子核所需的时间 由 平均寿命 表示每个原子核衰变前存在时间的平均值 越小 例 求经过 时间后 剩下的原子核数为原核数的多少 解 当t 时 越大 衰变越慢 3 放射性活度I 一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数 I反映了放射源的放射强弱程度 I0 N0为t 0时放射源的强度 常用单位居里 Ci 国际单位贝克勒 Bq 1Ci 3 7 1010次核衰变 秒 1Bq 1次核衰变 秒 4 放射性探测 放射性探测器 电离式射线探测器 荧光式射线探测器 G M荧光式探测器 负脉冲 t I 原理 当一个高速的射线粒子进入G M管后 和管内惰性气体发生作用 使其迅速被电离 产生一个分脉冲电流 并在电阻两端形成一个负脉冲信号电压 负脉冲的平均频率 正比于放射性活度 I0标准物放射性活度 12 3放射生物物理学简介 电离辐射可产生多种生物学作用 例 促使细胞分裂和生长 治疗或导致肿瘤 诱发遗传变异 消灭病虫害和疾病诊断等 一 电离辐射的直接作用和间接作用 直接作用 损伤生物体内某一特殊的生物结构体 如DNA 间接作用 通过内部传递或能量释放引起其它生物结构损伤 二 辐射生物学效应进程 生物体受到电离辐射时经理下列几个阶段 物理学阶段 分子空间分布及物理形状发生变异 物理化学阶段 经过一系列复杂反应 生成次级物 生物学阶段 进一步相互反应 引起周围物质结构变化 生物机体效应阶段 产生宏观的生物体效应 数秒若干年 三 辐射生物学效应的特点 不存在阀植剂量 辐射能量高效率 四 放射剂量 照射剂量 吸收剂量 相对生物效应 X单位 伦琴 符号 R D单位 格雷 符号 Gy RBE单位 雷姆 符号 em 五 放射性同位数在农业和生物科学中的应用 示踪原子的利用 同过对生物对象的特殊 标记 可以追踪生物对象的变异情况 观测变异过程 核辐射技术的应用 低剂量辐射刺激增产 打剂量的抑制和杀虫作用 活化