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第十四章原子核 核历史 点滴玛丽 居里以自己的勤奋和天赋 在物理学和化学领域 都作出了杰出的贡献 是唯一一位在两个不同学科领域 两次获得诺贝尔奖的著名科学家 发现放射性元素钋 Po 和镭 Ra 第十四章原子核 最早发现是一个名叫贝克勒尔的人 贝克勒尔发现天然放射性 标志着原子核物理学的开端 因此他和居里夫妇共同获得1903年的诺贝尔物理学奖 1952年10月31日 世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸 核当量高达1000万吨 相当于700枚广岛原子弹 把一个直径1 6公里的小岛活生生地炸没了 燃起火球直径就超过了5公里 1967年6月17日 我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功 1964年10月16日 中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠 原子核的结构和基本性质 放射性 衰变规律 核反应 放射性核素 核磁共振 第十四章原子核 第一节原子核的结构和基本性质 一 原子核的组成与质量 1 原子核的电荷数 nuclearcharge Z 原子序数 nuclearnumber Z 2 核子 nucleon 组成原子核的质子和中子 原子质量单位 atomicmassunit u 3 原子核的质量和质量数A 4 核素 nuclide 一类具有确定的质子数 核子数和能量状态的中性原子称为核素 用符号或 同位素 isotope 同一种元素的核内可以含有多种核子数 即它们具有相同的质子数而中子数不同 它们在元素周期表占据同一位置 具有相同的化学性质 如氢的同位素 同量异位素 isobar 质量数相同 质子数不同的一类核数 如 同核异能素 isomer 质量数和质子数都相同而处在不同能量状态的一类核数 如 同中子异位素 isotone 中子数相同 质子数不同的一类核数 如 第一节原子核的结构和基本性质 1 质量亏损 massdefect 2 结合能 bindingenergy 二 原子核的质量亏损与结合能 第一节原子核的结构和基本性质 3 比结合能 specificbindingenergy 物理意义 若把一个核子放入原子核里 则平均释放能量 反之若从核内取出一个核子 则需要克服原子核对核子的引力平均做功 因此 越大 表示核子间结合得越紧密 的大小可以作为核稳定性的量度 自然界中各种核的结合能相差甚大 但比结合能却相差不大 如下页图 重核裂变 原子弹 原子能反应堆等轻核聚变 氢弹等 第一节原子核的结构和基本性质 第一节原子核的结构和基本性质 1 原子核的大小 原子核的密度 核半径比原子半径小106倍 豌豆粒大小的核 mm 其原子半径约为 km 普通物质的密度 三 原子核的基本性质 第一节原子核的结构和基本性质 核力 核子之间存在的一种短程强吸引力 1 核力是一种短程力 2 核力与电荷无关 3 核力是具有饱和性的交换力 2 核力 nuclearforce 第一节原子核的结构和基本性质 第二节放射性 衰变规律 核反应 有些核素的原子核是不稳定的 能自发地放出由某些离子组成的射线后变为另一种核素 这类核素称为放射性核素 如铀 钚等元素周期表中序数较大的元素 放射性 核衰变 衰变的类型 粒子 核 粒子 电子 粒子 正电子 光子 能量高于X射线守恒规律 电荷数 质量数 能量 动量和核子数 第二节放射性 衰变规律 核反应 1 衰变 1 衰变 质量数A 209的放射性核素自发地放射 射线而变成另一种核素的现象 2 衰变过程式 3 衰变位移法则 子核Y比母核X电荷数减少2 核子数减少4 在元素周期表要前移2位 4 衰变纲图 一 放射性衰变 第二节放射性 衰变规律 核反应 2 衰变 2 衰变 3 衰变 4 电子俘获 1 衰变 放射性核素自发地放射 射线 高速电子 或俘获轨道电子而变成另一种核素的现象 5 俄歇电子 Augerelectron 一个内层电子被俘获后 外层电子会立即填补这一空位 同时释放能量 这个能量可以发射标识X射线的形式放出 也可以使另一外层电子电离成为自由电子 这种被电离的电子称为俄歇电子 第二节放射性 衰变规律 核反应 6 能谱图 由于 衰变过程中有中微子参与 衰变所放出的能量将在电子 中微子和子核之间任意分配 因此 射线的能谱是连续的 第二节放射性 衰变规律 核反应 1 衰变 同核异能跃迁 2 内转换 在某些情况下 原子核从激发态向低能级的激发态或基态跃迁时 不是通过放出光子 而是通过核外电子发生能量交换把能量交给电子 使其脱离原子的束缚成为自由电子 内转换电子 3 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 3 衰变与内转换 第二节放射性 衰变规律 核反应 4 衰变纲图 第二节放射性 衰变规律 核反应 1 核衰变规律 2 半衰期 halflife 积分得 为衰变常数 decayconstant 表示一个原子核单位时间内发生衰变的概率 二 衰变规律 第二节放射性 衰变规律 核反应 3 有效半衰期 effectivehalflifeperiod 4 平均寿命 meanlifetime 半衰期 平均寿命与衰变常数的关系 第二节放射性 衰变规律 核反应 5 放射性活度 radioactivity 单位 1Bq 1核衰变 秒1Ci 居里 3 7 1010Bq 放射源单位时间内发生衰变的母核数 称为放射性活度 第二节放射性 衰变规律 核反应 反应能 Q EY Eb Ea 反应后质量亏损 m mX ma mY mb 反应能 E mc2 m 0 放出能量 m 0 吸收能量 三 人工核反应 artificialnuclearreaction 第二节放射性 衰变规律 核反应 1 中子核反应 n n p n n 2n 2 质子核反应 p p n p 3 氘核的核反应 d p d n d d 3H d 2n 4 粒子的核反应 p n 5 光致核反应 n 第二节放射性 衰变规律 核反应 照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量 测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生的电离效应 即测量X射线和 射线在单位质量空气中产生的正 或负 离子电量来表征X射线和 射线的照射量 单位 C kg或伦琴 R 1R 2 58 10 4C kg 第三节放射性核素 一 放射线剂量 irradiationdose 1 照射剂量 exposuredose 吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收的电离能量 它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少的一个物理量 单位 J kg或戈瑞 Gy 1Gy 1J kg 拉德 rad 1Gy 100rad 2 吸收剂量 absorbeddose 第三节放射性核素 生物体内单位质量的组织 从各种射线中吸收同样多能量 所产生的生物学效应有很大差别 这是因为射线对细胞的损伤 不但与它吸收的能量和产生的离子有关 还与电离的密集程度有关 书中表14 4是射线的RBE 单位 希沃特 Sv 3 生物相对有效倍数和生物等效剂量 第三节放射性核素 由表14 4可知 粒子的RBE 20 粒子的RBE 1 所以甲的肺组织受到的等效剂量为 2 10 3 20 4 0 10 2Sv同理 乙的肺组织受到等效剂量为 1 10 3 20 1 10 3 1 2 1 10 2Sv相比之下 甲受到的辐射影响比乙大 例有甲 乙两人 甲的肺组织受 粒子照射 吸收剂量为2mGy 乙的肺组织受 粒子照射 吸收剂量为1mGy 同时还受到 粒子照射 吸收剂量也为1mGy 试比较这两人所受射线影响的大小 第三节放射性核素 1 最大容许剂量 maximumpermissibledose 放射线虽可用来诊断和治疗疾病 但人体正常组织如果受到过剂量的照射 人体将会受到损害 因此 在应用放射线的同时 要注意对它的防护 国际上规定了一个最大的容许剂量 即经过一次照射成长期积累 对人体没有损害又不发生遗传危害的最大剂量限值 从业人员 50mSv a 居民 5mSv a 4 辐射的防护 第三节放射性核素 2 外照射防护因为不同放射线的性质不同 采取的防护措施也不一样 射线的电离能力很强 但射程短 穿透能力小 由 射线不可能由体表深入体内 故对外照射只要戴上手套即可 射线和 射线穿透能力强 外照射不容忽视 对 射线常用含有中等原子序效的物质作屏蔽材料 如各种塑料和有机玻璃 射线对重原子序数物质易引起起韧致辐射 高速带电粒子急剧减速时发出的电磁辐射 后者对人体健康亦不利 故不宜采用 射线不存在这一问题 故多用重原子序数物质如铅 混凝土等来屏蔽 第三节放射性核素 除采用屏蔽措施外 还应注意保护环境 对于含有放射性物质的废物 要妥善处理 不要随便弃置 3 内照射防护用放射性核素注入体内进行的照射叫内照射 射线源进入体内 由于其电离比值高 产生电离作用将对人体造成极大危害 故工作时要待别防止 射线源由呼吸道 食管或外伤伤口进入体内 第三节放射性核素 放射性核素在诊断和治疗方面都有重要应用 体现了现代医学发展水平的核医学 在医学诊疗中起着越来越重要的作用 用放射性核素作为示踪原子 以研究其在体内的分布 转移和代谢 并借助它们放出的射线 在体外探查该元素的行踪 这种方法叫示踪原子法 此外还有体外标本测量法和放射自显影 二 放射性核素在医药方面的应用 1 示踪的原理 第三节放射性核素 治疗肿瘤的一种有效的物理疗法 从射线照射方式可分为外照射 近距离照射和内照射 临床常用的外照射有60Co治疗机 医用直线加速器和 刀等 放射诊断主要是指核素成像 是一种利用放射性核素示踪方法显示人体内部形态结构的医学影像技术 常见有 照射机 SPECT和PET等 3 放射治疗 2 放射诊断 第三节放射性核素 正电子发射型计算机断层 PET 原理 1 概念 PET是将发射正电子的同位素药物注入人体之后 探测正电子在体内被电子俘获产生湮灭反应时沿相反方向发出的两个能量为0 511MeV的光子 从而获得正电子标记药物在体内的三维密度分布 以及这种分布随时间变化的信息 即一种探测注入体内的放射性核素放射出的 产生湮没光子对而实现断层成像 例 13N 13C Q 2 能量为0 511MeV 方向相反传播的光子 第三节放射性核素 2 采用自准直符合探测原理 1 只有a有信号输出 2 b c因不符合对称电路 无信号输出 3 湮没光子位置与产生 位置接近 1 2mm 第三节放射性核素 PET正电子同位素由回旋加速器产生 如采用加速至9MeV的氘离子束轰击氖气靶产生18F 再经化学合成得到所需药物 常见PET标记药物及主要用途为 PET示踪药物 第三节放射性核素 63岁左侧下喉癌患者的CT与PET图像的融合 第三节放射性核素 CT与PET图像融合 确定胸骨上损伤的位置 同时可见右侧腋窝处有一肿大的淋巴结 第三节放射性核素 PET扫描揭示悲哀时女性脑部 左 比男性脑部 右 更具代谢活性 第三节放射性核素 1 核子 质子和中子 与电子一样具有自旋 与之相联系的有自旋角动量和自旋磁矩 第四节核磁共振 一 核子的自旋与磁矩 质子和中子自旋角动量 自旋量子数 I 1 2 自旋磁量子数 mI 1 2 自旋角动量大小 LI在Z轴 外磁场 方向上的投影 简称自旋 第四节核磁共振 原子核内核子的固有角动量和轨道角动量的矢量和 式中I为自旋量子数 spinquantumnumber 偶 偶核 12C 16O等 I 0 奇 偶核 1H 31P等 I n 2 n 1 3 5 奇 奇核 6Li 14N等 I n n 1 2 3 二 原子核的自旋与磁矩 1 原子核的角动量即核自旋 nuclearspin 第四节核磁共振 2 原子核的自旋角动量在空间某一选定方向 如z方向 上的投影也是量子化的 式中m为磁量子数 m I I 1 I 1 I 共2I 1个可能取值 对应该自旋核在外磁场中有2I 1个可能的取向 第四节核磁共振 式中 N 5 0508 10 27J T为核磁子 质子的g 5 585694772 式中 为核自旋磁旋比 3 原子核的磁矩与原子核的自旋 4 原子核的总磁矩及其在外磁场的分量也都是量子化的 第四节核磁共振 自旋不为零的原子核与外磁场的相互作用 一方面产生核绕B的旋进 另一方面产生了核的附加能量 造成原子核能级的劈裂 当频率为10 100MHz的射频 radiofrequency RF 电磁波对样品照射 若RF电磁波的能量刚好等于原子核能级劈裂的能级差 就会出现样品中的原子核强烈地吸收电磁波的能量 从劈裂后的低能级向相邻的高能级跃迁的现象 这就是核磁共振现象中的共振吸收 三 核磁共振 1 自旋核在磁场中的能级劈裂 第四节核磁共振 2 劈裂能级间的跃迁 1 磁矩在外磁场作用下产生附加能量m只能取2I 1 对I 1 2的氢核m 1 2 1 2 2 能级劈裂的间距 即裂距 第四节核磁共振 3 核磁 自旋核在磁场中与射频电磁波 共振的条件 即双方最大的交换能量的条件 第四节核磁共振 只有当RF的角频率 与外磁场B符合拉莫公式 才能发生能级跃迁 即共振吸收 4 拉莫 Larmor 公式 第四节核磁共振 1 核磁共振谱 以发生共振吸收的强度为纵坐标 发生共振的频率 或磁感应强度 为横坐标 绘出一条共振吸收的强度与发生共振的频率 或磁感应强度 标化的曲线 称为核磁共振波谱 建立在此原理基础上的一类分析方法称为核磁共振谱法 应用最普遍 最重要的是核磁共振谱 它能够提供质子类型及其化学环境 氢分布和核间关系等信息 四 核磁共振谱 NMRS 第四节核磁共振 2 化学位移 thechemicalshift 1 从公式 B0知 同一种核在固定的B0中 其共振谱线的位置是唯一的 实际上 同一种类原子核处于不同的化合物分子中 谱线位置不同 原因 在B0中的样品 其自旋核不是孤立的 而是被核外带磁性的电子云所包围 即每一个自旋核具有不同的电子环境 使自旋核处于一个磁屏蔽之中 所以lamour公式变成 1 B0 式中 称屏蔽常数 screeningconstant 与化合物的结构及性质有关 同类自旋核处于不同的分子之中会有