第29章 核物理和粒子物理.ppt

第17章原子核和放射性 教学基本要求一 理解原子核的组成 掌握质量亏损和结合能的计算 二 理解核衰变的几种类型 掌握核衰变的规律 三 了解辐射剂量和辐射防护 17 0概述 原子核物理学是研究原子核的结构 特性及其相互转变的科学 从1896年贝克勒尔发现铀原子的放射性和1911年卢瑟福提出原子核型结构之后 经过大半个世纪的探索和研究 核理论和核技术得到了飞速的发展 导致了原子能和同位素的应用 在医学上 放射性同位素已用于对疾病的诊断 治疗和研究 形成了专门的学科 核医学 17 1原子核的基本性质 17 1 1原子核的组成 质量和大小一 原子核 又称为核素 的组成 由质子和中子组成 质子以p表示 带正电 电量为 质量为 用原子质量单位表示为1 007276u 中子以n表示 不带电 质量为 用原子质量单位表示为1 008665u 二 原子核的表示 核素种类很多 通常表示为 电荷数 是质子的个数 等于原子序数 核素 质量数 是质子数和中子数的总和 三 原子核的大小 四 同位素 同量异位素和同量异能素 质子数相同而中子数不同的核素叫同位素 在元素周期表中占据同一位置 化学性质相同 如 质量数相同而质子数不同的核素叫同量异位素 如 质量数和原子序数相同而处于不同能态的核素叫同质异能素 通常在元素符号右上角标以m 如 五 核力 核子之间的相互作用力 不是电磁力 不是万有引力 是短程力 是强吸引力 具有饱和性 一 质量亏损 由质子和中子组成的原子核的质量小于质子和中子的质量和 二者之差称为质量亏损 二 结合能 由相对论的质能关系知 质量变化有对应的能量变化 核子组成原子核时的质量亏损以能量形式放出 这个能量称为结合能 结合能与核子总数之比称为比结合能 17 1 17 2 1u的质量亏损对应931 5MeV的结合能 17 1 3质量亏损和结合能 例17 1已知的原子质量为235 11700u 试计算其质量亏损 结合能 比结合能 解 原子核的质量等于原子质量减去电子质量 的A 235 Z 92 电子有92个 所以它的质量为 17 2原子核的衰变类型 核衰变 放射性核素自发地放射出某种射线而变为另一种核素的现象 放射性核素分为天然放射性核素和人工放射性核素两种 核衰变过程遵守电荷守恒 质量守恒 能量守恒 动量守恒和核子数守恒 核衰变有三种类型 衰变 衰变 跃迁和内转换 原子核放射出高速粒子流 射线 而衰变为另一种原子核的过程 粒子就是氦核 由两个质子和两个中子组成 衰变前的原子核称为母核 母体 衰变后的原子核称为子核 子体 衰变的位移定则为 衰变能 子核 母核 17 2 1衰变 原子核放射出高速电子流 射线 或高速正电子流 射线 或俘获一个核外电子而衰变为另一种原子核的过程 粒子就是负电子 粒子就是正电子 1 衰变的位移定则为 17 2 2衰变 2 衰变的位移定则为 3 电子俘获的位移定则为 衰变能 子核 母核 17 6 中微子 处于激发态的放射性核素向低能态跃迁 有时不是放射出光子 而是把能量交给核外电子 使电子飞出 这种过程称为内转换 当放射性核素处于激发态时 它将放射出光子 射线 并从激发态跃迁低能态或基态 这一过程称为跃迁 射线是一种波长比X射线更短的电磁波 在衰变 衰变的过程中都伴有跃迁 跃迁属于同质异能跃迁 子核和母核相同 跃迁可表示为 17 7 17 2 3跃迁和内转换 17 8 衰变常数 反映核素衰变的快慢 17 3 1衰变规律 对于某一个原子核 无法确定它何时衰变 对于数量很多的原子核 衰变情况符合统计规律 t时刻有核N个 在dt时间内因衰变而减少了 dN个 dN与N dt成正比 整理并积分得 17 3原子核的衰变规律 17 3 2半衰期核的数目因衰变减少到原来的一半所经历的时间 用表示 平均寿命 一个核在衰变前存在的时间叫这个核的寿命 个核在衰变前平均存在的时间叫这种核素的平均寿命 用表示 时间内有个核衰变 即这个核的寿命为 它们的总寿命为 将个核的寿命加起来除以 即得这种核素的平均寿命 平均寿命与半衰期的关系为 生物半衰期和生物衰变常数 人体内的核素由于代谢而排泄出体外使核素的数目减少 单位时间衰变的原子核的数目 称为放射源的放射性活度或放射性强度 用A表示 17 12 17 13 放射性活度的SI制单位 贝克勒尔 用Bq表示 曾经用 17 3 5放射性活度 放射性强度 例17 2已知镭的半衰期为1600年 求它的衰变常数和1克镭的放射性活度 解 由式 11 10 可得衰变常数为 镭的质量数为226 则1g镭的原子核的数目为 原子核的个数与核素质量的关系 例17 3放射性磷出厂时的放射性活度为 问一周后放射性活度还有多大 解 查表得 磷的半衰期为14 3天 由题知 由式 11 13 得 17 5辐射剂量与防护 高能射线通过物质时 能产生电离作用 称为电离辐射 电离辐射会使物质发生变化 称为辐射效应 生物体接受电离辐射产生的变化称为生物效应 效应程度与它吸收的能量多少正相关 剂量 表示人体接受电离辐射的量 照射量表示进入被照射物质的辐射总量 通常以X射线和射线在单位质量空气中产生的阳 或阴 离子电量表示其照射量 定义为 17 14 17 5 2吸收剂量被照射物质单位质量所吸收的辐射能量 称为吸收剂量 定义为 17 15 单位为 单位为Gy 17 5 1照射量 对不同射线 生物体单位组织吸收同样多的能量时 生物效应可以有很大差异 用相对生物效应 RBE 比较不同辐射引起的这种差异 剂量当量 各种射线或粒子被吸收后引起生物效应的程度 定义为 表11 3几种射线的QF 射线的品质因数 辐射权重因子 单位为希沃特还有雷姆 17 5 3剂量当量 一 最大容许剂量 MPD 长期积累或一次性照射后对机体既无损害又无遗传危害怕最大