放射性核素的衰变规律

第三章放射性核素的衰变规律 Radioactivedecay 目的 熟悉各种衰变的特点掌握衰变规律与活度计算了解放射性平衡及放射系 内容 衰变 衰变 衰变衰变规律放射性平衡放射系 引言 放射性的发现 贝可勒尔与居里夫妇放射线的分类及本质放射性与放射性核素的概念自发的含义核衰变的概念与分类各种放射性核素通过衰变趋向 稳定线对各类衰变 要求熟悉其含义 方程 对象 能量和纲图 HenriBecquerel 1852 1908 FranceFrenchphysicistwhodiscoveredradioactivitythroughhisinvestigationsofuraniumandothersubstances In1903hesharedtheNobelPrizeforPhysicswithPierreandMarieCurie MarieCurie bornNov 7 1867 Warsaw Poland RussianEmpirediedJuly4 1934 nearSallanches FrancePolish bornFrenchphysicistfamousforherworkonradioactivityandtwiceawinneroftheNobelPrize WithHenriBecquerelandherhusband PierreCurie shewasawardedthe1903NobelPrizeforPhysics Shewasthensolewinnerofthe1911NobelPrizeforChemistry ShewasthefirstwomantowinaNobelPrize PierreCurie bornMay15 1859 Paris FrancediedApril19 1906 ParisFrenchphysicalchemistandcowinneroftheNobelPrizeforPhysicsin1903 Heandhiswife MarieCurie discoveredradiumandpoloniumintheirinvestigationofradioactivity 放射线的分类及本质 放射性 radioactivity 原子核自发放出 等粒子的性质thespontaneousdisintegrationofatomicnuclei withtheemissionofusu penetratingradiationorparticles Oxford propertyexhibitedbycertaintypesofmatterofemittingenergyandsubatomicparticlesspontaneously Itis inessence anattributeofindividualatomicnuclei EB Note amajorsourceofheatintheinteriorofboththeEarthandtheMoonisprovidedbyradioactivedecay EB 放射性核素 radionuclide 具有放射性的核素aradioactivenuclide Oxford aradioactivenuclide Merriam Webster radioactiveisotope radioisotope anyofseveralspeciesofthesamechemicalelementwithdifferentmasseswhosenucleiareunstableanddissipateexcessenergybyspontaneouslyemittingradiationintheformofalpha beta andgammarays EB 核 放射性 衰变 decay disintegration 原子核自发放出 等粒子的过程 ofasubstanceetc undergochangebyradioactivity Oxford anyprocessinwhichanucleusemitsaparticleorparticlesordividesintosmallernuclei Oxford 原子核自发的结构或能量转变过程 衰变 Alphadecay 衰变的定义 放射性原子核自发放出 粒子而变为另一种原子核的过程typeofradioactivedisintegrationinwhichsomeunstableatomicnucleidissipateexcessenergybyspontaneouslyejectinganalphaparticle 粒子的实质 高速运动的氦原子核 衰变的方程 或 例 注 衰变过程满足质量数守恒 电荷守恒 能量守恒以及动量守恒 衰变的衰变能和衰变条件 衰变能 衰变条件 即 只有比较重 A 140 的原子核才可能发生 衰变 衰变的对象 丰质子的核素 衰变的动能分配 粒子的动能远大于子核的反冲动能或 衰变能绝大部分被 粒子带走原子核的基态与激发态 粒子的能谱是分立的线状谱短射程 粒子与长射程 粒子 讨论和提问 1 3分钟 衰变的纲图 decayscheme 一个问题 从Ra 226的衰变纲图看 只有 和 粒子的发射 为何在发自镭源的射线 图3 1 中显示有 粒子的发射 衰变 betadecay 衰变的定义 衰变 衰变和电子俘获 EC 的统称同量异位跃迁 isobarictransition anyofthreeprocessesofradioactivedisintegrationbywhichsomeunstableatomicnucleispontaneouslydissipateexcessenergyandundergoachangeofoneunitofpositivechargewithoutanychangeinmassnumber Thethreeprocessesareelectronemission positron positiveelectron emission andelectroncapture 衰变 negativebetadecay 放射性原子核自发放出 粒子 变为原子序数加1而质量数相同的核素的过程 粒子的实质 高速运动的电子 粒子能谱之谜 粒子能谱之谜 粒子能谱是连续谱泡利中微子假说费米弱相互作用理论 衰变的方程 例 实质 衰变的衰变能和衰变条件 衰变能 衰变条件 即 当母核的原子质量大于子核的原子质量时才能发生 衰变 衰变的对象 丰中子的核素 3H 14C 衰变能的分配 绝大部分衰变能被 粒子和反中微子带走 子核带走的反冲动能微不足道 粒子的最大能量 Em 等于衰变能 粒子的平均能量约为衰变能的1 3 而反中微子的平均能量约为衰变能的2 3 衰变的纲图 讨论和提问 1 3分钟 衰变 放射性原子核自发放出 粒子 变为原子序数减1而质量数相同的核素的过程 粒子的实质 高速运动的正电子发生 衰变的核素基本是人工放射性核素 衰变的方程 例 实质 衰变的衰变能和衰变条件 衰变能 衰变条件 即 只有母核与子核的原子质量之差大于两个电子的静止质量才可能发生 衰变 衰变的对象 丰质子的核素 11C 15O 衰变的能量 粒子的能谱与 粒子的能谱相似 衰变的纲图 粒子的命运 正电子湮没 annihilation 当 粒子的能量耗尽时 旋即与物质中的电子结合而转化为电磁辐射的过程湮没辐射 annihilationradiation 正电子湮没时产生的电磁辐射 能量均为0 511MeV 反向发射的两个光子 讨论和提问 1 3分钟 电子俘获 原子核俘获轨道电子的衰变过程K俘获原子核俘获K层电子的衰变过程注 俘获K层电子比俘获其他壳层电子的概率都大 电子俘获的方程 例 实质 电子俘获的条件 即 只有母核与子核的原子质量之差大于壳层电子的结合能 相应的质量 才能发生电子俘获从能量条件看 能发生 衰变的 也能发生电子俘获 反之则不尽然 电子俘获的对象 丰质子的核素 电子俘获的能量 子核与中微子的能量都是单一的 杨福家引述王淦昌探测中微子的思想 7Li的反冲能为56eV 7Be的衰变能等于0 86MeV 电子俘获的继发过程 子核的原子伴随特征X射线或俄歇电子的发射特征X射线或俄歇电子的能量都是单一的间接证实电子俘获存在的方法或途径 观察原子特征X射线或俄歇电子的发射 电子俘获的衰变纲图 衰变小结 衰变都是同量异位素之间的跃迁 衰变包括 衰变 衰变和电子俘获 EC 发生 衰变的是丰中子的核素 而发生 衰变和电子俘获 EC 的是丰质子的核素有些放射性核素能同时发生三种 衰变 能同时发生三种 衰变的放射性核素 讨论和提问 1 3分钟 衰变 Gammadecay Gammadecay typeofradioactivityinwhichsomeunstableatomicnucleidissipateexcessenergybyaspontaneouselectromagneticprocessInthemostcommonformofgammadecay knownasgammaemission gammarays photons orpacketsofelectromagneticenergy ofextremelyshortwavelength areradiatedGammadecayalsoincludestwootherelectromagneticprocesses internalconversionandinternalpairproduction 发射 gammaemission 放射性原子核自发放出 粒子的过程 粒子的本质 光子 电磁波或电磁辐射 发射的方程 例 内转换 internalconversion IC 激发态原子核将多余的能量直接传给核外电子 使其脱离核的束缚而成为自由电子的过程被发射的核外电子称为内转换电子Note Noneutrinosareinvolvedininternalconversion NuclearRadiationPhysics 内转换电子的能量 内转换电子的能量是单一的 分立的 不连续的内转换电子的能谱是线状谱 内转换能谱 内转换的继发过程 与电子俘获 EC 一样 内转换 IC 也会继发特征X射线或俄歇电子 内转换系数 发生 衰变时 发射内转换电子与 光子的概率之比 内转换电子数与 光子数之比 一般说来 重核低激发态的跃迁 发生内转换的概率较大 电子对内转换 internalpairproduction 激发态原子核直接发射一对正 负电子而回到基态的过程正 负电子的动能之和条件 激发能大于1 02MeV 其他放射性 自发裂变 spontaneousfission SF 重原子核自发分裂成两个较轻的核 并同时释放2到3个中子的过程Mostoftheheavyatomshavinganunevennumberofneutronsarefissionableandarealsoradioactive RadiationandHealth 讨论和提问 1 3分钟 衰变规律 Decaylaw 放射性核素的衰变规律 单一核素的衰变规律递次衰变规律 单一核素的衰变规律 指数衰减规律衰变常量半衰期平均寿命放射性活度多分支衰变情形生物半排期和有效半衰期比活度与放射性浓度 单一核素的衰变规律 指数衰减规律 实验表明 任何放射性物质在单独存在时都服从这样的规律式中的 是一个常量 称为衰变常量 衰变常量 decayconstant 物理意义 单位时间内每个原子核的衰变概率 半衰期 half life 放射性原子核的数目衰减至原来一半所需的时间 平均寿命 meanlifetime 放射性原子核的平均生存时间 放射性核素的特征量 衰变常量 半衰期T1 2和平均寿命 都可以作为放射性核素的特征量大量实验表明 衰变常量 几乎与外界条件 温度 压力 磁场等 没有任何关系 放射性活度 activity 放射源在单位时间内发生衰变的原子核数 或放射性核素的衰变率 放射性活度的单位 国际制单位 贝可 Bq 1Bq 1s 1表示每秒钟有一次核衰变惯用单位 居里 Ci 1Ci 3 7 1010Bq常用单位 kBq MBq GBq mCi Ci 放射性活度的计算 1 1gRa 226 1602a 的活度 以Bq为单位 1BqC 14 5730y 的原子数和质量 讨论和提问 1 3分钟 Exercise Carbon 14dating SomearcheologistsfoundapieceofwoodwhichtheyassumedcouldbefromaVikingship InordertofindoutmoreaboutthishypothesistheydecidedtodeterminetheageofthepieceofwoodbyC 14analysis AlllivingorganicmaterialscontainC 14ataconcentrationof15 4dpmpergramofpurecarbon Thepiecefoundbythearcheologistsweighed2gram Theactivitywas11 8dpm Thecarboncontentofthewoodwas44 Howoldwasthepieceofwood Exercise CesiumfromChernobyl ThemostimportantisotopereleasedintheChernobylaccidentwasCs 137 withahalf lifeof30years Theamountreleasedintheaccidentwasgivenas85 000TBq WhatistheweightoftheCs 137releasedintheaccident Exercise Ascenariowithpollutionbyisotopes Inaresearchlaboratory workisgoingonwiththeradioactiveisotopeNa 24 Onedayanaccidentoccurredresultingincontaminationofthelaboratory Theradiationauthoritiesfoundthattheactivitywas100timesthatacceptable Theydecidedtoclosethelaboratoryuntiltheactivityreachedanacceptablelevel Na 24hasahalf lifeof15hours Forhowlongatimemustthelaboratorybeclosed 多分支衰变情形 总衰变常量部分放射性活度注意 部分放射性活度随时间按而非衰减总放射性活度 生物半排期和有效半衰期 生物半排期 biologicalhalflife Tb 生物体内的放射性核素经各种代谢途径从体内排出一半所需的时间有效半衰期 effectivehalflife Te 生物体内的放射性核素经物理衰变和生物代谢二者共同作用 使体内放射性减少一半所需的时间 生物半排期和有效半衰期 Exercise Biologicalhalf lifeforK 40inhumans ThelargestnaturalcontributiontointernalradiationdoseisduetoK 40 ThelevelofK 40isratherconstanteventhoughitvarieswithageandsex Inthisexercise weassumethatthetotalbodycontainsaconstantlevelof5000Bq about70Bq kg Furthermore weassumethatthedailyconsumptionofpotassiumisapproximately2 5gram Since0 0118 ofthepotassiumconsistsoftheradioactiveisotopeK 40 youcancalculatethateachdayyoueatabout76BqofK 40 1 Carryoutthiscalculation 2 Calculatethebiologicalhalf lifeforK 40ifyoueat76Bqperdayandthelevelinyourbodyisconstantat5 000Bq Physicalhalf lifeforK 40is1 27billionyears 比活度与放射性浓度 比活度 specificactivity 单位质量放射源的放射性活度注 本征比活度放射性浓度单位体积放射源的放射性活度放射性活度与放射性强度 讨论和提问 1 3分钟 递次衰变规律 递次衰变母核的衰变规律第一代子核的衰变规律贝特曼公式 递次衰变 serialdecay 一代接一代的连续衰变过程 即例如 母核的衰变规律 母核的数目随时间的变化规律有 母核的活度 第一代子核的衰变规律 第一代子核的数目随时间的变化规律有 第一代子核的活度 贝特曼公式 第n代子核的数目随时间的变化规律有 式中 放射性平衡 Radioactiveequilibrium 放射性平衡 研究对象 第一代 子核与母核的数目及活度关系长期平衡暂时平衡不成平衡 长期平衡 secularequilibrium 条件 结果 例如 68Ge 280d 68Ga 68m 对递次衰变系列 T1 Ti i 2 3 有 长期平衡 讨论和提问 1 3分钟 暂时平衡 transientequilibrium 条件 结果 例如 99Mo 66 0h 99mTc 6 0h 暂时平衡 子体的极值问题 子体的活度达到最大值的时间 不成平衡 条件 结果 例如 冷却 反应堆裂变产物 不成平衡 子体的极值问题 子体的活度达到最大值的时间 放射平衡小结 三种平衡的共同点在于 达到平衡后 衰变规律随半衰期较长的核素长期平衡与暂时平衡 平衡后 子核按母核的半衰期 较长 衰变不成平衡 平衡后 母核消失 子核按自身的半衰期 较长 衰变 放射系 Radioactiveseries 放射系 递次衰变系列的统称三个天然放射系 铀系 钍系和锕系一个人工放射系 镎系 铀系 uraniumseries 钍系 thoriumseries 锕系 actiniumseries 镎系 neptuniumseries Theneptuniumseries 4n 1 The 4n 1 seriesisuniqueinthatitcontainsnogaseousmember Bothastatine 85 andfrancium 87 longmissingfromtheperiodictable aremembersofthisseries Again branchingoccursatabismuthisotope inthiscase213Bi Theseriesterminateswithanisotopeofbismuthinsteadofatlead asisthecasefortheotherthreeseries Itshouldbenotedthattheterminationoftheneptuniumseriesisat209Bi whichhasamagicneutronnumber126 放射系小结 讨论和提问 1 3分钟 小结 核辐射的来源 放射性衰变 衰变能来自原子核的质量亏损 体现了能量最低原理 衰变类型 放射性衰变的规律 指数衰减 放射源的活度与原子核数成正比 与半衰期成反比 放射源的活度随时间按指数规律衰减 思考题