原子核和放射性衰变

1 4原子核和放射性衰变 射线检测的物理基础 本节主要内容 1 4 1原子核的基本性质1 4 2放射性衰变 原子核的成分 质子和中子A Z N许多元素有几种不同的原子核 例如氢元素有三种原子核 氕 氘 氚 最近日本 俄罗斯合作制出氢的最重同位素 H5 同位素 质子数相同而中子数不同的同种元素的原子核 核素 质子数 中子数均相同 并且原子核处于同一能量状态的原子 同位素的化学性质完全相同 化学性质取决于核外电子排列状况 质子数相同 表明核外电子的数量和排布规律完全相同 原子核的质量 原子质量 相对质量质子质量 1 007碳当量中子质量 1 008碳当量电子质量 1 1836质子原子核质量 Z 质子数 N 中子数 原子核的半径 原子核原子说明原子内大部分空间为空 原子核只占很小一部分 原子核半径与质量数A之间存在关系 其中为常数 值为 原子核的半径 密度N A M 阿伏伽德罗常数 6 02 10 23 原子核的电荷 角动量和磁矩 原子核的电荷原子呈电中性 原子核所带的正电荷必须与轨道电子所带电荷相等 符号相反 确定方法 原子序数原子核的角动量和磁矩实验证明 原子核象陀螺一样旋转着 带电粒子运动产生磁场 原子核的结合能 分析原子核的质量可以发现一个有趣的现象 原子核的质量 各组成部分的质量和 即怎么解释 相对论质能关系核子结合成原子核时 即有质量的减少 表明在结合成原子核时释放能量 所释放的能量称为原子核的结合能 注意 原子核的结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量 而是把核子分开所需要的能量 核力 原子核内各核子之间的相互作用力 其性质 短程力 只在相邻核子之间发生作用 作用范围在1 5 10 13cm之内强相互作用力 在它的作用范围内 比库仑力大100倍饱和性 一个核子能相互作用的其它核子数目是有限的 使得原子核和水一样 呈现不可压缩性 即原子核的密度近似为常数与电荷无关 质子和中子都受到核力作用 原子核的稳定性 原子核的稳定性是指原子核不会自发地改变其质子数 中子数和它的基本性质 按原子核的稳定性可分为稳定原子核和不稳定 或放射性 原子核两类 其稳定性与质子数和中子数有关 原子核的稳定性 原子核的质子数等于和大于84的原子核是不稳定的 即原子序数84以后的元素均为放射性元素 具有少于84个质子的原子核 质子数和中子数均为偶数时 其核稳定 质子数或中子数等于2 8 20 28 50 82 126的原子核特别稳定 这些数称为幻数 质子数和中子数都是幻数 称为双幻数核 中子数和质子数之比n p 在Z 20时n p 1 原子核稳定 随着原子序数增加 n p值增大 比值越大 稳定性越差 1 4 2放射性衰变 天然放射性衰变 1896年 法国物理学家贝克勒尔发现铀和含铀矿物能发射出看不见的射线 这种射线可穿透黑纸使胶片感光 使气体电离 居里夫妇 新的化学元素 钋 Po 和镭 Ra 玛丽 居里 成功分离镭元素而获得诺贝尔化学奖 贝克勒尔 皮埃尔 居里 玛丽 居里 放射性有关概念 放射性 物质发射这种射线的性质 放射性元素 具有放射性的元素 天然放射性元素 自然界存在的放射性元素 天然放射现象 放射性元素的原子核不稳定 它们能自发发生蜕变 发射射线 人工放射性同位素 用质子 中子或其他基本粒子作为炮弹轰击原子核 改变核内质子或中子的数目 可人工制造新的同位素 放射性衰变 基态 groundstate 原子核可处于不同的能量状态 平常情况下处于最低的状态称为基态 激发态 excitedstate 原子核在某些核反应 核裂变及放射性衰变后仍处于高能状态 称为激发态 放射性衰变不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时放出射线 称为放射性衰变 放射性衰变方式 衰变遵循规则 衰变前粒子的电荷总数和质量总数与衰变后所有粒子的电荷总数和质量总数相等 衰变衰变衰变 衰变 原子核释放出 粒子的衰变过程 粒子特点穿透物体的能力很小 在空气中也只能飞行几个厘米 但具有很强的电离能力 衰变 原子核释放出 粒子 正电子 负电子 的衰变过程 对 衰变 对 衰变 粒子特点具有较大的穿透能力 甚至可以穿透几毫米厚的铝 但电离作用较弱 衰变 放射性元素的核 经过 衰变或 衰变后变成处于激发态的核 当它返回正常态时将辐射 射线 属于原子核能级跃迁 射线的特点波长很短的电磁波穿透物体的能力很强 甚至可以穿透几个厘米厚的铅板它的电离作用却很小 电子跃迁与原子核跃迁比较 原子中处于激发态的电子跃迁到基态会辐射光子 比较电子 轨道能级跃迁eV keV原子核 原子核能级跃迁MeV 不同数量级 放射性衰变规律 对于由大量原子组成的放射源 每个原子核都可能发生衰变 但不是所有原子在同一时刻都发生衰变 某一时刻仅有极少数原子发生衰变 放射性核素衰变是随机的 自发的按一定的速率进行 每一个核在什么时候发生衰变是无法预测的 但大量的原子核其衰变过程遵循一定的统计规律 放射性衰变规律 规律 某一放射性物质的衰变率是与当时存在的原子核数目成正比 即若t时刻样品中有N个核 在dt时间内有dN个发生衰变两边积分 并令时 得到即放射性衰变基本定律 也是同位素地质年代学的基本公式 衰变常数 表征衰变快慢的常数 取决于放射性物质本身 物理意义 t时刻 每单位时间衰变的原子核数与该时刻原子核总数的比 越大 衰变越快 表示源的相对衰变速度 放射性衰变特点 衰变的方式和速率是由原子核本身决定与原子核所处的物理状态或化学状态无关外界条件 如温度 压力等 也不能改变它的衰变方式和速率 半衰期 描述放射性衰变的快慢放射性原子核数目因衰变减少到原来数目一半时所需的时间 用T1 2表示 当t T1 2时 根据定义 半衰期的应用 例 已知Co60放射性同位素的半衰期为5 3年 其衰变常数是多少 8年后其放射强度衰变到初始强度的百分之几 放射性活度 描述放射性源的放射性定义 放射性源在单位时间内发生衰变的核的个数 单位是贝可 勒尔 1Bq 1 s物理意义 反映射线源的产生射线的强度常用单位为居里 Ci 1Ci 3 7 1010 s注意 活度不等于射线强度 对同一种放射性元素 活度大的源其射线强度也大 但对不同的放射性元素 不一定存在该关系 放射性活度 比活度 射线源的活度和射线源的尺寸之比放射性活度亦遵从指数衰变规律A0 初始时刻 t 0