第一章-原子核与放射性(1).ppt

第一章原子核与放射性 物质世界是由什麽组成的 是什麽把它们组合在一起 第一部分原子与原子结构 1 原子 概念的提出 朴素的认识论 世界万物由水空气土火等构成 古希腊时代 思辩性古代原子论万物由原子构成 原子是物质世界的共同基础 不能再分割 2 1803道耳顿 化学原子论 原子是保持元素化学性质的基本粒子 科学概念 伦琴发现X射线 1895年 德国物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中 意外发现了X射线 它不仅揭开了物理学革命的序幕 也给医疗保健事业带来了新的希望 伦琴因此成为1901年第一个诺贝尔物理学奖得主 世界上第一张X光照片 电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的 阴极射线究竟是什么 物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置 证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的 并推算出其质量和电荷比值 得出来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的 指出电子是比原子小得多的粒子 其质量只是氢离子的千分之一 汤姆逊认定这种粒子必定是 建造一切化学元素的物质 也就是一切化学原子所共有的组成部分 汤姆逊发现电子 1903年 汤姆逊提出了新的原子构造模型 原子是一个半径大约为10 10米的球体 正电荷均匀地分布于整个球体 电子则稀疏地嵌在球体中 这是一个类似葡萄干面包的原子模型 同年 物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透 提出了电子均匀地分布在一个环上 环中心是一个具有大质量的带正电的球 被他称为 土星型模型 结构 汤姆逊的原子结构模型 卢瑟福的原子结构模型 1911年 卢瑟福借助于 粒子散射研究 提出原子正电荷必定集中在半径10 15米的范围内 而原子半径却有10 10米 因此原子里面绝大部分是空虚的 从而证明长冈半太郎的 土星型模型 比汤姆逊的 葡萄干面包模型 更接近于物理真实 玻尔的原子模型 用普朗克的量子假设hn E1 E2 hn 原子结构模型演化示意图 1902年 物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀 镭 钍等元素的放射性研究中 提出了放射性元素的衰变理论 放射性原子是不稳定的 它们自发性地放射出射线和能量 而自身衰变成另一种放射性原子 直至成为一种稳定的原子为止 这种特性即放射性 并提出了 原子能 的概念 卢瑟福 索迪 元素衰变 卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖 以后 卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化 即衰变链系 的线索 发现如下衰变链 索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖 元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念 而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子 卢瑟福 索迪 元素衰变 卢瑟福用镭发射的 粒子作 炮弹 研究被轰击的粒子的情况 1919年 终于观察到氮原子核俘获一个 粒子后放出一个氢核 同时变成了另一种原子核的结果 18N 17O p 这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变 使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实 当时卢瑟福写了一本书就取名为 新炼金术 人工衰变 核的组成A Z N质量数原子序数 1932年 海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型 由于中子不带电荷 不受静电作用的影响 可以比较自由地接近以至进入原子核 容易引起核的变化 因此 它立即被用来作为轰击原子核的理想 炮弹 探索原子核奥妙的钥匙 中子 现代原子结构 公元前4世纪德寞克利特 1803道尔顿 1911卢瑟福 1913玻耳 1932海森堡 人类认识物质 基本砖块 历程 电子 2000多年 60多年 100 1990年代 基本砖块 轻子12夸克36媒介子13希格斯粒子1合计62其中2个粒子尚未发现 引力子和希格斯粒子 1964夸克 第二部分核与放射性的基本物理基础 核素 具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核素是原子核的一种统称 核素及符号表示 其它 稳定核素和不稳定核素稳定同位素和不稳定同位素放射性核素和非放射性核素 定义 质子数相同而中子数不同的核素互为同位素 同位素 实验发现 原子核内的质子 中子紧密地挤靠在一起 核子之间没有什麽空隙 与原子情况不同 稳定原子核基本上类似与球体原子核的半径R r0A1 3原子核半径常数r0 1 2 10 15m 1 2fmA原子核的质量数例如 238U7 4fm 1 原子核的大小 原子核的基本性质 2 原子核的质量 电子me 9 1 10 31kg 5 48 10 4u 0 511MeV c2质子mp 1 007276u 938 256MeV c2中子mn 1 008665u 939 550MeV c2 原子核质量 原子质量 全部电子的质量MN Z A Ma Z A Zme忽略了电子的结合能 eV量级 原子的质量可以用质谱计精确测量 有表可查 原子核质量可以精确确定 3 核物质密度 原子核中核子紧密挤在一起根据 M V计算核物质密度 2 3 1014g cm31cm3核物质2亿吨重 黑洞1018核物质1014中子星109白矮星105水1 密度比较g cm3 天平为何倾斜 重 轻 4 原子核结合能和原子核稳定性 质量亏损氦原子核 4He 由2个质子 2个中子构成2个质子质量 2个中子质量 原子核4He的质量2x1 007276 2x1 008665 4 002603 M 4He 4 031882 4 002603 0 029279u E 4He M 4He C2 27 27MeV亏损的质量转化为能量氦原子核的结合能是27 27MeV 亏损的质量哪里去了 质能关系E MC2 原子核结合能 定义 质子和中子结合构成原子核时所释放的能量原子核的结合能越大 质量亏损越大 原子核越稳定 表 比结合能 原子核结合能 核子数 原子核平均结合能 比结合能 曲线 1各原子核中 每个核子的平均结合能随质量数而变化6 9MeV2中等重量的原子核的比结合能较大 释放能量途径 1 重核裂变2 轻核聚合成原子核 重核裂变 轻核聚合 252Cf 自发裂变 中子引起235U裂变 H原子核聚合H的燃烧 太阳能 释放能量举例 例 估算裂变释放的能量 n 235U 236U X Y E假设裂变成质量相等的两块质量数各约为118235U核子平均结合能7 6MeV质量数为118的原子核平均结合能8 6MeV两者平均结合能差 1MeV230多个核子总的 E 200MeV 比较 裂变能n 235U X Y E200MeV化学能C O2 CO2 E4ev汽油与氧的爆炸 一个分子释放40 50eVTNT爆炸自身释放能量 每个分子30eV 从母核中射出的4He原子核 粒子得到大部分衰变能 238U 4He 234Th 放射性母核 基本衰变 衰变 放射性衰变及衰变规律 衰变 241Am 237Np 发生原因 母核中子或质子过多 质子转变成中子 并且带走一个单位的正电荷 中子转变成质子 并且带走一个单位的负电荷 基本衰变 衰变 基本衰变 衰变 动画 衰变 3H 3He 正 衰变 11C 11B 电子俘获 电子俘获 7Be 7Li 基本衰变 衰变 基本衰变 衰变 衰变特点 1 从原子核中发射出光子2 常常在 或 衰变后核子从激发态退激时发生3 产生的射线能量不连续4 可以通过测量光子能量来鉴定核素种类类别 衰变 3He 3He 衰变 衰变 衰变 衰变 半衰期 T1 2 定义 一定量的某种放射性原子核衰变至原来的一半所需要的时间 经过n个半衰期后 未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1 2n 放射性衰变规律 半衰期 放射性衰变基本规律 1指数衰减规律N N0e tN0 t 0 时放射性原子核的数目N 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关 与外界条件无关 数值越大衰变越快 N N0e t 核辐射的基本性质 核辐射与物质的相互作用 一核辐射与物质的基本作用 原子 n 物质 气体液体固体包括人体等 微观粒子间碰撞有动量和能量的传递库仑作用1电离作用2电离效应 二带电粒子与物质的作用 自由电子 正离子 靶原子 正离子 电子 4He Ar Ar e 4He 物质中原子被电离 在粒子通过的路径上形成许多离子对 正离子和自由电子 e 库仑作用 射线与 射线电离效应比较 射线 射线径迹粗直细弯 电离作用强电离作用严重产生离子对数目多 电离作用 Z1Z2 v2Z1入射粒子原子序数Z1靶粒子原子序数v入射粒子速度 实验结果 射线是波长很短能量高的电磁辐射 10 11米 keV MeV 来自原子核 衰变 不带电 静止质量0 1 射线是什麽 能够同物质原子发生作用 但不能直接使原子电离 有动量和能量交换 能够产生载能次级带电粒子 可以对物质发生电离作用 能量E h 动量p h c 2 射线对物质的电离作用两步过程 三种作用效应光电效应康普顿效应电子对效应产生次级电子 电离效应次级电子使物质原子电离 射线 第1步初级作用 第2步次级作用 光电效应 自由电子 作用机制光子同 整个 原子作用把自己的全部能量传递给原子 壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来 成为自由电子 光子本身消失了 A A e 光电子 原子 A X射线 原子 受激原子 电子对效应能量 1 02MeV的 射线与原子核作用可能产生一对正 负电子 M M e e 1 21 02MeVmeme0 511MeV0 511MeV基本条件 射线能量E 1 02MeV为什麽 能量转化成质量M E C2 3轫致辐射 电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管 特征 x射线能量连续0 EMax 电子能量 电视机高压15kV电子束能量15keVx射线能量0 15keV 应注意玻璃含有40KUTh 产生机制 原子核 4正电子湮没 正电子与负电子相遇发生湮没 产生两个0 511MeV的 光子 e e me me 0 511 0 511MeV质量转化为能量转化效率 100 射线通过介质时由于同物质的作用 光子的数量不断的减少 物质层越厚减少得越多 这种现象称做对 射线的吸收 I x I0e x 厚度X I0 四 射线的吸收 I 实验发现 射线强度随通过介质层厚度增加而减小 服从指数衰减规律 指数衰减规律 指数衰减因子线性吸收系1 射线能量高 值小2 原子序数高 值大 I x I0e x 铅和铝吸收系数 对物质电离作用的比较 2MeV射程 m 离子对密度 mm 0 016000 2 360 10几个 1MeV的粒子穿透物质能力 1页 60页 本 铅 地下1 2米深 铅室 n 4580本 中子源 电离辐射直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子 能量 keV x n p 裂变碎片 介子等来源1 放射性物质 人造天然 2 加速器3 反应堆4 宇宙射线5 地球环境 电离辐射和非电离辐射 非电离辐射紫外线 红外线 微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV量级移动电话800 1800MHz 0 01eV 没有电离作用 1原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量 既可造福人类 也可能对环境和人类产生危害 2核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递的过程 没有能量和动量传递就没有作用 3通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用 会对物体产生一系列的影响 人体也不例外 小结 第三部分核辐射量度及其单位 1 放射性活度 activity A 定义 放射性核素在单位时间 dt 内发生核衰变的数目 dN A dN dt 单位 SI Becquerel Bq 1Bq 1s 1居里1Ci 3 7 1010Bq 2 吸收剂量 absorbeddose D 定义 授予单位物质 dm 或被单位物质吸收 的任何导致电离辐射的平均能量 dE 单位 J kg1J kg 1Gy 戈瑞 1Gy 100rad 拉德 吸收剂量1戈瑞 1焦耳 千克 时的能量效应 1 水温升高 比热4 2 103J 千克度 1kg水物质吸收剂量1Gy水温度上升1 4 2 103 2 4 10 4C 2 转化为物体的动能mD 1 2 mv2运动速度v 1 4m s 3 转化为物体的势能mD mgh上升高度h 0 1m 剂量 实际上是单位物质吸收电离辐射能大小的一种量度 定义 组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积 3 当量剂量 equivalentdose HT 单位 焦耳 千克专用名称 Sievert Sv 希沃特 1Sv 1J kg 辐射权重因子 Radiationweightingfactor WR 组织权重因子 tissueweightingfactor WT 4 有效剂量 effectivedose E 定义 各组织或器官的当量剂量 HT 与相应的组织权重因子 WT 的乘积的总和 意义 定量评价随机效应的危险度 单位 Sv 希沃特 例 某人骨表面接受0 3Sv的剂量当量 而另一个人骨表面受0 2Sv的照射 同时肝脏又受到0 1Sv的照射 哪个人危险更大些 放射性活度 A 吸收剂量 D 剂量当量 H 有效剂量 E 吸收剂量 D 1戈瑞 1焦耳 千克1Gy 1J kg 放射源活度 A 1贝克 1次核衰变 秒 剂量当量 H 有效剂量 E 1希沃特 1焦耳 千克 三者意义和区别 任何物质 有机体 小结 剂量是指辐射与物质作用后 释放或吸收能量的量度 不同种类 能量的核辐射 对生物体造成的辐射损伤不同 辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行估算 第四部分核科学的基本工具与测量 1观测和研究事物的工具 工欲善其事 必先利其具 望远镜1608年荷兰出现伽利略发现全新宇宙景象 木星有卫星 月球上有山脉 太阳上黑子 金星有转动周期 支持哥白尼日心理论 显微镜1650年代荷兰列文虎克制造出放大200倍显微镜 看见了 细菌 红血球 肌肉的条纹结构 血液在毛细血管中流动等 一滴久置的雨水中发现有250万个微生物在浮游 1673向英国皇家协会报告会员们不相信 认为是骗子 派人亲自登门观察 在事实面前承认是了不起的发现 英国国王和俄国彼得大帝拜访列文虎克并观看了神奇的显微镜 将人们注意力引向微小世界 放射源 2卢瑟福 看 原子 探测器 光源 载能粒子束观测物体 出射粒子眼睛 探测器 背散射粒子 探针粒子的波长应小于观测物体的尺度即 物体越小 所需粒子的能量越高 被看物体大小探针粒子的能量原子10 10米10eV 电子 高倍电子显微镜原子核10 14米107eV 卢瑟福实验核子10 15米108eV 电子 加速器对撞机夸克 10 18米 109eV 电子 对撞机 看微观小物体对显微镜的要求 4加速器显微镜 1 加速器人工产生高能量带电粒子束的机器 2 反应堆 可控裂变反应炉 4 辐射探测器 荧光屏 眼睛 感知放射性存在传感放射性信号 5 电子学和计算机放大变换传输控制记录分析核过程信息 核科学中的基本仪器和设备 3 放射源 6 其他 1 原子核可以提供 1 巨大的能量2 强有力的射线 2 人们可以掌握它