第2章-原子核与放射性衰变.ppt

第二章原子核与放射性衰变 主要内容 2 1原子核的基本性质2 2核模型2 3放射性衰变及衰变规律2 4典型放射性衰变2 5衰变纲图 概述 1896年贝克勒尔发现天然放射性现象1919年 卢瑟福用 粒子轰击氮实验中发现质子 这是第一次实现的人工核反应 1932年 查德威克发现了中子 安德逊发现了正电子 考克饶夫和瓦尔顿观察到第一次用加速粒子进行的人工核反应 2 1原子核的基本性质 原子的中心 原子核原子核的线度只有原子的万分之一 质量占原子的99 以上 原子和原子核是物质结构中泾渭分明的两个层次元素的化学 物理性质 光谱特性与核外电子有关 放射性现象与原子核有关 原子核的成分 质子和中子A Z N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一种原子或原子核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 原子核的密度 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 原子序数原子核的自旋实验证明 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核力在极短程内存在斥力核力与自旋有关 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 2 2核模型 1 核的费米气体模型 费米气体模型认为 核内核子的运动跟容器内理想气体分子的运动类似 除了应满足不相容原理的要求外 在半径的球形空间内进行着自由运动 即核内核子类似于容器内的费米子理想气体 费米气体模型可以说明轻核的一些性质 但不能说明中 重核的主要性质 2 液滴模型 依据 核力的饱和性 原子核不可压缩性液滴模型认为 原子核可看成是一种带电的高密度 不可压缩的均匀液体 而各式各样的核都是由这种液体形成的大小不同的液滴 3 壳层摸型 对于原子核 许多实验事实表明 当组成它的质子数或中子数等于2 8 20 28 50 82 126这些数字时 原子核特别稳定 这些数字称为幻数 如 自然界质子数82 中子数126的铅同位素Pb 双幻数 显得异常稳定 幻数的存在使人们想到 原子核内的质子和中子按泡利不相容原理和能量最低原理分别填充自己的壳层 当质子数和中子数均为幻数时正好填满一个壳层 4 集体模型 一方面考虑核作为集体的转动和振动 另一方面考虑每个核子又在一个变动的非球对称的平均势场中作独立运动 这两种运动还有相互影响 根据集体模型可很好说明核的转动能级和振动能级 关于核的电器极矩 磁矩以及 跃迁率的计算和实验值的符合程度也都有明显改善 2 3放射性核衰变 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 2 3 1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 核衰变与核反应 核反应 核与核 或核与光子 中子 质子等粒子相互作用的过程 核衰变和核反应统称核过程 区别在于 核衰变是不稳定核的自发核过程 而核反应则是稳定核在其它粒子作用下诱发的核过程 核过程中的守恒定律 核子数守恒电荷守恒质 能守恒动量守恒角动量守恒 2 3 2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 一个原子核在单位时间内发生衰变的概率 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 2 3 3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 2 3 4平均寿命 平均寿命是衰变常数的倒数 它比半衰期长一些 2 3 5放射性活度 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次核衰变 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 铱 192 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 放射性物质的活度 A t时刻放射性物质的活度 t 经过的衰变时间 衰变常数 放射性活度衰减与半衰期的关系 放射性活度的应用 例 一放射性同位素经过100天后 其放射性活度变为初始值的1 4 求该放射性同位素的衰变常数 例 6个月前购进192Ir源 当时的射源强度为148 1010Bq 现在的强度为多少 按30天 月 Th 75天 长半衰期的测定 例 铀的半衰期方法 测量它的放射性活度A 算出产生A的核素的数目N 然后从A N求出 取1mg238U 可测得它的放射性活度为A 740个 粒子 min A N 740个 60s 6 022x1023x10 3 238 4 87x10 18s 1T 0 693 4 5x109a 2 3 6放射系 自然界里的一些重元素往往发生一系列连续的衰变而形成放射族 系 天然存在的放射系有三个 它们是铀系 钍系和锕系 铀系 铀系始祖是 其半衰期 经8次a衰变和6次 衰变最后成稳定的 该族所有成员的质量数 n是一个不定的正整数 因此又叫4n 2族 2 4典型放射性衰变 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 2 4 1 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 衰变分析 能量守恒 E E 分别为粒子动能和子核反冲动能 衰变的衰变能 E E 之和 a衰变条件 必须是母核的静质量大于子核与粒子的静质量之和 2 4 2 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 轨道电子俘获 母核俘获核外轨道上的一个电子 使母核中的一个质子转为中子 过渡到子核的同时释放出一个中微子 中微子由泡利提出 由于K层最靠近原子核 K电子俘获最易发生 2 4 3 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 当它返回基态时将辐射 射线 射线的释放不影响原子核的数目 仅减少原子核的能量 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 2 4 4电子跃迁与原子核跃迁比较 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 2 5衰变纲图 综合反映某核素放射性衰变的主要特征和数的示意图 典型的衰变纲图包括三个方面的内容 衰变时发射出的粒子 或射线 的种类及其能量和强度 跃迁的多极性 从对衰变过程的研究中获得的关于母核和子核结构的知识 即衰变所涉及的各能级的能量 自旋和宇称 见原子核的能级 衰变纲图中一般以横线表示