原子核和放射性

.,第十五章原子核和放射性,医用物理教研室,.,基本内容：1、原子核的基本性质2、原子核的衰变类型3、原子核的衰变规律,.,1945年8月7日早晨，一颗挂在降落伞下的“炸弹”在日本广岛上空爆炸，这座城市顷刻间被夷为平地，死伤306545人三天之后，同样的命运降临长崎，死伤138905人造成这场空前浩劫的，是一种叫“原子弹”的新式武器它的出现结束了二战，却又带来了冷战它的出现深刻地改变了军事战略，也深远地影响着人类命运原子弹爆炸结束二战核武器竞争威胁人类。,.,1945年5月，前苏联红军攻克柏林，德国法西斯宣布投降然而，在远东，日本法西斯仍在作垂死挣扎当时估算，如果占领日本本土，美军起码还得付出死亡一二百万人的沉重代价这一切促使美国最高当局下决心动用原子弹，以尽早结束战争其实，当时日本和德国都在研制原子弹，只是由于四面楚歌、力不从心而进展缓慢就在广岛被原子弹轰炸后几小时，日本军部立即派研制原子弹的核科学家二阶义男带领“2号研究”（即原子弹研究）人员去广岛作现场调查之后，把这批人员招集到大本营，副总参谋长河边将军问道：“你们能不能在半年内造出原子弹来？如果能做到的话，我们就把你们这些专家和天皇一起藏到长野山下用花岗岩造的地下堡垒中保护起来军队不惜代价再坚持6个月没有问题，到那时就可以对美军还以颜色了”,.,二阶义男回答说：“阁下，不要说6个月内造不出原子弹，就是再花6年也不行”听了首席科学家的这番话，河边将军默不作声，并立即向军部作了汇报三天后，当长崎也传来被原子弹炸成平地的消息后，日本最高当局中的主战派顿时像泄了气的皮球此时，美国又放出空气，声称还有100颗原子弹（其实当时还没有新的原子弹生产出来）将投向日本，如果日本不投降的话在这种严峻的形势下，经过幕后活动，日本天皇终于在8月15日宣布无条件投降,.,原子弹爆炸,.,大亚湾核电站夜景,.,神经胶质瘤患者头部的核磁共振断面像,.,人类认识原子结构的简单历史,1787年，道尔顿原子一切物质都是由不可见的、不可再分割的原子组成。,1811年，阿佛加德罗分子原子不能独立存在，相互结合在一起形成分子才能独立存在。,十九世纪中期原子分子论原子不可再分。,1897年，汤姆逊发现电子提出原子结构模型原子是由带正电的连续体和在其内部运动的负电子构成的。,1911年，卢瑟福散射核式模型,1913年，玻尔原子模型,20世纪20年代以来现代模型（电子云模型）电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，在一个确定电子的时刻不能精确测定电子的确切位置,.,第一节原子核的基本性质,15.1原子核的组成、质量和大小1原子核的电荷（1）质子带正电，其电量绝对值等于电子的电量。Z（2）中子不带电，N,核子数：也称为质量数AZ+N,.,（1）原子核质量的表示原子质量单位（以12C的1/12为原子质量单位）1u1.66054010-27kg（2）原子核的分类a.同位素（元素周期表中位置相同，同位素丰度）b.同中子异位素（中子数相同）c.同量异位素（质量数相同，质子数不同）d.同质异能素（质量数和质子数都相同，能量不同）,2.原子核的质量,.,15.2原子核的性质,对于轻核的核半径为:,对于重核的核半径为:,通过估算,可以看出各种原子核半径大小均处于同一数量级上,且随着各种元素之不同彼此之间又略有差异.,.,根据实验表明,除少数例外,原子核是近似球形的,其体积为:,由此可得到一个非常重要的结论:在一切原子核中,核物质的密度近似为一常数,不妨作这样一个比拟,水的密度是103kg/m3,而原子核的密度比水要大1014倍,足见原子核是物质紧密集中之处,且密度大得惊人！针尖大的物体，质量一吨！,.,15.4原子核的结合能及质量亏损,原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和：,根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：,mx=Zmp+(A-Z)mn,但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量之和，这一差值称为原子核的质量亏损：,m=Zmp+(A-Z)mn-mX,.,质子和中子组成核的过程中，有能量E释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收E的能量。,氘核吸收E能量后分解为质子和中子,E,氘,质子,中子,E=(m)c2=Zmp+(A-Z)mn-mXc2,爱因斯坦,.,原子结合能的计算,一原子质量单位,具有能量,质子质量,中子质量,核子平均结合能,.,核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。,原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。,每个核子的平均结合能称为比结合能：,.,a.中等质量原子核的核子平均结合能较大,8.79MeV,8.47MeV,8.75MeV,b.轻核和重核的核子平均结合能都较小,2.83MeV,7.5MeV,7.56MeV,.,核力是一种短程力；核力是强相互作用；核力具有饱和性;核力与电荷无关；核力在极短程内存在斥心力，它使核子不能无限靠近。,.,第二节原子核的衰变类型,放射性：(1896法国科学家年贝克勒尔发现U的放射性)放射性元素：原子序数83（包括83）以后的所有元素都具有天然放射性。,贝克勒尔,放大了1000倍的铀矿石,.,居里,居里夫人,1898年发现放射性更强的元素钋（Po）和镭（Ra）。,贝克勒耳和居里夫妇一起，因为放射性的发现和研究，1903年得到科学界的最高荣誉诺贝尔奖。,.,三种射线：、。三种射线的性质：,氦核,电子,衰变原则：,质量数守恒，电荷数守恒。,.,15.1衰变（质量数A209）,1,2,3,母核,子核,粒子,衰变能,粒子的能谱与子核或母核的能级结构有密切连续。,.,15.2衰变,1.-衰变,2.+衰变,放出电子、反中微子,放出正电子、中微子,.,3.电子俘获(E.c),能量一部分可以以标识X射线的形式放出;一部分可以使另外一层电子电离成自由电子-俄歇电子。,一个质子变为中子，放出中微子,.,中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十分微弱。因此极难探测，需要用体积庞大的探测器。,4.中微子简介,1930泡利假设了中微子，以解决b衰变中能量不守恒问题1956Reines和Cowan发现中微子（1995年诺贝尔奖）1962Lederman等发现中微子（1988年诺贝尔奖）1957Pontecorvo提出中微子可以发生振荡1968Davis发现太阳中微子丢失，中微子振荡.（2002年诺贝尔奖）1998超级神冈实验证实大气中微子丢失,中微子振荡！(2002年诺贝尔奖）2001SNO实验证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子2002KamLAND用反应堆实验证实太阳中微子振荡,.,15.3衰变和内转换：,处于激发态的原子核不稳定，要向低能态跃迁，放出光子。常常伴随着衰变和衰变过程产生。,例6027Co6028Ni+,.,在医疗上，射线可以使癌细胞受到抑制或死亡，因此常利用钴60的射线按理治疗肺癌、食道癌等。射线还可以用于医疗器械的消毒灭菌，处理医院排出的污水，杀死各种病原体，保护环境卫生。,伽玛辐射仪,.,内转换：,在某些情况下，原子核从激发态向较低能级跃迁时不一定放出光子、而是把这部分能量直接交给核外电于，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这称为内转换。,锝99Tcm基态时,89%射线,11%内转换,.,第三节原子核的衰变规律,15.1衰变定律,（1）对一个特定的放射性核素，其衰变的精确时间是无法预测的；（2）对足够多的放射性核素的集合，其衰变规律是确定的，并服从量子力学的统计规律。,.,衰变定律,衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，衰变常数与外界条件（温度、压力、磁场等）几乎无关。,.,15.2半衰期,在放射性衰变过程中，放射性元素的原子核数减少到原有核数的一半时所需的时间。,衰变定律的另一种表示：,1、衰变定律,当有一半粒子发生衰变时：,.,例：一个放射性物质T=2d,过了四天后：,.,t=0时，核数为N0，经t时间的衰变，剩下N(t)=Noe-t，再经dt(tt+dt)时间，有-dN=Ndt发生衰变。这意味着-dN个核子存活了t时间，所以核素的总寿命是,(1)平均寿命,2、有效半衰期和平均寿命,.,任一核素的平均寿命为,.,（2）有效半衰期：,放射性元素进入生物体内,物理衰变N=N0e-t,生物衰变:b（常数）,b-生物衰变常量。放射性元素随生物体的代谢排出体外，其衰减也按指数规律。,.,有效衰变常数e,据半衰期与衰变常数的关系：,采用放射性元素作生物体内示踪剂。,.,例题:临床上常用59Fe检查或在患者血液的异常情况.已知59Fe的物理半衰期46.3d,生物半衰期为65d,问服用13.5d后,残留在体内的放射性核素的相对量N/N0为多大?,.,15.3放射性活度,放射性活度（简称活度）一定量的放射性核素在单位时间间隔内发生的核衰变数，即,dN:在时间间隔dt内自发核衰变次数。,.,（1）活度服从同样的指数规律。（2）活度单位是居里.（3）1居里(Ci)3.71010次核衰变s。（4）