核物理和粒子物理

核物理和粒子物理第1页，共22页，2023年，2月20日，星期五17.0概述

原子核物理学是研究原子核的结构、特性及其相互转变的科学。从1896年贝克勒尔发现铀原子的放射性和1911年卢瑟福提出原子核型结构之后，经过大半个世纪的探索和研究，核理论和核技术得到了飞速的发展，导致了原子能和同位素的应用。在医学上，放射性同位素已用于对疾病的诊断、治疗和研究，形成了专门的学科---核医学。第2页，共22页，2023年，2月20日，星期五17.1原子核的基本性质17.1.1原子核的组成、质量和大小一、原子核(又称为核素)的组成---由质子和中子组成。质子以p表示，带正电，电量为，质量为，用原子质量单位表示为1.007276u；中子以n表示，不带电，质量为，用原子质量单位表示为1.008665u.统称为核子第3页，共22页，2023年，2月20日，星期五二、原子核的表示---核素种类很多，通常表示为电荷数—是质子的个数，等于原子序数核素

质量数—是质子数和中子数的总和三、原子核的大小第4页，共22页，2023年，2月20日，星期五四、同位素、同量异位素和同量异能素----质子数相同而中子数不同的核素叫同位素，在元素周期表中占据同一位置，化学性质相同。如----质量数相同而质子数不同的核素叫同量异位素，如----质量数和原子序数相同而处于不同能态的核素叫同质异能素，通常在元素符号右上角标以m，如五、核力---核子之间的相互作用力，不是电磁力，不是万有引力，是短程力，是强吸引力，具有饱和性。第5页，共22页，2023年，2月20日，星期五一、质量亏损---由质子和中子组成的原子核的质量小于质子和中子的质量和，二者之差称为质量亏损。二、结合能---由相对论的质能关系知，质量变化有对应的能量变化，核子组成原子核时的质量亏损以能量形式放出，这个能量称为结合能。结合能与核子总数之比称为比结合能。(17-1)(17-2)1u的质量亏损对应931.5MeV的结合能17.1.3质量亏损和结合能第6页，共22页，2023年，2月20日，星期五例17-1已知的原子质量为235.11700u，试计算其质量亏损、结合能、比结合能。解：原子核的质量等于原子质量减去电子质量，的

A=235，Z=92，电子有92个，所以它的质量为第7页，共22页，2023年，2月20日，星期五17.2原子核的衰变类型核衰变---放射性核素自发地放射出某种射线而变为另一种核素的现象。放射性核素分为天然放射性核素和人工放射性核素两种。

----核衰变过程遵守电荷守恒、质量守恒、能量守恒、动量守恒和核子数守恒。

----核衰变有三种类型，衰变、衰变、跃迁和内转换。第8页，共22页，2023年，2月20日，星期五原子核放射出高速粒子流(射线)而衰变为另一种原子核的过程。

-----粒子就是氦核(

)，由两个质子和两个中子组成。衰变前的原子核称为母核(母体)，衰变后的原子核称为子核(子体)。衰变的位移定则为

衰变能子核母核(17-3)在元素周期表中子核前移两位17.2.1衰变

第9页，共22页，2023年，2月20日，星期五原子核放射出高速电子流(射线)或高速正电子流(射线)或俘获一个核外电子而衰变为另一种原子核的过程。

-----粒子就是负电子(

)，粒子就是正电子(

)。1.衰变的位移定则为

衰变能子核母核(17-4)反中微子在元素周期表中子核后移一位17.2.2衰变

第10页，共22页，2023年，2月20日，星期五2.衰变的位移定则为

衰变能子核母核(17-5)中微子在元素周期表中子核前移一位在元素周期表中子核前移一位3.电子俘获的位移定则为

衰变能子核母核(17-6)中微子第11页，共22页，2023年，2月20日，星期五处于激发态的放射性核素向低能态跃迁，有时不是放射出光子，而是把能量交给核外电子，使电子飞出，这种过程称为内转换。

当放射性核素处于激发态时，它将放射出光子(射线)并从激发态跃迁低能态或基态，这一过程称为跃迁。射线是一种波长比X射线更短的电磁波，在衰变、衰变的过程中都伴有跃迁。跃迁属于同质异能跃迁，子核和母核相同。跃迁可表示为(17-7)17.2.3跃迁和内转换第12页，共22页，2023年，2月20日，星期五(17-8)衰变常数—反映核素衰变的快慢(17-9)t时刻核的数目t=0时核的数目17.3.1衰变规律---对于某一个原子核，无法确定它何时衰变，对于数量很多的原子核，衰变情况符合统计规律。

t时刻有核N

个，在dt时间内因衰变而减少了–dN个。

–

dN与N、dt成正比整理并积分得17.3原子核的衰变规律第13页，共22页，2023年，2月20日，星期五17.3.2半衰期

核的数目因衰变减少到原来的一半所经历的时间，用表示(17-10)两边取对数，得平均寿命---一个核在衰变前存在的时间叫这个核的寿命，个核在衰变前平均存在的时间叫这种核素的平均寿命，用表示。时间内有个核衰变，即这个核的寿命为，它们的总寿命为

.第14页，共22页，2023年，2月20日，星期五将个核的寿命加起来除以，即得这种核素的平均寿命(17-11)平均寿命与半衰期的关系为生物半衰期和生物衰变常数---人体内的核素由于代谢而排泄出体外使核素的数目减少。第15页，共22页，2023年，2月20日，星期五

----单位时间衰变的原子核的数目，称为放射源的放射性活度或放射性强度，用A

表示。(17-12)(17-13)放射性活度的SI制单位：贝克勒尔，用Bq表示。曾经用17.3.5放射性活度(放射性强度)第16页，共22页，2023年，2月20日，星期五例17-2已知镭的半衰期为1600年，求它的衰变常数和1克镭的放射性活度。解：由式(11-10)可得衰变常数为镭的质量数为226，则1g

镭的原子核的数目为原子核的个数与核素质量的关系第17页，共22页，2023年，2月20日，星期五例17-3

放射性磷出厂时的放射性活度为，问一周后放射性活度还有多大？解：查表得，磷的半衰期为14.3天，由题知，由式(11-13)得第18页，共22页，2023年，2月20日，星期五17.5辐射剂量与防护

高能射线通过物质时，能产生电离作用，称为电离辐射。电离辐射会使物质发生变化，称为辐射效应。生物体接受电离辐射产生的变化称为生物效应，效应程度与它吸收的能量多少正相关。

剂量---表示人体接受电离辐射的量。第19页，共22页，2023年，2月20日，星期五照射量表示进入被照射物质的辐射总量，通常以X射线和射线在单位质量空气中产生的阳(或阴)离子电量表示其照射量。定义为(17-14)17.5.2吸收剂量被照射物质单位质量所吸收的辐射能量，称为吸收剂量。定义为(17-15)单位为单位为Gy17.5.1照射量第20页，共22页，2023年，2月20日，星期五

对不同射线，生物体单位组织吸收同样多的能量时，生物效应可以有很大差异，用相对生物效应(RBE)比较不同辐射引起的这种差异。射线种类及能量范围QF

射线射线中子，能量<10eV100eV~2MeV2MeV~20MeV>20MeV质子，能量>2MeV

粒子，重核11520105520剂量当量---各种射线或粒子被吸收后引起生物效应的程度。定义为表11-3几种射线的QF(11-16)射线的品质因数(辐射权重因子)单位为希沃特还有雷姆17.5.3剂量当量第21页，共22页，2023年，2月20日，星期五

一、最大容许剂量(MPD)---长期积累或一次性照射后对机体既无损害又无遗传危害怕最大