核物理基础知识ppt课件.ppt
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1、1TEL:0734-8160771,15096001925E-mail:2011.03南华大学核科学技术学院教授2原子核与放射性的物理基础 1.原子与原子核的组成2.放射性粒子产生的原因3.质量亏损4.衰变规律5.射线与物质作用的机制6.射线减弱规律3 自然界存在的一切物质,都是由不同的元素组成。元自然界存在的一切物质,都是由不同的元素组成。元素的基本单位是原子。原子表征量为物质的物理、化学性素的基本单位是原子。原子表征量为物质的物理、化学性质和光谱特性。质和光谱特性。 原子核由质子和中子组成,质子和中子通称为原子核由质子和中子组成,质子和中子通称为核子核子。 其表征为原子核的放射性。其表征为
2、原子核的放射性。 2.1 2.1 原子与原子核原子与原子核 4原子核中子质子电子(电子云)+ +原子的直径约为原子的直径约为1010-10-10米。米。原子核在中心约原原子核在中心约原子直径的子直径的1/100001/10000。原子的质量几乎全原子的质量几乎全集中在原子核上集中在原子核上电子的质量仅为质电子的质量仅为质子质量的子质量的1/18401/1840。一个电子所带的电一个电子所带的电荷为荷为1.61.61010-19-19库库仑(仑(C C),),定义为定义为单位电荷。单位电荷。 5ZANX 原子核的表示原子核的表示ZANX核子数核子数质子数质子数中子数中子数元素符号元素符号原子质量
3、单位等于一原子质量单位等于一个碳个碳12核素原子质核素原子质量的量的1/12,记为,记为u。1u=1.660565510-27 kg。质子和中子质量几乎质子和中子质量几乎一样,分别为:一样,分别为:mp = 1.00727644umn = 1.00866522uHH,H,3121116原子核的大小原子核的大小 原子核的半径310ArR AArRV3033434原子核原子核半径半径近似正比于近似正比于A A1/31/3,原子核原子核体积体积近似正比于近似正比于A A。ro为原子核半径常数(为原子核半径常数(1.210-13 cm),),A为原子核的质量数为原子核的质量数 原子核的体积7原子核的密
4、度(单位体积的核子数):338303/10433/4cmrRAVAngmN241066.1 314/1066. 1cmgnmNN可见,原子核密度为常数,且非常大。一个核子的质量则核物质的密度:8原子核物理常用术语及意义原子核物理常用术语及意义1).1).核素(核素(nuclidenuclide)具有一定数目的具有一定数目的中子中子和和质子质子以及以及特定能态特定能态的一种原子核的一种原子核或原子称为核素。或原子称为核素。 核子数、中子数核子数、中子数、质子数和能态质子数和能态只要有一个不同,就是不只要有一个不同,就是不同的核素。同的核素。Tl20886Pb20882 两种核素,两种核素,A A
5、同,同,Z Z、N N 不同。不同。Sr9038Y9139两种核素,两种核素,N N 同,同,A A、Z Z 不同。不同。60Co58Co两种核素,两种核素,Z Z 同,同,A A、N N 不同。不同。6060Co Co 60m60mCo Co 两种核素,两种核素,A A、Z Z、N N 同,能态不同。同,能态不同。9 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。 具有具有相同原子序数相同原子序数但但质量数不同质量数不同的核素称为某元素的的核素称为某元素的同位素同位素。( (即即Z Z相同,相同,N N不同,在元素周期表中处于同一个位置,具有基不同,在元素周期表中处于同一个位置,具有
6、基本相同化学性质。本相同化学性质。) )2).2).同位素(同位素(IsotopeIsotope)和同位素丰度和同位素丰度23592U23892U铀的二种同位素。11H21H31H氢的三种同位素;16O17O18O99.756%、0.039%、0.205%11H21H99.985%、0.015%23592U23892U0.724%、99.276%1011H21H99.985%99.985%、0.015%0.015%3).稳定核素和放射性同位素 其中,稳定同位素为:其中,稳定同位素为:而而3 3H H 为为放射性同位素放射性同位素,具有,具有放射性,放出最大能量约放射性,放出最大能量约为为18K
7、eV18KeV的的射线,其半衰期射线,其半衰期12.312.3年年 。 氢氢的的三种同位素具有相同的化学性质,三种同位素具有相同的化学性质,但其放射性却不同。但其放射性却不同。11H21H31H11 人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素,而是在反应堆或加速器所生成。性核素,而是在反应堆或加速器所生成。广泛的放射源广泛的放射源-钴源(钴源(6060CoCo)就是在反应堆中生成。将金属就是在反应堆中生成。将金属钴,即钴,即5959Co Co ,其丰度,其丰度100%100%,放在反应堆孔道内,利用中子照,放在反应堆孔道内,利用中子照
8、射射5959Co Co ,发生如下核反应:,发生如下核反应: 工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源( 6060Co Co ),其活度达几十万至百万居里(),其活度达几十万至百万居里(CiCi)。)。ConCo6059,4). 4). 人工放射性核素人工放射性核素12根据原子核的稳定性根据原子核的稳定性, , 可以把核素分为稳定的核素和不稳定的可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在着密切的关系。例存在着密切的关系。 我们可以把核素排我们
9、可以把核素排在一张所谓核素图上。在一张所谓核素图上。 核素图共包含核素图共包含20002000个核素个核素, ,其中天然存在其中天然存在332332个核素个核素( (280280为稳定为稳定核素核素),),人工放射性人工放射性核素核素16001600多个。多个。 5).5).核素和核素图核素和核素图13质量亏损质量亏损所有的核都存在质量亏损,即所有的核都存在质量亏损,即 原子核的质量总是原子核的质量总是小于小于组成它的所有核子的质量之和的,少组成它的所有核子的质量之和的,少的那部分质量称为的那部分质量称为质量亏损质量亏损(Mass Defect)(Mass Defect)。表示为表示为 AZm
10、, AZmmZAZmAZmnp, 0, AZm原子核结合能的概念原子核结合能的概念14 氘是氢的同位素,氘氘是氢的同位素,氘( )( )由一个中子和一个质子所组由一个中子和一个质子所组成。成。中子的质量:中子的质量:质子的质量:质子的质量: 而氘核的质量:而氘核的质量: 可见,氘核的质量小于组成它的质子和中子质量之和,两可见,氘核的质量小于组成它的质子和中子质量之和,两者之差为者之差为umn0086651.ump0072761.ummpn0159412.um014102221.,ummmmpn001839. 02 , 12 , 1原子核结合能的概念原子核结合能的概念21H15 既然既然 m0m
11、0,则相应的能量就减少,表明当若干质子和,则相应的能量就减少,表明当若干质子和中子结合成一个核时,将中子结合成一个核时,将释放释放一部分能量,这个能量称为一部分能量,这个能量称为叫叫结合能结合能。 222,cAZmcmZAcZmAZBnp 222,1 , 1,cAZMcmZAcZMAZBn 以原子质量以原子质量M M 表示,一般手册都为给出原子质量,表示,一般手册都为给出原子质量, 得到:得到:2,cAZmAZBeZmAZmAZM,原子核结合能的概念原子核结合能的概念16比结合能及比结合能曲线比结合能及比结合能曲线比结合能比结合能(平均结合能)(平均结合能) : AAZBAZ, 单位是单位是
12、MeV/NuMeV/Nu,NuNu代表核子。代表核子。 比结合能的物理意义比结合能的物理意义:原子核拆散成自由核子时,外界对:原子核拆散成自由核子时,外界对每个核子所做的最小的平均功。每个核子所做的最小的平均功。 或者说,它表示核子结合成或者说,它表示核子结合成原子核时,平均一个核子所释放的能量。原子核时,平均一个核子所释放的能量。 比结合能表征了原子核结合的松紧程度:比结合能表征了原子核结合的松紧程度:比结合能大,核结合紧,稳定性高;比结合能大,核结合紧,稳定性高;比结合能小,核结合松,稳定性差。比结合能小,核结合松,稳定性差。 17比结合能曲线:比结合能曲线:裂变裂变聚变聚变8.797.0
13、71.11218原子核的放射性19 18961896年,年,BecquerelBecquerel(获获19031903年诺贝尔物年诺贝尔物理奖)在铀盐中发现放射性理奖)在铀盐中发现放射性。 原子核的蜕变包括原子核的衰变、核反应原子核的蜕变包括原子核的衰变、核反应和核裂变等过程,在这些过程中均会产生放和核裂变等过程,在这些过程中均会产生放射性。射性。 放射性放射性-原子核的蜕变原子核的蜕变20核衰变主要的类型核衰变主要的类型: : a a, b b, 衰变衰变Type of Radiation Charge/MassPenetration a a 粒子(氦核)粒子(氦核) +2q/4mp 空气(
14、空气(几几cm) b b 电子或正电子电子或正电子 q/me or +q/me 几几 mm铝片铝片 光子光子 no charge 几几mmcm铅铅 21 衰变(丰中子核发生)衰变(丰中子核发生) 衰变衰变a 衰变衰变bb 衰变(欠中子核)衰变(欠中子核)b轨道电子俘获(欠中子轨道电子俘获(欠中子核)核)跃迁:高激发态到低激发态或基态的跃迁。跃迁:高激发态到低激发态或基态的跃迁。 a a, b b, 衰变的过程:衰变的过程:QHeYXAZAZ4242QveYXAZAZ1QveYXAZAZ1QYeXAZAZ122+从母核中射出的4He原子核 a粒子得到大部分衰变能238U4He + 234Th放射
15、性母核!23+发生原因:母核中子或质子过多发生原因: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+反中微子中微子三种子体分享裂变能因此电子具有连续能量24中微子+ 光子25a a, b b, 衰变的衰变的实例实例)785. 4(422228622688MeVEHeRnRaaQeSP32163215QeCN136137QMneFe55255526)140. 0(996992/ 1MeVETcTchTm26 核素的衰变纲图核素的衰变纲图( (常用放射性核素衰变数据和纲图常用放射性核素衰变数据和纲图) )27 核素的衰变纲图核素的衰变纲图28 核
16、素的衰变纲图核素的衰变纲图293031222Rn的衰变曲线实验发现,放射性核素实验发现,放射性核素 放出一个放出一个a a粒子,变成粒子,变成 ,而而 的数目大约每的数目大约每4 4天减少一半。天减少一半。Rn22286Po21884Rn2228632它应该正比于N(t) 和时间间隔dt ,由统计性,以放射源总体考虑衰减规律:设:t 时刻放射性原子核的数目为N(t), teNtN0求解t t+dt 内发生的核衰变数目-dN(t), dttNtdN于是有:33 tNdttdN/ )( 1. 衰变常数分子表示:t 时刻单位时间内发生衰变的核数目,称为 tJt 时刻放射性原子核衰变常数:一个原子核在
17、单位时间内发生衰变的概率。放射性核素的特征量放射性核素的特征量量纲为:量纲为:t-1,如1/s,1/h,1/d,1/a34b. b. 当一个原子核有几种衰变方式时:当一个原子核有几种衰变方式时: ii a. a. 衰变率:衰变率: )()0()(tNdteNddttdNtJt 定义分支比:定义分支比:/iiR 35 2. 2. 半衰期半衰期 半衰期:放射性核数衰变一半所需的时间,记为 。即: )0(2102121NeNTNT2121 Te693. 02ln21T量纲为:t,如s,h,d,a21T363. 3. 平均寿命平均寿命 平均寿命平均寿命 总寿命总寿命 / / 总核数总核数1212144
18、. 12lnTT平均寿命是指某种放射性核素其平均生存的时间平均寿命是指某种放射性核素其平均生存的时间平均寿命用平均寿命用表示,表示,与与、T1/2的关系的关系 : 1)()0(10tdttNN371. 放射性活度 (Activity)即:)()()(00tNeNdteNddttdNAtt定义:00NA则:teAA0 活度定义:一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示,表征放射源的强弱。放射性活度及其单位放射性活度及其单位382. 2. 活度单位活度单位 常用单位常用单位( (CiCi) ):法定计量单位为法定计量单位为( (BqBq) ):秒秒次核衰变次核衰变/1Bq1 Bq107.
19、3Ci110 39)(稳稳定定衰衰变变方方式式,半半衰衰期期衰衰变变方方式式,半半衰衰期期NBA)(206824 .138,2108401. 5,2108321,210821064. 1 ,214844稳定稳定PbPoBiPbPoddas a ab bb ba a例如:递次衰变规律递次衰变规律401 1)两次连续衰变规律)两次连续衰变规律 初始条件:t = 0时,A 的数目为N10,B的数目为0A 和 B 的衰变常数分别为 1 和 2C 的数目为0。 是单一放射性衰变,服从简单的指数规律。dttNtdN)()(111 teNtN1101)( 即:对于A:这样t时刻,A的数目的变化为:稳定CBA
20、2141对于B:不断衰变为C (减少):dttN)(22 不断从A获得 (增加):dttN)(11 这样B的数目的变化为:dttNdttNtdN)()()(22112 B代入N1(t)等条件,解此微分方程,)()(21121102tteeNtN 可见,子体 B 的变化规律不仅与它本身的衰变常数 2 有关,而且还与母体 A 的衰变常数 1 有关,它的衰变规律不再是简单的指数规律。42 已经假设已经假设 C C 是稳定的,那么它的变化仅由是稳定的,那么它的变化仅由 B B 的衰变决定,的衰变决定,即:即:dttNtdN)()(223 解此方程,得: )1(1)1(1)(21211221103tte
21、eNtN 对于对于C C: 当t ,N3(t) N10,母体A全部衰变成子体C。子体C是稳定的,不再发生衰变。43两次连续衰变规律总结如下:两次连续衰变规律总结如下:teNtN1101)( )()(21121102tteeNtN )1(1)1(1)(21211221103tteeNtN 稳定CBA2144 对于n代连续放射性衰变过程,其中第1到第n代核素具有放射性,而第n+1代核素为稳定核素。设初始条件为:101)0(NN 0)0( mN1n, n, 3 , 2m各衰变常数为:n ,21 用同样的方法可以求出第 n 个核素随时间的变化规律:)(121稳定nnAAAA)()(212110tntt
22、nnecececNtN 2 2)多次连续衰变规律45)()(113121211 nnc)()(223211212 nnc)()(121121nnnnnnc nccc,21,其中,系数 为 : 在连续放射性衰变中, 母体衰变是单一放射性衰变,服从指数衰减规律; 其余各代子体的衰变规律不再是简单指数规律,而与前 面各代衰变常数都有关。463)放射性平衡对于两代连续 A B C(稳定)teNtN1101)( )()(21121102tteeNtN 我们来看子体 B 的变化情况,子体 B 的变化只取决于 1 和2。我们分三种情况讨论:47(1 1)暂时平衡)暂时平衡 母体母体A A的半衰期不是很长,但
23、比子体的半衰期不是很长,但比子体B B的半衰期长,的半衰期长,即即)2(2/1)1(2/1TT 或或21 时,时, 则在观察时间内可看出母体则在观察时间内可看出母体 A A 放射性的变化,放射性的变化,以及子体以及子体 B B 的核数目在时间足够长之后,将和母体的核数目在时间足够长之后,将和母体的核数目建立一固定的比例,此时子体的核数目建立一固定的比例,此时子体 B B 的变化将的变化将按母体的半衰期衰减。这时建立的平衡叫暂按母体的半衰期衰减。这时建立的平衡叫暂。4812121 021( )()ttNtNee 由:由:)1)()(112112tetN 由于:由于:21 ,当,当 t t 足够大
24、时,足够大时,1)(12 te 关系:关系:11)(12te 子母体的放射性活度的关系为:子母体的放射性活度的关系为:22221211112121( )( )( )( )A tNtA tN t 即:当即:当 t t 足够大时,有:足够大时,有:12112)()( tNtN1 有:有:49暂时平衡暂时平衡( 1 T1/2(99mTc) ,体系可建立体系可建立。max9999AMoATcAm 当当 t=tm 时,子核放射性活度最大,时,子核放射性活度最大,hTcTMoTTcTtm21)()(ln2ln)(ln1ln1212121122121253(2 2) 长期平衡长期平衡 当母体当母体A A的半
25、衰期较长,且比子体的半衰期较长,且比子体B B的半衰期长得多时,即的半衰期长得多时,即)2(2/1)1(2/1TT 或或21 则在观察时间内,看不出母体则在观察时间内,看不出母体A A放射性的变化;在相当长放射性的变化;在相当长时间以后,子体时间以后,子体 B B 的核数目和放射性活度达到饱和,并且的核数目和放射性活度达到饱和,并且子母体的放射性活度相等。这时建立的平衡叫子母体的放射性活度相等。这时建立的平衡叫。) 1 (2/ 1Tt 观察时间5412121 021( )()ttNtNee 由:)1)()(112112tetN 由于:21 ,当 t 足够大时,有:1)(12 te 长期平衡关系
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