【正文】 1 第十一章 原子核和放射性 2 原子核物理學（ nuclearphysics): 原子核物理學內容： （１）研究核力、核結構和核反應等有關物質結構的基本問題 （２）研究放射性和射線 是原子核應用的基礎 研究原子核的結構、特性和相互轉變等問題的一門學科 原子核技術與醫(yī)學相結合，已成為一門新興的學科：核醫(yī)學 今后的能源問題已成為各國所關心的問題。 在煤和石油逐漸用竭后，除繼續(xù)利用水力外，原子能和太陽能將會更廣泛地利用起來。而原子能目前已經在國防上有重要應用。人類長期利用自然能量，絕大部分間接來自太陽，今后將更多地直接取自太陽輻射。太陽怎能長期不斷地輸出強大的能量呢？從原子核的理論知識知道這是來自太陽內部不斷的原子核反應。所以原子核的研究在理論上和應用都有重要性。 3 一、原子核的組成、質量和大小 核子：質子＋中子 XX AAZ 或A 核子數(shù)、質量數(shù) Z 電荷數(shù)、質子數(shù)、原子序數(shù) X 相應原子的元素符號 N 中子數(shù)＝ AZ H11 U23892第一節(jié) 原子核的基本性質 4 原子核的質量通常是通過測量原子的質量來推得原子核的質量。 原子的質量等于原子核的質量加上核外電子的質量減去相當電子全部結合能的數(shù)值。但是一般電子組成原子的結合能很小，可以忽略不計。 在原子核物理中，常把 12Ｃ原子質量的 1/12作為質量單位即原子質量單位（ atmoic mass unit) 記作 amu或 u 1u= 1027kg 5 核素 （ 1）同位素（ isotope) （ 3）同量異位素 （ 2）同中子異位素 核素（ nuclide):核子組分不同（Ｚ不同，Ｎ也不同）的各種原子核的統(tǒng)稱 目前已知的元素（包括人工合成的）共 107種，而核素卻有 2300多種 質子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一類核素，在元素周期表中處于相同的位置。 中子數(shù)相同而質子數(shù)不同的一類核素 OOO 181716 40203616 CaS 質量數(shù)相同，質子數(shù)不同的一類核素 40204019 CaK6 通過 α粒子散射實驗，證明原子核的形狀近似球形，其半徑小于 10－ 15m,通過精確測定，原子核的半徑同質量數(shù)的關系為： 310 ARR ?其中 R0是一個常數(shù)，為 1015m 原子核的體積為： ARRV 303 3434 ?? ??原子核的密度為： 317030300 /4334/ mkgNRARNAVM n ????????因此，原子核的體積與核子數(shù)成正比，而各種原子核密度相同，與核子數(shù)無關 7 二、原子核的自旋和磁矩 正如原子中的電子處于運動中一樣，原子核中的粒子也處于運動之中，原子和也像陀螺儀一樣在旋轉著，因而存在著轉動角動量，通常稱之為原子核的自旋，其自旋角動量為 Sn JIIS n 341005 4 58 h )1( ?????? ???其中 I為表征原子核自旋角動量的量子數(shù)，其取值為整數(shù)或半整數(shù)，當原子核的質量數(shù)為偶數(shù)時取整數(shù)，當為奇數(shù)時取半整數(shù)。 原子核具有電荷，所以在旋轉時，會產生磁矩，這磁矩稱為核磁矩： 其中 gI稱為原子核的 g因子， uN是常數(shù)，通常稱為核磁矩的單位，即磁子 ).( 127 ???? TJN?NII IIIIg ??? )1( 2e)1( ???? ?原子核的自旋和磁矩可以從原子光譜的超精細結構，核磁共振等許多實驗中測定。 8 實驗測定表明：原子核的質量總小于組成它的核子質量之和，其質量差，即損失了一部分質量 : 通常把這部分損失的質量，稱為質量虧損 (mass defect) 質能方程： nnp MNmZmm ???? )(m?nnH MNmZmm ???? )(Hm 為 1Ｈ原子的質量。 2mcE ???這個能量稱為原子核的結合能（ binding energy) 三、原子核的結合能及質量虧損 9 JE 12105 3 3 ????2mol個質子 (2g)和 2mol中子 (2g)結合成一個 1mol4Ｈe核時釋放的能量為： JE ???相當于 100噸優(yōu)質煤燃燒時所釋放的化學能。因此，原子核的結合能是非常巨大的。 兩個質子和中子結合成一個 4Ｈ e核時釋放的能量為： 28272 )109 9 7 (106 6 0 5 3 0 3 7 ???????? ?mcE 科學上把含有 10^23個微粒的集體作為一個單位，叫摩。摩爾是表示物質的量（符號是 n）的單位，簡稱為摩，單位符號是 mol。 1mol的碳含 10^23個碳原子，質量為 12g。 1mol的硫含 10^23個硫原子，質量為 32g， 1摩任何原子的質量都是以克為單位，數(shù)值上等于該種原子的相對原子質量 10 原子核的穩(wěn)定性 核子在結合成原子核時要放出大量的結合能，反之，如果想要使原子核內的核子重新分裂出來，需要供給同樣多的能量。因此，核子結合過程釋放的能量越大，其核就越穩(wěn)定，（能量越低越穩(wěn)定），對于不同的原子核其穩(wěn)定性不相同。 通常用每個原子的平均結合能來反映原子核的穩(wěn)定程度，即 AE /??? ?從圖上可得出下列規(guī)律： （ １）Ａ＜ 30 時，曲線呈上升趨勢，但在Ａ為 4的整數(shù)倍的地方出現(xiàn)了峰值，說明 4個核子（２個質子和２個中子）可構成穩(wěn)定的原子核。 （２） Ａ 30 時， Δε約為８ＭｅＶ，近似為常數(shù)，即原子核的結合能差不多與Ａ成正比，說明原子核之間的作用力具有飽和性。 （３）曲線中間高，兩邊低，說明Ａ在40—120之間的原子核較穩(wěn)定，其它穩(wěn)定性較差。 11 由核子構成的原子核，雖然質子間存在靜電排斥力，卻結合得非常緊密，因此核子間必然存在強大的吸引力，這種使核子緊密結合在一起的力稱為 核力 。 現(xiàn)在某些方面至今還未認識清楚，從目前的理論和實事，可以說明核力具有以下性質： （ 4）核力與電荷無關 （ 1）核力是短程力 因為核力既能把帶電的質子束縛在原子核中，也能把不帶電的中子束縛在原子核中，促成質子和中子成雙成對地結合。 核力的作用范圍只有 1015m的數(shù)量級。 一個核子所能相互作用的其他核子的最大數(shù)目是有限制的。 （ 2）核力是強相互作用 （ 3）核力具有飽和性 （ 5）核力極短程內存在斥心力 核子不能無限靠近。 12 ? 穩(wěn)定核素（ stable nuclide) 原子核的穩(wěn)定性與核內質子數(shù)和中子數(shù)的比例有關。 ? 當原子核內 引力 與 排斥力 平衡時，原子核穩(wěn)定，不會自發(fā)衰變的核素稱為 穩(wěn)定核素 。 引力 靜電排斥力 核子（質子和中子統(tǒng)稱為核子）之間 質子之間 ? 放射性核素 (radionuclide) 原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需通過核內結構或能級調整才能趨于穩(wěn)定的核素稱為 放射性核素 。如 99Tcm、 131I、 32P、 90Sr、153Sm、 188Re、 125I、 60Co等。 引力 靜電排斥力 核子（質子和中子統(tǒng)稱為核子）之間 質子之間 第二節(jié) 原子核的衰變類型 13 核素中，原子序數(shù)很高的重元素，如鈾（Ｕ）、鐳（Ｒ a）等，不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地過渡到穩(wěn)定的原子核的變化過程稱為 原子核的衰變。 質能守恒定律 動量守恒定律 電荷守恒定律 核子數(shù)守恒定律 ?衰變過程遵守的定律 ?定義 1.?衰變 2.?衰變 3.?衰變和內轉換 ?衰變的類型 14 一、 ? 衰 變 QHeYX AZAZ ??? ?? 4242 ２ .衰變方程 某些原子核，由于 核子數(shù) 過多，在衰變過程中，放出一個 ? 粒子而變成另一種原子核的過程稱為 ?衰變 。 Q 衰變能 用 Ｘ 代表衰變前的母體原子核， Ｙ 代表衰變后形成的子體原子核 ? 42He γ 15 由于 ? 衰變過程是不穩(wěn)定的原子核變成穩(wěn)定的原子核的自發(fā)過程，因此 Q0即： HeYX MMM ??QHePbPo ??? 4220682210845 . 4 0 8 M e VQ 3 0 ?? M e VE ?16 ? 粒子特性 ? ? 粒子實質上是 He原子核 ； ? ? 衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于 82的重元素核素 ； ? 在空氣中的射程約為３ ８ cm， 在水中或機體內為 ； ? 因其射程短，一張紙即可阻擋 ； ? ? 粒子的電離能力很強。 ? ?射線是大量放射性核素進行 ?衰變 的產物，是高速的He原子核組成的粒子束流。 ? 對開展體內惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢。 17 二、 ? 衰 變 三種形式： ?－ 衰變 ?＋ 衰變 軌道電子俘獲 1.?－ 衰變 （ 1）定義 某些原子核，由于 中子數(shù) 過多，放出一個 ?－ 粒子和一個反中微子而變成另一種原子核的過程稱為 ?－ 衰變 。 （ 2） 條件 (a)中子數(shù)過多 (b) ?－ 粒子 ? － 1e（ 負電子 ) β － γ n?p+e 反中微子：中微子的反粒子。反中微子是中微子對應的反物質粒子，其性質 跟中微子正好相反。它是一種非常輕的中性帶電粒子。 18 （ 3） 衰變方程 QeYX AZAZ ???? ?? ?~011由于是自發(fā)過程，因此 Q0即： YX MM ?QeSP ???? ? ?~0132163215Qepn ???? ? ?~01111019 β 粒子 的特性 ? β 粒子實質是負電子； ? 衰變后質量數(shù)不變，原子序數(shù)加１ ； ? β 粒子的能量分布從 0～最大具有連續(xù)能譜，穿透力比 ? 粒子大； ? 電離能量比 ? 粒子弱，能被鋁和機體吸收 ； ? 通常說的 ?放射性核素就是 ?放射性核素。 醫(yī)學中常用 32P、 3H、 14C等 ? β射線是大量放射性核素進行 β衰變 的產物。并且其能譜是連續(xù)的。 ? 在軟組織中的射程僅為幾厘米，可用于治療，如碘治療甲亢 。 20 2. ?＋ 衰變 （ 1） 定義 某些原子核，由于 質子數(shù) 過多，放出一個 ?＋ 粒子和一個中微子而變成另一種