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1、第五章 物质结构第1页，共80页，编辑于2022年，星期三v第一节第一节 人类对物质结构的早期认识人类对物质结构的早期认识v第二节第二节 奇妙的微观世界奇妙的微观世界v第三节第三节 物质结构的研究与高技术物质结构的研究与高技术v 第2页，共80页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 人类对物质结构的认识人类对物质结构的认识v一、探索物质结构之谜一、探索物质结构之谜古代古代v人类对物质结构的探索开始于对世界本原问题的探讨人类对物质结构的探索开始于对世界本原问题的探讨宇宙间的万物是由什么东西构成的？我国古代的阴阳五行说：金、木、水、火、土 古希腊：火、气、水、土原子论:物质是由不可分割的、永恒的
2、原子微粒构成第3页，共80页，编辑于2022年，星期三 2、宇宙间的万物是否连续 惠施：一尺木棒，日取其半、万世不竭 墨翟：物质分割的最小单位是端。3、物质是否可分第4页，共80页，编辑于2022年，星期三古代原子论v古希腊的德谟克里特和中国春秋时代的墨子等先后提出了朴素的原子论。影响最深远地是留基伯和德谟克里特的原子论。v存在着无限多个不可见且不可分割的原子。原子之间仅在大小、形状和运动方面有着量的不同。物质性质的变化是由于原子组合的改变造成的。原子本身的性质则永不变化。v罗马诗人卢克莱修的长诗物性论将其传播到拉丁语国家，并流传于世。第5页，共80页，编辑于2022年，星期三二、近代物质结构
3、研究的进展二、近代物质结构研究的进展-原子论v“原子”一词，来自希腊语，原义是“不可分割的东西”，即指构成世界万物的最终单元。v时至今日，已没有人认为原子不能再分割了。科学的进展使人们不得不背离其原义把它看作是可分的东西。第6页，共80页，编辑于2022年，星期三v科学原子论的诞生v“科学原子论之父”道耳顿将拉瓦锡、玻意耳的研究成果同原子论相结合，形成科学理论：1.有多少种不同的化学元素就有多少种不同的原子；2.同一种元素的原子在质量、形态等方面完全相同；3.查清原子的相对重量以及组成一个化合物“原子”的基本原子的数目极为重要。v1803年10月下旬道尔顿发表了第一张包括十四种元素在内的原子相
4、对质量表。第7页，共80页，编辑于2022年，星期三v科学原子论确立后，定量化学的发展导致了一系列元素的发现。v1869年，门捷列夫门捷列夫发现元素周期表。据此可以对元素的特性进行判断、预测新元素的存在等等。v此后对微观世界中原子的研究进入了科学的轨道。第8页，共80页，编辑于2022年，星期三重要的发现v天然放射性的发现（1896年贝克勒尔）暗示出原子也存在内部结构v电子的发现（1897年汤姆逊）明确地揭示了原子是可分割的第9页，共80页，编辑于2022年，星期三三、20世纪以来的研究情况v揭示出原子是可变、可分割的。原子由质子、中子、电子组成，质子、中子则由更小的粒子组成。v基本粒子的性质
5、不同，且能相互结合组成较稳定的原子结构。原子间通过交换一定的组分如电子而形成分子。所有这些过程都受着已知的力学和电磁定律的支配。v基本粒子可以转化为辐射，反之亦然。在组成更大的单元时，基本粒子未必保持自身不变。第10页，共80页，编辑于2022年，星期三v至此，人们已经掌握了原子是由电子、质子和中子组成的。到1947年人们一共发现了包括反质子、反中子在内的14种基本粒子。其中，电子、质子和中子构成一切稳定的物质；电子、质子和中子构成一切稳定的物质；光子是电磁力的传递者；介子是核力的传递光子是电磁力的传递者；介子是核力的传递者。这一时期发现的基本粒子常被称为第一者。这一时期发现的基本粒子常被称为
6、第一代基本粒子。代基本粒子。第11页，共80页，编辑于2022年，星期三v50年代初，一些大型加速器陆续建成，使人们利用加速器所加速的粒子来轰击原子核，以研究许多“生的快，死得慢”特点的奇异粒子。到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子，这些奇异粒子统称为“第二代粒子第二代粒子”。到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探测器的迅速发展，在实验上也发现了快衰变粒子，其衰变属强作用衰变。这些寿命短的粒子被称为“共振态粒子”，也称“第三代粒子第三代粒子”。由于它们的出现，使粒子种类猛增到上百。第12页，共80页，编辑于2022年，星期三v在粒子物理学的深层次探索活动中，粒子加速器、探测手段、数
7、据记录和处理以及计算技术的应用不断发展，既带来粒子物理本身的进展，也促进整个科学技术的发展；粒子物理所取得的丰硕成果已经在宇宙演化的研究中起着重要的作用。人们对物质结构的认识达到了前所未有的深度。第13页，共80页，编辑于2022年，星期三第二节 奇妙的微观世界一、微观粒子的基本性质一、微观粒子的基本性质v质量v寿命v电荷v自旋v大小v粒子与反粒子第14页，共80页，编辑于2022年，星期三四种力控制着世界一切事物的状态、运动和变化v二、基本粒子的相互作用二、基本粒子的相互作用-粒子铸成物质世界的全部力量。v万有引力-重力，支配宇观世界的一种力v电磁力宏观、微观世界都存在v强力-只在微观世界粒
8、子领域里才表现v弱力-只在微观世界粒子领域里才表现第15页，共80页，编辑于2022年，星期三一、万有引力:F=GMm/r2 F=ma传播介质还未探测到。二、电磁力：带电体之间互相产生一种作用力。v带有相同电荷的物体相互排斥，带不同电荷的物体相互吸引。v电和磁存在密切关系。v电磁波的传播速度是光速。传播介质是光子。第16页，共80页，编辑于2022年，星期三v三、弱相互作用力v弱相互作用是中子及其他粒子衰变成质子、电子和反中微子时出现的，是由一种特殊的粒子即中间玻色子传递的。v传播介质：中间玻色子第17页，共80页，编辑于2022年，星期三v四、强相互作用力v强相互作用力是夸克和反夸克粒子结合
9、成强子，强度最大。v强相互作用的传播是夸克和反夸克粒子间通过交换胶子而产生的。v传播介质是胶子。第18页，共80页，编辑于2022年，星期三作用比较强度比较作用范围强作用1 10短程力电磁作用10-2长程力弱作用10-10 10-12短程力万有引力10-39长程力第19页，共80页，编辑于2022年，星期三v三、基本粒子的分类三、基本粒子的分类v规范粒子：即传递相互作用的媒介粒子。v轻子。只参与电磁作用和弱作用的粒子，至今已发现的轻子有三代，共6种，分别被称为电子、电子中微子、子（谬）、子中微子、子（陶子）、子中微子及它们的反粒子共12种。v强子。直接参与强作用，也参与电磁作用和弱作用的粒子。
10、第20页，共80页，编辑于2022年，星期三v四、粒子的基本规律四、粒子的基本规律v遵守的经典物理规律是：v1、能量守恒定律：由时间平移对称引起。在低速情况下存在质量守恒定律。v2、动量守恒定律：由空间平移对称引起。v3、角动量守恒定律：由空间旋转对称引起。v4、电荷守恒定律：由电磁规范对称引起。第21页，共80页，编辑于2022年，星期三v微观世界的基本规律是微观世界的基本规律是：v1、重子数守恒定律：在粒子转化过程中，重子数不变。v2、轻数守恒定律：在粒子转化过程中，轻子数不变。v3、奇异数守恒定律：在粒子强作用过程中，奇异数不变。注意：在弱作用中可以不守恒。v4、同位旋守恒定律：在粒子强
11、作用过程中，同位旋不变。注意：在弱作用和电磁作用中可以不守恒。v5、宇称守恒定律：第22页，共80页，编辑于2022年，星期三v五、物质的形态五、物质的形态v物质的气体状态v物质的液体状态v物质的固定状态v等离子态v超固体状态第23页，共80页，编辑于2022年，星期三物质的气体状态v气体分子在做无规则运动时，他们之间没有固定的平衡位置和一定的间距，可以向各个方向扩散。我们把物质所处的这种状态称为气体状态，也称气体。气体的基本特征是扩散性和可压缩性。v气体分为理想气体和真实气体第24页，共80页，编辑于2022年，星期三气态（gas）v有流动性，没有固定的形状和体积，能自动地充满任何容器；容易
12、压缩；物理性质各向同性。v气态物质分子或原子运动更剧烈，“类晶区”不存在。由于分子或原子间的距离增大，它们之间的引力可以忽略，因此气态时主要表现为分子或原子各自的无规则运动。第25页，共80页，编辑于2022年，星期三液态（liquid）v没有一定形状，具有流动性和一定的体积，不易压缩。v物理性质“各向同性”（不同方向上物理性质相同）v类晶区类晶区液体内部许多微小的区域内存在类似晶体的结构分子排列近程有序近程有序。v液体表面现象表面现象由于液体分子间距小，分子间相互作用力较大，当液体与气体、固体接触时，交界处由于分子力作用而产生一系列特殊现象第26页，共80页，编辑于2022年，星期三固态（s
13、olid）v物理上的固态指“结晶态”，即晶体所具有的状态。物质在固态时的特征是：有一定的体积和几何形状，在不同方向上物理性质不同（各向异性），且具有一定的熔点。v在固体内部分子或原子有规则地、周期性地排列着，这种结构称为“空间点阵”结构。第27页，共80页，编辑于2022年，星期三等离子状态v当对物质电离时，电子就会脱离原子或分子在空间自由运动，失去电子的原子或分子就带有正电荷成为正离子。v等离子体就是带正负电荷的粒子组成的气体，净电荷数等于零。第28页，共80页，编辑于2022年，星期三等离子态(plasma)v气体在约几百万度的极高温或在其它粒子强烈碰撞下所呈现出的物态，这时电子从原子中游
14、离出来而成为自由电子气体。v等离子体就是一种被高度电离的气体，但它又处于与“气态”不同的“物态”，称为“电浆”v极光、闪电、太阳第29页，共80页，编辑于2022年，星期三超固体状态v当物质在高温高压下时，物质的原子结构被破坏，原子核外的电子被挤压到原子核范围内，这时物质称为超固态。第30页，共80页，编辑于2022年，星期三超固态(supersolid)v在140万大气压下，物质的原子就可能被“压碎”。电子全部被“挤出”原子，形成电子气体裸露的原子核紧密地排列，物质密度极大，即超固态。v一块乒乓球大小的超固态物质，其质量至少在1000吨以上。超固态可以（在保持形状的情况下）完全无摩擦运动第3
15、1页，共80页，编辑于2022年，星期三v六、物质的结构六、物质的结构v物质结构的研究，从广义上讲，在于探讨宇宙万物各个层次的构成和变物质结构的研究，从广义上讲，在于探讨宇宙万物各个层次的构成和变化的规律。对于宇宙，从大的方面说，在太阳系外面，还有千千万万个化的规律。对于宇宙，从大的方面说，在太阳系外面，还有千千万万个太阳系，在银河系外面，还有千千万万个银河系，它是无穷无尽的；从太阳系，在银河系外面，还有千千万万个银河系，它是无穷无尽的；从小的方面说，也是无穷无尽的，物质一般由分子组成，分子又由各种原小的方面说，也是无穷无尽的，物质一般由分子组成，分子又由各种原子组成，原子里面又分为原子核和电
16、子，原子核里面又分为质子和中子，子组成，原子里面又分为原子核和电子，原子核里面又分为质子和中子，最新的研究表明，质子和中子（统称为核子）是由所谓夸克组成的。现最新的研究表明，质子和中子（统称为核子）是由所谓夸克组成的。现在人们还无法把夸克从核子里面解放出来。在人们还无法把夸克从核子里面解放出来。v现在知道有现在知道有5个层次：分子一原子一原子核一核子（质子和中子）一夸个层次：分子一原子一原子核一核子（质子和中子）一夸克。克。第32页，共80页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 物质结构的研究与高技术物质结构的研究与高技术v1、物质结构的研究与其他学科v2、物质结构的研究与高技术v3、物质结
17、构研究所面临的挑战第33页，共80页，编辑于2022年，星期三v1、物质结构的研究与其他学科、物质结构的研究与其他学科v物质结构的研究是与其他学科的发展交融在一起的，它们相互渗透、相互影响，并形成了一些新的分支学科。第34页，共80页，编辑于2022年，星期三v2、物质结构的研究与高技术、物质结构的研究与高技术v（1）研究物质结构的得力工具。是高能粒子加速器和粒子探测器。形形色色的粒子是通过它们来产生和进行研究的。v高能粒子加速器高能粒子加速器粒子加速器和粒子对撞机v粒子探测器粒子探测器第35页，共80页，编辑于2022年，星期三粒子加速器粒子加速器v是用人工方法产生高速带电粒子是用人工方法产
18、生高速带电粒子的装置。日常生活中常见的粒子的装置。日常生活中常见的粒子加速器有用於电视的阴极射线管加速器有用於电视的阴极射线管及及X光管等设施。是探索原子核光管等设施。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际方面也都有重要而广泛的实际应用。应用。第36页，共80页，编辑于2022年，星期三世界上最大的粒子对撞机第37页，共80页，编辑于2022年，星期三第38页，共80页，编辑于2022年，星期三美费米国家加速器实验室里发现了奇异的新粒子第3
19、9页，共80页，编辑于2022年，星期三大型强子对撞机的模拟事件第40页，共80页，编辑于2022年，星期三v（2）物质结构研究的技术应用）物质结构研究的技术应用v粒子物理的发展又为相应的工业技术发展提粒子物理的发展又为相应的工业技术发展提供了机会，促进了它们在广泛的经济领域中供了机会，促进了它们在广泛的经济领域中的应用。粒子加速器在基础研究、医疗、工的应用。粒子加速器在基础研究、医疗、工业生产、检测分析等领域的应用十分广泛。业生产、检测分析等领域的应用十分广泛。第41页，共80页，编辑于2022年，星期三v（3）辐射技术的应用）辐射技术的应用v低能加速器的应用低能加速器的应用医院放疗加速器医
20、院放疗加速器v中能加速器的应用中能加速器的应用-工业辐照加工、放射治工业辐照加工、放射治疗和易用同位素的生产疗和易用同位素的生产v高能加速器的应用高能加速器的应用-第42页，共80页，编辑于2022年，星期三v低能加速器低能加速器的应用是核技术应用领域的重要的应用是核技术应用领域的重要分支，目前，在世界各地运行着的数千台分支，目前，在世界各地运行着的数千台加加速器速器中大多数是在工业、农业、医疗卫生等中大多数是在工业、农业、医疗卫生等领域内得到广泛应用的低能加速器。低能加领域内得到广泛应用的低能加速器。低能加速器在这些领域的应用，极大地改变了这些速器在这些领域的应用，极大地改变了这些领域的面貌
21、，创造了巨大的经济效益和社会领域的面貌，创造了巨大的经济效益和社会效益。效益。第43页，共80页，编辑于2022年，星期三低能加速器的应用低能加速器的应用v1、辐照加工辐照加工v应用加速器产生的电子束或X射线进行辐照加工已成为化工、电力、食品、环保等行业生产的重要手段和工艺，是一种新的加工技术工艺。它广泛应用于聚合物交联改性、涂层固化、聚乙烯发泡、热收缩材料、半导体改性、木材-塑料复合材料制备、食品的灭菌保鲜、烟气辐照脱硫脱硝等加工过程。v经辐照生产的产品具有许多优良的特点，例如：聚乙烯电缆经105Gy剂量辐照后，其电学性能、热性能都有很大提高，使用温度辐照前为6070，辐照后长期使用温度可达
22、120以上。目前，我国已有用加速器进行辐照加工的生产线40多条。第44页，共80页，编辑于2022年，星期三v2、无损检测无损检测v 无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部有的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部有无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设备可
23、以采用放射性同位素设备可以采用放射性同位素Co60产生的产生的射线、射线、X光机光机产生的低能产生的低能X射线和射线和电子加速器电子加速器产生的高能产生的高能X射线。射线。第45页，共80页，编辑于2022年，星期三v尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高，尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高，作为一种最终检查手段或其它探伤方法的验作为一种最终检查手段或其它探伤方法的验证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这
24、种探伤加速器以电子直线加速器为主要机这种探伤加速器以电子直线加速器为主要机型。型。第46页，共80页，编辑于2022年，星期三v射线照相法射线照相法v 这种方法与我们体检时拍这种方法与我们体检时拍X光胶片相似，射光胶片相似，射线接受器是线接受器是X光胶片。探伤时，将装有光胶片。探伤时，将装有X光胶光胶片的胶片盒紧靠在被检工件背后，用片的胶片盒紧靠在被检工件背后，用X射线对射线对工件照射后，透过工件的射线使胶片感光，工件照射后，透过工件的射线使胶片感光，同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳胶上，对感光后的胶片进行处理后，就可以胶上，对感光后的胶片进行处理后
25、，就可以清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、位置、形状和大小。位置、形状和大小。第47页，共80页，编辑于2022年，星期三v.辐射成像法辐射成像法v 这种方法的射线接受器是阵列探测器或荧这种方法的射线接受器是阵列探测器或荧光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后者就是用于机场、铁路的行李、包裹的者就是用于机场、铁路的行李、包裹的X射线射线安检系统，也可用于工业的无损检测。这种安检系统，也可用于工业的无损检测。这种方法配以图像处理系统可以在线实
26、时显示物方法配以图像处理系统可以在线实时显示物品内部的真实情况。品内部的真实情况。第48页，共80页，编辑于2022年，星期三v工业工业CT与医用与医用CT原理类似，原理类似，CT技术即计算机辅助层析成像技术。选技术即计算机辅助层析成像技术。选用加速器作为用加速器作为X射线源的射线源的CT技术是一种先进的无损检测手段，技术是一种先进的无损检测手段，主要针对大型固体火箭发动机和精密工件的检测而发展起来。主要针对大型固体火箭发动机和精密工件的检测而发展起来。它的密度分辨率可达它的密度分辨率可达0.1%，比常规射线技术高一个数量级。，比常规射线技术高一个数量级。在航天、航空、兵器、汽车制造等领域精密
27、工件的缺陷检测、在航天、航空、兵器、汽车制造等领域精密工件的缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。尺寸测量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。第49页，共80页，编辑于2022年，星期三中能加速器的应用中能加速器的应用-工业辐照加工、放工业辐照加工、放射治疗和医用同位素的生产射治疗和医用同位素的生产v工业上应用非常广泛，如工业辐照加速器可工业上应用非常广泛，如工业辐照加速器可以进行高分子材料的交联改性，还可以生产以进行高分子材料的交联改性，还可以生产复合材料以及实现食品的保鲜、杀菌及防腐。复合材料以及实现食品的保鲜、杀菌及防腐。v医学上将加速器中生成的电子束、质子束、医学上
28、将加速器中生成的电子束、质子束、X射线及中子束用于癌症的治疗。加速器还可射线及中子束用于癌症的治疗。加速器还可用于医用放射性同位素的生产及医用品的消用于医用放射性同位素的生产及医用品的消毒。毒。第50页，共80页，编辑于2022年，星期三v高能直线加速器中大功率束调管技术的发展，高能直线加速器中大功率束调管技术的发展，推动了大功率发射管技术的不断提高，为电推动了大功率发射管技术的不断提高，为电子通讯事业立下了汗马功劳。子通讯事业立下了汗马功劳。第51页，共80页，编辑于2022年，星期三同步辐射v同步辐射是加速器应用技术中最具有发展前同步辐射是加速器应用技术中最具有发展前途的一种。同步辐射指的
29、是在加速器中，电途的一种。同步辐射指的是在加速器中，电子在储存环中作曲线运动时沿切线方向向前子在储存环中作曲线运动时沿切线方向向前发出的电磁波。从发出的电磁波。从20世纪世纪60年代开始对其加年代开始对其加以利用，至今已形成一门兴旺的应用学科。以利用，至今已形成一门兴旺的应用学科。第52页，共80页，编辑于2022年，星期三v我国已成功地将软我国已成功地将软X射线运用于考古领域。例射线运用于考古领域。例如，上虞图就是通过软如，上虞图就是通过软X射线摄像复原了射线摄像复原了经多次装裱后已不清晰的各个朝代的印章；经多次装裱后已不清晰的各个朝代的印章；清代的黑漆彩绘盘也是通过软清代的黑漆彩绘盘也是通
30、过软X射线摄像发现射线摄像发现其环纹下还隐藏着另一幅画。载入，西汉的其环纹下还隐藏着另一幅画。载入，西汉的彩绘云纹花瓶，也是用同样方法发现相当于彩绘云纹花瓶，也是用同样方法发现相当于商标的图案。商标的图案。第53页，共80页，编辑于2022年，星期三v目前同步辐射光源已应用于生物学、化学领目前同步辐射光源已应用于生物学、化学领域，也应用到大规模和超大规模集成电路的域，也应用到大规模和超大规模集成电路的制造加工上。现在，该项技术正想着更广泛制造加工上。现在，该项技术正想着更广泛深入地应用领域进行探索。深入地应用领域进行探索。第54页，共80页，编辑于2022年，星期三人工放射性的发现与同位素v人
31、工放射性的发现人工放射性的发现v同位素同位素v 放射性与放射性同位素放射性与放射性同位素第55页，共80页，编辑于2022年，星期三人工放射性的发现v1934年，法国约里奥年，法国约里奥-居里夫妇用居里夫妇用 粒子轰击粒子轰击铝，产生了一个磷的同位素，但很快放出正铝，产生了一个磷的同位素，但很快放出正电子蜕变为硅电子蜕变为硅。伊伦约里奥-居里(Irne Joliot-Curie)第56页，共80页，编辑于2022年，星期三同位素v如果两个原子质子数目相同，但中子数目不同，则他们如果两个原子质子数目相同，但中子数目不同，则他们仍有相同的原子序，在周期表是同一位置的元素，所以仍有相同的原子序，在周
32、期表是同一位置的元素，所以两者就叫同位素。有放射性的同位素称为两者就叫同位素。有放射性的同位素称为“放射性同位放射性同位素素”,没有放射性的则称为没有放射性的则称为“稳定同位素稳定同位素”，并不是所有，并不是所有同位素都具有放射性。同位素都具有放射性。v大多数的天然元素都是由几种同位素组成，目前已知稳定同位大多数的天然元素都是由几种同位素组成，目前已知稳定同位素约素约300多种，而放射性同位素竟达多种，而放射性同位素竟达1500种以上种以上.v一般来说，原子质量很高的金属，像钚、铀、铯、镭等，都一般来说，原子质量很高的金属，像钚、铀、铯、镭等，都具有较强的放射性。在化学元素周期表中，锕系和镧系
33、元素具有较强的放射性。在化学元素周期表中，锕系和镧系元素以及铀以后的元素全部带有放射性。另外某些原子质量小的以及铀以后的元素全部带有放射性。另外某些原子质量小的同位素也带有放射性，如碳同位素也带有放射性，如碳14、钴、钴60。第57页，共80页，编辑于2022年，星期三放射性同位素的特点放射性同位素的特点v放射性同位素是不稳定的，它会放射性同位素是不稳定的，它会“变变”。放射性同。放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核核衰变衰变”。放射性同位素在
34、进行核衰变的时候，可放射。放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出出射线、射线、射线、射线、射线和射线和 电子俘获等，但是放射性同电子俘获等，但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种射线。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条射线。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处件的影响，也不受元素所处 状态的影响，只和时间有状态的影响，只和时间有关。关。第58页，共80页，编辑于2022年，星期三v放射性同位素衰变的快慢，通常用放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期半衰期”来表示。来表示。半衰期即一定数
35、量放射性同位素原子数目减少到其初始半衰期即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始 值一半时所需要的时间。如值一半时所需要的时间。如P(磷磷)32的半衰期是的半衰期是14.3天，就是说，假使原来有天，就是说，假使原来有100万个万个P(磷磷)32 原子，经过原子，经过14.3天后，只剩下天后，只剩下50万个了。半衰期越长，说明衰变得越万个了。半衰期越长，说明衰变得越慢，半衰期越短，说明衰变得越快。半衰期是放射性同位素慢，半衰期越短，说明衰变得越快。半衰期是放射性同位素的一特征常数，不同的放射性的一特征常数，不同的放射性 同位素有不同的半衰期，衰同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和
36、数量也不同。变的时候放射出射线的种类和数量也不同。第59页，共80页，编辑于2022年，星期三射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用v放射性同位素放射出的射线碰到各种物质放射性同位素放射出的射线碰到各种物质的时候，会产生各种效应，它包括射线对物的时候，会产生各种效应，它包括射线对物质的作用和物质对射线的作用两个相互联系质的作用和物质对射线的作用两个相互联系的方面。例如，射线能够使照相底片的方面。例如，射线能够使照相底片 和核子和核子乳胶感光；使一些物质产生荧光；可穿透一乳胶感光；使一些物质产生荧光；可穿透一定厚度的物质，在穿透物质的过程定厚度的物质，在穿透物质的过程 中，能被中，能被物质吸收
37、一部分，或者是散射一部分，还可物质吸收一部分，或者是散射一部分，还可能使一些物质的分子发生电离；能使一些物质的分子发生电离；第60页，共80页，编辑于2022年，星期三v另外，当射线辐照到人、动物和植物体时，会使生物体发生另外，当射线辐照到人、动物和植物体时，会使生物体发生生理变化。射线与物质的生理变化。射线与物质的 相互作用，对核射线来说，它是相互作用，对核射线来说，它是一种能量传递和能量损耗过程，对受照射物质来说，一种能量传递和能量损耗过程，对受照射物质来说，它是它是一种对外来能量的物理性反应和吸收过程。一种对外来能量的物理性反应和吸收过程。第61页，共80页，编辑于2022年，星期三地球
38、上最明亮的伽马射线地球上最明亮的伽马射线v 2011年年9月，英国斯特拉斯克莱德大学领导的一个科研小组日前月，英国斯特拉斯克莱德大学领导的一个科研小组日前制造出一束地球上最明亮的伽马射线制造出一束地球上最明亮的伽马射线比太阳亮比太阳亮1万亿倍。这将万亿倍。这将开启医学研究的新纪元。开启医学研究的新纪元。v物理学家们发现超短激光脉冲可以和电离气体发生反应，并产生一物理学家们发现超短激光脉冲可以和电离气体发生反应，并产生一束极其强大的激光，它甚至可以穿透束极其强大的激光，它甚至可以穿透20厘米厚度的铅板，要用厘米厚度的铅板，要用1.5米厚的混凝土墙才能彻底屏蔽它。米厚的混凝土墙才能彻底屏蔽它。v这
39、种超强激光射线有诸多用途，其中包括医学成像，放射性疗这种超强激光射线有诸多用途，其中包括医学成像，放射性疗法，以及正电子放射断层造影术法，以及正电子放射断层造影术(PET)扫描。同时这种射线源还扫描。同时这种射线源还可以被用来监视密封存放的核废料是否安全。另外，由于这种激可以被用来监视密封存放的核废料是否安全。另外，由于这种激光脉冲极短，持续时间仅光脉冲极短，持续时间仅1千万亿分之一秒，快到足以捕获原子千万亿分之一秒，快到足以捕获原子核对激发的反应，这就使它非常适合用于实验室中的原子核研核对激发的反应，这就使它非常适合用于实验室中的原子核研究。究。第62页，共80页，编辑于2022年，星期三v
40、射线的波长非常短，频率高，因此具有非常大的能量。高射线的波长非常短，频率高，因此具有非常大的能量。高能量的能量的射线对人体的破坏作用相当大，当人体受到射线对人体的破坏作用相当大，当人体受到射线射线的辐射剂量达到的辐射剂量达到200600雷姆时，人体造血器官如骨髓将雷姆时，人体造血器官如骨髓将遭到损坏，白血球严重地减少，内出血、头发脱落，在两个遭到损坏，白血球严重地减少，内出血、头发脱落，在两个月内死亡的概率为月内死亡的概率为080%；当辐射剂量为当辐射剂量为6001000雷姆雷姆时，时，在两个月内死亡的概率为在两个月内死亡的概率为80100%；当辐射剂量；当辐射剂量为为10001500雷姆时，
41、人体肠胃系统将遭破坏，发生雷姆时，人体肠胃系统将遭破坏，发生腹泻、发烧、内分泌失调，在两周内死亡概率几乎为腹泻、发烧、内分泌失调，在两周内死亡概率几乎为100%；当辐射剂量为当辐射剂量为5000雷姆以上时雷姆以上时，可导致中枢，可导致中枢神经系统受到破坏，发生痉挛、震颤、失调、嗜眠，在神经系统受到破坏，发生痉挛、震颤、失调、嗜眠，在两天内死亡的概率为两天内死亡的概率为100%。二是。二是射线的穿透本领极强。射线的穿透本领极强。射线是一种杀人武器射线是一种杀人武器第63页，共80页，编辑于2022年，星期三放射性与放射性同位素的应用v工业同位素示踪工业同位素示踪v放射性同位素电池放射性同位素电池
42、v同位素监控仪表同位素监控仪表v辐射加工技术应用辐射加工技术应用v示踪技术应用示踪技术应用v植物育种技术植物育种技术v昆虫辐射不育昆虫辐射不育v食品辐照保藏食品辐照保藏v基础医学研究基础医学研究v核医学临床诊断核医学临床诊断v核技术放射治疗核技术放射治疗v医用辐射灭菌消毒医用辐射灭菌消毒v水文勘测水文勘测v核测井技术核测井技术v淡化海水研究淡化海水研究v辐照技术与环境保护辐照技术与环境保护v考古研究考古研究v打击走私和反恐怖斗争打击走私和反恐怖斗争v反恐电子束辐照灭菌加速反恐电子束辐照灭菌加速器器第64页，共80页，编辑于2022年，星期三v1.射线照相技术，可以把物体内部的情况显示在照片上。
43、射线照相技术，可以把物体内部的情况显示在照片上。v2.测定技术方面的应用，古生物年龄的测定，对生产测定技术方面的应用，古生物年龄的测定，对生产过程中的材料厚度进行监视和控制等。过程中的材料厚度进行监视和控制等。v3.用放射性同位素作为用放射性同位素作为示踪剂示踪剂。v4.用放射性同位素的能量，作为航天器、人造心脏能用放射性同位素的能量，作为航天器、人造心脏能源等。源等。v5.利用放射性同位素的杀伤力，转恶为善，治疗癌症、利用放射性同位素的杀伤力，转恶为善，治疗癌症、灭菌消毒以及进行催化反应等。灭菌消毒以及进行催化反应等。第65页，共80页，编辑于2022年，星期三v利用它的射线利用它的射线 放
44、射性同位素也能放出放射性同位素也能放出射线、射线、射线和射线和r射线射线射线由于贯穿本领强，可以用来检查射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有没有沙眼或裂纹，所用的设备叫金属内部有没有沙眼或裂纹，所用的设备叫射线探射线探伤仪伤仪.射线射线 的电离作用很强，可以用来消除机器在的电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电运转中因摩擦而产生的有害静电v生物体内的脱氧核糖核酸生物体内的脱氧核糖核酸)承载着物种的遗传密码，但是承载着物种的遗传密码，但是DNA在射线作用下可能在射线作用下可能 发生突变，所以通过射线照射可发生突变，所以通过射线照射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种
45、射线辐射还能以使种子发生变异，培养出新的优良品种射线辐射还能抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫人体内的癌抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫人体内的癌细胞比正常细胞对细胞比正常细胞对 射线更敏感，因此用射线照射可以治射线更敏感，因此用射线照射可以治疗恶性肿瘤，这就是医生们说的疗恶性肿瘤，这就是医生们说的“放疗放疗”第66页，共80页，编辑于2022年，星期三碳-14测年法原理v自然界中的自然界中的C C1414由宇宙射线与大气中的氮通过核反应产生。由宇宙射线与大气中的氮通过核反应产生。vC C1414存在于大气中，随着生物体的吸收代谢，经过食物链存在于大气中，随着生物体的吸收代谢，经过食
46、物链进入活的动物或人体等一切生物体中。进入活的动物或人体等一切生物体中。vC C1414一面生成，一面衰变，使一面生成，一面衰变，使C C1414在自然界中的含量与在自然界中的含量与C C1212的含量的相对比值基本保持不变。的含量的相对比值基本保持不变。v生物体死亡后，新陈代谢停止，由于生物体死亡后，新陈代谢停止，由于C C1414的不断衰变，的不断衰变，体内体内C C1414和和C C1212含量的相对比值相应不断减少。含量的相对比值相应不断减少。v通过对生物体出土化石中通过对生物体出土化石中C C1414和和C C1212含量的测定，就可含量的测定，就可以准确算出生物体死亡（即生存）的年
47、代。以准确算出生物体死亡（即生存）的年代。第67页，共80页，编辑于2022年，星期三碳-14测年法vC14的半衰期的半衰期5730年年vC14的适合测定的年份范围的适合测定的年份范围五百年以前五百年以前三万年以内三万年以内vC14的应用实例的应用实例我国对楼兰女尸、罗布泊纸的年代鉴定我国对楼兰女尸、罗布泊纸的年代鉴定兵马俑第68页，共80页，编辑于2022年，星期三伪画鉴定v1945年年,盟军收复比利时之后，发现三流荷兰画家盟军收复比利时之后，发现三流荷兰画家H.A.VAN Meegeren通过一位银行家将著名的十七世纪荷兰画通过一位银行家将著名的十七世纪荷兰画家家 JAN Vermeer
48、的油画：的油画：Woman Taken in Adultery 出售给纳粹头目戈林的中间人。出售给纳粹头目戈林的中间人。1945年年5月月29日日 VAN Meegeren 被控通敌罪名而被捕入狱。同年他声称被控通敌罪名而被捕入狱。同年他声称该画与其它该画与其它5幅画都是他自己所伪造的。幅画都是他自己所伪造的。v为了证实这个问题，组成了一个由著名化学家、物理学家为了证实这个问题，组成了一个由著名化学家、物理学家和艺术史家参加的国际项目小组，利用化学分析、和艺术史家参加的国际项目小组，利用化学分析、X光探光探测技术等多种方法研究画面及其颜料成分，最后宣布，测技术等多种方法研究画面及其颜料成分，最
49、后宣布，该画确是赝品。但是仍有许多人拒绝相信此结论。该画确是赝品。但是仍有许多人拒绝相信此结论。第69页，共80页，编辑于2022年，星期三伪画鉴定v1967年美国年美国 Carnegie Mellon 大学的科学大学的科学家们进行了这项研究。他们利用测量作画家们进行了这项研究。他们利用测量作画用颜料中铅用颜料中铅210与镭与镭226放射性衰变率的大小放射性衰变率的大小及其接近程度判断油画的年代。及其接近程度判断油画的年代。铅铅210的半衰期为的半衰期为22年年镭镭226的半衰期为的半衰期为1620年年镭镭226铅铅210 铅铅210钋钋210v通过鉴定确认，只有通过鉴定确认，只有织花边的女人
50、织花边的女人和和微笑的少女微笑的少女两幅是真迹。两幅是真迹。第70页，共80页，编辑于2022年，星期三打击走私和反恐怖斗争v利用钴利用钴-60集装箱检查系统可有效打击利用集装箱走私货物、贩卖毒集装箱检查系统可有效打击利用集装箱走私货物、贩卖毒品、偷运武器和爆炸物等诈骗和恐怖主义活动。当集装箱通过时，品、偷运武器和爆炸物等诈骗和恐怖主义活动。当集装箱通过时，钴钴-60发出的发出的射线被准直器约束成扇形片状窄束，穿过集装箱射线被准直器约束成扇形片状窄束，穿过集装箱到达探测器。探测器将接收到的到达探测器。探测器将接收到的射线转换成电信号，送到计射线转换成电信号，送到计算机进行图像处理，可在屏幕上将