《大学物理第18章--原子核与放射性课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理第18章--原子核与放射性课件.ppt（45页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第第1818章章 原子核与放射性原子核与放射性原子核的基本性质原子核的基本性质18.1原子核的衰变类型原子核的衰变类型18.218.1 18.1 原子核的基本性质原子核的基本性质18.1.1 原子核的组成原子核的组成 质子数和中子数相同且能量状态也质子数和中子数相同且能量状态也相同的一类原子核或原子的集合称为核相同的一类原子核或原子的集合称为核素。核素可分为两大类。素。核素可分为两大类。一类是稳定性核素，它能够稳定存一类是稳定性核素，它能够稳定存在，不会自发地变化。在，不会自发地变化。另一类是不稳定核素，也称为放射另一类是不稳定核素，也称为放射性核素，它能自发地放射出射线而转变性核素，它能自发
2、地放射出射线而转变为另一种核素。为另一种核素。18.1.2 原子核的性质原子核的性质 原子核是由质子和中子组成的，质原子核是由质子和中子组成的，质子之间存在着库仑斥力。子之间存在着库仑斥力。因而必然存在一种引力将所有核子因而必然存在一种引力将所有核子结合在一起，这种引力称为核力。结合在一起，这种引力称为核力。核子之间由于核力的作用而紧密结核子之间由于核力的作用而紧密结合在一起，核力作用距离为合在一起，核力作用距离为 m范围范围内，核力是短程力，它是一种强相互作内，核力是短程力，它是一种强相互作用力，是比万有引力和电磁力大得多。用力，是比万有引力和电磁力大得多。原子核除了带电荷、有质量外，还原子
3、核除了带电荷、有质量外，还有自旋角动量和磁距。有自旋角动量和磁距。原子核处在不同的能量状态称为原原子核处在不同的能量状态称为原子核的能级，原子核可以发生能级之间子核的能级，原子核可以发生能级之间的跃迁。的跃迁。18.1.3 原子核的稳定性原子核的稳定性1.原子核的质量原子核的质量 原子核的体积很小，但几乎集中了原子核的体积很小，但几乎集中了原子的全部质量。原子的全部质量。通常通过测定原子的质量来推得原通常通过测定原子的质量来推得原子核的质量，原子的质量等于原子核的子核的质量，原子的质量等于原子核的质量加上核外电子的质量，再减去相当质量加上核外电子的质量，再减去相当电子全部结合能的数量。电子全部
4、结合能的数量。如果忽略与核外全部电子结合能相如果忽略与核外全部电子结合能相联系的质量，则原子核的质量联系的质量，则原子核的质量 近似近似地等于原子质量地等于原子质量M与核外电子质量与核外电子质量 之差。之差。2原子核的结合能原子核的结合能 原子核既然是由质子和中子组成的，原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量应等于全部核子质量之和，但实它的质量应等于全部核子质量之和，但实际测量结果表明，原子核的质量小于组成际测量结果表明，原子核的质量小于组成它的核子质量之和。它的核子质量之和。这个差值称为原子核的质量亏损，用这个差值称为原子核的质量亏损，用 表示。根据相对论的质能关系定律：当表示。根据相对论
5、的质能关系定律：当物体的质量发生物体的质量发生 的变化时，相应的能的变化时，相应的能量也发生了量也发生了 的变化，其变化规律为的变化，其变化规律为 与质量亏损相联系的能量表示核子在与质量亏损相联系的能量表示核子在组成原子核的过程中所释放出的能量，称组成原子核的过程中所释放出的能量，称为原子核的结合能。如氘的结合能为为原子核的结合能。如氘的结合能为2.23 MeV。18.2 18.2 原子核的衰变类型原子核的衰变类型 放射性核素自发地发出某种射线而放射性核素自发地发出某种射线而转变为另一种核素的现象，称为原子核转变为另一种核素的现象，称为原子核的衰变。的衰变。原子核的衰变过程严格遵守质量和原子核
6、的衰变过程严格遵守质量和能量守恒、动量守恒、电荷守恒和核子能量守恒、动量守恒、电荷守恒和核子数守恒定律。数守恒定律。18.2.1 衰变衰变图图18-1 衰变衰变 18.2.2 衰变衰变 衰变包括衰变包括 衰变和衰变和 衰变以及电衰变以及电子俘获子俘获3种类型。种类型。1 衰变衰变图图18-2 衰变衰变2 衰变衰变图图18-3 衰变衰变3.电子俘获电子俘获 原子核俘获一个核外电子，使核内的原子核俘获一个核外电子，使核内的一个质子转变为中子，同时放出一个中微一个质子转变为中子，同时放出一个中微子的过程称为电子俘获，用子的过程称为电子俘获，用EC表示。该过表示。该过程方程为程方程为图图18-4 电子
7、俘获电子俘获18.2.3 衰变和内转换衰变和内转换1.衰变衰变 原子核由高能级跃迁到低能级时，原子核由高能级跃迁到低能级时，发出发出 光子的过程称为光子的过程称为 衰变。在大多衰变。在大多数情况下，原子核处于激发态的时间极数情况下，原子核处于激发态的时间极短，约为短，约为 。衰变方程为衰变方程为2.内转换内转换 原子核从高能级向低能级跃迁时，原子核从高能级向低能级跃迁时，不一定放出不一定放出 光子，而是将能量直接传光子，而是将能量直接传递给核外的内层电子，使其脱离原子核递给核外的内层电子，使其脱离原子核的束缚成为自由电子，这一过程称为内的束缚成为自由电子，这一过程称为内转换。转换。发射出的电子
8、称为内转换电子。发射出的电子称为内转换电子。内转换电子主要来自内转换电子主要来自K层电子，也有层电子，也有L层或其他壳层电子。层或其他壳层电子。18.3 18.3 放射性核素的衰变规律放射性核素的衰变规律18.3.1 衰变规律衰变规律 设设 时刻原子核的数目为时刻原子核的数目为N0，t时刻时数目为时刻时数目为N，经过，经过dt时间后，其中有时间后，其中有dN个核衰变了。理论和实验表明，放射个核衰变了。理论和实验表明，放射性核素的衰变率与现有的原子核的个数性核素的衰变率与现有的原子核的个数N成正比，即成正比，即18.3.2 半衰期和平均寿命半衰期和平均寿命1.半衰期半衰期（1）物理半衰期。放射性
9、核素的原子核数）物理半衰期。放射性核素的原子核数目衰变掉一半所需要的时间称为核素的半目衰变掉一半所需要的时间称为核素的半衰期。原子核按自身衰变规律所具有的半衰期。原子核按自身衰变规律所具有的半衰期称为物理半衰期，简称半衰期，用符衰期称为物理半衰期，简称半衰期，用符号号T表示。根据定义，当表示。根据定义，当t=T时，时，N=N0/2，代入式（代入式（18-10），得），得图图18-5 放射性核素的衰变规律放射性核素的衰变规律（2）生物半衰期。当放射性核素引入生物）生物半衰期。当放射性核素引入生物体内时，还会由于生物体的代谢和排泄而体内时，还会由于生物体的代谢和排泄而使核数量减少。生物体内的放射性
10、核素的使核数量减少。生物体内的放射性核素的原子核数量因代谢而减少一半所经历的时原子核数量因代谢而减少一半所经历的时间称为生物半衰期，用符号间称为生物半衰期，用符号 Tb表示，相应表示，相应的衰变常数称为生物衰变常数，用符号的衰变常数称为生物衰变常数，用符号 表示。与物理半衰期类似可得出表示。与物理半衰期类似可得出（3）有效半衰期。生物体内放射性核素）有效半衰期。生物体内放射性核素由于同时存在物理和生物的衰变，因此由于同时存在物理和生物的衰变，因此放射性核素的实际衰变率为放射性核素的实际衰变率为2.平均寿命平均寿命 放射性核素的原子核在衰变前平均生放射性核素的原子核在衰变前平均生存的时间称为放射
11、性核素的平均寿命，用存的时间称为放射性核素的平均寿命，用符号符号 表示。表示。可以证明，平均寿命和衰变常数互可以证明，平均寿命和衰变常数互为倒数。因此，衰变常数、半衰期和平为倒数。因此，衰变常数、半衰期和平均寿命三者关系为均寿命三者关系为18.3.3放射性活度放射性活度 放射源在单位时间内衰变的原子核数放射源在单位时间内衰变的原子核数称为放射源的放射性活度，简称活度。用称为放射源的放射性活度，简称活度。用符号符号A表示。表示。放射性活度也是随时间的增加按指数规放射性活度也是随时间的增加按指数规律衰减的。律衰减的。在国际单位中放射性活度的单位为克勒在国际单位中放射性活度的单位为克勒尔（尔（Bec
12、querel），简称贝可，用符号），简称贝可，用符号Bq表表示，定义为：示，定义为：1 Bq=1 个核衰变个核衰变s-1。18.4 18.4 辐射剂量与辐射防护辐射剂量与辐射防护 放射性射线（带电粒子、中子和光放射性射线（带电粒子、中子和光子）通过物质时都能直接或间接产生电子）通过物质时都能直接或间接产生电离作用，称为电离辐射。电离辐射将使离作用，称为电离辐射。电离辐射将使生物体发生相应的生物效应。生物体发生相应的生物效应。生物效应的强弱与照射量和生物体生物效应的强弱与照射量和生物体吸收的剂量多少有关。吸收的剂量多少有关。18.4.1辐射剂量辐射剂量1.照射量照射量 照射量只适用于照射量只适用
13、于X射线和射线和 射线，表射线，表示它们对空气的电离能力，用示它们对空气的电离能力，用E表示，即表示，即2吸收剂量吸收剂量 吸收剂量可以应用于任何类型的电吸收剂量可以应用于任何类型的电离辐射，它是指单位质量的受照物质所离辐射，它是指单位质量的受照物质所吸收电离辐射的能量，用吸收电离辐射的能量，用D表示，即表示，即3品质因数与剂量当量品质因数与剂量当量 吸收剂量是用来说明生物体受照射吸收剂量是用来说明生物体受照射而产生的生物效应重要的物理量。而产生的生物效应重要的物理量。除此之外，辐射类型也能影响生物除此之外，辐射类型也能影响生物效应。效应。对不同类型的辐射，即使具有相同对不同类型的辐射，即使具
14、有相同的吸收剂量，产生的生物效应也不同，的吸收剂量，产生的生物效应也不同，即辐射对生物体的伤害程度与辐射能量即辐射对生物体的伤害程度与辐射能量的分布及电离程度有关。的分布及电离程度有关。18.4.2辐射防护辐射防护1.辐射的防护标准辐射的防护标准 辐射防护标准的制度不考虑自然辐射和辐射防护标准的制度不考虑自然辐射和医疗辐射。医疗辐射。规定：经过一次或长期积累后，对机体规定：经过一次或长期积累后，对机体无伤害又不发生遗传伤害的最大剂量称为最无伤害又不发生遗传伤害的最大剂量称为最大允许剂量（大允许剂量（maximum permissible dose）。）。不同器官和部位的最大允许剂量是不不同器官
15、和部位的最大允许剂量是不同的，各国规定的最大允许剂量也不尽相同的，各国规定的最大允许剂量也不尽相同。同。我国现行规定最大允许剂量如表我国现行规定最大允许剂量如表18-4所示。所示。受照射部位受照射部位放射性工作者（放射性工作者（Sv）放放射射性性工工作作场场所所附附近近工作人员和居民（工作人员和居民（Sv）一般居民（一般居民（Sv）全全身身、性性腺腺、红红骨骨髓髓、眼晶体眼晶体0.050.0050.0005皮肤、骨、甲状腺皮肤、骨、甲状腺0.300.030.01手、前臂、足踝手、前臂、足踝0.750.0750.025其他器官其他器官0.150.0150.005表表18-4 我国现行最大允许剂量
16、我国现行最大允许剂量2.外照射的防护外照射的防护 放射源放在体外对人体进行照射称放射源放在体外对人体进行照射称为外照射。为外照射。外照射防护有距离防护、时间防护外照射防护有距离防护、时间防护和屏蔽防护和屏蔽防护3个基本原则。个基本原则。在不影响工作的前提下，工作人员工作在不影响工作的前提下，工作人员工作时尽可能使用长柄夹、机械手等远距离操作时尽可能使用长柄夹、机械手等远距离操作工具，同时熟练技术，尽快完成操作，尽量工具，同时熟练技术，尽快完成操作，尽量减小在放射源旁停留时间。减小在放射源旁停留时间。放射源与工作人员之间加入适当材料和放射源与工作人员之间加入适当材料和厚度的屏蔽层，减小射线的强度
17、。厚度的屏蔽层，减小射线的强度。3.内照射防护内照射防护 放射性核素进入体内对人体的照射放射性核素进入体内对人体的照射称为内照射。称为内照射。多数放射性核素都具有较长的半衰多数放射性核素都具有较长的半衰期，进入体后会对人体进行长期辐射造期，进入体后会对人体进行长期辐射造成伤害。成伤害。因此，除了治疗和诊断的需要必须因此，除了治疗和诊断的需要必须将放射性核素放入人体外，要尽量防止将放射性核素放入人体外，要尽量防止放射性物质由呼吸道、食道及外伤部位放射性物质由呼吸道、食道及外伤部位进入人体。进入人体。工作时不要吸烟、饮食等。要遵守工作时不要吸烟、饮食等。要遵守各项防护制度，工作细心认真，对含有各项
18、防护制度，工作细心认真，对含有放射性的放射性的“三废三废”按规定处理等，这样按规定处理等，这样内照射伤害是可以避免的。内照射伤害是可以避免的。18.5 18.5 放射性核素在医学上的应用放射性核素在医学上的应用1.示踪原子的应用示踪原子的应用 因为放射性核素与其稳定的同位素具有相同的因为放射性核素与其稳定的同位素具有相同的化学性质，它们在肌体内的分布、吸收、代谢和转化学性质，它们在肌体内的分布、吸收、代谢和转移过程是一样的。移过程是一样的。如果要了解某种元素在体内的分布情况，只要如果要了解某种元素在体内的分布情况，只要在这种元素中掺入少量该元素的放射性同位素，并在这种元素中掺入少量该元素的放射
19、性同位素，并将其引入体内，借助它们放出的射线，可以在体外将其引入体内，借助它们放出的射线，可以在体外探测到它的踪迹，这种方法称为示踪原子法。探测到它的踪迹，这种方法称为示踪原子法。被引入的放射性同位素称为示踪原被引入的放射性同位素称为示踪原子或标记原子。子或标记原子。在核医学中，示踪原子的作用按测在核医学中，示踪原子的作用按测量方法一般可分为两类。量方法一般可分为两类。（1）直接测量。在体外用探测仪直接测直接测量。在体外用探测仪直接测量示踪原子由体内放出的射线。量示踪原子由体内放出的射线。（2）体外标本测量。它是将放射性药物体外标本测量。它是将放射性药物放入体内，然后取其血、尿、粪或活体放入体
20、内，然后取其血、尿、粪或活体组织等样品，测量其放射性活度。组织等样品，测量其放射性活度。2诊断诊断 用示踪原子法可以诊断某些疾病。用示踪原子法可以诊断某些疾病。人的甲状腺功能是在中枢神经系统人的甲状腺功能是在中枢神经系统和体液调节下摄取食物中的碘来制造甲和体液调节下摄取食物中的碘来制造甲状腺素，因此碘的吸收代谢与甲状腺的状腺素，因此碘的吸收代谢与甲状腺的功能有密切的联系。功能有密切的联系。3.治疗治疗 在治疗方面主要是利用放射线的生在治疗方面主要是利用放射线的生物效应，即它对组织细胞的电离作用，物效应，即它对组织细胞的电离作用，从而抑制细胞的生长，使细胞变质、坏从而抑制细胞的生长，使细胞变质、坏死达到治疗目的。治疗方法一般可分为死达到治疗目的。治疗方法一般可分为3类。类。（1）钴）钴-60治疗。治疗。（2）碘）碘-131治疗。治疗。（3）刀。刀。