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1、第一章 核物理本讲稿第一页，共三十五页原子结构原子结构原子核中子质子电子+第一节第一节 原子核结构原子核结构本讲稿第二页，共三十五页原子核结构原子核结构:X X为元素符号为元素符号Z Z为质子数为质子数N N为中子数为中子数A A为质量数为质量数原子核结构原子核结构本讲稿第三页，共三十五页原子的能量状态：核外电子和原子核的原子的能量状态：核外电子和原子核的能级能级本讲稿第四页，共三十五页元素、核素、同位素元素、核素、同位素元素元素具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数可以不同，如可以不同，如131131I I和和127127I I；核素核素
2、质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原子，称为一种核素。同一元素可有多种核素，如子，称为一种核素。同一元素可有多种核素，如131131I I、127127I I、3 3H H、99m99mTcTc、9999TcTc分别为分别为3 3种元素的种元素的5 5种核素；种核素；同质异能素同质异能素质子数和中子数都相同，但处于不同的核能状质子数和中子数都相同，但处于不同的核能状态原子，态原子，如如99m99mTcTc、9999TcTc。本讲稿第五页，共三十五页同位素同位素凡同一元素的不同核素（质子数同，中子凡同一元素的不同核素（质子数同，中子数不
3、同）在周期表上处于相同位置，互称为该元素的数不同）在周期表上处于相同位置，互称为该元素的同位素同位素。4本讲稿第六页，共三十五页一、核力和放射性核素一、核力和放射性核素 原子核的核子之间存在着很强的短程引力称为原子核的核子之间存在着很强的短程引力称为核力核力，核力使原，核力使原子核中的核子结合在一起，同时，原子核中又存在带正电荷的质子子核中的核子结合在一起，同时，原子核中又存在带正电荷的质子之间的静电排斥力，原子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间之间的静电排斥力，原子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间的静电排斥力的相对大小决定，与核内质子数和中子数的比例有关。的静电排斥力的相对大小决定，与
4、核内质子数和中子数的比例有关。Z Z20 N/Z20 N/Z1 Stability1 Stability Z Z83 Unstability83 Unstability 第二节第二节 放射性衰变放射性衰变本讲稿第七页，共三十五页原子核稳定，不会自发衰变的核素称为原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素稳定核素(stable nuclide);(stable nuclide);原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素称为能趋于稳定的核素称为放射性核素放射性核素(radionuclide);(radionuclide);放射
5、性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原子的释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为过程称为放射性衰变放射性衰变(radiation decay)(radiation decay)。本讲稿第八页，共三十五页+从母核中射出的从母核中射出的4 4HeHe原子核原子核238U(铀铀)4He+234Th(钍钍)放射性母核放射性母核二、基本衰变类型二、基本衰变类型1.衰变衰变 238U 234Th+4He+Q 粒子得到粒子得到大部分衰变能，大部分衰变能，粒子粒子含含2 2个质子，个质子，2 2个中子个
6、中子本讲稿第九页，共三十五页 衰变：衰变：241Am(镅镅)237Np(镎镎)+4He本讲稿第十页，共三十五页-衰变：衰变：3215P 3216S+-+Ue+1.71MeV正电子衰变：正电子衰变：137N 136C+1.190MeV射线本质是高速运动的电子流射线本质是高速运动的电子流发生原因发生原因母核中子或质子过多母核中子或质子过多2.衰变衰变本讲稿第十一页，共三十五页-衰变衰变：3H 3He+-本讲稿第十二页，共三十五页-衰变衰变本讲稿第十三页，共三十五页正电子衰变正电子衰变：11C 11B+本讲稿第十四页，共三十五页+质子转变成中子，并且质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷带走一个单
7、位的正电荷中子转变成质子，并且中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷带走一个单位的负电荷+中微子反反中微子三种子体分享裂变能三种子体分享裂变能因此电子具有连续能谱因此电子具有连续能谱本讲稿第十五页，共三十五页质子变成中子质子变成中子X射线射线3.电子俘获（电子俘获（electron capture）核外轨道电子核外轨道电子本讲稿第十六页，共三十五页电子俘获电子俘获：7Be(铍铍)7Li(锂锂)本讲稿第十七页，共三十五页+中微子 光子4.衰变衰变衰变衰变往往是继发于往往是继发于衰变或衰变或衰变后发生，这些衰变后，原子核还处衰变后发生，这些衰变后，原子核还处于较高能量状态，原子核以放出于较高能量
8、状态，原子核以放出-ray-ray 释放出过剩能量释放出过剩能量99Mo 99mTc+-99Tc+(T T1/21/2:66.02d;6.02h):66.02d;6.02h)131I 131Xe+-+(T (T1/21/2:8.04d):8.04d)本讲稿第十八页，共三十五页 衰变衰变：99mTc 99Tc本讲稿第十九页，共三十五页 射线射线是什麽？是什麽？射线就是高能量的光子：几百射线就是高能量的光子：几百keV-MeV keV-MeV 量级量级 衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃迁，在这个过衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃迁，在这个过程中发射程中发射 射线，原子核
9、能态降低。射线，原子核能态降低。射线是高能量的电磁辐射射线是高能量的电磁辐射 光子光子本讲稿第二十页，共三十五页 衰变特点：衰变特点：1.1.从原子核中发射出光子从原子核中发射出光子2.2.常常在常常在 或或 衰变后核子从激发态退激时发生衰变后核子从激发态退激时发生3.3.产生的射线能量离散产生的射线能量离散4.4.可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别本讲稿第二十一页，共三十五页 衰变衰变-衰变衰变+衰变衰变 衰变衰变本讲稿第二十二页，共三十五页对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰变，但对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰
10、变，但不是所有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子不是所有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。放射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，发生衰变。放射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，各种放射性核素都有自己特有的衰变速度。放射性核素原子随时各种放射性核素都有自己特有的衰变速度。放射性核素原子随时间而呈指数规律减少，其表达式为：间而呈指数规律减少，其表达式为：N=N0e-t:decay constant t:decay time e:base of natural logarithm三、放射性衰变基本规律三、放射性衰变基本规律本讲稿第二十三页，共
11、三十五页指数衰减规律：指数衰减规律：N=N0e-t N0：（：（t=0）时放射性原子核的数）时放射性原子核的数目目N：经过：经过t时间后未发生衰变的放射性时间后未发生衰变的放射性原子核数目原子核数目:放射性原子核衰变常数；大小只与放射性原子核衰变常数；大小只与原子核本身性质有关，与外界条件原子核本身性质有关，与外界条件无关；数值越大衰变越快无关；数值越大衰变越快半衰期半衰期半衰期半衰期(half-live)(half-live)：放射性原子核数：放射性原子核数从从N0衰变到衰变到N0的的1/2所需的时间所需的时间N=NN=N0 0e e-t t衰变规律衰变规律本讲稿第二十四页，共三十五页仪器测
12、量常用放射性活度单位：仪器测量常用放射性活度单位：dps:disintegration per second cps:counts per second比放射性活度：比放射性活度：-定义：单位质量或体积中放射性核素的放射性活度。定义：单位质量或体积中放射性核素的放射性活度。-单位：单位：Bq/kg;Bq/m3;Bq/l放射性活度放射性活度（activity,A)定义：单位时间内发生衰变的原子核数定义：单位时间内发生衰变的原子核数 A=dN/dt1Bq=11Bq=1次次 S S-1-11Ci=3.7101Ci=3.71010 10 BqBq1Ci=1000mCi1Ci=1000mCi本讲稿第二十
13、五页，共三十五页。原子原子。射线射线(n)物质：气体、液体、固体、包括人体等第三节第三节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 本讲稿第二十六页，共三十五页Interactions of charged particles with matter(,)Ionization 电离电离Excitation 激发激发Scattering 散射散射Bremsstrahlung 轫制辐射轫制辐射Interactions of -ray with matter Photoelectric effect 光电效应光电效应Compton scattering 康普顿散射康普顿散射Pair producti
14、on 电子对生成电子对生成本讲稿第二十七页，共三十五页1.带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用本讲稿第二十八页，共三十五页光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应电子对效应电子对效应产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离 射线射线第第1 1步步初级作用初级作用第第2 2步步次级作用次级作用2.2.射线与物质相互作用射线与物质相互作用本讲稿第二十九页，共三十五页 光电效应、康普顿效应、电子对生成光电效应、康普顿效应、电子对生成本讲稿第三十页，共三十五页光电效应光电效应 自由电子自由电子作用机制：作用机制：光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全
15、部能量传递给原子，壳层中某原子作用把自己的全部能量传递给原子，壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来，成为自由电子，光子本身一电子获得动能克服原子束缚跑出来，成为自由电子，光子本身消失了。消失了。+A A*+e-（光电子）（光电子）原子原子 A +X射线射线原子原子受激原子受激原子本讲稿第三十一页，共三十五页电子对效应：电子对效应：能量能量1.02MeV1.02MeV的的 射线与原子核作用射线与原子核作用可能产生一对正负电子。可能产生一对正负电子。M M +e+e-1 +2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV基本条件：基本条件：射线能量射线能量 E 1.02 M
16、eV 为什麽？为什麽？能量转化成质量能量转化成质量M=E/C2本讲稿第三十二页，共三十五页正电子湮灭：正电子湮灭：正电子湮灭：正电子湮灭：正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个个个个0.511MeV0.511MeV0.511MeV0.511MeV的的的的光子。光子。光子。光子。e+e-+me+me-=0.511 +0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 （100%）本讲稿第三十三页，共三十五页电子对的生成和与物质的相互作用电子对的生成和与物质的相互作用本讲稿第三十四页，共三十五页谢谢 谢谢本讲稿第三十五页，共三十五页