簡介：程品晶（CHENGPJNHUEDUCN核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,放射物理學(xué),第一章核物理基礎(chǔ),第一節(jié)基本概念一、原子結(jié)構(gòu)中心是帶正電的原子核核的周圍是帶負(fù)電的電子在繞核運(yùn)動(dòng)原子核質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電荷E，中子不帶電，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。,元素、核素、同位素和同質(zhì)異能素元素質(zhì)子數(shù)相同的原子稱為一種元素，它們的原子序數(shù)相同，因此具有相同的化學(xué)特性。但其原子核中的中子數(shù)可以不同，因而物理特性可有某些差異。到目前為止，天然和人工合成的元素有109種，組成元素周期表。,核素質(zhì)子和中子數(shù)相同，質(zhì)量數(shù)相同，并處于同能量狀態(tài)的原子，稱為一種核素，例如為5種不同的核素。目前已知的核素有2300多種，分別屬于100多種元素。,,、,同位素質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，稱為元素的同位素，例如,同質(zhì)異能素核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同，但核所處能態(tài)不同的核素互為同質(zhì)異能素。例如正常的鈷元素和鏷元素表示為60CO和234PA，它們的同質(zhì)異能素則表示為60COM和234PAM等。,和,互為氫的同位素。,二、原子、原子核能級幾個(gè)量子數(shù)N,L,M,MS零勢能規(guī)定習(xí)慣上規(guī)定當(dāng)電子與核相距無窮遠(yuǎn)時(shí)，電子所具有的勢能為零。因此，當(dāng)電子填充核外某一個(gè)殼層時(shí)，其勢能為負(fù)值。基態(tài)電子填充殼層時(shí)按照從低能到高能的順序進(jìn)行，以保證原子處于最低能量狀態(tài)。由于內(nèi)層電子對外層電子具有屏蔽效應(yīng)，所以實(shí)際電子填充殼層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)能級交錯(cuò)，而不是按殼層順序逐個(gè)填充。,電子的殼層結(jié)構(gòu),激發(fā)態(tài)當(dāng)電子獲得能量，從低能級躍遷到高能級而使低能級出現(xiàn)空位時(shí)，稱原子處于激發(fā)態(tài)。結(jié)合能當(dāng)一個(gè)自由電子填充殼層時(shí)，會(huì)以發(fā)射一個(gè)光子的形式釋放能量，能量的大小等于殼層能級能量的絕對值，這些能量稱為相應(yīng)殼層的結(jié)合能。結(jié)合能隨N、L的增大而減小，對于同一個(gè)能級，結(jié)合能隨原子序數(shù)增大而增加。,特征輻射與俄歇電子處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，高能級的電子會(huì)自發(fā)躍遷到低能級空位上，從而使原子回到基態(tài)。兩能級能量的差值一種可能是以電磁輻射的形式發(fā)出，這種輻射稱為特征輻射，當(dāng)特征輻射的能量足夠高，進(jìn)入X射線能量范圍時(shí)，又稱為特征X射線；另一種可能是傳遞給外層電子，使之脫離原子束縛成為自由電子，這種電子稱為俄歇電子，它的能量等于相應(yīng)躍遷的X射線能量減去該電子的結(jié)合能。,三、原子、原子核的質(zhì)量原子質(zhì)量單位定義1U＝原子質(zhì)量相對原子質(zhì)量原子的質(zhì)量以U為單位時(shí)測量得數(shù)。阿伏加德羅定律1摩爾任何元素的物質(zhì)包含有NA（60221023）個(gè)原子。摩爾質(zhì)量1摩爾物質(zhì)的質(zhì)量，其數(shù)值等于相對原子質(zhì)量，單位為（G/MOL）。,,單位體積中的電子數(shù)＝,每克原子數(shù)＝,每克電子數(shù)＝,所有元素（氫除外）的,四、電子密度、每可電子數(shù),單質(zhì),單位體積中的原子數(shù)＝,為05，并且隨原子序數(shù)的增加而略有減小。,近似,第二節(jié)放射性一、原子核的穩(wěn)定性影響核素穩(wěn)定的因素如下1、中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之間的比例關(guān)系2、核子數(shù)的奇偶性3、重核的不穩(wěn)定性原子序數(shù)小于82的元素至少存在一種穩(wěn)定核素，而原子序數(shù)大于82的元素都不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)的放射出Α粒子或自發(fā)裂變而成為鉛（Z＝82）的同位素。,二、衰變類型放射性、放射性衰變、放射性核素原子核的衰變，主要有三種類型，即Α、Β衰變和Γ躍遷。,（一）Α衰變?chǔ)×Ｗ邮呛さ脑雍耍?個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成。Α衰變的反應(yīng)式如下,MEV,,（二）Β衰變?chǔ)⑺プ儼?種類型Β衰變、Β＋衰變、軌道電子俘獲。1、Β衰變核內(nèi)中子多，N→變P，放出一個(gè)負(fù)電子。,稱為反中微子,Β的能譜特點(diǎn)兩端低、中間高的連續(xù)譜分布。,2、Β＋衰變核內(nèi)質(zhì)子多，P→變N，放出一個(gè)正電子。,注式中Υ代表中微子。能譜特點(diǎn)Β＋粒子的能譜與Β粒子能譜一樣也是連續(xù)的。,3、軌道電子俘獲原子核從核外殼層中俘獲一個(gè)軌道電子使核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱瑫r(shí)放出中微子的過程稱為軌道電子俘獲。,（三）Γ躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換伴隨Α或Β衰變后發(fā)生。,內(nèi)轉(zhuǎn)換有些原子核進(jìn)行Γ躍遷時(shí)不放出Γ射線，而把激發(fā)態(tài)躍遷到較低激發(fā)態(tài)或基態(tài)時(shí)釋放出來的能量直接交給核外殼層電子（主要是K層電子），使該電子釋放出來成為自由電子，這個(gè)過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，發(fā)射出的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。,例,（EΓ0141MEV）,是,的同質(zhì)異能素。,注,三、放射性度量放射性指數(shù)衰變規(guī)律放射性活度是指一定量的放射性核素在一個(gè)很短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔之商。公式表達(dá)如下,活度的國際單位是貝可勒爾（BQ）。舊單位是居里（CI）。1CI＝371010BQ＝371010核衰變/秒,,,Λ為衰變常數(shù),,半衰期放射性核素其原子核數(shù)目衰減到原來數(shù)目一半所需的時(shí)間（T1/2）。半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系為,T1/2的單位是秒，對半衰期長的核素可以用分（MIN）、天（D）、年（A）。,,平均壽命（Τ）是指放射性原子核平均生存的時(shí)間。,放射性比活度單位質(zhì)量放射源的放射性活度，單位是BQ/G。衡量放射性物質(zhì)純度的指標(biāo)。,,例,一臺(tái)60CO治療機(jī)源初裝時(shí)的活度為111TBQ（3000CI），使用5年、10年后源的活度還剩多少解將A0＝111TBQ，T1/2＝527A，T＝5A，代入,得,，,。,,四、遞次衰變和放射平衡遞次衰變放射性核素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定核素時(shí)往往要經(jīng)過多次衰變才能完成，這種衰變稱為遞次衰變。衰變過程中形成的核素系列稱衰變系列。,例如，,轉(zhuǎn)變?yōu)?需經(jīng)4次Β－衰變,遞次衰變時(shí)任一子體隨時(shí)間變化不僅與本次衰變的衰變常數(shù)有關(guān)，而且與前面所有衰變的衰變常數(shù)有關(guān)。,,放射性平衡如果母體的半衰期大于子體的半衰期，當(dāng)經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，子母體間的放射性活度將保持固定比例，這樣一種狀態(tài)稱為放射性平衡。當(dāng)放射性平衡出現(xiàn)后，子體的衰變速度將與母體相同。,,五、人工放射性核素在醫(yī)學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，如鈷60、锝99、鍶90、銥192等。制備途徑（1）反應(yīng)堆中的強(qiáng)中子束照射靶核，靶核俘獲中子而生成放射性核；（主要來源）（2）中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取放射性核素，這樣制備出來的核素是豐中子核素，通常具有Β－衰變。（3）用高能加速器產(chǎn)生放射性核素，這樣制備出來的是缺中子核素，通常具有Β＋衰變，但多是短壽命的。,,一般應(yīng)選擇照射時(shí)間小于5個(gè)半衰期。,,人工放射性核素的生產(chǎn)曲線,,小結(jié)1．基本概念元素，核素，同位素，原子量，基態(tài)，激發(fā)態(tài)，特征X射線，原子結(jié)構(gòu)和能級，原子核結(jié)構(gòu)和能級，阿伏加德羅定律，電子密度，每克電子數(shù)。2．放射性原子核的穩(wěn)定性，衰變類型，放射性指數(shù)衰變規(guī)律，放射性活度，半衰期，衰變常數(shù)，平均壽命Τ，遞次衰變，放射平衡，放射性比活度，人工放射性核素的生產(chǎn)途徑和其生長規(guī)律。,,作業(yè)1名詞解釋特征輻射、放射性活度問答題1、哪些因素會(huì)影響核素的穩(wěn)定性2、10000CI的60CO源有多少個(gè)60CO放射性原子其質(zhì)量為多少克3、60CO半衰期為527年，衰變到1/10用多長時(shí)間4、說明處于激發(fā)態(tài)的原子核其釋放能量的方式,,
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