10原子核與放射性

1、原子核與放射性,信息工程學(xué)院數(shù)理教研室,原子與原子結(jié)構(gòu),1932海森堡,1964夸克,1990年代輕子 12夸克 36媒介子 13希格斯粒子 1合計 62其中 2個粒子尚未發(fā)現(xiàn)：引力子和希格斯粒子。,1. 現(xiàn)代原子核的組成,n (udd),P (uud),原子核與原子核的基本性質(zhì),質(zhì)子,中子,核素及符號表示,核素 ：具

2、有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱做核素　　　核素是原子核的一種統(tǒng)稱,核素表示符號,其它： 穩(wěn)定核素和不穩(wěn)定核素 穩(wěn)定同位素和不穩(wěn)定同位素 放射性核素和非放射性核素,最常用的兩個術(shù)語：核素和同位素,實驗發(fā)現(xiàn):原子核內(nèi)的質(zhì)子+中子緊密地擠靠在一起，核子之間沒有什麼空隙（與原子情況不同). 穩(wěn)定原子核基本上類似與球體 原子核的半徑 R = r0A1/3 原子核半徑常數(shù) r0 = 1.2

3、? 10-15 m = 1.2 fm A 原子核的質(zhì)量數(shù) 例如：238U 7.4 fm,原子核的大小,,,R,原子核的質(zhì)量,電子 me = 9.1×10-31 kg = 5.48×10-4 u = 0.511 MeV/c2質(zhì)子 mp = 1.007276 u = 938.256 MeV/c2中子 mn = 1.008665 u = 939.550 MeV/c

4、2,原子核質(zhì)量 = 原子質(zhì)量 — 全部電子的質(zhì)量 MN(Z,A) = Ma(Z,A) — Z me 忽略了電子的結(jié)合能 （ eV 量級） 原子的質(zhì)量可以用質(zhì)譜計精確測量(有表可查) 原子核質(zhì)量可以精確確定,核物質(zhì)密度,原子核中核子緊密擠在一起根據(jù) ? = M/V 計算 核物質(zhì)密度 : ? ~ 2.3 ? 1014 g/cm3 1 cm3 核物質(zhì) 2 億噸重 !,黑 洞

5、 1018核物質(zhì) 1014中子星 109白矮星 105 水 1,密度比較 g/cm3,天平為何傾斜?,重,輕,原子核結(jié)合能和原子核穩(wěn)定性,質(zhì)量虧損 氦原子核（ 4He）由2個質(zhì)子 + 2個中子構(gòu)成 2個質(zhì)子質(zhì)量 + 2 個中子質(zhì)量 =﹖原子核 4He 的質(zhì)量 2 x 1.007276 + 2 x 1.008665 - 4.002603 ΔM (4

6、He) = 4.031882 - 4.002603 = - 0.029279 u,ΔE(4He)= Δ M (4He) C2 = 27.27 MeV虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量 氦原子核的結(jié)合能是 27.27 MeV,虧損的質(zhì)量哪里去了?,質(zhì)能關(guān)系 E = M C 2,原子核結(jié)合能,定義:質(zhì)子和中子結(jié)合構(gòu)成原子核時所釋放的能量原子核的結(jié)合能越大（質(zhì)量虧損越大）原子核越穩(wěn)定,比結(jié)合能 (原子核結(jié)合能/核子數(shù)),估算裂變釋放的能

7、量,n + 235U? (236U) ? X + Y + ?E假設(shè)裂變成質(zhì)量相等的兩塊 質(zhì)量數(shù)各約為118 235U 核子平均結(jié)合能 7.6 MeV 質(zhì)量數(shù)為118的原子核平均結(jié)合能 8.6 MeV 兩者平均結(jié)合能差 ?1 MeV 230多個核子 總的 ?E = 200 MeV,比較 : 裂變能 n + 235U ? X + Y+ ?E

8、 200 MeV 化學(xué)能　 C + O2 ? CO2 + ?E 4 ev 汽油與氧的爆炸，一個分子釋放 　 40-50 eV TNT 爆炸自身釋放能量，每個分子 　　 30 eV,放射性衰變及其表示,什麼是核輻射 不穩(wěn)定的原子核衰變時發(fā)射出的、載能的、亞原子

9、粒子，有的帶電有的不帶電。 αβγ 中子 質(zhì)子 裂變碎片等,1）亞原子粒子 ( 原子大小 ～ 10-10 m） α 射線 氦原子核（4He） 2.2 x 10-15 m β 射線 電子(e)經(jīng)典電子半徑 2.8 x 10-15 m γ 射線 光子(電磁輻射） 0 質(zhì)子和中子 1-2 x 10-15 m 原子核 Au (金）

10、 7 x 10-15 m,帶電和不帶電,不穩(wěn)定原子核衰變 X Y + b + ΔE 母核 子核 發(fā)射射線 衰變能量,,載能（幾十keV — MeV 量級或更高）226Ra α 衰變發(fā)射 α 射線的能量 4.785 MeV,放射性衰變的三種基本類型：? 衰變 ? 衰變 ? 衰變,母核 子核 發(fā)射射線 衰變能量 2

11、26Ra → 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) 　 ( 2,4 ),,衰變能在反沖核與 α 粒子間按動量能量守恒分配 原子核變化發(fā)射的載能的亞原子粒子—— 放射性粒子。,1）α衰變,α (4He),2）?-衰變 母核 子核

12、?-射線 衰變能量 14 C → 14N + 0e + (Z,A) ( 6,14 ) ( 7,14 ) ( -1,0 ) ( 0,0 ) 負電子 反中微子,,發(fā)生β-衰變的原因 ：原子核中中子數(shù)太多,14 C原子核中的中子發(fā)生 β-衰變，　　　　　　　　　　　產(chǎn)生一個質(zhì)子，一個負電子和一個反中微子

13、中子β-衰變： n → p + e- +,p,,n,3）? 衰變,,,光子是什麼？ ? 射線就是高能量的光子 ：幾百keV-MeV 量級 ? 衰變發(fā)生由于原子核能量態(tài)高，從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，在這個過程中發(fā)射? 射線，原子核能態(tài)降低。? 射線是高能量的電磁輻射—— ? 光子,137 Cs 137 Ba* （激發(fā)態(tài)）母核 ?-衰變 ? 衰變 137 Ba + ? 射線（66

14、1.7 keV） 子核（基態(tài)） （0.0）,α 衰變,,β- 衰變,β+ 衰變,? 衰變,放射性衰變基本規(guī)律,指數(shù)衰減規(guī)律 N = N0e-?t N0: （t = 0）時放射性原子 核的數(shù)目N: 經(jīng)過t時間后未發(fā)生衰變的放射性原子核數(shù)目?:放射性原子核衰變常數(shù) 大小只與原子核本身性質(zhì) 有關(guān)，與外界條件無關(guān); 數(shù)值越大衰變越快,,,,,,,,N = N0e-?t,半衰期 (T1/2),定義：一定量的某種

15、放射性原子核，其中有一半發(fā)生了衰變所經(jīng)過的時間。,經(jīng)過n個半衰期后，未發(fā)生衰變的放射性原子核數(shù)目是原有的 1/2n,N = N0e-?t 由半衰期定義 t = T1/2 ， N=N0/2 代入計算得到 T1/2 = ln 2/ ? T1/2 = 0.693 / ?,? ? 和 T1/2 兩者有一一對應(yīng)關(guān)系 理論研究中多用衰變常數(shù) 實際應(yīng)用中一般用

16、半衰期,半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系,核輻射通過物質(zhì)時的作用和效應(yīng),一 核輻射與物質(zhì)的基本作用 二 帶電粒子通過物質(zhì) 三 γ射線通過物質(zhì) 四 γ射線的吸收 五 中子與物質(zhì)的作用,核輻射量度及其單位 1 放射性活度（A） 2 吸收劑量(D) 3 劑量當(dāng)量（H）,核輻射的基本性質(zhì),核輻射與物質(zhì)的基本作用,。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。原子。。。,,αβ

17、 γ n,物 質(zhì)：氣體 液體 固體 包括人體 等,微觀粒子間碰撞有動量和能量的傳遞 庫侖作用 1 電離作用 2 電離效應(yīng),,,帶電粒子通過物質(zhì),自由電子,正離子,α + 靶原子 → 正離子 + 電子 + α 4He + Ar → Ar+ + e- + 4He,物質(zhì)中原子被電離，在粒子通過的路徑上形成許多離子對：正離子和自由電子,,+,e-,+

18、-,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,,,,庫侖作用,α 射線與β射線電離效應(yīng)比較,α 射線 β 射線徑跡 粗 直 細 彎,α 電離作用強 電離作用嚴重

19、 產(chǎn)生離子對數(shù)目多,電離作用 ? Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序數(shù) Z1 靶粒子原子序數(shù) v 入射粒子速度,實驗結(jié)果,α粒子徑跡是一條直線 5.3 MeVα粒子在空氣中 的射程3.83 cm,電子徑跡是折線,γ射線通過物質(zhì),1 γ射線是什麼 2 γ射線的電離作用 3 軔致輻射 4 正電子湮滅,γ射線是波長很短能量高的電磁輻射 （? ﹤ 10-11 米，keV，MeV），

20、來自原子核γ衰變, 不帶電， 靜止質(zhì)量為0,γ射線是什麼？,能夠同物質(zhì)原子發(fā)生作用，但不能直接使原子 電離；有動量和能量交換,能夠產(chǎn)生載能次級 帶電粒子，可以對物質(zhì)發(fā)生電離作用。,γ射線對物質(zhì)的電離作用：兩步過程,三種作用效應(yīng) 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 電子對效應(yīng) 產(chǎn)生次級電子,電離效應(yīng)次級電子使物質(zhì)原子電離,,γ射線,,第 1 步初級作用,第 2 步次級作用,光電效應(yīng),,自由電子,作用

21、機制光子同(整個)原子作用把自己的全部能量傳遞給原子,殼層中某一電子獲得動能克服原子束縛跑出來,成為自由電子，光子本身消失了。 γ + A ? A* + e- （光電子） 原子 ? A + X 射線,原子,受激原子,電子對效應(yīng)能量≥1.02

22、MeV 的γ射線與原子核作用可能產(chǎn)生一對正-負電子,,M ＋ γ → M + e+ + e- → γ1 + γ2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV基本條件： γ射線能量 Eγ? 1.02 MeV,能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量M = E /C2,3 軔致輻射,電子打在熒光屏上產(chǎn)生X射線電視機顯像管,特征: x 射線能量連續(xù) 0 – EMax(電

23、子能量) 電視機 高壓15 kV 電子束能量15 keV x 射線能量 0 -15 keV,應(yīng)注意玻璃含有40K U Th,產(chǎn)生機制,原子核,4 正電子湮滅,正電子與負電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個 0.511 MeV的 γ光子。,e+ + e- → γ + γme+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 質(zhì)量轉(zhuǎn)

24、化為能量 轉(zhuǎn)化效率 (100 %）,,,γ射線通過介質(zhì)時由于同物質(zhì)的作用,γ光子的數(shù)量不斷的減少,物質(zhì)層越厚減少得越多，這種現(xiàn)象稱做對γ射線的吸收。,I(x)= I0 e-μx,厚 度 X,I0,γ射線的吸收,,,,,,,,,,I,,實驗發(fā)現(xiàn)：γ射線強度隨通過介質(zhì)層厚度增加而減小，服從指數(shù)衰減規(guī)律。,,,,,指數(shù)衰減規(guī)律,μ指數(shù)衰減因子 線性吸收系1）γ射線能量高 μ值小2） 原子序數(shù)高 μ值大,I(x

25、)= I0 e-μx,,,,,鉛和鋁吸收系數(shù),γ射線強度減弱1/2 所通過物質(zhì)層的厚度 γ射線的防護大都選用重金屬鉛、水泥等，構(gòu)成很厚的防護墻。,半吸收厚度 單位：cm,,,,,物質(zhì)層厚度,0 I / I,半吸收厚度(d1/2),αβγ對物質(zhì)電離作用的比較,2 MeV 射程(m) 離子對密度/mm α 0.01 6000 β 2-3 60 γ

26、 10 幾個,1 MeV 的粒子穿透物質(zhì)能力,α 1 頁 β 60頁/本,,,,,,,,,,,,,,,,,,鉛,,,,地 下1-2 米深,鉛室,γ,n,4580本,,,中子源,αβγ射線穿透物質(zhì)能力,αβγ 射線穿透 人體皮膚情況,?,?,?,中子不帶電不能直接使原子電離，但中子容易進入原子核內(nèi)，同原子核發(fā)生作用引起核反應(yīng),1）與 H 原子核的彈性碰撞 傳遞能量 質(zhì)子跑出來 中子被

27、慢化　 n + H → n + p 第一步 打出質(zhì)子（載能） 第二步 質(zhì)子引起物質(zhì)電離 慢化劑:輕水(1H2O) 重水(2D2O),中子與物質(zhì)的作用,2） 中子核反應(yīng) 例如( n,p)反應(yīng) n + 14N → 14C + p 第一步 核反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子 第二步 質(zhì)子對物質(zhì)產(chǎn)生 電離作用,n,,,,p電離,,,,14N,14C,人體有大

28、量 H 和 N 原子 中子對人體電離效應(yīng)嚴重 傷害也嚴重,1,2,電離輻射 直接或間接使介質(zhì)發(fā)生電離效應(yīng)的帶電或不帶電的射線或粒子 (能量 ﹥keV )α、β、γ、 x、 n、p、裂變碎片 ? 介子等 　　來 源　 1)放射性物質(zhì) (人造 天然） 2)加速器3)反應(yīng)堆 4)宇宙射線 5)地球環(huán)境,,電離輻射和非電離輻射,非電離輻射 紫外線、紅外線、微波等這些粒子

29、雖能夠同物質(zhì)發(fā)生作用但都不能使物質(zhì)發(fā)生電離效應(yīng) ～ eV 量級移動電話 800-1800 MHz ﹤0.01 eV (沒有電離作用）,核輻射量度及其單位,1 放射性活度（ A ） 定義：樣品中放射性原子核在單位時內(nèi)發(fā)生衰變 的原子核數(shù)目。 單位： 1貝可 = 1 次核衰變/秒 1 Bq = 1 次核衰變/秒,2 吸收劑量( D ) 定義： 單位

30、質(zhì)量受照射物質(zhì)所吸收的平均電離輻射能 單位： 1 戈瑞 = 1焦耳 / 千克 1 Gy = 1 J/ kg,3 劑量當(dāng)量（H）,意義：表示電離輻射 引起生物效應(yīng) 的大小 H = Q DQ 電離輻射的品質(zhì)因數(shù) 生物放大效應(yīng)D 吸收劑量（戈瑞） 量度單位：1希沃特 = 1焦耳/千克 1 Sv = 1 J/kg,電離輻射的品質(zhì)因數(shù) Q 數(shù)值,放射性活度(A) 吸

31、收劑量(D) 劑量當(dāng)量(H),吸收劑量(D) 1戈瑞 = 1焦耳/千克1 Gy = 1 J/kg,放射源 活度(A) 1貝克=1次核衰變/秒,劑量當(dāng)量(H) H = Q D 1希沃特 = 1 焦耳/千克,,,,,三者意義和區(qū)別,任何物質(zhì),有機體,1 核輻射同物質(zhì)作用，僅當(dāng)把能量和動量傳遞給物質(zhì)才發(fā)生；沒有能量和動量傳遞就沒有作用。2 通常遇到的核輻射主要是對物質(zhì)的電離作用，會對物體產(chǎn)生一系列的影響，人體也不