医用物理学 第十四章 原子核物理 公开课课件

1、第十四章 原子核物理 （Nuclear Physics）,原子核的基本性质 原子核的衰变类型 原子核的衰变规律 射线与物质的相互作用 辐射剂量与防护,教学大纲要求 1.了解原子核的基本性质和原子核的衰变过程。 2.理解原子核的质量亏损及结合能概念。 3.掌握原子核的衰变类型。 4.掌握原子核的衰变规律。 5.掌握半衰期及活度概念。,原子的构成,中子,质子,第一节 原子核的基本性质（ The basic properties of nucleus ）,原子核,带单位正电荷 e=1.60210-19C,质量数为1(mp=1.623 10-27kg=1836.1me）,核质子数=核外电子数=原子序数,不带电,质量数为1(mn=1.675 10-27kg=1838.6me）,中子数=核质量数质子数(原子序数),一 、原子核的组成与符号表示： * 原子核是由质子（proton）和中子（neutron）组成。质子和中子统称核子（nucleon）。质子与中子可以互变。,* 原子核的符号表示法：,原子核质量数 元素符号 原子序数,这一符号表达了原子核的两大特征： 质量和电量。,* 核素、同位素：,核素

2、：具有相同的Z值，A值和能量状态的一类原 子称为同一种核素。 比如： （三种核素）,同位素：具有相同的Z值而A值不同的一类核素称为同位素。同位素具有相同的化学性质. 比如： 氧的三种同位素 氢的三种同位素,*同量异位素：具有相同A值而Z值不同的核素。,*同质异能素：具有相同A值和Z值但能量状态不同的核素。,基态,激发态,0.1426,0.1405,0.0000,99Tcm,(氩),(钙),(锝),表示：,比如:,二、原子核的性质,1、 原子核的大小和密度,*原子核的形状和大小：近似为半径R 的球体（重核 呈椭球体） R=R0A 1/3 R0=1.210-15 m,*原子核的平均密度： =2. 3 1017kg.m-3 (地球平均密度=6 103kg.m-3 ）,3、 核能级。,核力属于短程力，其作用范围：10-15 m 核力是一种强相互作用。 核力具有饱和性。 核力与电荷无关。,原子核可以处于不同的能量状态且可发生核能级间的跃迁。,特征,2、 核力： 核子间强相互作用力，称为核力。,三、原子核的结合能和质量亏损,1、原子核的结合能,*核子结合成原子核时释放的能量，称为原子核的结合能。,

3、*释放的能量越多，结合就越紧密，原子核就越稳定。,例子：2H（氘核）的结合能（2 .22 MeV）,+,P（质子）,n（中子）,2H（氘核）,释放能量为2.22 MeV的一个光子,（反之亦然）,2、原子核的质量亏损（mass defect）。,* 原子核的静质量比组成它的核子的静质量总和要小一些，这样减少的质量（m）称为质量亏损。,* 质量亏损（m)的计算：,m = mi- m,* 质量亏损的原因： 由质能公式 E =c2m 知，释放的能量变化（E）相当于一定的质量变化（m） 。,(各个核子的静质量总和）,(原子核的静质量),* 微观粒子的能量单位称为（统一）原子质量单位（atomic mass unit,unified）,以u表示。,3.原子质量单位（atomic mass unit）：,* 一个原子质量单位等于12C原子质量的1/12； 即 1u=1.660610-27 kg,*用u为质量单位，用MeV为能量单位表示的质能公式：,1u,931.5MeV,m(u) = 1.073510-3E(MeV),E(MeV) = 931.5 m(u),或,C2,四、原子核的稳定性,*平均结合能

4、：= E/A,*平均结合能表示的松紧程度：(图13-1平均结合能曲线）,3、重核（质量数A200）： 较小，原子核结合较松； 其中A 209的核都是放射性核素。,*中等核比重核和轻核都稳定。 由此知道获得核能的两种途径：轻核聚变和重核裂变。,1、轻核（质量数A30）： 较小，原子核结合较松 （除偶偶核外）,2、中等核（质量数A 为40120）：较大，原子 核结合较紧。,* 轻核聚变： 轻核聚合成较重的原子核，会释放出大量的能量。,* 重核裂变： 重核分裂成两个中等核，会释放出大量的能量。,例子 铀核裂变及其链式反应: 慢中子轰击235铀核时，会分裂成两个质量大致相等的中等核和1-3个中子，并释放出大量的能量；新的中子又引起其他铀核裂变。这种核反应可持续进行下去。,原子弹（我国1964年）和原子反应堆（我国1958年）,例子 氘核聚变及其热核反应：在极高温度（108K）下，氘核高速运动相互碰撞而发生大量聚合，单位质量氘核聚变释放能量是单位质量铀核裂变释放能量的4倍左右。,应用 氢弹（我国1967年）和太阳能源,原子弹的基本构造,110秒蘑菇云,37秒对流风,11秒振波,0秒爆炸,原子弹爆

5、炸,氢弹,美国50年代研制出的第一颗航空投掷型氢弹MK17型氢弹,核电站,“LittleBoy” 原子弹的照片,第二节原子核的衰变类型,* 核衰变过程严格遵守如下守恒定律： 质量和能量守恒定律， 动量守恒定律， 电荷守恒定律， 核子数守恒定律.,* 核衰变: 放射性核素能自发放出射线变为另一种核素的现象，称为核衰变（nuclear decay）.,* 衰变能: 按照质能关系，核衰变前后的静止质量的差值，转变为核衰变时释放的能量，称为衰变能。（decay energy）,记为Q。,一.衰变,A 值超过209的重核发射 核（也称为粒子），而衰变为A值较小的原子核。称这种衰变为衰变( decay)。,* 衰变式：,* 位移法则：子体核在元素周期表中位于母体核前两位。,* 子体核可处于激发态,所以有射线和内转换电子伴随射线发射出来。,二、衰变,中子过多的原子核发射电子（也称-粒子： )，这种衰变过程叫做-衰变.,1.-衰变(- decay)：,* 衰变的实质：,* 衰变式：,（反中微子）,* 位移法则：子体核在元素周期表中位于母体核后一位。,* 子体核处于激发态；所以有射线和反中微子射线伴随射

6、线发射出来。,2.+衰变(+ decay):,有些中子过少的原子核，当其基态能量较大时，质子发射正电子（也称为+粒： )；这种衰变方式称为+衰变.,* 衰变的实质：,* 衰变式：,* 位移法则：子体核在元素周期表中位于母体核前一位。,*子核可以处于激发态；所以有射线伴随+射线发射。,* +粒子与电子结合转变为双光子(能量各为0.511MeV)发出。,（中微子）,在中子过少的原子核内部，质子可以俘获一个核外电子，发射一个中微子而转变为中子；这个衰变过程称为电子俘获.,3.电子俘获（electron capture；EC）：,* 衰变式：,（中微子）,* 位移法则：子体核在元素周期 表中位于母体核前一位。,* 子体核发出标识X射线。 探测电子俘获的基础。,从某种核素放出的粒子，其能量不象衰变和辐射那样只有一种或几种特定的数值，而是具有各种能量，能量的分布是连续的。如图所示：,三. 衰变和内转换,* 衰变( decay): 射线是从原子核内发出的高能量光子流。原子核激发态的能级通过发出射线的衰变方式称为衰变.,例子：99Tc的衰变。,*内转换(internal conversion)：,原子

7、核激发态的能级也可直接传递给核外内层电子，使电子从原子中飞出；结果使原子发出标识X射线。,第三节 核衰变的规律,* 衰变定律： 不稳定核素的衰变率 与现有的原子核个数N成正比，即：,一、衰变定律,* 自发过程遵循统计规律；,利用初始条件:t=0时， N=N0；对上式积分得到：,* 放射性物质按指数规律衰减.,二、衰变常数和半衰期,1、衰变常数 (decay constant) ：,单位：s-1,物理意义：衰变常数越大的放射性核素，其衰变越快。,2、半衰期T （half-life） ：,定义：半衰期是放射性核素减少一半所需的时间。,表达式：,物理意义：半衰期越小的放射性核素，其衰变越快。,衰变定律另一表式：,3、平均寿命 T,* 定义：放射性核平均生存的时间,注：上式为衰变常数、半衰期和平均寿命 三者的关系,在核医学中,采用放射性物质做生物机体示踪剂.进入机体的放射性核素除因自身衰变而减少外,还可以通过机体的代谢排除体外.,生物机体排出放射性核素的规律近似服从衰变定律：生物半衰期Tb ( biological half life),生物衰变常量b( biological decay constant). 生物机体内放射性原子核的衰变定律：,其中e= + b称为有效衰变常量(effective decay constant),它对应的半衰期为有效半衰期Te (effective half life).它与物理半衰期T和生物半衰期Tb的关系为,4、有效半衰期Te,三、放射性活度（ radioactivity， A）,* 放射性活度的国际单位称为贝可，记为Bq。 1Bq=1核衰变/秒。常用旧单位是居里，用Ci表示。 1Ci=10-3mCi=10-6Ci 1Ci=3.71010Bq= 3.7104MBq,* 定义：用单位时间内衰变的原子核数（dN/dt）来表示放射性活度 A (即放射性强度)。 A=-dN/dt 单位：核衰变/秒,* 放射性活度A的衰变规律：,144 射线与物质的相互作用（自学）,145 辐射剂量与防护（自学）,小结,预习：激光及其医学应用,作业：P384 14-114-10,本章结束,

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