绪论-与第一章-核物理与核化学基础

1、,核素应用技术,选修须知 1,1、上课时间2-16周。 2、注意课堂纪律,认真听课做好笔记。 3、认真做好作业，在首页下端注明： 姓名、学号： 院系、班级：,选修须知 2,4.本课程的成绩考核方式 总成绩 =平时成绩（30%） + 期末考试成绩（70%） 其中：平时成绩 = 作业 + 出勤,选修须知 3,5.联系方式 钟伟良 生命科学学院南楼402室 Email：,本课程教材,参考教材1,参考教材2,本课程主要内容(1),绪论(1学时) 第一章核物理和核化学基础(5学时) 第二章 放射性同位素示踪法(4学时) 第三章 放射性测量(4学时) 第四章 放射性自显影技术(2学时) 第五章 稳定同位素示踪技术(2学时),本课程主要内容(2),第六章 几项实验技术(4学时) 第七章 同位素示踪技术应用(2学时) 第八章 辐照技术应用(2学时) 第九章 辐射剂量及防护: 附(放射性防护常识) (2学时),绪 论,一、核技术的重要意义 核技术是原子核科学技术的简称。核科学技术除核能利用外，还包括核素工业仪表、核探测与分析、核辐射应用、核素示踪技术等。 1896年A. H. Becguerel 对铀矿

2、石天然放射性的发现，揭开了原子时代的序幕。,大量成熟的核技术使工业进入仪表化、系列化、专业化和商业化的阶段：如射线无损探伤仪等。 碳-14可用于年代测定，是考古学的重要手段之一。 辐射技术在高分子有机化学中具有聚合、改性、接枝等特殊效用。,二、核技术农学应用的成就,（一）核素示踪技术应用 在农业科学上的应用已有六十余年的历史，现已成为一项应用广泛的先进技术。 例如：美国、前苏联五十年代研究磷肥合理使用，改进施肥方法，收到了上千万美元的经济效益。,（二）核辐射在农业上的应用 1、作物辐射育种。 2、食品贮藏。 3、辐射昆虫不育防治害虫。 4、低剂量辐射刺激增产。,第一章核物理和核化学基础,第一节 原子核、核素和同位素 第二节 放射性衰变 第三节 核辐射与物质的相互作用 第四节 放射性核素的制备 第五节 放射性标记化合物的贮存,第一节 原子核、核素和同位素 一、原子和原子核 1、原子 直径：10-10米 氢原子质量：1.673610-27 kg 原子质量单位：1u=1.660566 10-27 kg,2、原子核 由质子（p）和中子（n）组成，因此又将其统称为核子。中子比质子略重。 所有元素

3、的原子质量都接近某一整数，我们将其称为质量数（A）。 用Z表示质子数，N表示中子数，则： A = N + Z,3、原子核的结合能和质量亏损 原子核由质子和中子构成，但是核质量小于其核子质量之和，即： M核 Z MP + N Mn 这是为什么呢？ 其差值： M = （Z MP + N Mn）- M核 又代表什么呢？,原来，原子中的所有质子和中子结合起来时会放出一部分的能量。我们把这部分的能量称之为原子核的结合能（ E ）。 M 则称为质量亏损。 根据质能联系定律， E= M C2。 如将E除以该核的核子数，得到每个核子的结合能，又称为比结合能。,相反，当我们将原子核分裂成它的各组成成分时，就需要供给能量E 。因此，比结合能反映了核的稳定性：其值越大，核越稳定。 大多数核的比结合能为8MeV,而一些很轻或很重的核，比结合能小。因此在轻核聚变或重核裂变时，均会放出大量的能量，称为“原子能”。,4、核裂变和核聚变 （1）核裂变 液滴模型：,235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n,235U,90Sr,143Xe,此反应是一个释放巨量热量的放热反应，1摩尔的 235U 裂变释放的

4、能量为 2.0 1013 焦耳 而燃烧一吨煤的热量约为 2.0 108 焦耳。 235U裂变的另一个重要特点是：中子的产额比原先捕获的多。这意味着什么呢？,链式反应,1964年10月16日中国第一颗原子弹爆炸（1）,（2）核聚变 太阳内部被认为进行如下的核聚变： 1H + 2H 3He 3He + 3He 4He + 2 1H 1H + 1H 2H + +,核聚变与核裂变释放能量比较： 6Li + 2H 2 4He 上述反应产生的释放能量为： 2.810-12 焦耳， 以1摩尔的锂-6计，则为： 2.21012 焦耳 而1摩尔的 235U 裂变释放的能量为 2.0 1013 焦耳,1967年6月17日，在新疆罗布泊上空，我国第一颗氢弹爆炸试验获得完全的成功。,二、核素和同位素,核素 是具有特定核特征，即具有一定的质子数、中子数及核能级的一种原子。例如：H（1H）、D（2H）和T（3H）都是一种核素。 通常用AZX 或AX的形式来表示一种核素，其中X代表原子的符号，A和Z分别表示质量数和质子数。如碳-14核素可表示为： 146C 或14C。,核素可分为稳定核素和不稳定核素（也称放射性核素

5、）。 不稳定核素：能自发地改变核结构，放射出某种射线而转变成另一种原子核的原子。,同位素：具有相同的Z值而A值不同的一系列核素称为该元素的同位素，它们之间也互称为同位素。 一般地讲，每一种元素都有一种以上的同位素，多的达十几种。例如：碳元素有13种同位素，其中11种是放射性同核素。,第二节 放射性衰变,研究表明：原子核的稳定性与其核内中子数与质子数的比例有关。对于稳定的原子核：在原子序数较低时，其值接近1，而z值较大时，其值接近1.5。也就是说，当某核素内中子数与质子数之比偏离此值时，其就可能不稳定。,核稳定性与中子数和质子数之比的关系,不稳定的核素会自发地通过放射性衰变，来达到稳定的状态。 一、放射性衰变类型 放射性衰变类型多种多样，这里讨论五种即：衰变、衰变、 +衰变、电子俘获及衰变。,（一） 衰变 衰变：从放射性核素的核里放射出粒子的过程。 粒子的本质： 氦核。 那为什么不直接叫氦核呢？ 衰变的衰变表达式为： AZX A-4Z-2Y + 42He +Q,粒子的性质 （1）具有很强的电离作用和照相作用，在磁场中会偏转，但贯穿本领很小（一张纸就能挡住）。 （2）能量是单一的。,一个实

6、例： 22688Ra 22286Rn + 42He +Q 22286Rn 21884Po + 42He +Q 氡是无色、无味的惰性气体，易溶于水，特别易溶于脂肪中，它可以通过呼吸道和皮肤侵入机体，其子体进入人体就紧紧地附着在呼吸道，造成内照射。,研究表明：高浓度氡及其子体的居室是肺癌和呼吸癌的致癌主要因素之一。 氡具有较强的扩散能力，它在空气中的扩散系数为：0.105cm2/s。影响居室氡气浓度除和建筑物场地、建材和装饰材料种类有关外，还和建筑物位置、通风条件及氡析出有关。,衰变纲图：,22286Rn, 3.825d,5.49MeV,0.51MeV,21884Po（钋）,3.11min,（二） 衰变 衰变：从放射性核素的核里放射出粒子的过程。 粒子的本质： 电子。 那为什么不直接叫电子呢？ 衰变的衰变表达式为： AZX AZ+1Y + +v +Q,衰变的实质： n P + + v 反中微子不带电，其静止质量约为电子质量的万分之五。 在衰变时所释放的能量由子体核、 粒子和反中微子同时带走。但前者质量越大于后二者，其带走的能量可忽略不计。于是，Q约等于后二者的动能。,于是，对于粒子来说，其

7、动能的取值范围是0Q的任意值，即其粒子形成了一个连续能谱。 粒子的平均能量约等于最大能量的1/3，而Emax = Q。 一个实例： 6027Co 6028Ni+ +v +Q,钴-60衰变纲图,（三） +衰变 从放射性核素的核里放射出+粒子的过程称为+衰变。其实质是： P n + + + v +粒子的本质：正电子。 衰变表达式为： AZX AZ-1Y+ + +v +Q,一个实例： 3015P 3014Si + + + v +Q 对照： 3215P 3216S + + v +Q 磷的同位素中， 32P， 33P 是 衰变体，31P是稳定的， 30P ，29P， 28P是 + 衰变体。,（四）电子俘获 不稳定的原子核俘获一个核外绕行电子，而使核内的一个质子转变成中子和中微子的过程称为电子俘获。由于 K层电子最靠近核，被俘获的几率最大，所以电子俘获有时也叫K俘获。其衰变过程可表达为： AZX + -1 e AZ-1Y + v + Q,一个实例： 12553I + -1 e 12552Te + v + Q 对于电子俘获衰变来说，除有些核处于激发态而发出射线外，核并不放出任何易探测的辐射。但却有次

8、级辐射即X特征射线及俄歇电子放出。,电子俘获后的次级辐射示意图,（五） 衰变 从原子核里放射出射线的过程称 衰变。 射线与、 -、+等不同，它是一种不带电的高能电磁波，是核从激发态跃迁到较低能态或基态时的产物。 射线与X射线无本质区别。一般来讲， 射线的波长较短，能是较高，是从核里发射出来的。, 衰变是伴随、 或其它衰变一起产生的。在许多场合， 衰变的原子核也可以发射内转换电子（指向外发射核外绕行电子）的方式，从激发态回到较低能态或基态，而不必发射 射线。 射线和内转换电子的能量都是单一的。当一个核衰变放出不止一种 射线时，则 射线的能量就有两组或两组以上。,二、放射性衰变的一般规律 放射性核素的衰变是自发的，且衰变速度不受外界条件的影响。有的核素衰变得快，有的则慢，这是各种核素的特性。 有的核衰变后的子体仍不稳定会继续衰变。我们这里仅讨论一次衰变后的子体核是稳定的情况，也即：一次衰变定律。,（一）衰变定律 对某一特定的原子核来说，其衰变过程是一个几率过程。研究表明：假设在时间间隔t至t+t内，有N个原子核衰变，且子体是稳定的，则下列关系成立： N N t,写成等式则为： N/ t =

9、- N， 其中是比例常数，被称为衰变常数。 当t 0时，上式可写成： dN/dt = - N 假设t=0时，未衰变的总核数为N0则经积分得： N= N0 e- t,上式是衰变定律的数学表达式，它表示放射性原子核的数目按时间的指数函数而衰减。但在实际应用时，往往想知道在单位时间内有多少核发生衰变，也就是放射性核素衰变率（-dN/dt）。我们将其称为放射性活度（A）， 即A= -dN/dt = N。,由于A= N, 而N= N0 e- t，若设A0和A分别表示原始放射性活度和经过时间t后的放射性活度，则可得： A= A0 e- t 这是一次衰变定律的另一数学表达式。也是较为常用的表达式。,（二）衰变常数、半衰期 1、衰变常数 由dN/dt = - N可得： -dN dt N,=,的物理意义：在单位时间内，每一个核衰变的几率。显然，其值越大表示核衰变得越快；小则反之。 衰变常数的单位是秒-1，小时 -1 或天 -1等。如：32P的值为0.04873/天；而60Co的值为0.01098/月。,2、半衰期T1/2 或T 定义：放射性核素的原子数因衰变而减少到原来一半所需的时间。 显然，半衰期长表示放射性核素衰变得慢；反之则快。 根据半衰期的定义，当t=T时，Nt=N0/2, 代入 N= N0 e- t得： T=ln2/ =0.693/ ,由上式可知：半衰期与衰变常数成反比。 另外，根据半衰期的定义还可得放射性活度与半衰期之间的关系： A= A0 / 2n 式中，n= t / T。 这也是一个很有用的公式。,（三）放射性活度及常用单位 放射性活度的定义是： dN

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