医学物理学课件原子核和放射性.ppt

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1、前前页页后后页页返返回回前前页页后后页页返返回回* * 本章内容本章内容第一节第一节 原子核的基本性质原子核的基本性质第二节第二节 原子核衰变的类型原子核衰变的类型第三节第三节 原子核的衰变规律原子核的衰变规律第四节第四节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第五节第五节 辐射剂量与射线防护辐射剂量与射线防护前前页页后后页页返返回回一、学习本章后，我们应该：一、学习本章后，我们应该：1.1.掌握掌握放射性核素放射性核素的衰变类型；的衰变类型；2.2.掌握掌握放射性核素放射性核素的衰变规律和应用；的衰变规律和应用；3.3.理解射线与物质相互作用的几种形式；理解射线与物质相互作用的几种形式；4

2、.4.理解射线剂量的定义及射线的防护方法；理解射线剂量的定义及射线的防护方法；5.5.了解放射性核素在医学上的应用。了解放射性核素在医学上的应用。二、重点：原子核的衰变类型及衰变规律二、重点：原子核的衰变类型及衰变规律原子的构成原子的构成中子中子前前页页后后页页返返回回第一节第一节原子核的基本性质原子核的基本性质质质子子中中子子原子核原子核带单位正电荷带单位正电荷 e=1.60210-19C质量数为质量数为 1（mp=1.623 10-27kg=1.007276u） 不带电不带电 质量数为质量数为 1（mn=1.675 10-27kg=1.008665u）一一 、原子核的组成与符号表示、原子核

3、的组成与符号表示 原子核是由质子和中子组成。质子和中子统称核子。kg10660540. 1)(121u127126Cm前前页页后后页页返返回回* * 原子核的符号表示：原子核的符号表示：质量数质量数 元素符号元素符号原子序数原子序数这一符号表达了原子核的两大特征：这一符号表达了原子核的两大特征： 质量质量和和电量。电量。XAZC146前前页页后后页页返返回回* * 核素、同位素：核素、同位素：核素核素：具有一定的具有一定的Z值、值、N值的原子（原子核）值的原子（原子核）称为一种核素称为一种核素。比如：比如： （三种三种核素核素）同位素同位素：具有相同的具有相同的Z值，而值，而N值不同的核素值不

4、同的核素称为同位素。同位素具有相同的化学性质称为同位素。同位素具有相同的化学性质. .比如：比如： 氧的三种同位素氧的三种同位素 氢的三种同位素氢的三种同位素O168He42C126O168O178O188H11H21H31前前页页后后页页返返回回*同量异位素同量异位素：具有相同具有相同A值而值而Z值不同的核素值不同的核素。比如比如:*同质异能素同质异能素：具有相同具有相同Z值和值和N值，但能量状值，但能量状态不同的核素态不同的核素。 表示：表示：基态基态激发态激发态0.14260.14050.000099TcmTc9943Ar4018Ca4020(氩氩)(钙钙)(锝)TcTcm9943994

5、3和前前页页后后页页返返回回二、二、原子核的性质原子核的性质1.1.原子核的大小和密度原子核的大小和密度* *原子核的形状和大小：近似为球体原子核的形状和大小：近似为球体 R=R0A 1/31/3 R0=1.2 10-15 -15 m *原子核的平均密度：原子核的平均密度： =2. 3 1017kg.m-3 (地球平均密度地球平均密度 =6 103kg.m-3 ）VM前前页页后后页页返返回回3.3.核能级核能级 2. 2.核力：核子间强相互作用力。核力：核子间强相互作用力。 核力属于短程力，其作用范围：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是一种强相互作用 核力具

6、有饱和性核力具有饱和性 核力与电荷无关核力与电荷无关 原子核可以处于不同的能量状态，且可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。发生核能级间的跃迁。特特征征前前页页后后页页返返回回三、原子核的结合能和质量亏损三、原子核的结合能和质量亏损1.1.原子核的结合能原子核的结合能* *核子结合成原子核时释放的能量，称为核子结合成原子核时释放的能量，称为原子核原子核的结合能。的结合能。例子：例子：2H（氘核）的结合能（氘核）的结合能（2 .22 MeV）+P（质子质子）n（中子中子）2H（氘核氘核）释放能量为释放能量为2.22 MeV的一个光子的一个光子（反之亦然）（反之亦然）前前页页后后

7、页页返返回回2. .原子核的质量亏损（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（和要小一些，这样减少的质量（ m）称为质量）称为质量亏损。亏损。* * 质量亏损（质量亏损（ m) )的计算：的计算： m = = mi i- - m* 质量亏损的原因：质量亏损的原因： 由质能公式由质能公式 E E = = mC C2 2 知，知，释放释放的能量变化的能量变化（ E E）相当于一定的相当于一定的质量质量变化变化（ m） 。( (各个核子的总静质量）各个核子的总静质量）( (原子核的静质量原子

8、核的静质量) ) 前前页页后后页页返返回回* * 微观粒子的质量，常用（统一）原子质量单微观粒子的质量，常用（统一）原子质量单位位u u来衡量。来衡量。3.3.原子质量单位（原子质量单位（atomic mass unit）：）：* 一个原子质量单位原子质量单位等于等于1212C C原子质量原子质量的的1/121/12； 即即 1u=1.6605401u=1.660540 1010-27-27 kg kg*用用u u为为质量单位，质量单位，用用MeVMeV为为能量单位能量单位表示的质能公表示的质能公式：式： 1u1u931.5MeV m( (u u) ) = 1.0735= 1.0735 101

9、0-3-3 E E( (MeVMeV) ) E E( (MeVMeV) = 931.5 ) = 931.5 m( (u u) )或或 C2前前页页后后页页返返回回四、原子核的稳定性四、原子核的稳定性*平均结合能平均结合能：= E E/ /A A*平均结合能表示松紧程度平均结合能表示松紧程度：（图（图17-1平均结合能曲线平均结合能曲线）3、重核、重核（质量数质量数A200）： 较小，较小，原子核结合较松；原子核结合较松； 其中其中A 209的核都是放射性核素。的核都是放射性核素。*中等核比重核和轻核都稳定。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由此知道获得核能的两种途径：重核裂

10、变重核裂变和和轻核聚变轻核聚变。1、轻核、轻核（质量数质量数A30）： 较小，较小，原子核结合较松原子核结合较松 （除偶偶核外）（除偶偶核外）2、中等核、中等核（质量数质量数A 为为40120）： 较大较大，原子原子 核结合较紧核结合较紧。 * 轻核聚变轻核聚变： 轻核聚合成较重的原子核，也会释放出大量的能量。轻核聚合成较重的原子核，也会释放出大量的能量。 * 重核裂变重核裂变： 重核分裂成两个中等核，会释放出大量的能量。重核分裂成两个中等核，会释放出大量的能量。例子例子 铀核裂变及其链式反应铀核裂变及其链式反应: 慢中子轰击慢中子轰击235U核时，核时，会分裂成两个质量大致相等的中等核和会分

11、裂成两个质量大致相等的中等核和1-3个中子，并个中子，并释放出大量的能量；新的中子又引起其他铀核裂变。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。这种核反应可持续进行下去。原子弹（原子弹（我国我国1964年年）和和原子反应堆（原子反应堆（我国我国1958年年）例子例子 氘核聚变及其热核反应氘核聚变及其热核反应：在极高温度（：在极高温度（108K）下，）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变释放能量是单位质量铀核裂变释放能量的4倍左右。倍左右。应用应用 氢弹（我国

12、氢弹（我国1967年）和太阳能源年）和太阳能源原子弹的基本构造原子弹的基本构造 110秒蘑菇云秒蘑菇云37秒对流风秒对流风11秒振波秒振波0秒爆炸秒爆炸前前页页后后页页返返回回原子弹爆炸原子弹爆炸 氢氢弹弹 美国美国50年代研制出的第一颗航空投掷型氢弹年代研制出的第一颗航空投掷型氢弹MK17型氢弹型氢弹核电站核电站前前页页后后页页返返回回“LittleBoy” 原子弹的照片原子弹的照片前前页页后后页页返返回回第二节第二节原子核的衰变类型原子核的衰变类型* * 核衰变过程严格遵守核衰变过程严格遵守如下如下守恒定律：守恒定律： 能量守恒定律，能量守恒定律， 动量守恒定律，动量守恒定律， 电电荷荷守

13、恒定律，守恒定律， 核子数守恒定律核子数守恒定律. . * * 核衰变核衰变: : 核素核素自自发地发地放出射线变为另一种放出射线变为另一种核素的核素的现象现象，称为核衰变（，称为核衰变（nuclear decay）. .* * 衰变能衰变能: : 核衰变过程核衰变过程释放出来的能量，称释放出来的能量，称为为衰变能（衰变能（decay energy）, ,记为记为Q Q。 前前页页后后页页返返回回一、一、衰变衰变 * * 衰变衰变: : A A 值超过值超过209209的重核发射的重核发射 核（也称为核（也称为 粒子粒子），），而衰变为而衰变为A A值减小值减小4 4的另一种原子核。称这种衰变

14、的另一种原子核。称这种衰变为为 衰变衰变( ( decay)decay)。* 衰变衰变式式： * 位移法则：子核在元素周位移法则：子核在元素周期表中位于母核前两位。期表中位于母核前两位。* 子核可处于激发态子核可处于激发态,所以有所以有射线射线和和内转换电子内转换电子伴随伴随 射线射线发射出来。发射出来。 1 1(5.5%)(5.5%) 2 2(94.45%)(94.45%)0.1860.000 XAZQHeYAZ4242He42Ra22688(镭镭)Rn22286(氡氡)前前页页后后页页返返回回二、二、衰变衰变 原子核发射电子（也原子核发射电子（也称称- -粒子粒子： ) )，这种衰这种衰变

15、过程叫做变过程叫做- -衰变衰变. .1.1.- -衰变衰变( (- - decay) )：* * 衰变式：衰变式：* 位移法则：子核在元素周期表中位于母核位移法则：子核在元素周期表中位于母核后一位。后一位。* 子核处于激发态，所以有子核处于激发态，所以有射线射线伴随伴随射线射线和和反中微子反中微子射线射线发射出来发射出来。e01QYAZ001XAZ0.14260.0000(81%)(81%) Mo9942(钼钼)Tc9943(锝锝)前前页页后后页页返返回回2.2.+ +衰变衰变(+ decay)： 原子核原子核发射正电子（也发射正电子（也称为称为+粒子粒子： )，这种，这种衰变方式称为衰变方

16、式称为+衰变衰变.* 衰变衰变式：式：* 位移法则：子核在元素周期表中位于母核位移法则：子核在元素周期表中位于母核前一位。前一位。*子核可以处于激发态；所以有子核可以处于激发态；所以有射线射线伴随伴随+ +射线射线发射出来。发射出来。* + +粒子与电子结合转变为粒子与电子结合转变为双光子双光子（能量各为（能量各为0.511MeV)发出发出。0.5460.0000.378EC(43%)+ +(57%) 1.022MeVe01QYAZ001XAZFe5226(铁铁)Mn5225(锰锰)前前页页后后页页返返回回 原子核俘获一个核外电子，发射一个中原子核俘获一个核外电子，发射一个中微子而转变为另一种核，这个衰变过程称微子而转变为另一种核，这个衰变过程称为电子俘获为电子俘获. .3.3.电子俘获（电子俘获（electron capture；EC）：）：* 衰变衰变式：式：（中微子）（中微子）* 位移法则：子核在元素周期位移法则：子核在元素周期 表中位于母核前一位。表中位于母核前一位。* 子核发出标识子核发出标识X射线。射线。 探测探测电子俘获电子俘获的基础的基础。0.6470.0000.392