药学物理原子物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第十四章第十四章 原子核原子核第1页核历史核历史核历史核历史点滴点滴点滴点滴玛丽玛丽玛丽玛丽 居里以自己勤奋和天赋,在物理学和化学领域,都作出了出色贡献,居里以自己勤奋和天赋,在物理学和化学领域,都作出了出色贡献,居里以自己勤奋和天赋,在物理学和化学领域,都作出了出色贡献,居里以自己勤奋和天赋,在物理学和化学领域,都作出了出色贡献,是是是是唯一一位在两个不一样学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。唯一一位在两个不一样学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。唯一一位在两个不一样学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。唯一一位在两个不一样学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。发觉放发觉放发觉放发觉放射
2、性元素钋射性元素钋射性元素钋射性元素钋(Po)(Po)和镭和镭和镭和镭(Ra)(Ra)。第十四章第十四章 原原 子子 核核最早发觉是一个名叫贝克勒尔人。贝克勒尔发觉天然放射性,标志着原子核物理学开端。所以他和居里夫妇共同取得19诺贝尔物理学奖。19521952年年年年1010月月月月3131日,世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆日,世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆日,世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆日,世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸,核当量高达炸,核当量高达炸,核当量高达炸,核当量高达10001000万吨,相当于万吨,相当于万吨
3、,相当于万吨,相当于700700枚广岛原子弹,把一个直径枚广岛原子弹,把一个直径枚广岛原子弹,把一个直径枚广岛原子弹,把一个直径1.61.6公里公里公里公里小岛活生生地炸没了,燃起火球直径就超出了小岛活生生地炸没了,燃起火球直径就超出了小岛活生生地炸没了,燃起火球直径就超出了小岛活生生地炸没了,燃起火球直径就超出了5 5公里。公里。公里。公里。19671967年年年年6 6月月月月1717日,我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日,我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日,我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日,我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。19641964年年年年1010月月月月1616日,中国第一次将
4、原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈日,中国第一次将原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈日,中国第一次将原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈日,中国第一次将原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。壁荒漠。壁荒漠。壁荒漠。第2页 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素 核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振 本本 章章 要要 点点第十四章第十四章 原原 子子 核核第3页第一节 原子核结构和基本性质一、原子核组成与质量一、原子核
5、组成与质量一、原子核组成与质量一、原子核组成与质量1.原子核电荷数原子核电荷数(nuclear charge)Z:原子序数原子序数(nuclear number)Z:2.核子核子(nucleon):组成原子核质子和中子组成原子核质子和中子.原子质量单位原子质量单位(atomic mass unit)u3.原子核质量和质量数原子核质量和质量数A:质子质子(proton):中子中子(neutron):原子核质量近似:原子核质量近似:第4页4.核素核素(nuclide):一类含有确定质子数、核子数和能量状态中一类含有确定质子数、核子数和能量状态中性原子称为核素。用符号性原子称为核素。用符号 或或 。
6、同位素同位素(isotope):同一个元素核内能够含有各种核子数,即它同一个元素核内能够含有各种核子数,即它们含有们含有相同质子数而中子数不一样相同质子数而中子数不一样相同质子数而中子数不一样相同质子数而中子数不一样,它们在元素周期表占据同它们在元素周期表占据同一位置一位置,含有相同化学性质。如氢同位素含有相同化学性质。如氢同位素 。同量异位素同量异位素(isobar):质量数相同,质子数不一样质量数相同,质子数不一样质量数相同,质子数不一样质量数相同,质子数不一样一类核数。一类核数。如如 。同核异能素同核异能素(isomer):质量数和质子数都相同而处于不一样能质量数和质子数都相同而处于不一
7、样能量状态一类核数。如量状态一类核数。如 。同中子异位素同中子异位素(isotone):中子数相同,质子数不一样中子数相同,质子数不一样中子数相同,质子数不一样中子数相同,质子数不一样一类核数。一类核数。如如 。第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第5页1.1.质量亏损质量亏损质量亏损质量亏损(mass defect):(mass defect):2.2.结结结结 合合合合 能能能能(binding energy):(binding energy):二、原子核质量亏损与结合能二、原子核质量亏损与结合能二、原子核质量亏损与结合能二、原子核质量亏损与结合能第一节第一节 原子核结构
8、和基本性质原子核结构和基本性质第6页3.3.比结合能比结合能比结合能比结合能(specific binding energy):(specific binding energy):物理意义:物理意义:若把一个核子放入原子核里,则平均释放能量若把一个核子放入原子核里,则平均释放能量。反。反之若从核内取出一个核子,则需要克服原子查对核子引力平均做之若从核内取出一个核子,则需要克服原子查对核子引力平均做功功 。所以,。所以,越大,表示核子间结合得越紧密,越大,表示核子间结合得越紧密,大小能够作大小能够作为核稳定性量度。为核稳定性量度。自然界中各种核结合能相差甚大,但自然界中各种核结合能相差甚大,但比
9、结合能却相差不大比结合能却相差不大,以以下页图。下页图。重核裂变:重核裂变:重核裂变:重核裂变:原子弹、原子能反应堆等原子弹、原子能反应堆等轻核聚变:轻核聚变:轻核聚变:轻核聚变:氢弹等氢弹等第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第7页第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第8页1.1.原子核大小原子核大小原子核大小原子核大小:原子核密度原子核密度:核半径比原子半径小核半径比原子半径小106倍。豌豆粒大小核倍。豌豆粒大小核(mm),其原子半径,其原子半径约为约为 km。普通物质密度普通物质密度:三、原子核基本性质三、原子核基本性质三、原子核基本性质三、原子核基本
10、性质第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第9页核力:核子之间存在一个短程强吸引力。核力:核子之间存在一个短程强吸引力。(1)核力是一个短程力;)核力是一个短程力;(2)核力与电荷无关;)核力与电荷无关;(3)核力是含有饱和性交换力。)核力是含有饱和性交换力。2.2.核力核力核力核力(nuclear force)(nuclear force)第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第10页第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 有些核素原子核是不稳定,能自发地放出由一些离子组成射线有些核素原子核是不稳定,能自发地放出由一些离子组成射线后变为
11、另一个核素,这类核素称为后变为另一个核素,这类核素称为放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素。如铀,钚等元素周期表中序数较大元素。放射性,核衰变。如铀,钚等元素周期表中序数较大元素。放射性,核衰变。衰变类型衰变类型衰变类型衰变类型 粒子:粒子:核核 粒子:电子;粒子:电子;+粒子:正电子粒子:正电子 光子:能量高于光子:能量高于X射线射线守恒规律:电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律:电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律:电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律:电荷数、质量数、能量、动量和核子数。第11页第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第1
12、2页1.1.衰变衰变衰变衰变:(1)衰变:衰变:质量数质量数A209放射性核素自发地放射放射性核素自发地放射 射线而变成射线而变成 另一个核素现象。另一个核素现象。(2)衰变过程式衰变过程式:(3)衰变位移法则:衰变位移法则:子核子核Y比母核比母核X 电荷数降低电荷数降低2,核子数降低,核子数降低4,在,在 元素周期表要前移元素周期表要前移2位。位。(4)(4)衰变纲图:衰变纲图:一、一、一、一、放射性衰变放射性衰变放射性衰变放射性衰变第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第13页2.2.衰变衰变衰变衰变(2)衰变:衰变:(3)+衰变:衰变:(4)电子俘获:电子俘获:(
13、1)衰变:衰变:放射性核素自发地放射放射性核素自发地放射 射线(高速电子)射线(高速电子)或俘获轨道电子而变成另一个核素现象。或俘获轨道电子而变成另一个核素现象。(5)俄歇电子俄歇电子(Auger electron):一个内层电子被俘获后,外层一个内层电子被俘获后,外层电子会马上填补这一空位,同时释放能量。这个能量能够发电子会马上填补这一空位,同时释放能量。这个能量能够发射标识射标识X射线形式放出,也能够使另一外层电子电离成为自射线形式放出,也能够使另一外层电子电离成为自由电子。这种被电离电子称为俄歇电子。由电子。这种被电离电子称为俄歇电子。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规
14、律、核反应第14页(6)能谱图:能谱图:因为因为 衰变过程中有中微子参加,衰变所放出能量将在电子、衰变过程中有中微子参加,衰变所放出能量将在电子、中微子和子核之间任意分配,所以中微子和子核之间任意分配,所以 射线能谱是连续射线能谱是连续射线能谱是连续射线能谱是连续。N 粒子动能粒子动能 Emax E峰值峰值 粒粒子子数数第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第15页(1)衰变衰变:同核异能跃迁同核异能跃迁.(2)内转换内转换:在一些情况下在一些情况下,原子核从激发态向低能级激发态或基原子核从激发态向低能级激发态或基态跃迁时态跃迁时,不是经过放出光子不是经过放出光子,而是
15、经过核外电子发生能量交而是经过核外电子发生能量交换把能量交给电子换把能量交给电子,使其脱离原子束缚成为自由电子使其脱离原子束缚成为自由电子内内内内转换电子转换电子转换电子转换电子。(3)内转换过程中内转换过程中,因为释放电子而在原子内壳层出现空位,外因为释放电子而在原子内壳层出现空位,外层电子将会填充这个空位而发射标识层电子将会填充这个空位而发射标识X射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。3.3.衰变与内转换衰变与内转换衰变与内转换衰变与内转换第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第16页(4)衰变纲图:衰变纲图:第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应
16、第17页1.1.核衰变规律核衰变规律核衰变规律核衰变规律:2.2.半衰期半衰期半衰期半衰期(half life):(half life):积分得:积分得:为衰变常数为衰变常数(decay constant):表示一个原子核单位时间内发表示一个原子核单位时间内发生衰变概率。生衰变概率。OtN123二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第18页3 3有效半衰期有效半衰期有效半衰期有效半衰期(effective half life period)(effective half life period)4 4平均寿命平均寿命平均寿
17、命平均寿命(mean life time)(mean life time)半衰期、平均寿命与衰变常数关系:半衰期、平均寿命与衰变常数关系:第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第19页5.5.放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度(radioactivity)(radioactivity)单位:单位:1Bq=1核衰变核衰变/秒秒 1Ci(居里居里)=3.7 1010 Bq 放射源单位时间内发生衰变母核数,称为放射性活度。放射源单位时间内发生衰变母核数,称为放射性活度。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第20页入射粒子入射粒子靶靶 核核反反
18、冲冲 核核反应能:反应能:Q=EY+Eb Ea反应后质量亏损:反应后质量亏损:m=(mX+ma)(mY+mb)反应能:反应能:E=mc2,m0,放出能量;,放出能量;m0,吸收能量。,吸收能量。三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反应(artificial nuclear reaction(artificial nuclear reaction)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第21页1.1.中子核反应中子核反应中子核反应中子核反应 (n n,),(),(n n,p p),(),(n n,),),(n n,2n2n)2.2.质子核反应质子核反应质子
19、核反应质子核反应 (p p,),(),(p p,n n),(),(p p,)3.3.氘核核反应氘核核反应氘核核反应氘核核反应 (d d,p p),(),(d d,n n),(),(d d,),(),(d d,3 3HH),(d,),(d,2n2n)4.4.粒子核反应粒子核反应粒子核反应粒子核反应(,p p),(),(,n n)5.5.光致光致光致光致核反应核反应核反应核反应 (,n n)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第22页照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收能量;照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收能量;照射剂量就是单位体积或单位质量被照射
20、物质所吸收能量;照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收能量;测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生电离效应,即测量电离效应,即测量X射线和射线和 射线在单位质量空气中产生正射线在单位质量空气中产生正(或负)离子电量来表征(或负)离子电量来表征X射线和射线和 射线照射量。射线照射量。单位:单位:C/kg或伦琴或伦琴(R);1R=2.58104 C/kg第三节第三节 放射性核素放射性核素一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量(irradiation dose)(irradiation dose)1.1.
21、照射剂量照射剂量照射剂量照射剂量 (exposure dose)(exposure dose)第23页吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收电离能量;吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收电离能量;它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少一个物理量。它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少一个物理量。单位:单位:J/kg或戈瑞或戈瑞(Gy);1 Gy=1 J/kg;拉德拉德(rad);1 Gy=100 rad2.2.吸收剂量吸收剂量吸收剂量吸收剂量 (absorbed dose)(absorbed dose)第三节第三节 放射性核素放射性核素第24页生物体内单位质量组织,从各种射线中吸收一样多能量
22、,生物体内单位质量组织,从各种射线中吸收一样多能量,所产生生物学效应有很大差异,这是因为射线对细胞损所产生生物学效应有很大差异,这是因为射线对细胞损伤,不但与它吸收能量和产生离子相关,还与电离密集伤,不但与它吸收能量和产生离子相关,还与电离密集程度相关。书中程度相关。书中表表14-4 是射线是射线RBE。单位:希沃特单位:希沃特(Sv)3.3.生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量第三节第三节 放射性核素放射性核素第25页 由由表表14-4可可知知,粒粒子子RBE=20,粒粒子子RBE=1,所所以以甲甲肺肺组组织
23、织受到等效剂量为:受到等效剂量为:2 10 3 20=4.0 10 2 Sv 同理同理,乙肺组织受到等效剂量为:乙肺组织受到等效剂量为:1 10 3 20+1 10 3 1=2.1 10 2 Sv 相比之下,甲受到辐射影响比乙大。相比之下,甲受到辐射影响比乙大。例例 有有甲甲、乙乙两两人人,甲甲肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为2mGy.乙乙肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为1mGy,同同时时还还受受到到 粒粒子子照照射射,吸收剂量也为吸收剂量也为1mGy。试比较这两人所受射线影响大小。试比较这两人所受射线影响大小。例例例例例例解解解解解解第三节第三
24、节 放射性核素放射性核素第26页(1)最大允许剂量最大允许剂量(maximum permissible dose)放射线虽可用来诊疗和治疗疾病,但人体正常组织假如受到放射线虽可用来诊疗和治疗疾病,但人体正常组织假如受到过剂量照射,人体将会受到损害。所以,过剂量照射,人体将会受到损害。所以,在应用放射线同时,在应用放射线同时,在应用放射线同时,在应用放射线同时,要注意对它防护。要注意对它防护。要注意对它防护。要注意对它防护。国际上要求了一个最大允许剂量国际上要求了一个最大允许剂量,即经过一次照射成长久积累,即经过一次照射成长久积累,对人体没有损害又不发生遗传危害最大剂量限值。对人体没有损害又不发
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