医学物理学原子核和放射性省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、前前页页后后页页返返回回第1页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 原子核基本性质原子核基本性质第二节第二节 原子核衰变类型原子核衰变类型第三节第三节 原子核衰变规律原子核衰变规律第四节第四节 射线与物质相互作用射线与物质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第2页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衰变类型;衰变类型;2.2.掌握掌握放射性核素放射性核素衰变规律和应用;衰变规律和应用;3.3.了解射线与物质相互作用几个形式;了解射线与物质相互作用几个形式;4.4.了解射线剂量定义
2、及射线防护方法;了解射线剂量定义及射线防护方法;5.5.了解放射性核素在医学上应用。了解放射性核素在医学上应用。二、重点:原子核衰变类型及衰变规律二、重点:原子核衰变类型及衰变规律第3页原子组成原子组成中子中子第4页前前页页后后页页返返回回第一节第一节原子核基本性质原子核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 、原子核组成与符号表示、原子核组成与符号表示 原子核是由质子和中子组
3、成。质子和中子统称核子。第5页前前页页后后页页返返回回*原子核符号表示:原子核符号表示:质量数量数 元素符号元素符号原子序数原子序数这一符号表示了原子核两大特征:这一符号表示了原子核两大特征:质量质量和和电量。电量。第6页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:含有一定含有一定Z值、值、N值原子(原子核)称值原子(原子核)称为一个核素为一个核素。比如:比如:(三种三种核素核素)同位素同位素:含有相同含有相同Z值,而,而N值不一不一样核素称核素称为同位素。同位素含有相同化学性同位素。同位素含有相同化学性质.比如:比如:氧三种同位素氧三种同位素氢三种同位素三种同位素第7页前
4、前页页后后页页返返回回*同量异位素同量异位素:含有相同含有相同A值而值而Z值不一样核素值不一样核素。比如比如:*同质异能素同质异能素:含有相同含有相同Z值和值和N值,但能量状值,但能量状态不一样核素态不一样核素。表示:表示:基基态态激激发态发态0.14260.14050.000099Tcm(氩氩)(钙钙)(锝)第8页前前页页后后页页返返回回二、二、原子核性质原子核性质1.1.原子核大小和密度原子核大小和密度*原子核形状和大小:近似原子核形状和大小:近似为球体球体R=R0A 1/3 R0=1.2 10-15m *原子核平均密度:原子核平均密度:=2.3 1017kg.m-3 (地球平均密度地球平
5、均密度 =6 103kg.m-3)第9页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 核力是一个强相互作用核力是一个强相互作用 核力含有饱和性核力含有饱和性 核力与电荷无关核力与电荷无关 原子核能够处于不一样能量状态,且可原子核能够处于不一样能量状态,且可发生核能级间跃迁。发生核能级间跃迁。特特征征第10页前前页页后后页页返返回回三、原子核结合能和质量亏损三、原子核结合能和质量亏损1.1.原子核结合能原子核结合能*核子核子结合成原子核合成原子核时释放能量,称放能量
6、,称为原子核原子核结合能。合能。例子:例子:2H(氘核)结合能(氘核)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一个光子一个光子(反之亦然)(反之亦然)第11页前前页页后后页页返返回回2.原子核质量亏损(原子核质量亏损(mass defect)*原子核静原子核静质量比量比组成它核子静成它核子静质量量总和要小和要小一些,一些,这么降低么降低质量(量(m)称)称为质量量亏损。*质量亏损(质量亏损(m)计算:计算:m=mi i-m*质量亏损原因:质量亏损原因:由质能公式由质能公式 E E=mC C2 2 知,知,释放能释放能量改变量改
7、变(E E)相当于一定相当于一定质量质量改变改变(m)。(各个核子总静质量)各个核子总静质量)(原子核静质量原子核静质量)第12页前前页页后后页页返返回回*微微观观粒子粒子质质量,量,惯惯用(用(统统一)原子一)原子质质量量单单位位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):):*一个原子原子质质量量单单位位等于等于1212C C原子原子质质量量1/121/12;即即 1u=1.6605401u=1.660540 1010-27-27 kg kg*用用u u为为质质量量单单位,位,用用MeVMeV为为能量能量单单位位表示质能公式:表示质能公式:
8、1u1u931.5MeV m(u u)=1.0735=1.0735 1010-3-3 E E(MeVMeV)E E(MeVMeV)=931.5)=931.5 m(u u)或或 C2第13页前前页页后后页页返返回回四、原子核稳定性四、原子核稳定性*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)第14页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核都是放射性核素。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。由此知道取得核能两种路
9、径由此知道取得核能两种路径:重核裂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。第15页 *轻核聚变轻核聚变:轻核聚合成较重原子核,也会释放出大量能量。轻核聚合成较重原子核,也会释放出大量能量。*重核裂变重核裂变:重核分裂成两个中等核,会释放出大量能量。重核分裂成两个中等核,会释放出大量能量。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
10、中等核和会分裂成两个质量大致相等中等核和1-3个中子,并释个中子,并释放出大量能量;新中子又引发其它铀核裂变。这种核放出大量能量;新中子又引发其它铀核裂变。这种核反应可连续进行下去。反应可连续进行下去。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变释放能量是单位质量铀核裂变释放能量4倍左右。倍左右。应用应用 氢弹(我国氢
11、弹(我国1967年)和太阳能源年)和太阳能源第16页前前页页后后页页返返回回第第 二二 节节 原原 子子 核核 衰衰 变变 类类 型型*核衰核衰变过变过程程严严格恪守格恪守以下以下守恒定律:守恒定律:能量守恒定律,能量守恒定律,动动量守恒定律,量守恒定律,电电荷荷守恒定律,守恒定律,核子数守恒定律核子数守恒定律.*核衰核衰变变:核素核素自自发发地地放出射线变为另一个放出射线变为另一个核素核素现象现象,称,称为为核衰核衰变变(nuclear decay).*衰衰变变能能:核衰核衰变过变过程程释放出来能量,称为释放出来能量,称为衰衰变变能(能(decay energy),记为记为Q Q。第20页前
12、前页页后后页页返返回回一、一、衰变衰变*衰变衰变:A A 值值超超出出209209重重核核发发射射 核核(也也称称为为 粒粒子子),而而衰衰变变为为A A值值减减小小4 4另另一一个个原原子子核核。称称这这种种衰衰变变为为 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(镭镭)(氡氡)第21页前前
13、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射线线和和反中微子反中微子射线射线发射出来发射出来。0.14260.0000(81%)(81%)(钼钼)(锝锝)第23页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
14、衰变方式称为衰变方式称为+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。*子核能够处于激发态;所以有子核能够处于激发态;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%)1.022MeV(铁铁)(锰锰)第24页前前页页后后页页返返回回 原原子子核核俘俘获获一一个个核核外外电电子子,发发射射一一个个中中微微子子而而转转变变为为另另一一个个核核,这这个个衰衰变变过过程
15、程称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基础基础。0.6470.0000.392EC(1.7%)EC(98.2%)(锡锡)(铟铟)第25页前前页页后后页页返返回回被俘获电子主要来自核外K、L层,电子被俘获后将产生标识X射线或俄歇电子,俄歇电子:俄歇电子:电子跃迁时不辐射标识射线,而将电子跃迁时不辐射标识射线,而将其能量传给同一能级另一电子,使
16、其成为自由其能量传给同一能级另一电子,使其成为自由电子,此自由电子即为俄歇电子。电子,此自由电子即为俄歇电子。第26页前前页页后后页页返返回回三、三、衰变和内转换衰变和内转换*衰变衰变(decay):):射射线线是是从从原原子子核核内内发发出出高高能能量量光光子子。原原子子核核激激发态能量经过发态能量经过发出发出 射线衰变方式称为射线衰变方式称为 衰变衰变.例子例子:99Tc 衰变。衰变。基基态态激激发态发态能级能级(MeV)0.18110.14260.1405 射线射线0.000099Tcm*内转换内转换(internal conversion)(internal conversion):原
17、子核原子核激发态能量也可直接传递给核外内层电子,使激发态能量也可直接传递给核外内层电子,使从原子中飞出。从原子中飞出。第28页前前页页后后页页返返回回内转换(internal conversion)第29页前前页页后后页页返返回回第一、二节小结核素核素同位素同位素同质异能素同质异能素同量异位素同量异位素原子核组成原子核组成核力核力原子核密度原子核密度核能级核能级结合能和质量亏损结合能和质量亏损原子核原子核基本性基本性质质核衰变核衰变四个守恒定律四个守恒定律衰变类型衰变类型第32页前前页页后后页页返返回回第三节 核衰变规律*衰衰变定律:定律:不稳定核素不稳定核素衰变率衰变率与与现有原子核个数现有
18、原子核个数N成成正比正比一、衰变定律一、衰变定律*自自发过程遵照程遵照统计规律。律。利用初始条件利用初始条件:t=0时,N=N0;对上式上式积分得到:分得到:*放射性物质按指数规律衰减放射性物质按指数规律衰减.第33页前前页页后后页页返返回回二、衰变常数和半衰期二、衰变常数和半衰期(1)衰衰变常数常数(decayconstant)单位单位:S-1物理意义物理意义:衰变常数:衰变常数越大放射性核素,其衰变越快。越大放射性核素,其衰变越快。(2)半衰期半衰期T(half-life):定定义:放射性核素降低至二分之一所需放射性核素降低至二分之一所需时间。表示式表示式:物理意义物理意义:半衰期越小放射
19、性核素,其衰变越快。:半衰期越小放射性核素,其衰变越快。单位单位:y(a),d,h,min,S等等。衰变定律另一表式:衰变定律另一表式:第34页前前页页后后页页返返回回(3)平均寿命)平均寿命*定定义:放射性核平均生存:放射性核平均生存时间注意上式中注意上式中衰衰变常数、半衰期和常数、半衰期和平均寿命平均寿命 三者关系。三者关系。第35页前前页页后后页页返返回回三、放射性活度(radioactivity,A)*放射性活度国际单位称为贝可,记为放射性活度国际单位称为贝可,记为Bq。1Bq=1次核衰变次核衰变/秒秒 惯用旧单位是居里,用惯用旧单位是居里,用Ci表示表示。1Ci=3.71010Bq。
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