核物理基础知识ppt课件.ppt
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1、1,TEL:0734-8160771,15096001925E-mail:,辐射剂量学谢腾飞,2011.03,南华大学核科学技术学院教授,2,原子核与放射性的物理基础,1.原子与原子核的组成2.放射性粒子产生的原因3.质量亏损4.衰变规律5.射线与物质作用的机制6.射线减弱规律,3,自然界存在的一切物质,都是由不同的元素组成。元素的基本单位是原子。原子表征量为物质的物理、化学性质和光谱特性。原子核由质子和中子组成,质子和中子通称为核子。其表征为原子核的放射性。,2.1 原子与原子核,4,现代原子结构,原子的直径约为10-10米。原子核在中心约原子直径的1/10000。原子的质量几乎全集中在原子
2、核上电子的质量仅为质子质量的1/1840。一个电子所带的电荷为1.610-19库仑(C),定义为单位电荷。,5,实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、确定的关系,所以用符号AX足以表示一个特定的核素,原子核的表示,原子质量单位等于一个碳12核素原子质量的1/12,记为u。1u=1.660565510-27 kg。质子和中子质量几乎一样,分别为:mp=1.00727644umn=1.00866522u,6,原子核的大小,原子核的半径,原子核半径近似正比于A1/3,原子核体积近似正比于A。,ro为原子核半径常数(1.210-13 cm),A为原子核的质量数,原子核的体积,7,原子核的密度(单位体积的
3、核子数):,可见,原子核密度为常数,且非常大。,一个核子的质量,则核物质的密度:,8,原子核物理常用术语及意义,1).核素(nuclide),具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子称为核素。,核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同,就是不同的核素。,两种核素,A同,Z、N 不同。,两种核素,N 同,A、Z 不同。,两种核素,Z 同,A、N 不同。,60Co 60mCo 两种核素,A、Z、N 同,能态不同。,9,某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。,具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。(即Z相同,N不同,在元素周期表中处于同一个位置,具有基
4、本相同化学性质。),2).同位素(Isotope)和同位素丰度,铀的二种同位素。,氢的三种同位素;,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,0.724%、99.276%,10,99.985%、0.015%,3).稳定核素和放射性同位素,其中,稳定同位素为:,而3H 为放射性同位素,具有放射性,放出最大能量约为18KeV的射线,其半衰期12.3年。,氢的三种同位素具有相同的化学性质,但其放射性却不同。,11,人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素,而是在反应堆或加速器所生成。广泛的放射源-钴源(60Co)就是在反应堆中生成。将金属钴,即59Co,
5、其丰度100%,放在反应堆孔道内,利用中子照射59Co,发生如下核反应:工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源(60Co),其活度达几十万至百万居里(Ci)。,4).人工放射性核素,12,根据原子核的稳定性,可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在着密切的关系。我们可以把核素排在一张所谓核素图上。核素图共包含2000个核素,其中天然存在332个核素(280为稳定核素),人工放射性核素1600多个。,5).核素和核素图,13,质量亏损,所有的核都存在质量亏损,即,原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和的,少的那部分质量称为质量亏
6、损(Mass Defect)。表示为,原子核结合能的概念,14,氘是氢的同位素,氘()由一个中子和一个质子所组成。中子的质量:质子的质量:而氘核的质量:可见,氘核的质量小于组成它的质子和中子质量之和,两者之差为,原子核结合能的概念,15,既然 m0,则相应的能量就减少,表明当若干质子和中子结合成一个核时,将释放一部分能量,这个能量称为叫结合能。,以原子质量M 表示,一般手册都为给出原子质量,得到:,原子核结合能的概念,16,比结合能及比结合能曲线,比结合能(平均结合能):,单位是 MeV/Nu,Nu代表核子。,比结合能的物理意义:原子核拆散成自由核子时,外界对每个核子所做的最小的平均功。或者说
7、,它表示核子结合成原子核时,平均一个核子所释放的能量。,比结合能表征了原子核结合的松紧程度:比结合能大,核结合紧,稳定性高;比结合能小,核结合松,稳定性差。,17,比结合能曲线:,8.79,7.07,1.112,18,原子核的放射性,19,1896年,Becquerel(获1903年诺贝尔物理奖)在铀盐中发现放射性。原子核的蜕变包括原子核的衰变、核反应和核裂变等过程,在这些过程中均会产生放射性。,放射性-原子核的蜕变,20,核衰变主要的类型:a,b,g衰变,Type of Radiation Charge/MassPenetration a 粒子(氦核)+2q/4mp 空气(几cm)b 电子或
8、正电子 q/me or+q/me 几 mm铝片 g 光子 no charge 几mmcm铅,21,衰变(丰中子核发生),衰变,衰变,衰变(欠中子核),轨道电子俘获(欠中子核),跃迁:高激发态到低激发态或基态的跃迁。,a,b,g衰变的过程:,22,从母核中射出的4He原子核,粒子得到大部分衰变能,238U4He+234Th,放射性母核!,基本衰变衰变,放射性衰变及衰变规律,23,发生原因:母核中子或质子过多,质子转变成中子,并且带走一个单位的正电荷,中子转变成质子,并且带走一个单位的负电荷,基本衰变衰变,24,基本衰变衰变,25,a,b,g衰变的实例,26,核素的衰变纲图(常用放射性核素衰变数据
9、和纲图),27,核素的衰变纲图,28,核素的衰变纲图,29,60Co级联辐射,30,放射性核素的衰变规律,31,222Rn的衰变曲线,实验发现,放射性核素 放出一个粒子,变成,而 的数目大约每4天减少一半。,放射性核素的衰变规律,32,它应该正比于N(t)和时间间隔dt,,由统计性,以放射源总体考虑衰减规律:,设:t 时刻放射性原子核的数目为N(t),,t t+dt 内发生的核衰变数目-dN(t),,于是有:,放射性核素的衰变规律,33,1.衰变常数,分子表示:t 时刻单位时间内发生衰变的核数目,称为衰变率,t 时刻放射性原子核总数,衰变常数:一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。,放射性核素
10、的特征量,量纲为:t-1,如1/s,1/h,1/d,1/a,34,b.当一个原子核有几种衰变方式时:,a.衰变率:,定义分支比:,35,2.半衰期,半衰期:放射性核数衰变一半所需的时间,记为。,即:,量纲为:t,如s,h,d,a,36,3.平均寿命,平均寿命 总寿命/总核数,平均寿命是指某种放射性核素其平均生存的时间平均寿命用表示,与、T1/2的关系:,37,1.放射性活度(Activity),即:,定义:,则:,活度定义:一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示,表征放射源的强弱。,放射性活度及其单位,38,2.活度单位,常用单位居里(Ci):,法定计量单位为贝可(Bq):,39,
11、例如:,递次衰变规律,40,1)两次连续衰变规律,初始条件:,A 和 B 的衰变常数分别为 1 和 2,C 的数目为0。,是单一放射性衰变,服从简单的指数规律。,即:,对于A:,这样t时刻,A的数目的变化为:,41,对于B:,不断衰变为C(减少):,不断从A获得(增加):,这样B的数目的变化为:,B,代入N1(t)等条件,解此微分方程,,可见,子体 B 的变化规律不仅与它本身的衰变常数 2 有关,而且还与母体 A 的衰变常数 1 有关,它的衰变规律不再是简单的指数规律。,42,已经假设 C 是稳定的,那么它的变化仅由 B 的衰变决定,即:,解此方程,得:,对于C:,当t,N3(t)N10,母体
12、A全部衰变成子体C。子体C是稳定的,不再发生衰变。,43,两次连续衰变规律总结如下:,44,对于n代连续放射性衰变过程,其中第1到第n代核素具有放射性,而第n+1代核素为稳定核素。,设初始条件为:,各衰变常数为:,用同样的方法可以求出第 n 个核素随时间的变化规律:,2)多次连续衰变规律,45,其中,系数 为:,在连续放射性衰变中,母体衰变是单一放射性衰变,服从指数衰减规律;其余各代子体的衰变规律不再是简单指数规律,而与前 面各代衰变常数都有关。,46,3)放射性平衡,对于两代连续 A B C(稳定),我们来看子体 B 的变化情况,子体 B 的变化只取决于 1 和2。我们分三种情况讨论:,47
13、,(1)暂时平衡,母体A的半衰期不是很长,但比子体B的半衰期长,即,则在观察时间内可看出母体 A 放射性的变化,以及子体 B 的核数目在时间足够长之后,将和母体的核数目建立一固定的比例,此时子体 B 的变化将按母体的半衰期衰减。这时建立的平衡叫暂时平衡。,48,由:,由于:,,当 t 足够大时,,暂时平衡关系:,子母体的放射性活度的关系为:,即:当 t 足够大时,有:,有:,49,暂时平衡(1 2)的例子:,母体按自己的衰变常数指数衰减。,子体开始时从无到有增加,但增加速度会减慢,a.母体数减少,其衰变率减少,即子体生成率减小,b.子体数增加,衰变率增加,时,子体数目最大。,50,a子体活度曲
14、线,d子体单独存在时活度曲线,b母体活度曲线,c母子共同活度曲线,tm,51,对于多代连续放射性衰变:,只要母体A1的衰变常数1 最小,就会建立起按A1的半衰期进行衰变的暂时平衡体系。,建立平衡之后,各代放射体的数量及活度之比不随时间变化,且均各代按 1 进行衰变。,52,例如:“母牛”。,由于T1/2(99Mo)T1/2(99mTc),体系可建立暂时平衡。,当 t=tm 时,子核放射性活度最大,,53,(2)长期平衡,当母体A的半衰期较长,且比子体B的半衰期长得多时,即,或,则在观察时间内,看不出母体A放射性的变化;在相当长时间以后,子体 B 的核数目和放射性活度达到饱和,并且子母体的放射性
15、活度相等。这时建立的平衡叫长期平衡。,54,由:,由于:,,当 t 足够大时,有:,长期平衡关系:,所以:,子母体的放射性活度的关系为:,即:当 t 足够大时,有:,55,a子体活度曲线,d子体单独存在时活度曲线,b母体活度曲线,c母子共同活度曲线,200,56,对于多代连续放射性衰变:,只要母体 A1 的衰变常数 1 足够小,就会建立起按A1的半衰期进行衰变的长期平衡体系。,i=2,3,4,总核数为N10,平衡后总活度为 nA1。,各代放射体的数量之比不随时间变化;各代子体的放射性活度都等于母体的放射性活度,且均按 1 进行衰变。,57,58,(3)不平衡逐代衰变,当母体A的半衰期比子体B的
16、半衰期短时,即,或,这时建立不起平衡,母体A按指数规律较快衰减;而子体B的数目从零逐步增加过极大值后较慢衰减,当时间足够长时,子体B则按自己的衰变常数2衰变。这种情况也称为逐代衰变。,59,由:,由于:,,当 t 足够大时,有:,不平衡情况:,子体的放射性活度为:,母体的放射性活度为:,即:当 t 足够大时,有:,60,a 子体活度曲线,d 子体单独存在时活度曲线,b 母体活度曲线,c 母子共同活度曲线,tm,61,对于多代连续放射性衰变:,那么,随着时间的流逝,将会形成逐代衰变现象。首先是第一代衰变完,接着第二代,第三代,逐代衰变完。而且各自按自己的衰变常数衰变。,如果上代的核素都比下代的核
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