原子核与放射性.ppt

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1、1,原子核与放射性,物理教研组,2,原子核与放射性,一、问题：地球如果成为黑洞的一份子，其体积将有多大？原子核的密度为2.31017kg/m3（黄金的密度为19.3103kg/m3）,你知道为什么会如此之大吗？木乃伊的存在年代如何计算?射线、射线、射线分别指的是什么？对人体有什么伤害？如何防护？,3,二、学习本章后，我们应该：1、掌握原子核的基本性质和原子核的衰变类型；2、掌握原子核的衰变规律和应用；3、理解射线与物质相互作用的几种形式；4、理解射线剂量的定义及射线的防护方法;5、了解放射性核素在医学上的应用。,三、重点：原子核的衰变类型及衰变规律四、学时数：56学时,4,第一节 原子核的基本

2、性质,一、原子核的组成、质量和大小 原子核由核子（质子、中子）组成1.质子(proton):质子带正电,其质量mp=1.007276，（1=1.6610-27 Kg,称为统一原子质量单位）；2.中子(neutron):中子不带电，其质量mn=1.008665；3.原子序数 Z：4.质量数 A:原子核中质子和中子的总和称为质量数，记作A 原子核的质量几乎都是的整数倍，即m=A,5,原子核内的A、Z值和核能态都相同的一类原子称为同一种核素(或一类具有确定质子数和核子数的中性原子)，其表示符号为 AZX 或 AX 如:168O、1H、2H、3H。6.同位素（isotope）:Z值相同、A值不同的核素

3、,彼此称为同位素.同位素丰度:同位素在自然界中的百分比。,5.核素(nuclide):,6,7.同核(质)异能素(isomer):用A mX、AX表示，如：99m43Tc 是99Tc的同核异能素.8.同量异位素：A 相同、Z 不相同的原子，称为同量异位素，如：4018Ar和 4020Ca。9、同中子异位素中子数相同核素：,7,原子核的体积正比于原子核的质量数A，原子核的形状近似成球形，其核半径 R=R0 A1/3 R0是常数，R0=1.210-15 m。核半径比原子半径小106倍。绿豆大小的核（1mm）其原子半径约为1km。,9.原子核的大小,8,10、核密度是均匀的，约为：,其值远大于水的密

4、度103kg/m3和白金的密度21.5103kg/m3.原子核是物质高度密集处，为什么？,9,11、核力(nuclear force)：,核力为什么这么强？核密度又为什么如此之大？汤川秀树1935年，发表了核力的介子场论，用数学方法预见介子的存在，解释了这些问题，并于1949年获诺贝尔物理奖。(+介子带正电、-带负电、0介子不带电，其质量为电子质量me的273.3倍、264.2倍)自然界只有四种基本相互作用力：即引力、电磁力、弱力与强力,存在于核子间的力称为核力，是短程力（仅在10-15 m范围内起作用），是一种强相互作用力，具有饱和性，与核子的带电性无关，核子间不能无限靠近（10-1 m 即

5、为斥力）。,10,原子核和原子一样具有分立的能级，称为原子核能级核能级间可以发生跃迁，跃迁时辐射电磁波（即射线）释放能量。,12.核能级：,11,二、原子核的自旋和磁矩,原子核具有角动量，角动量又称为核自旋。角动量包括:核子自旋运动角动量 原子核轨道运动角动量原子核是一个带电体系,具有角动量,也具有核磁矩.,12,三、原子核结合能和质量亏损,1.结合能：核子结合成原子核的过程中，要释放能量，此能量称为结合能。2.质量亏损(mass defect)：任何原子核的质量都小于组成它的所有核子单独存在时的质量之和，其差值称为质量亏损，用m 表示。如:氘(21H)由一个中子、一个质子组成，但,释放出能量

6、为2.225MeV的光子,13,亏损的质量将转为能量，质能关系：E=m C2=931.5M 式中m 用统一原子质量单位作单位，能量E 以兆电子伏特(MeV)作单位。1质量的物质对应931.5MeV能量比结合能：原子核的结合能与该核的核子数之比，用表示,=E/A,14,3、原子核的稳定性：,现在已知的核素约有2400多种（陈泽民书），仅约300种核素是稳定的，其余皆为不稳定核素。原子核不稳定的因素有：比结合能小的核不稳定，易于分解，A209不稳定；其他不明原因.,不稳定核素将发生核衰变,15,四、原子核的宇称,宇称：指用于描述空间对称性的量子数，是描述微观粒子运动特性的物理量。通常用波函数在空间

7、坐标反演（改变坐标值符号）下的变换性质来表现。当(r)=+(-r)时，称粒子的运动状态具有偶宇称；当(r)=-(-r)时，称粒子的运动状态具有奇宇称。,16,第二节 核衰变类型,核衰变（nuclear decay)不稳定核素自发地放出射线变成另一种核素的现象称为原子核衰变，简称核衰变。衰变过程遵守四个守恒定律：质量和能量守恒定律 动量守恒定律 电荷数守恒定律 核子数守恒定律衰变能：如果衰变前后的静止质量不守恒，则衰变前后的质量差值将转化为核衰变时吸收或放出的能量，此能量称为衰变能，记作Q。,17,一、衰变,质量数A超过209的重核不稳定，会自发发射粒子，衰变成A值较小的原子核，这种能发出射线的

8、核衰变称为衰变。粒子即氦核（42He)衰变的过程表示：,在元素周期表内子核Y的位置比母核X前移两位，此即衰变的位移法则。如：,18,衰变的衰变纲图表示,0 Mev,3.82d,镭原子核放射出来的粒子具有三种不同的能量；,箭头向左下方指，表示子体核较母体核在元素周期表中前移,19,二、衰变,原子核自发的变成另一种核，其质量数A不变，原子序数在元素周期表中向前或向后移一个位置，此过程，称为衰变（不同于书）。衰变类型：-衰变、衰变、电子俘获1、-衰变 原子核内中子数多于质子数时，原子核自发发射-粒子（即负电子），此衰变称为-衰变。,是中微子的反物质,-衰变的过程表示：,20,中微子和反中微子都是非常

9、轻的中性粒子，与其它粒子的相互作用非常弱，历史上中微子曾有“窃贼”之称号，因其与粒子随机(任意)分配能量(E+Ee=EMAX)，使粒子能量不是理想的离散数值，而是从0到EMAX的连续能谱。中微子有三种类型：e、及其反物质。,中微子和反中微子,实验中发现-粒子的能量是连续分布的，为什么？,21,-衰变使子核增加了一个质子，子核较母核在元素周期表中后移一位。如吴健雄等人做的钴60的-衰变：,-衰变的过程表示：,MO(钼)的衰变表示式为：,22,衰变简图：,MO(钼)TC(锝)通常在衰变图上标出的是粒子能量的最大值(、的总值),23,子核较母体核在元素周期表中前移一位。,2、+衰变,在质子数较多的原

10、子核中，若其基态能量较大，其中一个质子会发射一个正电子和一个中微子，变为电荷数减少1，核子数不变的子核。原子核自发发射+粒子(即正电子)的衰变称为+衰变。+衰变的过程表示为：,24,正电子,+:正电子，是负电子的反物质，当其能量为零时，将与一个负电子结合，变成两个能量均为0.511Mev且飞行方向相反的X光子，此即电子对的湮灭。通过测量X射线可探测+的存在。,25,3、电子俘获（electron capture),在质子数较多的原子核中，质子从核外俘获一个电子，发射一个反中微子，转为中子，此衰变过程称为电子俘获，简写为EC EC的过程可表示为：,子核在元素周期表内较母核前移一位。,26,被俘获

11、的电子主要来自核外的K、L层，电子被俘获后将产生子核的标识射线或俄歇电子，,俄歇电子是指电子跃迁时不辐射标识射线，而将其能量传给同一能级的另一电子，使其成为自由电子，此自由电子即为俄歇电子。,27,三.衰变和内转换,原子核内发射射线的衰变方式称为衰变。射线是电磁波，从原子核内发出后，衰变前后A、Z值不改变。,产生原因：核反应或核衰变后新生成的子体核，多数处于激发态，不稳定，在向基态跃迁时将多余能量以射线的形式释放。,28,内转换（internal conversion),29,原子核向基态跃迁时，将多余能量传递给核外某内层轨道电子，使其成为自由电子，此过程称为内转换。产生的自由电子称为内转换电

12、子。内壳层出现空位后还将再产生标识X射线或俄歇电子。,内转换,30,第一、二节小结,核素同位素同质异能素同量异位素,原子核的组成,核力,原子核的密度,核能级结合能和质量亏损,原子核的基本性质,核衰变,四个守恒定律,衰变类型,31,第三节 原子核的衰变规律,此即放射性核素的衰变规律,一、衰变规律不稳定核素的衰变率（单位时间内衰变的核数）与现有的原子核个数N成正比，即：,称为衰变常数，=12n对上式积分，并利用初始条件t=0,N=N0,则有：,32,二、半衰期（half-life),所以,放射性核素减少一半所需的时间，称为半衰期 用T 表示,常见放射性核素的衰变类型及T 的值见教材：表17-1注意

13、:14C的T=5730aannoy,33,木乃伊的存在年代如何计算?,活着生物体骨骼内14C、12C的数量之比(平衡比)与空气相同是确定的值(为1.310-12),生物体死亡后,14C值将逐渐减少,14C的半衰期T1=5730a由此可求出骨骼存放年代.如:测量某木乃伊骨骼所含14C的量是同质量有生命骨骼含量的1/4,求此木乃伊死亡的年代?,34,1.生物半衰期：非放射性药物进入生物体，体内留存量由于生物代谢减少，减少一半所需的时间称为生物半衰期，用Tb表示，b称为生物衰变常数。2.有效半衰期 放射性药物进入生物体后，衰减总速率为：,e=b+称为有效衰变常数，若Te表示有效半衰变期，则：,35,

14、3、平均寿命,10个人的平均寿命（1人活30岁，2个人活了40岁，4个人活了50岁，3个人活了70岁）如何计算？中国人目前的平均寿命约为72岁，如何计算？同类放射性核素的平均生存时间即平均寿命。利用统计规律可求出某放射性核素的平均寿命：,36,三、放射性活度（activity),单位时间内衰变的原子核数称为放射性活度。用A表示：,定义式,关系式,A0=N0表示t=0时刻的放射性活度。,37,放射性活度的单位：,贝可（Bq）旧单位：居里(Ci)1Ci=3.71010 Bq物质质量为M，原子的个数N则为：,NA为阿伏加德罗常数，NA=6.021023 个/mol,38,例17-1,设一台60Co-

15、刀初装时钴源活度为6040Ci，使用5年后，钴源活度还剩多少Bq?其平均寿命为多少年？解:查得60Co的半衰期T=5.27年,因为A0=6040Ci=60403.71010=2241012 Bq所以5年后钴源活度为:,其平均寿命为:=1.44T=1.445=7.6年=7.6 a,39,四、放射平衡,许多放射性核素衰变后生成的核素仍会再衰变，甚至可延续好几代，形成一个放射性家族，称为放射系,级联衰变。若母体的半衰期很长，子体半衰期较短，当子体核每秒衰变的核数等于它从母体得到补充的核数时，子体的核数不再变化，达到放射平衡。核素发生器，俗称“母牛”,如：99Mo,40,第四节 射线与物质的相互作用,

16、射线1、粒子射线：带电粒子射线：、+、-不带电粒子射线：中子射线2、光子射线：X射线、射线一、带电粒子射线与物质的相互作用1、电离和激发 2、散射和轫致辐射,41,1.电离和激发,1.1、直接电离：带电粒子使某个电子脱离原子成为自由电子过程称为直接电离。1.2、间接电离：从原子中脱离的电子，因为具有动能仍将与其它原子作用，引起新的电离，这种电离称为间接电离或次级电离。1.3、比电离（specific ionization)：每厘米长的径迹上离子对的数目称为比电离（又称电离比值、电离比度）。,42,1.4、影响电离比值大小的量有,a.带电粒子的电荷量Q 电荷量大，电离比值大。b.带电粒子的速度v

17、 速度小，电离比值大，c.物质的密度 物质密度大，电子密度大，粒子射线与电子作用的概率大，电离比值大。,1.5、激发：带电粒子使电子由低能级跃迁到高能级的现象称为激发。激发的结果：产生光子。,43,2、散射和轫致辐射,散射：带电粒子在物质中受原子核静电力的作用而改变方向，此现象称为散射。粒子能量不变，称为弹性散射 若粒子能量有损失，称为非弹性散射轫致辐射 相关的两个概念：（1）射程（2）吸收,44,（1）射程,粒子在物质中停止运动以前所通过的最大直线距离叫射程。如：粒子的射程：在空气中可达数米，在生物体内有数十毫米。粒子的射程：在空气中可达数厘米，在生物体内为0.30.13mm。（2）吸收射线

18、能量完全丧失时，粒子射线将消失，此即射线被吸收。,45,二、光子射线与物质的相互作用,光子与物质相互作用的主要方式有三种：光电效应、康普顿散射、电子对生成。1.光电效应光电效应的结果产生了：光电子、标识X射线 俄歇电子,46,2.康普顿散射,能量较高的光子与自由电子或原子中束缚不太紧的电子作用，把一部分能量传给电子，使其脱离原子成为反冲电子，光子能量减小，以散射光子的形式改变前进方向，这种作用过程称为康普顿散射。康普顿散射的结果产生了：反冲电子、散射光子、标识光子,47,3、电子对效应,当光子的能量h大于两个电子的静止质量2mec2=1.022MeV时，光子在原子核电场作用下转化为一个正电子和

19、一个负电子，电子的运动方向几乎与光子相同，这种现象称为电子对效应（electron pairing effect)，也称为电子对的生成。,48,3、电子对湮灭,正电子在真空中稳定，在物质中很难存在，当正电子能量为零时会与一个负电子结合，转化为两个能量皆为0.511MeV、飞行方向相反的光子，此现象称为电子对的湮灭(electron pair annihilation).,结果：产生正电子、负电子和两个X光子,49,光子与物质作用的三种形式与光子的能量、物质的原子序数Z有关：低能量的光子与高原子序数的物质，以光电效应为主；中等能量的光子以康普顿散射为主；电子对生成主要发生在高能光子与高原子序数的

20、物质中，但在能量极高光子的作用下，较低原子序数的物质中也可发生电子对生成现象。,50,三、中子与物质的相互作用,1、中子的获得：铀裂变时可获取中子：23599U+10n=9038Sr+13654Xe+10 10n2、中子分类：慢中子：能量介于0.03100eV 热中子：能量小于0.5eV 中能中子：能量介于0.5eV10KeV 快中子：能量介于10KeV 10MeV 高能热中子：能量大于10MeV,51,3、中子与物质的相互作用 中子主要与原子核发生作用，如：受原子核散射或与原子核发生核反应，引起物质间接电离。4、中子的防护：常用含氢较多的水、石蜡使中子减速且吸收中子，达到防护作用5、中子的医

21、学应用：用中子照射肿瘤疗效优于X、射线；中子活化分析等。,52,第五节 辐射剂量与防护及测量原理,1、电离辐射：粒子、粒子、X射线、射线、中子射线等通过物质时，皆能直接和间接产生电离作用，统称为电离辐射。2、辐射效应：各种电离辐射通过物质时能使物质发生变化，称为辐射效应。,53,3、生物效应：,人体组织吸收电离辐射能量后会产生物理、化学和生物学变化，导致生物组织的损伤，称为生物效应。生物效应的程度是准确评估放射治疗的疗效和副作用的量。下面介绍几个相关的量：剂量：是用来表示人体接受电离辐射的物理量。,54,一、辐射剂量及其单位,1、照射量X、射线的照射量定义为 E=dQ/dm 式中dQ是当射线在

22、质量为dm的干燥空气中形成的任何一种符号（正和负）离子的总电量。E的单位为：C/kg，曾用单位为：伦琴（R）1R=2.5810-4 C/kg,55,2、吸收剂量,每单位质量的被照物质从电离辐射中所吸收的能量称为吸收剂量，用D 表示 D=dE/dm单位：J/kg，称为戈瑞（Gy），常用单位有：拉德（rad）1 Gy=100 rad吸收剂量率：单位时间内的吸收剂量称为吸收剂量率，单位为：Gy/s,56,3、当量剂量(或剂量当量)HT,当量剂量是反映电离辐射对人体损伤程度的物理量,根据射线生物效应的强烈程度，引入辐射权重因子R,57,当量剂量=吸收剂量辐射权重因子 即 H=D R 剂量当量H 的单位

23、为：希沃特（Sv)，常用的单位还有：雷姆（rem)1Sv=100rem,58,二、辐射防护,人们在日常生活中一直受到的各种天然射线的照射，称为本底照射，1、最大允许剂量（MPD）国际上规定：经过长期积累或一次性照射后，对肌体既无损害又不发生遗传危害的最大剂量称为最大允许剂量（MPD）。我国规定的MPD值为每年不超过5rem，即50mSv。,59,1.外照射防护,放射源在体外对人体进行的照射称为外照射。对射线的防护：工作时只要带手套就能有效的进行外防护（射程短）；对射线的防护：使用原子序数中等的物质，如用各种塑料和有机玻璃等。对X、射线的防护：用原子序数较大的物质，如铅。,60,2.内照射防护,

24、内照射：放射性核素注入体内进行的照射称为内照射。任何射线的内照射皆应该避免，特别是射线（电离比值大）,混泥土建筑物氡Rn的含量较高，散入空气中，会随尘埃吸入人肺中产生内照射，22286Rn，半衰期为3.82d，产生、衰变，容易引起肺癌。,61,日常生活中接触到的辐射剂量,国家规定安全剂量 5 mSv/年北京地区天然本底 2 mSv/年吃食物 0.2 mSv/年砖制房屋 0.4 mSv/年乘飞机 0.01 mSv/小时吸烟20支/天 1 mSv/年泥土、空气 0.5 mSv/年门诊透视 0.3 mSv/次胸部透视 0.1 mSv/次消化道造影 13.7 mSv/次,62,三、射线的测量原理,射线

25、探测器可以探测、射线是否存在，甚至能探测其能量和数目。,63,第六节 放射性核素在医学上的应用,1、示踪的原理2、放射诊断3、肿瘤放射治疗,64,第三、四、五节小结,核衰变的规律,衰变常数、半衰期、平均寿命、放射性活度,有效半衰期,射线与物质的相互作用,带电粒子射线,光子射线,中子射线,电离和激发 散射和轫致辐射,光电效应康普顿散射电子对生成,粒子射线,电离辐射,照射量 吸收剂量剂量当量,防护,作业：P350：2、4、5、6、7、9、10,65,作业,P350：2、4、5、6、7、9、10(9、100Ci是活度A=N，由此求N，剂量即吸收剂量dE/dm),结束,66,一、问题,地球如果成为黑洞

26、的一份子，其体积将有多大？原子核的密度为2.31017kg/m3（黄金的密度为19.3103kg/m3）,你知道为什么会如此之大吗？木乃伊的存在年代如何计算?射线、射线、射线分别指的是什么？对人体有害吗？如何防护？,三、重点：原子核的衰变类型及衰变规律,二、学习本章后，我们应该：1、掌握原子核的基本性质和原子核的衰变类型。2、掌握原子核的衰变规律和应用。3、理解射线与物质相互作用的几种形式。4、理解射线剂量的定义及射线的防护方法。,67,习题十七,17-1、计算两个H原子核结合成一个原子核时释放的能量（以MeV为单位）。解：已知H原子核的质量m=2.014020u He原子核的质量m=4.00

27、2603u两个H原子核结合成一个He原子的质量亏损m=2 m1-m2（u）=0.025437u,68,17-2、,两个氢原子结合成氢分子时释放的能量为4.73eV，试计算由此发生的质量亏损，并计算1mol氢分子的结合能。解：（1）在质能关系中，如果质量亏损以为单位，则1=931.5MeV，于是,（2）1mol氢分子的结合能（1eV=1.60210-19J）E=4.736.02210231.60210-19=4.563105J/mol。,69,17-4,32P的半衰期是14.3d，试计算它的衰变常数和平均寿命，1ug纯32P的放射性活度是多少贝可?解：已知=32g/mol；NA=6.022102

28、3mol-1；T=14.3d；m=1mg=1.010-6Kg,70,17-5,131I的半衰期是8.04d，问从12日上午9时测量时为15 mCi的131I，到同月30日下午3时，放射性活度还有多少？解：已知T=8.04d，t1=(1224+9)h，t2=(3024+15)h,71,17-6,利用131I的溶液作甲状腺扫描，在溶液出厂时只需注射0.5ml就够了（131I的半衰期为8.04d）。如果溶液出厂后贮存11d，作同样扫描需注射多少溶液？解：依公式,72,17-7,一个含3H的样品的放射性活度为3.7102Bq(0.01Ci)，问样品中3H的含量有多少克？解：已知3H的半衰期为12.33

29、y，即T=12.33365246060s=3g/mol N0=6.0221023mol-1I=3.7102Bq,73,17-9,某患者口服131I治疗甲状腺功能亢进症，设每克甲状腺实际吸收100 uCi的131I，其有效半衰期约为5d，衰变时发出的射线的平均能量为200keV，全部在甲状腺内吸收，射线的吸收可忽略，试计算甲状腺接受的剂量。解：已知m=1g=10-3kg，T=5d，粒子的平均能量E=200keV=2001031.610-19J,74,17-10,10、两种放射性核素的半衰期分别为8d和6d，设含这两种放射性药物的放射性活度相同，问其放射性物质的mol数相差多少倍？解：,75,17

30、-11,已知U3O8中的铀为放射性核素，今有5g U3O8，试求其放射性活度。解：已知U3O8的分子量为2383+168=842其中U占,于是5g U3O8中的U的质量m=584.8%=4.24g，U的原子核数,U的半衰期T=4.5109a，按放射性强度的定义，可知：,76,居里单位的规定和镭的基准的建立,放射治疗的成功，要求对所用的镭量和放射性的强度有准确的知识。所以，镭的量度，在科学研究、医学和生产上，都成为迫切需要解决的问题。1910年9月在比利时首都布鲁塞尔举行的国际放射学会议上，为了寻求一个国际通用的放射性强度的单位和镭量的标准，决定组织一个包括法国的玛丽居里、英国的卢瑟福（ERut

31、herford）、德国的哈恩（0Hahn）等人在内的10人委员会，主持其事。这个委员会建议：以与1克镭达到放射性平衡时的氡的放射性，作为放射性强度的单位，这个单位叫做“居里”，用以纪念镭的发现者；并建议制定一个镭量的国际标准。,77,国际放射学会议一致通过这些建议，并公推居里夫人为这个镭量的国际标准的制定者。现在通用的放射性强度单位居里（3.7X1010衰变次数秒）就是从这次会议的决议演变而来的。1912年3月，这个委员会重新在巴黎集会，批准了居里夫人亲手制出的镭管作为镭的国际基准。这个镭管包括21.99毫克的无水氯化镭，它的质量准确到0.02毫克，它的放射性准确到千分之五，一直保存在巴黎国际度量衡局内，作为世界上镭的基准。这个委员会还制出了几个副样标准，经与这个基准比较后，送发各国，作为各国的一级标准。,78,79,80,81,医用物理学测试题1、安培环路定律：在l上B为0吗？为什么？2、把平凸透镜翻转过来变成凸平透镜成像位置变化吗？为什么？3、薄凸透镜一定是会聚光，薄凹透镜一定是发散光吗？为什么？4、X-CT成像与常规X射线照相的成像方法有什么异同？,