自然科學(xué)放射性基礎(chǔ)知識(shí)課件

第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)第一節(jié)1

1.1原子與原子核

“原子”源自希臘文，意思是“不可分割的”。按照現(xiàn)代的觀點(diǎn)。原子作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次。研究原子的組成、組成物（主要是核外軌道電子）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、其相互作用的規(guī)律及化學(xué)周期表等。其表征特征為物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和光譜特性?！霸雍恕眲t是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)更深的層次，研究原子核的組成、性質(zhì)、核力、核模型、核的蛻變及核能的利用等。其表征特征為原子核的放射性。1.1原子與原子核2

實(shí)際上元素符號(hào)X和原子序數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號(hào)X足以表示一個(gè)特定的元素。元素的表示原子序數(shù)化學(xué)符號(hào)每一個(gè)原子隸屬于某一種元素，例如：氫原子，氘原子均屬于氫元素，在元素周期表中為1號(hào)元素，一般表示為；

元素的原子量是該元素各原子的原子質(zhì)量的加權(quán)平均值。對(duì)：實(shí)際上元素符號(hào)X和原子序數(shù)Z具有唯一、確定的3

(一)原子結(jié)構(gòu)模型1871～19371908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1909年盧瑟福散射試驗(yàn)，1911年提出原子的核式模型。(一)原子結(jié)構(gòu)模型1871～19371908年諾貝爾化4盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)結(jié)論：正電荷集中在原子的中心，即原子核；線度為10–12~10-13cm量級(jí)，為原子的10–4量級(jí)；質(zhì)量為整個(gè)原子的99.9%以上；從此建立了原子的有核模型。

原子的電中性，要求：原子核所帶電量與核外電子電量相等，核電荷與核外電子電荷符號(hào)相反。即：核電荷Ze，核外電子電荷–Ze。盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)結(jié)論：原子的電中性，要求：5現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)原子核中子質(zhì)子電子(電子云)+++現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)原子核中子質(zhì)子電子+++6中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出：原子核由質(zhì)子和中子組成，并得到實(shí)驗(yàn)支持。中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子。中子不帶電。質(zhì)子帶正電，電量為e。電荷數(shù)為的原子核含有

個(gè)質(zhì)子。1901～1976因量子力學(xué)方面貢獻(xiàn)，獲1935年諾貝爾物理獎(jiǎng)。（二）原子核的組成1932年查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子。(據(jù)此獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出7

實(shí)際上核素符號(hào)X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號(hào)AX足以表示一個(gè)特定的核素。

原子核的表示核子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)元素符號(hào)例如：為三個(gè)核素，可表示為：實(shí)際上核素符號(hào)X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)8（三）原子核物理常用術(shù)語(yǔ)及意義1).核素（nuclide）

具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。

核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個(gè)不同，就是不同的核素。

同量異位素，A同，Z、N不同。同中異荷素，N同，A、Z不同。同位素，Z同，A、N不同。同質(zhì)異能素，A、Z同，能態(tài)不同。（三）原子核物理常用術(shù)語(yǔ)及意義1).核素（nuclide）9

某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。我們把具有相同質(zhì)子數(shù)，但核子數(shù)不同的核素所對(duì)應(yīng)的原子稱為某元素的同位素。同位是指該元素的各種原子在元素周期表中處于同一個(gè)位置，它們具有基本相同的化學(xué)性質(zhì)。2).同位素（Isotope）和同位素豐度鈾的三種同位素。氫的三種同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%0.0055％、0.7200%、99.2745%某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。1099.985%、0.015%3).穩(wěn)定核素和放射性同位素其中，穩(wěn)定同位素為：而為放射性同位素，具有放射性，放出最大能量為~18KeV的射線，其半衰期。它的產(chǎn)生是宇宙射線與空氣中的N和O發(fā)生核反應(yīng)，稱為宇生放射性。

氫的三種同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但其放射性卻不同。99.985%、0.015%3).穩(wěn)定核素和放射性同位素114).核素和核素圖根據(jù)原子核的穩(wěn)定性,可以把核素分為穩(wěn)定的核素和不穩(wěn)定的放射性核素。原子核的穩(wěn)定性與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之間的比例存在著密切的關(guān)系。我們可以把核素排在一張所謂核素圖上。核素圖共包含2000個(gè)核素,其中天然存在332個(gè)核素(280為穩(wěn)定核素),人工放射性核素1600多個(gè)。4).核素和核素圖125).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，而是在反應(yīng)堆或加速器所生成。同位素技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的放射源---鈷源（）就是在反應(yīng)堆中生成。

將金屬鈷，即，其豐度，放在反應(yīng)堆孔道內(nèi)，利用中子照射，發(fā)生如下核反應(yīng)：工業(yè)上應(yīng)用于食品和醫(yī)療器具的殺菌、消毒的鈷源（），其活度達(dá)幾十萬(wàn)至百萬(wàn)居里（）。5).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13（一）原子質(zhì)量單位：

1960年物理學(xué)國(guó)際會(huì)議通過采用：1.2原子核的質(zhì)量與結(jié)合能（一）原子質(zhì)量單位：1.2原子核的質(zhì)量與結(jié)合能14第二部分

核與放射性的基本物理基礎(chǔ)（二）質(zhì)能聯(lián)系定律—愛因斯坦相對(duì)論關(guān)系：

其中為物體（粒子）的靜止質(zhì)量，為物體的運(yùn)動(dòng)速度，為真空中的光速。

物體（粒子）的動(dòng)能：

當(dāng)?shù)诙糠?/p>

核與放射性的基本物理基礎(chǔ)（二）質(zhì)能聯(lián)系定律—愛因15原子核的質(zhì)量用原子質(zhì)量表示為為電子的質(zhì)量；為原子核外軌道電子得結(jié)合能的總和；，核質(zhì)量則可表示為：（三）原子質(zhì)量和原子核質(zhì)量核數(shù)據(jù)表中給出的均為原子質(zhì)量原子核的質(zhì)量用原子質(zhì)量表示為為電子的質(zhì)量；為原子核外軌道電子16（三）質(zhì)量虧損所有的核都存在質(zhì)量虧損，即

原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和的，少的那部分質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損(MassDefect)。表示為以氘核為例：式中為氘核的核質(zhì)量。（三）質(zhì)量虧損所有的核都存在質(zhì)量虧損，即原子核的質(zhì)量總17（四）原子核結(jié)合能的概念既然，則相應(yīng)的能量就減少，表明當(dāng)若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一個(gè)核時(shí)，將釋放一部分能量，這個(gè)能量稱為叫結(jié)合能。氘()由一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子所組成。（四）原子核結(jié)合能的概念既然，則相應(yīng)的能量18(五)比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線比結(jié)合能：（平均結(jié)合能）單位是MeV/Nu，Nu代表核子。比結(jié)合能的物理意義：原子核拆散成自由核子時(shí)，外界對(duì)每個(gè)核子所做的最小的平均功。或者說，它表示核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均一個(gè)核子所釋放的能量。比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度：比結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；

比結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。(五)比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線比結(jié)合能：（平均結(jié)合能）單位是19比結(jié)合能曲線：裂變聚變8.797.071.112比結(jié)合能曲線：裂變聚變8.797.071.11220

結(jié)論：對(duì)于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一個(gè)核子的平均結(jié)合能最大；而質(zhì)量數(shù)較大的重核區(qū)，或較小的輕核區(qū)的原子核中，核子的平均結(jié)合能都比較小。因此，當(dāng)重原子核分裂成中等質(zhì)量的核時(shí)，核子在較輕的核內(nèi)會(huì)結(jié)合得更緊密，就可能會(huì)大量釋放能量，這就是裂變能；當(dāng)兩個(gè)較輕的核發(fā)生聚合時(shí)，釋放出的能量更大，就是聚變能。結(jié)論：對(duì)于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一個(gè)核子的平均21第二節(jié)原子核的放射性第二節(jié)22放射性---原子核的蛻變1896年，Becquerel（獲1903年諾貝爾物理獎(jiǎng)）在鈾鹽中發(fā)現(xiàn)放射性。

原子核的蛻變包括原子核的核衰變、核反應(yīng)和核裂變等過程，在這些過程中均會(huì)產(chǎn)生放射性。我們將重點(diǎn)闡述核衰變過程。所謂核衰變就是不穩(wěn)定的原子核自發(fā)的發(fā)射粒子而蛻變?yōu)樾碌淖雍?。放射?--原子核的蛻變23

2.1核衰變主要的類型:a,b,g衰變

TypeofRadiation

Charge/Mass

Penetration

a粒子（氦核）+2q/4mp空氣（~幾cm）

b電子或正電子–q/meor+q/me幾mm鋁片

g光子nocharge幾mm~cm鉛

此外，還有中子發(fā)射、質(zhì)子發(fā)射、裂變等

2.1核衰變主要的類型:a,b,g衰變

Type241.a衰變：由能量守恒：定義衰變能：發(fā)生衰變的條件1.a衰變：由能量守恒：定義衰變能：發(fā)生252.

衰變

衰變（豐中子核發(fā)生）

衰變（欠中子核發(fā)生）EC--軌道電子俘獲（欠中子核發(fā)生）2.衰變衰變（豐中子核發(fā)生）衰變（欠26－衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個(gè)

電子

和一個(gè)反中微子.核中一個(gè)中子變?yōu)榱速|(zhì)子。衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰變后動(dòng)能－衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個(gè)電子和一個(gè)衰27定義：-衰變能E0為反中微子和粒子的動(dòng)能之和，也就是衰變前后靜止質(zhì)量之差。即：衰變前后靜止質(zhì)量的質(zhì)量虧損以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

有定義：-衰變能E0為反中微子和粒子的動(dòng)能之和，28－

衰變發(fā)生的條件：

衰變前母核原子質(zhì)量必須大于衰變后子核原子質(zhì)量。

電荷數(shù)分別為Z和Z＋1的同量異位素，只要前者的原子質(zhì)量大于后者，就能發(fā)生-衰變。－衰變發(fā)生的條件：衰變前母核原子質(zhì)量必須大于衰變2914C的衰變綱圖：

14C的衰變綱圖：30＋衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個(gè)

正電子

和一個(gè)中微子.核中一個(gè)質(zhì)子變?yōu)榱酥凶印Ｋプ兦?，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰變后動(dòng)能＋衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個(gè)正電子和一個(gè)31＋衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

＋

衰變發(fā)生的條件：＋衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能＋衰32EC(軌道電子俘獲)表達(dá)式

母核俘獲核外軌道上的一個(gè)電子，使母核中的一個(gè)質(zhì)子

轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子，同時(shí)放出一個(gè)中微子。K電子俘獲最容易發(fā)生。EC(軌道電子俘獲)表達(dá)式母核俘獲核外軌道上的一個(gè)33EC衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

EC

衰變發(fā)生的條件：EC衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能EC衰34由于：所以，能發(fā)生

＋衰變的原子核總可以發(fā)生軌道電子俘獲，反過來(lái)不成立。EC衰變的后續(xù)過程：特征X射線；俄歇電子。由于：所以，能發(fā)生＋衰變的原子核總可以發(fā)生軌道電子俘獲353.

躍遷

衰變：原子核從激發(fā)態(tài)通過發(fā)射光子(射線)或其他過程躍遷到較低能態(tài)的過程。該過程核電荷數(shù)不變、核子數(shù)不變。發(fā)射射線粒子能量在幾KeV～十幾MeV半衰期范圍為，10-16s～10-4s躍遷的基本特點(diǎn)：

包括躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子兩種形式。3.躍遷衰變：原子核從激發(fā)態(tài)通過發(fā)射光子(射36

核素的衰變綱圖核素的衰變綱圖是理解核素放射性的重要手段核素的衰變綱圖核素的衰變綱圖是理解核素放射性的重要手段37（1）母核發(fā)生衰變后，子核為，發(fā)生衰變和EC過程，子核為，子核分別左移兩位和一位。在發(fā)生的情況下，子核為，子核為右移一位。（2）衰變綱圖中用橫的粗實(shí)線表示核素的基態(tài)，而用細(xì)實(shí)線表示該核素的激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)橫線上的能量表示該激發(fā)態(tài)相對(duì)于基態(tài)的能量。圖中的為相應(yīng)過程的衰變能。用和表示粒子的能量和強(qiáng)度，對(duì)衰變又常稱分支比。（1）母核發(fā)生衰變后，子核為，發(fā)生衰變38（3）

并用豎線表示躍遷過程，斜寫在豎線右上方的數(shù)字分別為射線的能量、射線的絕對(duì)強(qiáng)度和與之相競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)轉(zhuǎn)換電子強(qiáng)度。強(qiáng)度的定義為對(duì)100個(gè)母核發(fā)生衰變中，發(fā)出的光子數(shù)和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子數(shù)。（4）母核右側(cè)的時(shí)間為該核素的半衰期。至于在每個(gè)能態(tài)橫線左端的為該能態(tài)的自旋與宇稱，在我們這里就不深入討論了，它決定躍遷能否發(fā)生及其概率的大小。（3）

并用豎線表示躍遷過程，斜寫在豎線右上方的數(shù)392.2放射性衰變基本規(guī)律

由于微觀世界的統(tǒng)計(jì)性和全同行，不能預(yù)測(cè)某一原子核的衰變時(shí)刻，但可以統(tǒng)計(jì)得到放射源中總的放射性原子核數(shù)目的減少規(guī)律；具體到每個(gè)放射性原子核的衰變來(lái)說，就是服從一定規(guī)律進(jìn)行衰變的一個(gè)隨機(jī)事件，可以用衰變概率表示。2.2放射性衰變基本規(guī)律由于微觀世界的統(tǒng)計(jì)性和全同40(一)單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律222Rn的衰變曲線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放射性核素放出一個(gè)粒子，變成，而的數(shù)目每4天減少一半。(一)單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律222Rn的衰變曲線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)41由統(tǒng)計(jì)性，以放射源總體考慮衰減規(guī)律：設(shè)：t

時(shí)刻放射性原子核的數(shù)目為N(t)，求解t～t+dt

內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)目-dN(t)，它應(yīng)該正比于N(t)

和時(shí)間間隔dt

，于是有：由統(tǒng)計(jì)性，以放射源總體考慮衰減規(guī)律：設(shè)：t時(shí)刻放射性原子核421.衰變常數(shù)分子表示：t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目，稱為衰變率，記作t時(shí)刻放射性原子核總數(shù)衰變常數(shù)：一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。放射性核素的特征量量綱為：[t]-1,如1/s，1/h，1/d，1/a1.衰變常數(shù)分子表示：t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)43b.當(dāng)一個(gè)原子核有幾種衰變方式時(shí)：a.

衰變率：定義分支比：b.當(dāng)一個(gè)原子核有幾種衰變方式時(shí)：a.衰變率：定義分支比442.半衰期

半衰期：放射性核數(shù)衰變一半所需的時(shí)間，記為。即：量綱為：[t],如s，h，d，a2.半衰期半衰期：放射性核數(shù)衰變一半所需的時(shí)453.平均壽命平均壽命＝總壽命/總核數(shù)3.平均壽命平均壽命＝總壽命/總核數(shù)46特征量衰變速度大小小快小大大慢

特征量大小與核衰變的快慢特征量大小小快小471.放射性活度(Activity)即：定義：則：

活度定義：一個(gè)放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。以A表示，表征放射源的強(qiáng)弱。

(二)放射性活度及其單位1.放射性活度(Activity)即：定義：則：48

放射源發(fā)出放射性粒子的多少，不僅與核衰變數(shù)有關(guān)，而且和核衰變的具體情況直接相關(guān)。一般情況，核率變數(shù)不等于發(fā)出粒子數(shù)。

2.活度單位常用單位居里(Ci)：1克226Ra所具有的放射性活度。

法定計(jì)量單位為貝可(Bq)：較小的單位還有毫居(mCi)和微居(Ci)所以：放射源發(fā)出放射性粒子的多少，不僅與核衰變數(shù)有關(guān)，而且493.比活度

(SpecificActivity)定義為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量放射源的放射性活度。

比活度反映了放射源中放射性物質(zhì)的純度。即：?jiǎn)挝粸椋築q/g或Ci/g3.比活度(SpecificActivity)定義50

求人體內(nèi)含的0.2%的。已知的天然豐度為0.0118%，其半衰期。求體重為75kg的人體內(nèi)的總放射性活度。

應(yīng)用實(shí)例：已得求體內(nèi)的原子數(shù)：

體內(nèi)由的放射性活度：求人體內(nèi)含的0.2%的。已知的天512.3遞次衰變規(guī)律

許多放射性核素并非一次衰變就達(dá)到穩(wěn)定，而是它們的子核仍有放射性，會(huì)接著衰變……直到衰變的子核為穩(wěn)定核素為止，這樣就產(chǎn)生了多代連續(xù)放射性衰變，稱之為遞次衰變或級(jí)聯(lián)衰變。2.3遞次衰變規(guī)律許多放射性核素并非一次衰52遞次衰變的表示：例如：遞次衰變規(guī)律比較復(fù)雜，如需要可參考有關(guān)材料。遞次衰變的表示：例如：遞次衰變規(guī)律比較復(fù)雜，如需要可參考有關(guān)532.4放射性規(guī)律的應(yīng)用放射性的應(yīng)用很廣泛，這里只討論衰變規(guī)律本身的應(yīng)用例子。1、放射源活度修正2、確定放射源活度和制備時(shí)間3、確定放射源性質(zhì)4、確定遠(yuǎn)期年代5、短壽命核素發(fā)生器2.4放射性規(guī)律的應(yīng)用放射性的應(yīng)用很廣泛，這541、放射源活度修正

典型應(yīng)用：已知一個(gè)放射源某時(shí)的活度，求現(xiàn)在的活度。根據(jù)：

若放射源已知，則已知，根據(jù)已知條件A(0)和t可以求出現(xiàn)在或某時(shí)該源的活度。1、放射源活度修正典型應(yīng)用：已知一個(gè)放射源某時(shí)的活度55例：?jiǎn)我环派湫院怂?37Cs

，1987年10月137Cs源的放射性活度：

半衰期T1/2=30.17年。請(qǐng)計(jì)算該源今天的放射性活度。當(dāng)前137Cs源的放射性活度：解：137Cs源經(jīng)過20年，其放射性活度減弱為原來(lái)的63％。例：?jiǎn)我环派湫院怂?37Cs，1987年10月137Cs562、確定放射源性質(zhì)

典型應(yīng)用：在人工制備放射源時(shí)，確定其組成是很重要的，因這和其放射性活度及輻射的粒子密切相關(guān)。

這個(gè)過程會(huì)達(dá)到長(zhǎng)期平衡，平衡后，原純90Sr源，變?yōu)?0Sr和90Y共存的源，并以母核的半衰期衰變。這時(shí)源活度是純90Sr源的兩倍，發(fā)射的粒子能量也有了變化。由于：例如要制備放射源，2、確定放射源性質(zhì)典型應(yīng)用：在人工制備放射源時(shí)，確定573、放射性鑒年法——確定遠(yuǎn)期年代14C斷代年代法14C:具有放射性，半衰期5730

年。主要用于考古學(xué)中的年代測(cè)定。大氣中：活生物體內(nèi)的12C與14C含量之比與大氣中相當(dāng)。宇宙射線與大氣層中的氮核發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子。

3、放射性鑒年法——確定遠(yuǎn)期年代14C斷代年代法14C:具58可以算得：

1g有生命機(jī)體的C中含14C約61010個(gè)，每分鐘發(fā)生衰變的14C約14個(gè)。

當(dāng)生命結(jié)束后，生物體停止與大氣的C交換。其體內(nèi)14C不斷衰變，數(shù)目不斷減少。而其體內(nèi)12C的數(shù)目保持不變?？梢运愕茫寒?dāng)生命結(jié)束后，生物體停止與大氣的C交換。其體內(nèi)59斷代方法：通過測(cè)量： 1、14C的放射性活度， 2、測(cè)量14C核素?cái)?shù)目，都可以測(cè)定生物體死亡距今的年代。

加速器質(zhì)譜(AMS)方法可以直接測(cè)量核素的數(shù)目。

將古代樣品含量比與現(xiàn)代參考樣品含量比比較，可以確定生物體死亡距今的時(shí)間

t

：斷代方法：通過測(cè)量：加速器質(zhì)譜(AMS)方法可以直接測(cè)604、短壽命核素發(fā)生器

核醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)學(xué)等需要短壽命的放射性核素，如99mTc(T1/2=6.02h)、113mIn(T1/2=104m)等。

問題是：如何將生產(chǎn)的這些短壽命放射性核素運(yùn)輸?shù)结t(yī)院等需要使用它們的地方？“母?！保豪眠B續(xù)衰變系列。

母牛原理：壽命較長(zhǎng)的核素不斷產(chǎn)生短壽命子體，需要時(shí)，將子體分離出來(lái)，而母體繼續(xù)不斷衰變生長(zhǎng)出子體。4、短壽命核素發(fā)生器核醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)學(xué)等需要短壽命的放射61例如：“母牛”。由于T1/2(99Mo)>T1/2(99mTc)，體系可建立暫時(shí)平衡。當(dāng)t=tm時(shí)，子核放射性活度最大，例如：“母牛”。62工作原理

最常使用的醫(yī)用放射性核素發(fā)生器是發(fā)生器，它由的裂變產(chǎn)物經(jīng)過多次分離純化，得到99Mo——鉬酸銨溶液，然后裝入酸性Al2O3吸附劑的色譜柱上，發(fā)生如下反應(yīng)。工作原理63注：1.為二價(jià)離子，在離子交換樹脂上結(jié)合得很牢固，化合物為一價(jià)離子，而在離子交換樹脂上結(jié)合得不很牢固，用生理鹽水可以將絡(luò)合弱的單電荷的淋洗下來(lái)。2.(也可記作)是的同核異能素，它們核組成完全相同，但具有不同的半衰期。注：642.5放射系地球年齡為10億年(即年)。目前還能存在于地球上的放射性核素都只能維系在三個(gè)處于長(zhǎng)期平衡狀態(tài)的放射系中。這些放射系的第一個(gè)核素的半衰期都很長(zhǎng)，與地球的年齡相近或比它更長(zhǎng)。如釷系的,半衰期為1.41×1010年；鈾系的，半衰期為4.47×109年；錒-鈾系的，其半衰期為7.04×108年。三個(gè)放射系中的其他核素，在單獨(dú)存在時(shí)，衰變都較快，但它們維系在長(zhǎng)期平衡體系內(nèi)時(shí)，都按第一個(gè)核素的半衰期衰變，因此可保存至今。2.5放射系65以鈾系為例：從核素開始，經(jīng)過14次連續(xù)衰變而達(dá)到穩(wěn)定核素。其中子核為惰性氣體氡放射性核素。該系核素質(zhì)量均為4n+2。以鈾系為例：66以鈾錒系為例：從核素開始，經(jīng)過11次連續(xù)衰變而達(dá)到穩(wěn)定核素。其中子核為惰性氣體氡放射性核素。該系核素質(zhì)量均為4n+3。以鈾錒系為例：67以釷系為例：從核素開始，經(jīng)過10次連續(xù)衰變而達(dá)到穩(wěn)定核素。其中子核為惰性氣體氡放射性核素。該系核素質(zhì)量均為4n。以釷系為例：68第三節(jié)射線與物質(zhì)相互作用第三節(jié)69

射線，指的是如X射線、射線、射線、射線等，本質(zhì)都是輻射粒子，又稱輻射。

射線與物質(zhì)相互作用是輻射探測(cè)的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)微觀世界的基本手段。本課程討論對(duì)象為致電離輻射，輻射能量大于10eV。即可使探測(cè)介質(zhì)的原子發(fā)生電離的能量。射線，指的是如X射線、射線、射線、射線等，本70射線與物質(zhì)相互作用的分類帶電粒子輻射不帶電輻射重帶電粒子中子快電子X-射線和

-射線射線與物質(zhì)相互作用的分類帶電粒子輻射不帶電輻射重帶電粒子中子71（一）帶電粒子能量損失方式之一---電離損失

入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫(kù)侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。電離——核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。激發(fā)——使核外層電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。3.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用

（一）帶電粒子能量損失方式之一---電離損失入射72[自然科學(xué)]放射性基礎(chǔ)知識(shí)課件73

（二）帶電粒子能量損失方式之二---輻射損失

入射帶電粒子與原子核之間的庫(kù)侖力作用，使入射帶電粒子的速度和方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射電磁輻射—軔致輻射(Bremsstrahlung)。它是X射線的一種，具有連續(xù)的能量分布。（二）帶電粒子能量損失方式之二---輻射損失入射帶74（三）能量損失率---入射帶電粒子在物質(zhì)中經(jīng)過單位路程上損失的能量，又稱阻止本領(lǐng)其中為電離損失率；為輻射損失率。（三）能量損失率---入射帶電粒子在物質(zhì)中經(jīng)過單位路程上損失75對(duì)快電子而言，能量損失率是兩種能量損失率之和，兩這之比為：E的單位為MeV

一般情況下所涉及快電子的能量E一般不超過幾個(gè)MeV，所以，輻射能量損失只有在高原子序數(shù)(大Z)的吸收材料中才是重要的。對(duì)快電子而言，能量損失率是兩種能量損失率之和，兩這之比為：E76

小結(jié)：重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)

重帶電粒子均為帶正電荷的離子；

重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量，同時(shí)使介質(zhì)原子電離或激發(fā)；

重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。

小結(jié)：重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)重帶電粒子均為77快電子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：

快電子的速度大；

快電子除電離損失外，輻射損失不可忽略；

快電子散射嚴(yán)重,甚至發(fā)生反散射。快電子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：快電子的速度大；78（四）帶電粒子在物質(zhì)中的射程射程(Range)的定義帶電粒子沿入射方向所行徑的最大距離，稱為入射粒子在該物質(zhì)中的射程R。入射粒子在物質(zhì)中行徑的實(shí)際軌跡的長(zhǎng)度稱作路程(Path)。重帶電粒子的質(zhì)量大，與物質(zhì)原子相互作用時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向幾乎不變。因此，重帶電粒子的射程與其路程相近。（四）帶電粒子在物質(zhì)中的射程射程(Range)的定義79

(1)

粒子在空氣中的射程為粒子能量，單位為MeV。公式適用范圍：對(duì)放射源發(fā)射的粒子，在空氣中的射程；在肌肉內(nèi)的射程。(1)粒子在空氣中的射程為粒子能量，單位為MeV。公80

(2)快電子射程單能電子在吸收介質(zhì)中的射程Rm(mg/cm2)與其能量E(MeV)之間的關(guān)系：經(jīng)驗(yàn)公式：例發(fā)出的的射程(2)快電子射程經(jīng)驗(yàn)公式：例發(fā)出的81(五)正電子的湮沒正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制即電離損失和輻射損失與電子相同。但不同點(diǎn)在于：

高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被慢化，然后在正電子徑跡的末端，即停下來(lái)的瞬間與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒，放出光子；或者，它與介質(zhì)中的一個(gè)電子結(jié)合成正電子素，即電子——正電子對(duì)的束縛態(tài)，然后再湮沒，放出光子。

正電子湮沒放出光子的過程稱為正電子湮沒，放出的光子稱為湮沒光子。(五)正電子的湮沒正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損82

而兩個(gè)湮沒光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射是各向同性的。而兩個(gè)湮沒光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射83

從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以，兩個(gè)湮沒光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量。即：

從動(dòng)量守恒出發(fā)：湮沒前正、負(fù)電子的總動(dòng)量為零，則，湮沒后兩個(gè)湮沒光子的總動(dòng)量也應(yīng)為零。即：因此，兩個(gè)湮沒光子的能量相同：從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以84射線與射線的本質(zhì)——電磁輻射特征射線：湮沒輻射：核能級(jí)躍遷正電子湮沒產(chǎn)生特征X射線：原子能級(jí)躍遷軔致輻射：帶電粒子速度或運(yùn)動(dòng)方向改變產(chǎn)生3.2射線與物質(zhì)相互作用射線與射線的本質(zhì)——電磁輻射特征射線：湮沒輻射：核85

射線與物質(zhì)相互作用特點(diǎn)：

光子是通過次級(jí)效應(yīng)(一種“單次性”的隨機(jī)事件)與物質(zhì)的原子或原子核外電子作用，一旦光子與物質(zhì)發(fā)生作用，光子或者消失或者受到散射而損失能量，同時(shí)產(chǎn)生次級(jí)電子；

次級(jí)效應(yīng)主要的方式有三種，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。

射線與物質(zhì)相互作用特點(diǎn)：光子是通過次級(jí)效應(yīng)(86射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面這個(gè)物理量來(lái)表示作用概率的大小。而且，總截面等于各作用截面之和，即：總截面光電效應(yīng)截面康普頓效應(yīng)截面電子對(duì)效應(yīng)截面射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用87關(guān)于截面的概念：

射線與物質(zhì)發(fā)生上述三種相互作用都具有一定概率，用截面這個(gè)物理量來(lái)表示作用概率的大小。截面的定義：一個(gè)入射光子與單位面積一個(gè)原子發(fā)生作用的概率，其量綱為面積，常用單位為“巴（b）”

關(guān)于截面的概念：88（一）光電效應(yīng)：

光子與原子中的一個(gè)束縛電子作用，把能量全部交給電子，使電子從原子中發(fā)射出來(lái)，稱為光電子，光子消失。光電子能量其中，為層電子的結(jié)合能，主要是K層電子。（一）光電效應(yīng)：89光電子的能量由能量守恒：因此，光電子能量為：光電效應(yīng)是光子與原子整體的相互作用，而不是與自由電子的相互作用。否則不能同時(shí)滿足能量和動(dòng)量守恒。光電子的能量由能量守恒：因此，光電子能量為：光電效應(yīng)是光子與90（二）康普頓效應(yīng)

光子核外層電子的非彈性碰撞。光子的一部分能量交給電子，使電子從原子中發(fā)射出來(lái)，光子的能量和方向發(fā)生改變。

為散射角；為反沖角。反沖電子能量：與有關(guān)，且呈連續(xù)能量分布。（二）康普頓效應(yīng)91

（三）電子對(duì)生成效應(yīng)：

光子從原子核旁經(jīng)過，在核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下，光子轉(zhuǎn)化成為正負(fù)電子對(duì)。

正負(fù)電子對(duì)的能量：所以，只有當(dāng)射線能量大于才可能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)。（三）電子對(duì)生成效應(yīng)：92（四）三種效應(yīng)的相互關(guān)系

1)、對(duì)于低能射線和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；2)、對(duì)于中能射線和原子序數(shù)低的吸收物質(zhì)，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；3)、對(duì)于高能射線和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。（四）三種效應(yīng)的相互關(guān)系

1)、對(duì)于低能射線和原子序數(shù)高的吸93（五）物質(zhì)對(duì)射線的吸收(1)窄束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律為光子與吸收物質(zhì)作用的截面；N為吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù)；I0為射線入射強(qiáng)度；D為吸收物質(zhì)厚度。（五）物質(zhì)對(duì)射線的吸收(1)窄束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律94對(duì)上面的方程積分，初始條件在x～x+dx層內(nèi)單位時(shí)間光子數(shù)的變化為：等于在該層物質(zhì)內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生的作用數(shù)。光子束通過物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為：其中：為線性吸收系數(shù)又稱為宏觀截面當(dāng)介質(zhì)厚度為D:對(duì)上面的方程積分，初始條件在x～x+dx層內(nèi)單位時(shí)間光子數(shù)95

可以證明，又稱宏觀截面

線性衰減（吸收）系數(shù)

的物理意義為射線單位厚度物質(zhì)時(shí)發(fā)生相互作用的概率?？梢宰C明，又稱96定義：質(zhì)量衰減系數(shù)：相應(yīng)質(zhì)量厚度表示為：

質(zhì)量衰減系數(shù)與即物質(zhì)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

用質(zhì)量厚度表示的優(yōu)點(diǎn)是便于測(cè)量。得到吸收規(guī)律的另一種更常用的表達(dá)式：定義：質(zhì)量衰減系數(shù)：相應(yīng)質(zhì)量厚度表示為：質(zhì)量衰減系數(shù)與97

與帶電粒子不同，射線沒有射程的概念。窄束射線強(qiáng)度衰減服從指數(shù)衰減規(guī)律，只有吸收系數(shù)及相應(yīng)的半吸收厚度的概念。(2)

非窄束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律

稱為積累因子。與帶電粒子不同，射線沒有射程的概念。窄束射983.3中子及其與物質(zhì)相互作用

（一）中子的分類及性質(zhì)2)中能中子：1KeV～0.5MeV。1)

慢中子：0～1KeV。包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。3)快中子：0.5MeV～10MeV。4)特快中子：>10MeV。熱中子：與吸收物質(zhì)原子處于熱平衡狀態(tài)，能量為0.0253eV，中子速度~2.2×103m/s.3.3中子及其與物質(zhì)相互作用（一）中子的分類及性質(zhì)2)99

（二）中子與物質(zhì)的相互作用

彈性散射(n,n)

中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。

1).中子的散射出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。出射中子的動(dòng)能：反沖核的動(dòng)能：（二）中子與物質(zhì)的相互作用彈性散射(n,n)1002)

非彈性散射(n,n’)

入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖，且使靶核處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時(shí)放出一個(gè)或幾個(gè)特征光子，在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。當(dāng)反沖核為質(zhì)子(氫核)時(shí)，M＝m，上式變?yōu)椋寒?dāng)=0時(shí)，反沖質(zhì)子能量最大，Tp=Tn2)非彈性散射(n,n’)入射中子的能量損失不101

3).中子的俘獲(1)中子的輻射俘獲(n,)

中子射入靶核后與靶核形成一個(gè)復(fù)合核，而后復(fù)合核通過發(fā)射一個(gè)或幾個(gè)特征光子躍遷到基態(tài)。這些特征光子不同于(n,n’)的特征光子。由于這些光子的發(fā)射與復(fù)合核的壽命相關(guān)，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)射線”，同樣在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。

當(dāng)發(fā)生(n,)反應(yīng)后，新形成的核素是放射性的，就是常說的“活化”，測(cè)量活化核素的放射性可以用來(lái)測(cè)量中子流的注量率區(qū)分中子的能量范圍。3).中子的俘獲中子射入靶核后與靶核形成一個(gè)復(fù)合102(2)發(fā)射帶電粒子的中子核反應(yīng)

如(n,)，(n,p)等，這些反應(yīng)在中子探測(cè)中應(yīng)用很多，成為探測(cè)中子的主要手段。

如(n,2n)，(n,np)等，這些反應(yīng)的閾能較高，在8～10MeV以上，只有特快中子才能發(fā)生。(3)裂變反應(yīng)(n,f)(4)多粒子發(fā)射(2)發(fā)射帶電粒子的中子核反應(yīng)如(n,)，(103第四節(jié)核技術(shù)應(yīng)用中的放射源第四節(jié)1042.1輻射源的分類(一)天然輻射源2.1輻射源的分類(一)天然輻射源1051.原生放射性核素

自有地球以來(lái)就存在于地殼內(nèi)的放射性核素，稱為原生放射性核素。原生放射性核素可分為兩類，一類是有衰變系列的核素,主要是鈾系（238U放射系）和釷系（232Th放射系）兩個(gè)系的一些核素。另一類是無(wú)衰變系列的放射性核素如40K、87Rb等。原生放射性核素，廣泛存在于地球的巖石、土壤、江河、湖海中。這些元素的活度濃度和分布隨著巖石構(gòu)造的類型不同而變化?；◢弾r中的活度濃度最高。土壤和巖石中所含的鈾、釷、鐳、鉀等元素，以40K的活度濃度最高。1.原生放射性核素自有地球以來(lái)就存在于地殼內(nèi)的放射性核106宇宙射線引起的鏃射宇宙射線引起的鏃射107熱中子與大氣中的氮發(fā)生核反應(yīng)

反應(yīng)截面：放射性核素的半衰期在大氣高空中形成的是自然界的唯一來(lái)源。

3.宇生放射性核素，以為主要。熱中子與大氣中的氮發(fā)生核反應(yīng)108

若在人工制備放射源時(shí)，帶電粒子束或中子束的強(qiáng)度是一定的，則放射性核素的產(chǎn)生率P也是恒定的，而源在制備過程中同時(shí)又在衰變。為樣品中被活化材料中元素的原子數(shù)，可視為常數(shù)。因此放射性核素的變化率為:利用初始條件t=0時(shí)，N(t)=0，解方程得：（二）人工輻射源

若在人工制備放射源時(shí)，帶電粒子束或中子束的強(qiáng)度是一定109

若要A(t)達(dá)到P的99％，則需要時(shí)間為t=6.65T1/2。則活度為：定義：飽和因子S，人工放射性生長(zhǎng)曲線人工放射性活度隨時(shí)間的變化：t/T1/20.5123456A/P0.2930.5000.7500.8750.9380.9690.985若要A(t)達(dá)到P的99％，則需要時(shí)間為t110以反應(yīng)堆生產(chǎn)源為例：將金屬鈷（）放在反應(yīng)堆孔道內(nèi)，發(fā)生核反應(yīng)反應(yīng)截面為，的半衰期,

這時(shí)

飽和的放射源活度為

源是核技術(shù)應(yīng)用中常用的放射源和輻照源，發(fā)射能量為1.17MeV和1.33MeV的射線。以反應(yīng)堆生產(chǎn)源為例：111所產(chǎn)生的放射性同位素的活度如下計(jì)算：

式中：A(t)為所產(chǎn)生的放射性同位素的活度，Bq；σ為生成放射性同位素的反應(yīng)截面，cm2；φ為靶子輻照處的中子注量率，n/cm2.s；m為靶元素的重量，g；為穩(wěn)定同位素的豐度，豐度為100%時(shí)，；NA為阿佛加得羅常數(shù)，6.02×1023；A為靶元素的原子量；λ為生成放射性同位素的衰變常數(shù)，1/s；t為照射時(shí)間，s。例如1克59Co在2×1013n/cm2.s熱中子注量下輻照一年，生成的60Co的活度約為9.25×1011Bq（25Ci）。所產(chǎn)生的放射性同位素的活度如下計(jì)算：1122.2核技術(shù)應(yīng)用中的放射源

（1）密封源放射源：永久密封在容器中或者有嚴(yán)密包層并呈固態(tài)的放射性材料。

放射源：210Po、239Pu、241Am等；特點(diǎn)：易防護(hù)，防止攝入體內(nèi)而引起內(nèi)照射。

放射源：3H、90Sr―90Y、147Pm等；特點(diǎn)：要考慮外照射，用輕材料如鋁、有機(jī)玻璃等防護(hù)，以減少軔致輻射。

低能光子源：包括低能源、特征X射線源和射線引起的軔致輻射，如55Fe、238Pu、241Am等；特點(diǎn)：一般均有鈹窗，注意保護(hù)。2.2核技術(shù)應(yīng)用中的放射源113

γ放射源：γ放射源是使用最多的放射源，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科研等各個(gè)部門。輻照源：為了獲得高劑量率的輻射場(chǎng)，裝源量多數(shù)在3×1015―2×1016Bq（約為105―6×105Ci）范圍內(nèi)。工業(yè)核儀表及醫(yī)療照射等：活度在108―2×1012Bq（3mCi―60Ci）的范圍內(nèi)。

γ射線的貫穿能力很強(qiáng)，其輻照范圍往往超出工作場(chǎng)所之外。使用γ放射源主要防止外照射。γ放射源：γ射線的貫穿能力很強(qiáng)，其輻照范圍往往超出工作114中子源

型中子源：

將重核等粒子發(fā)射體，與粉緊密混合后發(fā)生反應(yīng)而得到的：其共同的反應(yīng)過程為

常用中子源為。

自發(fā)裂變中子源：利用重核自發(fā)裂變產(chǎn)生中子的中子源稱為自發(fā)裂變中子源。其中252Cf中子源最合適，應(yīng)用最多。中子源自發(fā)裂變中子源：利用重核自發(fā)裂變產(chǎn)生中子的中子115（2）非密封源非密封源主要用于醫(yī)學(xué)診斷、治療用放射性藥物和同位素示蹤劑。

其特點(diǎn)是由于開放性操作，狀態(tài)可能包括固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，容易引起放射性污染。需有良好的工作場(chǎng)所和條件。須考慮：

工作場(chǎng)所的分級(jí)；放射性核素的毒性的分組。最常用的核素有：125I、131I、99mTc、3H、14C、32P、35S、153Sm、89Sr、18F、99Mo等

（2）非密封源116（3）射線裝置包括X射線機(jī)、加速器及中子發(fā)生器。（1）X射線機(jī)目前使用極為廣泛，用于醫(yī)學(xué)診斷和治療、工業(yè)探傷、X射線熒光分析。X線光子能譜為韌致輻射的連續(xù)譜上疊加靶的特征X射線的單色峰（圖2-1）。（2）加速器加速帶電粒子以獲得高能量的裝置。由于其多樣性，輻射也明顯的不同。（3）中子管利用反應(yīng)獲得2.5MeV和14MeV能量的單能中子。是一種緊湊型的加速器，可獲得較高的中子產(chǎn)額，中子的防護(hù)是關(guān)鍵。（3）射線裝置117

第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)第一節(jié)118

1.1原子與原子核

“原子”源自希臘文，意思是“不可分割的”。按照現(xiàn)代的觀點(diǎn)。原子作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次。研究原子的組成、組成物（主要是核外軌道電子）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、其相互作用的規(guī)律及化學(xué)周期表等。其表征特征為物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和光譜特性?！霸雍恕眲t是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)更深的層次，研究原子核的組成、性質(zhì)、核力、核模型、核的蛻變及核能的利用等。其表征特征為原子核的放射性。1.1原子與原子核119

實(shí)際上元素符號(hào)X和原子序數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號(hào)X足以表示一個(gè)特定的元素。元素的表示原子序數(shù)化學(xué)符號(hào)每一個(gè)原子隸屬于某一種元素，例如：氫原子，氘原子均屬于氫元素，在元素周期表中為1號(hào)元素，一般表示為；

元素的原子量是該元素各原子的原子質(zhì)量的加權(quán)平均值。對(duì)：實(shí)際上元素符號(hào)X和原子序數(shù)Z具有唯一、確定的120

(一)原子結(jié)構(gòu)模型1871～19371908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1909年盧瑟福散射試驗(yàn)，1911年提出原子的核式模型。(一)原子結(jié)構(gòu)模型1871～19371908年諾貝爾化121盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)結(jié)論：正電荷集中在原子的中心，即原子核；線度為10–12~10-13cm量級(jí)，為原子的10–4量級(jí)；質(zhì)量為整個(gè)原子的99.9%以上；從此建立了原子的有核模型。

原子的電中性，要求：原子核所帶電量與核外電子電量相等，核電荷與核外電子電荷符號(hào)相反。即：核電荷Ze，核外電子電荷–Ze。盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)結(jié)論：原子的電中性，要求：122現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)原子核中子質(zhì)子電子(電子云)+++現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)原子核中子質(zhì)子電子+++123中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出：原子核由質(zhì)子和中子組成，并得到實(shí)驗(yàn)支持。中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子。中子不帶電。質(zhì)子帶正電，電量為e。電荷數(shù)為的原子核含有

個(gè)質(zhì)子。1901～1976因量子力學(xué)方面貢獻(xiàn)，獲1935年諾貝爾物理獎(jiǎng)。（二）原子核的組成1932年查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子。(據(jù)此獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出124

實(shí)際上核素符號(hào)X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號(hào)AX足以表示一個(gè)特定的核素。

原子核的表示核子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)元素符號(hào)例如：為三個(gè)核素，可表示為：實(shí)際上核素符號(hào)X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)125（三）原子核物理常用術(shù)語(yǔ)及意義1).核素（nuclide）

具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。

核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個(gè)不同，就是不同的核素。

同量異位素，A同，Z、N不同。同中異荷素，N同，A、Z不同。同位素，Z同，A、N不同。同質(zhì)異能素，A、Z同，能態(tài)不同。（三）原子核物理常用術(shù)語(yǔ)及意義1).核素（nuclide）126

某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。我們把具有相同質(zhì)子數(shù)，但核子數(shù)不同的核素所對(duì)應(yīng)的原子稱為某元素的同位素。同位是指該元素的各種原子在元素周期表中處于同一個(gè)位置，它們具有基本相同的化學(xué)性質(zhì)。2).同位素（Isotope）和同位素豐度鈾的三種同位素。氫的三種同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%0.0055％、0.7200%、99.2745%某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。12799.985%、0.015%3).穩(wěn)定核素和放射性同位素其中，穩(wěn)定同位素為：而為放射性同位素，具有放射性，放出最大能量為~18KeV的射線，其半衰期。它的產(chǎn)生是宇宙射線與空氣中的N和O發(fā)生核反應(yīng)，稱為宇生放射性。

氫的三種同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但其放射性卻不同。99.985%、0.015%3).穩(wěn)定核素和放射性同位素1284).核素和核素圖根據(jù)原子核的穩(wěn)定性,可以把核素分為穩(wěn)定的核素和不穩(wěn)定的放射性核素。原子核的穩(wěn)定性與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之間的比例存在著密切的關(guān)系。我們可以把核素排在一張所謂核素圖上。核素圖共包含2000個(gè)核素,其中天然存在332個(gè)核素(280為穩(wěn)定核素),人工放射性核素1600多個(gè)。4).核素和核素圖1295).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，而是在反應(yīng)堆或加速器所生成。同位素技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的放射源---鈷源（）就是在反應(yīng)堆中生成。

將金屬鈷，即，其豐度，放在反應(yīng)堆孔道內(nèi)，利用中子照射，發(fā)生如下核反應(yīng)：工業(yè)上應(yīng)用于食品和醫(yī)療器具的殺菌、消毒的鈷源（），其活度達(dá)幾十萬(wàn)至百萬(wàn)居里（）。5).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130（一）原子質(zhì)量單位：

1960年物理學(xué)國(guó)際會(huì)議通過采用：1.2原子核的質(zhì)量與結(jié)合能（一）原子質(zhì)量單位：1.2原子核的質(zhì)量與結(jié)合能131第二部分

核與放射性的基本物理基礎(chǔ)（二）質(zhì)能聯(lián)系定律—愛因斯坦相對(duì)論關(guān)系：

其中為物體（粒子）的靜止質(zhì)量，為物體的運(yùn)動(dòng)速度，為真空中的光速。

物體（粒子）的動(dòng)能：

當(dāng)?shù)诙糠?/p>

核與放射性的基本物理基礎(chǔ)（二）質(zhì)能聯(lián)系定律—愛因132原子核的質(zhì)量用原子質(zhì)量表示為為電子的質(zhì)量；為原子核外軌道電子得結(jié)合能的總和；，核質(zhì)量則可表示為：（三）原子質(zhì)量和原子核質(zhì)量核數(shù)據(jù)表中給出的均為原子質(zhì)量原子核的質(zhì)量用原子質(zhì)量表示為為電子的質(zhì)量；為原子核外軌道電子133（三）質(zhì)量虧損所有的核都存在質(zhì)量虧損，即

原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和的，少的那部分質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損(MassDefect)。表示為以氘核為例：式中為氘核的核質(zhì)量。（三）質(zhì)量虧損所有的核都存在質(zhì)量虧損，即原子核的質(zhì)量總134（四）原子核結(jié)合能的概念既然，則相應(yīng)的能量就減少，表明當(dāng)若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一個(gè)核時(shí)，將釋放一部分能量，這個(gè)能量稱為叫結(jié)合能。氘()由一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子所組成。（四）原子核結(jié)合能的概念既然，則相應(yīng)的能量135(五)比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線比結(jié)合能：（平均結(jié)合能）單位是MeV/Nu，Nu代表核子。比結(jié)合能的物理意義：原子核拆散成自由核子時(shí)，外界對(duì)每個(gè)核子所做的最小的平均功?；蛘哒f，它表示核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均一個(gè)核子所釋放的能量。比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度：比結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；

比結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。(五)比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線比結(jié)合能：（平均結(jié)合能）單位是136比結(jié)合能曲線：裂變聚變8.797.071.112比結(jié)合能曲線：裂變聚變8.797.071.112137

結(jié)論：對(duì)于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一個(gè)核子的平均結(jié)合能最大；而質(zhì)量數(shù)較大的重核區(qū)，或較小的輕核區(qū)的原子核中，核子的平均結(jié)合能都比較小。因此，當(dāng)重原子核分裂成中等質(zhì)量的核時(shí)，核子在較輕的核內(nèi)會(huì)結(jié)合得更緊密，就可能會(huì)大量釋放能量，這就是裂變能；當(dāng)兩個(gè)較輕的核發(fā)生聚合時(shí)，釋放出的能量更大，就是聚變能。結(jié)論：對(duì)于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一個(gè)核子的平均138第二節(jié)原子核的放射性第二節(jié)139放射性---原子核的蛻變1896年，Becquerel（獲1903年諾貝爾物理獎(jiǎng)）在鈾鹽中發(fā)現(xiàn)放射性。

原子核的蛻變包括原子核的核衰變、核反應(yīng)和核裂變等過程，在這些過程中均會(huì)產(chǎn)生放射性。我們將重點(diǎn)闡述核衰變過程。所謂核衰變就是不穩(wěn)定的原子核自發(fā)的發(fā)射粒子而蛻變?yōu)樾碌淖雍恕７派湫?--原子核的蛻變140

2.1核衰變主要的類型:a,b,g衰變

TypeofRadiation

Charge/Mass

Penetration

a粒子（氦核）+2q/4mp空氣（~幾cm）

b電子或正電子–q/meor+q/me幾mm鋁片

g光子nocharge幾mm~cm鉛

此外，還有中子發(fā)射、質(zhì)子發(fā)射、裂變等

2.1核衰變主要的類型:a,b,g衰變

Type1411.a衰變：由能量守恒：定義衰變能：發(fā)生衰變的條件1.a衰變：由能量守恒：定義衰變能：發(fā)生1422.

衰變

衰變（豐中子核發(fā)生）

衰變（欠中子核發(fā)生）EC--軌道電子俘獲（欠中子核發(fā)生）2.衰變衰變（豐中子核發(fā)生）衰變（欠143－衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個(gè)

電子

和一個(gè)反中微子.核中一個(gè)中子變?yōu)榱速|(zhì)子。衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰變后動(dòng)能－衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個(gè)電子和一個(gè)衰144定義：-衰變能E0為反中微子和粒子的動(dòng)能之和，也就是衰變前后靜止質(zhì)量之差。即：衰變前后靜止質(zhì)量的質(zhì)量虧損以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

有定義：-衰變能E0為反中微子和粒子的動(dòng)能之和，145－

衰變發(fā)生的條件：

衰變前母核原子質(zhì)量必須大于衰變后子核原子質(zhì)量。

電荷數(shù)分別為Z和Z＋1的同量異位素，只要前者的原子質(zhì)量大于后者，就能發(fā)生-衰變。－衰變發(fā)生的條件：衰變前母核原子質(zhì)量必須大于衰變14614C的衰變綱圖：

14C的衰變綱圖：147＋衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個(gè)

正電子

和一個(gè)中微子.核中一個(gè)質(zhì)子變?yōu)榱酥凶?。衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰變后動(dòng)能＋衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個(gè)正電子和一個(gè)148＋衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

＋

衰變發(fā)生的條件：＋衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能＋衰149EC(軌道電子俘獲)表達(dá)式

母核俘獲核外軌道上的一個(gè)電子，使母核中的一個(gè)質(zhì)子

轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子，同時(shí)放出一個(gè)中微子。K電子俘獲最容易發(fā)生。EC(軌道電子俘獲)表達(dá)式母核俘獲核外軌道上的一個(gè)150EC衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

EC

衰變發(fā)生的條件：EC衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能EC衰151由于：所以，能發(fā)生

＋衰變的原子核總可以發(fā)生軌道電子俘獲，反過來(lái)不成立。EC衰變的后續(xù)過程：特征X射線；俄歇電子。由于：所以，能發(fā)生＋衰變的原子核總可以發(fā)生軌道電子俘獲1523.

躍遷

衰變：原子核從激發(fā)態(tài)通過發(fā)射光子(射線)或其他過程躍遷到較低能態(tài)的過程。該過程核電荷數(shù)不變、核子數(shù)不變。發(fā)射射線粒子能量在幾KeV～十幾MeV半衰期范圍為，10-16s～10-4s躍遷的基本特點(diǎn)：

包括躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子兩種形式。3.躍遷衰變：原子核從激發(fā)態(tài)通過發(fā)射光子(射153

核素的衰變綱圖核素的衰變綱圖是理解核素放射性的重要手段核素的衰變綱圖核素的衰變綱圖是理解核素放射性的重要手段154（1）母核發(fā)生衰變后，子核為，發(fā)生衰變和EC過程，子核為，子核分別左移兩位和一位。在發(fā)生的情況下，子核為，子核為右移一位。（2）衰變綱圖中用橫的粗實(shí)線表示核素的基態(tài)，而用細(xì)實(shí)線表示該核素的激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)橫線上的能量表示該激發(fā)態(tài)相對(duì)于基態(tài)的能量。圖中的為相應(yīng)過程的衰變能。用和表示粒子的能量和強(qiáng)度，對(duì)衰變又常稱分支比。（1）母核發(fā)生衰變后，子核為，發(fā)生衰變155（3）

并用豎線表示躍遷過程，斜寫在豎線右上方的數(shù)字分別為射線的能量、射線的絕對(duì)強(qiáng)度和與之相競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)轉(zhuǎn)換電子強(qiáng)度。強(qiáng)度的定義為對(duì)100個(gè)母核發(fā)生衰變中，發(fā)出的光子數(shù)和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子數(shù)。（4）母核右側(cè)的時(shí)間為該核素的半衰期。至于在每個(gè)能態(tài)橫線左端的為該能態(tài)的自旋與宇稱，在我們這里就不深入討論了，它決定躍遷能否發(fā)生及其概率的大小。（3）

并用豎線表示躍遷過程，斜寫在豎線右上方的數(shù)1562.2放射性衰變基本規(guī)律

由于微觀世界的統(tǒng)計(jì)性和全同行，不能預(yù)測(cè)某一原子核的衰變時(shí)刻，但可以統(tǒng)計(jì)得到放射源中總的放射性原子核數(shù)目的減少規(guī)律；具體到每個(gè)放射性原子核的衰變來(lái)說，就是服從一定規(guī)律進(jìn)行衰變的一個(gè)隨機(jī)事件，可以用衰變概率表示。2.2放射性衰變基本規(guī)律由于微觀世界的統(tǒng)計(jì)性和全同157(一)單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律222Rn的衰變曲線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放射性核素放出一個(gè)粒子，變成，而的數(shù)目每4天減少一半。(一)單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律222Rn的衰變曲線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)158由統(tǒng)計(jì)性，以放射源總體考慮衰減規(guī)律：設(shè)：t

時(shí)刻放射性原子核的數(shù)目為N(t)，求解t～t+dt

內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)目-dN(t)，它應(yīng)該正比于N(t)

和時(shí)間間隔dt

，于是有：由統(tǒng)計(jì)性，以放射源總體考慮衰減規(guī)律：設(shè)：t時(shí)刻放射性原子核1591.衰變常數(shù)分子表示：t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目，稱為衰變率，記作t時(shí)刻放射性原子核總數(shù)衰變常數(shù)：一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。放射性核素的特征量量綱為：[t]-1,如1/s，1/h，1/d，1/a1.衰變常數(shù)分子表示：t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)160b.當(dāng)一個(gè)原子核有幾種衰變方式時(shí)：a.

衰變率：定義分支比：b.當(dāng)一個(gè)原子核有幾種衰變方式時(shí)：a.衰變率：定義分支比1612.半衰期

半衰期：放射性核數(shù)衰變一半所需的時(shí)間，記為。即：量綱為：[t],如s，h，d，a2.半衰期半衰期：放射性核數(shù)衰變一半所需的時(shí)1623.平均壽命平均壽命＝總壽命/總核數(shù)3.平均壽命平均壽命＝總壽命/總核數(shù)163特征量衰變速度大小小快小大大慢

特征量大小與核衰變的快慢特征量大小小快小1641.放射性活度(Activity)即：定義：則：

活度定義：一個(gè)放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。以A表示，表征放射源的強(qiáng)弱。

(二)放射性活度及其單位1.放射性活度(Activity)即：定義：則：165

放射源發(fā)出放射性粒子的多少，不僅與核衰變數(shù)有關(guān)，而且和核衰變的具體情況直接相關(guān)。一般情況，核率變數(shù)不等于發(fā)出粒子數(shù)。

2.活度單位常用單位居里(Ci)：1克226Ra所具有的放射性活度。

法定計(jì)量單位為貝可(Bq)：較小的單位還有毫居(mCi)和微居(Ci)所以：放射源發(fā)出放射性粒子的多少，不僅與核衰變數(shù)有關(guān)，而且1663.比活度

(SpecificActivity)定義為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量放射源的放射性活度。

比活度反映了放射源中放射性物質(zhì)的純度。即：?jiǎn)挝粸椋築q/g或Ci/g3.比活度(SpecificActivity)定義167

求人體內(nèi)含的0.2%的。已知的天然豐度為0.0118%，其半衰期。求體重為75kg的人體內(nèi)的總放射性活度。

應(yīng)用實(shí)例：已得求體內(nèi)的原子數(shù)：

體內(nèi)由的放射性活度：求人體內(nèi)含的0.2%的。已知的天1682.3遞次衰變規(guī)律

許多放射性核素并非一次衰變就達(dá)到穩(wěn)定，而是它們的子核仍有放射性，會(huì)接著衰變……直到衰變的子核為穩(wěn)定核素為止，這樣就產(chǎn)生了多代連續(xù)放射性衰變，稱之為遞次衰變或級(jí)聯(lián)衰變。2.3遞次衰變規(guī)律許多放射性核素并非一次衰169遞次衰變的表示：例如：遞次衰變規(guī)律比較復(fù)雜，如需要可參考有關(guān)材料。遞次衰變的表示：例如：遞次衰變規(guī)律比較復(fù)雜，如需要可參考有關(guān)1702.4放射性規(guī)律的應(yīng)用放射性的應(yīng)用很廣泛，這里只討論衰變規(guī)律本身的應(yīng)用例子。1、放射源活度修正2、確定放射源活度和制備時(shí)間3、確定放射源性質(zhì)4、確定遠(yuǎn)期年代5、短壽命核素發(fā)生器2.4放射性規(guī)律的應(yīng)用放射性的應(yīng)用很廣泛，這1711、放射源活度修正

典型應(yīng)用：已知一個(gè)放射源某時(shí)的活度，求現(xiàn)在的活度。根據(jù)：

若放射源已知，則已知，根據(jù)已知條件A(0)和t可以求出現(xiàn)在或某時(shí)該源的活度。1、放射源活度修正典型應(yīng)用：已知一個(gè)放射源某時(shí)的活度172例：