原子核和放射性

原子核和放射性第1頁/共48頁1908年因研究元素的蛻變和放射化學(xué)獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).盧瑟福(E.Rutherford,1871-1937)英籍新西蘭物理學(xué)家.第2頁/共48頁金箔對粒子的散射實(shí)驗(yàn)

1911年盧瑟福用金箔對粒子的散射實(shí)驗(yàn)確立了原子的核式模型,即原子由處于中心的原子核和核外運(yùn)動(dòng)的電子組成.由此開始了對原子核的探索.第3頁/共48頁一.原子核的組成1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射性,1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳.1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子(proton).1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子(neutron).§13-1原子核的組成第4頁/共48頁海森伯等人提出原子核是由質(zhì)子和中子組成的.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子(necleon).原子核中的質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù),即原子序數(shù)Z.原子核的質(zhì)量數(shù)A就是核子的總數(shù),若以N表示中子數(shù),則A=Z+N.第5頁/共48頁查德威克(J.Chadwick,1891-1974)英國物理學(xué)家.1935年因發(fā)現(xiàn)中子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).貝克勒爾(H.Becquerel,1852-1908)法國物理學(xué)家.1903年因發(fā)現(xiàn)自發(fā)放射性獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).第6頁/共48頁居里夫婦(P.Curie,1859-1906,右,法國物理學(xué)家；M.Curie,1867-1934,左,法籍波蘭物理學(xué)家)1903年因?qū)ω惪死諣柊l(fā)現(xiàn)的輻射現(xiàn)象作出了卓越貢獻(xiàn),其中包括發(fā)現(xiàn)了釙和鐳獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).居里夫人1911年又因提純鐳而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).第7頁/共48頁約里奧-居里夫婦(F.Joliot-Curie,1900-1958,I.Joliot-Curie,1897-1956,右)在實(shí)驗(yàn)室中(1932年)約里奧-居里夫婦是居里夫人的女兒、女婿,他們錯(cuò)失了發(fā)現(xiàn)中子、正電子和核裂變的機(jī)會(huì).但仍于1935年因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).第8頁/共48頁原子核的質(zhì)量常用原子質(zhì)量單位(atomicmassunit)

u表示,原子質(zhì)量單位定義為自然界中碳最豐富的同位素

原子質(zhì)量的1/12.第9頁/共48頁質(zhì)子質(zhì)量mp=1.007

276

u中子質(zhì)量mn=1.008

665

u質(zhì)量數(shù)為A的原子核質(zhì)量近似為Au.一類具有確定質(zhì)子數(shù)和核子數(shù)的中性原子稱為核素(nuclide),用表示.其中X為元素符號,Z和A分別表示原子序數(shù)和原子質(zhì)量數(shù).第10頁/共48頁同位素:質(zhì)子數(shù)相同的不同核素.同中子異位素:具有相同中子數(shù),不同質(zhì)子數(shù)的異類核素.同量異位素:質(zhì)量數(shù)相同,質(zhì)子數(shù)不同的一類核素.同核異能素:質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)相同而處于不同能量狀態(tài)的一類核素.第11頁/共48頁同位素在自然界中的含量百分比稱為同位素豐度(isotopeabundance).原子核半徑與核子數(shù)有近似關(guān)系因此,原子核體積很小,密度很大.式中R01.210-15m.第12頁/共48頁二.原子核的結(jié)合能原子核質(zhì)量總是小于組成原子核的核子質(zhì)量之和,兩者的差值稱為質(zhì)量虧損(massdefect).自由核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量稱為原子核的結(jié)合能(bindingenergy).任意一個(gè)核素的結(jié)合能E定義為：第13頁/共48頁式中、及分別表示氫原子、中子及原子的質(zhì)量.第14頁/共48頁第15頁/共48頁的大小可以作為核穩(wěn)定性的量度.比結(jié)合能曲線原子核的結(jié)合能與該核核子數(shù)A的比值稱為比結(jié)合能(specificbindingenergy)第16頁/共48頁獲得原子能的途徑：重核裂變、輕核聚變原子彈和氫彈就是分別利用重核裂變和輕核聚變原理研制出來的核武器.圖為投到廣島的原子彈“LittleBoy”.第17頁/共48頁分別為中國第一顆原子彈(1964年)和第一顆氫彈(1967年)爆炸時(shí)產(chǎn)生的蘑菇云.第18頁/共48頁三.原子核的自旋和磁矩原子核的角動(dòng)量稱為核自旋(nuclearspin).原子核角動(dòng)量大小為：

,I為核自旋量子數(shù),可以取半整數(shù)或整數(shù).第19頁/共48頁角動(dòng)量在空間某一方向的投影是量子化的：mI為核自旋磁量子數(shù).對于確定的I

值,mI

可取

I,I

-

1,I

-

2,…,-

I

+

1,-

I,共2I

+

1個(gè)值.第20頁/共48頁原子核的自旋與狀態(tài)有關(guān),激發(fā)態(tài)原子核的自旋不一定等于基態(tài)的自旋.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基態(tài)時(shí)：質(zhì)子、中子數(shù)目原子核的自旋I奇偶核或偶奇核半整數(shù)偶偶核零奇奇核整數(shù)第21頁/共48頁原子核不僅具有自旋,也具有核磁矩(nuclearmagneticmoment).核磁矩一方面來自核子的自旋磁矩,另一方面來自各核子的軌道磁矩.但核磁矩并不是各核子磁矩的簡單相加.

核磁矩矢量與核角動(dòng)量矢量成正比：第22頁/共48頁其中mp為質(zhì)子質(zhì)量,g稱為朗德因子(Landegfactor),或稱原子核的g因子(g-factor),不同核的g因子不同.核磁矩在z軸方向上的投影為：第23頁/共48頁稱為核磁子(nuclearmagneton),是核磁矩的單位.定義核磁矩大小為mI取I

時(shí)的Iz值,即gIN.質(zhì)子磁矩大小為2.793N,并不是“理所當(dāng)然”的為1N(電子磁矩1B)；中子磁矩大小為-1.913N

,其中第24頁/共48頁并非“當(dāng)然為零”(因?yàn)橹凶硬粠щ?.這說明：雖然中子整體不帶電,但它內(nèi)部還存在電荷分布；質(zhì)子和中子都不是幾何的“點(diǎn)”,而具有內(nèi)部結(jié)構(gòu).第25頁/共48頁四.核力萬有引力電磁力核力長程力長程力短程力弱相互作用弱相互作用強(qiáng)相互作用第26頁/共48頁自然界中天然存在的核素300多種.其中60多種是不穩(wěn)定的放射性核素,他們會(huì)自發(fā)放出各種射線變成另一種核素,這種現(xiàn)象稱為原子核的放射性衰變(radioactivedecay),簡稱核衰變(decay).§13-2原子核的放射性、衰變定律核反應(yīng)人工方法制造了1600多種放射性核素.第27頁/共48頁一.放射性核素的衰變類型1.衰變射線是高速運(yùn)動(dòng)的氦核,也稱粒子.衰變過程為：衰變、衰變和衰變第28頁/共48頁

X稱母核,Y稱子核,Q為衰變過程放出的能量.射線用途：研究原子和原子核結(jié)構(gòu)的工具；確立原子核式模型,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子。衰變的位移定則：子核在周期表中比母核向前移兩個(gè)位置。第29頁/共48頁放射性核素自發(fā)地放射出射線或俘獲軌道電子而變成另一個(gè)核素的現(xiàn)象稱為衰變。2.

衰變主要包括-衰變、+衰變和電子俘獲.第30頁/共48頁-

衰變——母核自發(fā)放射出一個(gè)-粒子和一個(gè)反中微子：衰變的位移定則：子核在周期表中比母核向后移一個(gè)位置。第31頁/共48頁+衰變——母核自發(fā)放射出一個(gè)+粒子和一個(gè)中微子：衰變的位移定則：子核在周期表中比母核向前移一個(gè)位置。衰變在只有少數(shù)人工放射性核素中發(fā)現(xiàn)。天然放射性核素中，尚未發(fā)現(xiàn)。第32頁/共48頁電子俘獲——母核俘獲一個(gè)核外軌道電子,同時(shí)放出一個(gè)中微子：Bi(鉍)的能譜第33頁/共48頁3.衰變處于激發(fā)態(tài)的原子核在不改變其組成的情況下,以放出射線(光子)的形式釋放能量而躍遷到較低能級的現(xiàn)象。60Co(T1/2=5.27a)-0.309(100%)2.50Mev1.33Mev01260Ni第34頁/共48頁式中稱為衰變常量(decayconstant),N0為t=0時(shí)原子核的數(shù)目.二.衰變規(guī)律1.核衰變服從的指數(shù)規(guī)律——衰變定律：第35頁/共48頁2.放射性活度式中I0是t=0時(shí)的放射性活度.I的單位：國際單位制中是貝可(Becquerel,Bq),1Bq=1次核衰變/秒.放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為該物質(zhì)的放射性活度(activity)：第36頁/共48頁3.半衰期半衰期T與一樣,是放射性核素的特征常量.原子核數(shù)目因衰變減少到原來的一半所需的時(shí)間,稱為半衰期(halflife).見P31313-4第37頁/共48頁生物機(jī)體內(nèi)放射性原子核的衰變定律：其中表示物理衰變常數(shù)，b生物衰變常數(shù)c=+b稱為有效衰變常量(effectivedecayconstant)。4.有效半衰期第38頁/共48頁三種衰變常數(shù)對應(yīng)的半衰期為有效半衰期Tc(effectivehalflife).它與物理半衰期T和生物半衰期Tb的關(guān)系為：c=+b第39頁/共48頁5.平均壽命(meanlife)定義：每個(gè)核在衰變前平均能存在的時(shí)間.第40頁/共48頁對于任一核素的平均壽命為：第41頁/共48頁例13-2已知鐳的半衰期為1600a,求它的衰變常數(shù)和1g純鐳的放射性活度。解：第42頁/共48頁在核醫(yī)學(xué)中,采用放射性物質(zhì)做生物機(jī)體示蹤劑.三放射性核素的應(yīng)用診斷疾?。杭谞钕俟δ墚惓?、腸胃系統(tǒng)的吸收能力、掃描檢查（肝臟、腎臟、腦部等）治療疾?。簮盒阅[瘤——放療第43頁/共48頁第44頁/共48頁

1986年4月26日，位于烏克蘭北部，距首都基輔只有140公里切爾諾貝利核電站爆炸。據(jù)估算，核泄漏事故后產(chǎn)生的放射污染相當(dāng)于日本廣島原子彈爆炸產(chǎn)生的放射污染的100倍。爆炸使8噸多強(qiáng)輻射物質(zhì)泄露，塵埃隨風(fēng)飄散，致使俄羅斯、白俄羅斯和烏克蘭許多地區(qū)遭到核輻射的污染。第45頁/共48頁堵住污染源頭是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，而清除核輻射塵埃則是另一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。一年之后，切爾諾貝利核泄漏事故中最先遇難的核電站工作和消防員被轉(zhuǎn)移在莫斯科一處公墓