原子核和放射性衰變

關于原子核和放射性衰變本節(jié)主要內容1.4.1原子核的基本性質1.4.2放射性衰變第2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天原子核的成分質子和中子A=Z+N許多元素有幾種不同的原子核，例如氫元素有三種原子核：(氕)；(氘)；(氚)。最近日本、俄羅斯合作制出氫的最重同位素－H5。同位素：質子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同種元素的原子核。核素：質子數(shù)、中子數(shù)均相同，并且原子核處于同一能量狀態(tài)的原子。同位素的化學性質完全相同(化學性質取決于核外電子排列狀況，質子數(shù)相同，表明核外電子的數(shù)量和排布規(guī)律完全相同)。第3頁,共30頁，2024年2月25日，星期天原子核的質量

原子質量：相對質量 質子質量=1.007碳當量 中子質量=1.008碳當量 電子質量=1/1836質子原子核質量=Z(質子數(shù))+N(中子數(shù))第4頁,共30頁，2024年2月25日，星期天原子核的半徑

原子核原子說明原子內大部分空間為空，原子核只占很小一部分。原子核半徑與質量數(shù)A之間存在關系：其中為常數(shù)，值為第5頁,共30頁，2024年2月25日，星期天原子核的半徑密度 N=A/M—阿伏伽德羅常數(shù)。6.02×10^23第6頁,共30頁，2024年2月25日，星期天原子核的電荷、角動量和磁矩原子核的電荷原子呈電中性(原子核所帶的正電荷必須與軌道電子所帶電荷相等，符號相反)。確定方法：原子序數(shù)原子核的角動量和磁矩實驗證明：原子核象陀螺一樣旋轉著。 帶電粒子運動產生磁場。第7頁,共30頁，2024年2月25日，星期天原子核的結合能

分析原子核的質量可以發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：原子核的質量<各組成部分的質量和，即怎么解釋？相對論質能關系 核子結合成原子核時，即有質量的減少，表明在結合成原子核時釋放能量，所釋放的能量稱為原子核的結合能。

注意：原子核的結合能并不是由于核子結合成原子核而具有的能量，而是把核子分開所需要的能量。第8頁,共30頁，2024年2月25日，星期天核力原子核內各核子之間的相互作用力，其性質：短程力：只在相鄰核子之間發(fā)生作用，作用范圍在1.5×10-13cm之內強相互作用力：在它的作用范圍內，比庫侖力大100倍飽和性：一個核子能相互作用的其它核子數(shù)目是有限的。使得原子核和水一樣，呈現(xiàn)不可壓縮性，即原子核的密度近似為常數(shù)與電荷無關，質子和中子都受到核力作用第9頁,共30頁，2024年2月25日，星期天原子核的穩(wěn)定性

原子核的穩(wěn)定性是指原子核不會自發(fā)地改變其質子數(shù)、中子數(shù)和它的基本性質。按原子核的穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定原子核和不穩(wěn)定(或放射性)原子核兩類。其穩(wěn)定性與質子數(shù)和中子數(shù)有關第10頁,共30頁，2024年2月25日，星期天原子核的穩(wěn)定性原子核的質子數(shù)等于和大于84的原子核是不穩(wěn)定的。即原子序數(shù)84以后的元素均為放射性元素。具有少于84個質子的原子核，質子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)時，其核穩(wěn)定。質子數(shù)或中子數(shù)等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特別穩(wěn)定。這些數(shù)稱為幻數(shù)。質子數(shù)和中子數(shù)都是幻數(shù)，稱為雙幻數(shù)核。中子數(shù)和質子數(shù)之比n／p，在Z＜20時n／p=1，原子核穩(wěn)定。隨著原子序數(shù)增加，n／p值增大，比值越大，穩(wěn)定性越差。第11頁,共30頁，2024年2月25日，星期天1.4.2放射性衰變第12頁,共30頁，2024年2月25日，星期天天然放射性衰變1896年，法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾和含鈾礦物能發(fā)射出看不見的射線，這種射線可穿透黑紙使膠片感光，使氣體電離。居里夫婦:新的化學元素：釙(Po)和鐳(Ra)瑪麗·居里-成功分離鐳元素而獲得諾貝爾化學獎貝克勒爾皮埃爾·居里

瑪麗·居里第13頁,共30頁，2024年2月25日，星期天放射性有關概念放射性：物質發(fā)射這種射線的性質。放射性元素：具有放射性的元素。天然放射性元素：自然界存在的放射性元素。天然放射現(xiàn)象：放射性元素的原子核不穩(wěn)定，它們能自發(fā)發(fā)生蛻變，發(fā)射射線。人工放射性同位素：用質子、中子或其他基本粒子作為炮彈轟擊原子核，改變核內質子或中子的數(shù)目，可人工制造新的同位素。第14頁,共30頁，2024年2月25日，星期天放射性衰變基態(tài)(groundstate) 原子核可處于不同的能量狀態(tài)，平常情況下處于最低的狀態(tài)稱為基態(tài)。激發(fā)態(tài)(excitedstate) 原子核在某些核反應、核裂變及放射性衰變后仍處于高能狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。放射性衰變 不穩(wěn)定的原子核會自發(fā)地轉變成另一種核而同時放出射線，稱為放射性衰變。第15頁,共30頁，2024年2月25日，星期天放射性衰變方式衰變遵循規(guī)則：衰變前粒子的電荷總數(shù)和質量總數(shù)與衰變后所有粒子的電荷總數(shù)和質量總數(shù)相等。衰變衰變衰變第16頁,共30頁，2024年2月25日，星期天α衰變原子核釋放出α粒子的衰變過程：α粒子特點 穿透物體的能力很小，在空氣中也只能飛行幾個厘米，但具有很強的電離能力。第17頁,共30頁，2024年2月25日，星期天β衰變原子核釋放出β粒子(正電子、負電子)的衰變過程： 對

衰變： 對

+衰變：β粒子特點 具有較大的穿透能力，甚至可以穿透幾毫米厚的鋁，但電離作用較弱。第18頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

衰變

放射性元素的核，經過

衰變或

衰變后變成處于激發(fā)態(tài)的核，當它返回正常態(tài)時將輻射

射線。屬于原子核能級躍遷

射線的特點波長很短的電磁波穿透物體的能力很強，甚至可以穿透幾個厘米厚的鉛板它的電離作用卻很小第19頁,共30頁，2024年2月25日，星期天電子躍遷與原子核躍遷比較原子中處于激發(fā)態(tài)的電子躍遷到基態(tài)會輻射光子。比較 電子：軌道能級躍遷eV~keV 原子核：原子核能級躍遷MeV(不同數(shù)量級)第20頁,共30頁，2024年2月25日，星期天放射性衰變規(guī)律

對于由大量原子組成的放射源，每個原子核都可能發(fā)生衰變，但不是所有原子在同一時刻都發(fā)生衰變，某一時刻僅有極少數(shù)原子發(fā)生衰變。放射性核素衰變是隨機的、自發(fā)的按一定的速率進行。每一個核在什么時候發(fā)生衰變是無法預測的，但大量的原子核其衰變過程遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律。第21頁,共30頁，2024年2月25日，星期天放射性衰變規(guī)律規(guī)律：某一放射性物質的衰變率是與當時存在的原子核數(shù)目成正比。即若t時刻樣品中有N個核，在dt時間內有dN個發(fā)生衰變 兩邊積分，并令時，，得到即放射性衰變基本定律，也是同位素地質年代學的基本公式。第22頁,共30頁，2024年2月25日，星期天衰變常數(shù)λ表征衰變快慢的常數(shù)，取決于放射性物質本身。物理意義： t時刻，每單位時間衰變的原子核數(shù)與該時刻原子核總數(shù)的比。越大，衰變越快。表示源的相對衰變速度。第23頁,共30頁，2024年2月25日，星期天放射性衰變特點衰變的方式和速率是由原子核本身決定與原子核所處的物理狀態(tài)或化學狀態(tài)無關外界條件(如溫度、壓力等)也不能改變它的衰變方式和速率第24頁,共30頁，2024年2月25日，星期天半衰期描述放射性衰變的快慢放射性原子核數(shù)目因衰變減少到原來數(shù)目一半時所需的時間，用T1/2表示。

當t=T1/2時，根據(jù)定義

第25頁,共30頁，2024年2月25日，星期天半衰期的應用例：已知Co60放射性同位素的半衰期為5.3年，其衰變常數(shù)是多少？8年后其放射強度衰變到初始強度的百分之幾？第26頁,共30頁，2024年2月25日，星期天放射性活度描述放射性源的放射性定義：放射性源在單位時間內發(fā)生衰變的核的個數(shù)，單位是貝可(勒爾)。

1Bq=1/s物理意義：反映射線源的產生射線的強度常用單位為居里(Ci)1Ci=3.7×1010/s注意：活度不等于射線強度。對同一種放射性元素，活度大的源其射線強度也大，但對不同的放射性元素，不一定存在該關系。第27頁,共30頁，2024年2月25日，星期天放射性活度比活度:射線源的活度和射線源的尺寸之比放射性活度亦遵從指數(shù)衰變規(guī)律A0—初始時刻(t=0)放射性物質的活度；A—t時