1、放射物理学放射物理学第一章第一章 核物理基础核物理基础第一节第一节 基本概念基本概念一、原子结构一、原子结构 中心是带正电的原子核中心是带正电的原子核 核的周围是带负电的电子在绕核运动核的周围是带负电的电子在绕核运动 原子核原子核:质子和中子组成，质子带正电荷质子和中子组成，质子带正电荷e，中子不带电，质子和中子统称为核子。中子不带电，质子和中子统称为核子。原子原子序序数、元素、核素、同位素和同质异能素数、元素、核素、同位素和同质异能素原子序数原子序数：任何原子的核外电子数，统称为原子的原子任何原子的核外电子数，统称为原子的原子序数。由于原子是电中性，核内质子数必然等于序数。由于原子是电中性，
2、核内质子数必然等于核外电子数，因此原子序数同时表示了核外电子核外电子数，因此原子序数同时表示了核外电子数、核内质子数和核电荷数。数、核内质子数和核电荷数。元素：元素：质子数相同的原子称为一种元素，它质子数相同的原子称为一种元素，它们的原子序数相同，因此具有相同的化学们的原子序数相同，因此具有相同的化学特性。但其原子核中的中子数可以不同，特性。但其原子核中的中子数可以不同，因而物理特性可有某些差异。因而物理特性可有某些差异。到目前为止，天然和人工合成的元素到目前为止，天然和人工合成的元素有有109109种，组成种，组成元素周期表元素周期表 核素：核素：质子和中子数相同，质量数相同，并处于质子和中
3、子数相同，质量数相同，并处于同能量状态的原子，称为一种核素，例如同能量状态的原子，称为一种核素，例如:为为5 5种不同的核素。目前已知的核素有种不同的核素。目前已知的核素有23002300多多种，分别属于种，分别属于100100多种元素。多种元素。11H21H31H22688Ra、9943Tc同位素：同位素：质子数相同而中子数不同，称为元素的同质子数相同而中子数不同，称为元素的同位素，例如位素，例如:同质异能素：同质异能素：核内中子数和质子数都相同，但核所处能核内中子数和质子数都相同，但核所处能态不同的核素互为同质异能素。态不同的核素互为同质异能素。例如：正常的钴元素和镤元素表示为例如：正常的
4、钴元素和镤元素表示为6060CoCo和和234234PaPa，它们的同质异能素则表示为它们的同质异能素则表示为6060CoCom m和和234234PaPam m等。等。和和互为氢的同位素。互为氢的同位素。H11H21H31二、原子、原子核能级二、原子、原子核能级核外电子的运动状态核外电子的运动状态：主量子数主量子数 n n,轨道角动量量子数轨道角动量量子数 l l,轨道方向量子数轨道方向量子数 m ml l,自旋量子数自旋量子数 m ms s根据泡利不相容原理，在原子中不能有两个电子处于同一状根据泡利不相容原理，在原子中不能有两个电子处于同一状态，即不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。态
5、，即不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。在一个原子中具有相同在一个原子中具有相同n n量子数的电子构成一个壳层，量子数的电子构成一个壳层，n n1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7的各层分别被称为的各层分别被称为K K、L L、M M、N N、O O、P P、Q Q层；层；在一个壳层内，具有相同在一个壳层内，具有相同l l量子数的电子构成一个次壳层，量子数的电子构成一个次壳层，l l0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6的各次壳层分别用符号的各次壳层分别用符号s s、p p、d d、f f、g g、h h、i i表示。表示。电子的壳层结构电子的壳层结构壳壳
6、层层能级次序能级次序各能级的电子数各能级的电子数满壳层电满壳层电子总数子总数KLMNOPQ1s2s，2p3s，3p4s，3d，4p5s，4d，5p6s，4f，5d，6p7s，5f，6d，22，62，62，10，62，10，62，14，10，62，14，10，.21018365486 电子在原子核的库仑场中所具有的势能主要由主电子在原子核的库仑场中所具有的势能主要由主量子数量子数n n和轨道角动量量子数和轨道角动量量子数l l决定，并随决定，并随n n、l l的的增大而升高。增大而升高。零势能规定：零势能规定：习惯上规定当电子与核相距无穷远习惯上规定当电子与核相距无穷远时，电子所具有的势能为零。
7、因此，当电子填充时，电子所具有的势能为零。因此，当电子填充核外某一个壳层时，其势能为负值。核外某一个壳层时，其势能为负值。基态：基态：电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序进行，以保证原子处于最低能量状态进行，以保证原子处于最低能量状态,这种状态称这种状态称为基态。由于内层电子对外层电子具有屏蔽效应，为基态。由于内层电子对外层电子具有屏蔽效应，所以实际电子填充壳层时，会出现所以实际电子填充壳层时，会出现能级交错能级交错，而，而不是按壳层顺序逐个填充。不是按壳层顺序逐个填充。激发态：激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而当电子获得能量，从低能级跃迁到高能
8、级而使低能级出现空位时，称原子处于激发态。使低能级出现空位时，称原子处于激发态。结合能：结合能：当一个自由电子填充壳层时，会以发射一个当一个自由电子填充壳层时，会以发射一个光子的形式释放能量，能量的大小等于壳层能级能量的光子的形式释放能量，能量的大小等于壳层能级能量的绝对值，这些能量称为相应壳层的结合能。结合能随绝对值，这些能量称为相应壳层的结合能。结合能随n n、l l的增大而减小，对于同一个能级，结合能随原子序数增的增大而减小，对于同一个能级，结合能随原子序数增大而增加。大而增加。特征辐射与俄歇电子：特征辐射与俄歇电子：处于激发态的原子很不稳定，高处于激发态的原子很不稳定，高能级的电子会自
9、发跃迁到低能级空位上，从而使原子回能级的电子会自发跃迁到低能级空位上，从而使原子回到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种辐射称为特征辐射，当特征辐射的能量足式发出，这种辐射称为特征辐射，当特征辐射的能量足够高，进入够高，进入X X射线能量范围时，又称为射线能量范围时，又称为特征特征X X射线射线；另一；另一种可能是传递给外层电子，使之脱离原子束缚成为自由种可能是传递给外层电子，使之脱离原子束缚成为自由电子，这种电子称为电子，这种电子称为俄歇电子俄歇电子，它的能量等于相应跃迁，它的能量等于相应跃迁的的X X射线能量减去该电子的
10、结合能。射线能量减去该电子的结合能。三、原子、原子核的质量三、原子、原子核的质量 原子质量单位定义：原子质量单位定义：1u1u 原子质量原子质量 相对原子质量：相对原子质量：原子的质量以原子的质量以u u为单位时测量得数。为单位时测量得数。阿伏加德罗定律：阿伏加德罗定律：1 1摩尔任何元素的物质包含有摩尔任何元素的物质包含有N NA A（6.0226.02210102323）个原子。）个原子。摩尔质量：摩尔质量：1 1摩尔物质的质量，其数值等于相对原子摩尔物质的质量，其数值等于相对原子质量，单位为（质量，单位为（g/molg/mol）。）。126112CAANMAeAZNnMAANMAeAZN
11、NM 单位体积中的电子数单位体积中的电子数 每克原子数每克原子数每克电子数每克电子数四、电子密度、每克电子数四、电子密度、每克电子数单质单质单位体积中的原子数单位体积中的原子数eenNAZM所有元素（氢除外）的所有元素（氢除外）的近似近似电子密度电子密度:单位体积中的电子数单位体积中的电子数为为0.5，并且随原子序数的增加而略有减小。，并且随原子序数的增加而略有减小。化合物或混合物化合物或混合物11221122eeeeeeNNNnNN 12,分别表示构成元素的原子或离子的质量份额基本粒子的种类和物理特性基本粒子的种类和物理特性 基本粒子：质子、中子、电子、光子、基本粒子：质子、中子、电子、光子
12、、介子和其他一些介子和其他一些粒子被认为是构成物质结构的基本单元。比较稳定的、寿粒子被认为是构成物质结构的基本单元。比较稳定的、寿命比较长的基本粒子共有命比较长的基本粒子共有3030多种。多种。第二节第二节 放射性放射性 一、原子核的稳定性一、原子核的稳定性 影响核素稳定的因素如下：影响核素稳定的因素如下：1 1、中子数与质子数之间的比例关系、中子数与质子数之间的比例关系2 2、核子数的奇偶性、核子数的奇偶性3 3、重核的不稳定性、重核的不稳定性 原子序数小于原子序数小于8282的元素至少存在一种稳定核素，而原的元素至少存在一种稳定核素，而原子序数大于子序数大于8282的元素都不稳定，会自发的
13、放射出的元素都不稳定，会自发的放射出粒子粒子或自发裂变而成为铅（或自发裂变而成为铅（Z Z8282）的同位素。）的同位素。狭长区域为稳定核素的位置。其中心线，可以用一个经验公式表示：2/31.980.0155AZA二、衰变类型二、衰变类型 不稳定核素自发的放出射线，而变成为另一种核素，不稳定核素自发的放出射线，而变成为另一种核素，这种现象称为这种现象称为放射性放射性，这个过程称为，这个过程称为放射性衰变放射性衰变，这些，这些核素称为核素称为放射性核素放射性核素。衰变前的核称为。衰变前的核称为母核母核，衰变后的，衰变后的核称为核称为子核子核。衰变过程中释放的能量称为。衰变过程中释放的能量称为衰变
14、能衰变能。衰变。衰变能等于衰变前后诸粒子静止质量之差所对应的能量，并能等于衰变前后诸粒子静止质量之差所对应的能量，并以子核和发射粒子动能的形式释放。以子核和发射粒子动能的形式释放。原子核的衰变，主要有三种类型，即原子核的衰变，主要有三种类型，即、衰变和衰变和跃迁。跃迁。（一）（一）衰变衰变 粒子是氦的原子核，它由粒子是氦的原子核，它由2 2个质子和个质子和2 2个中子个中子组成。组成。衰变的反应式如下衰变的反应式如下前提条件：只有母核与子核的静止质量之差大于前提条件：只有母核与子核的静止质量之差大于粒子的静止质量时，衰变能大于零，衰变才能发粒子的静止质量时，衰变能大于零，衰变才能发生。生。87
15、90.4HeThU4223490238924422AAZZXYHeQMeV重核易发生重核易发生衰变。图衰变。图1 15 5 从镭到氡的衰变纲图从镭到氡的衰变纲图 （二）（二）衰变衰变 衰变包括衰变包括3 3种类型：种类型：-衰变、衰变、衰变、轨道电子衰变、轨道电子俘获。俘获。1 1、-衰变：衰变：核内中子多，核内中子多，nn变变P P，放出一个负电子。，放出一个负电子。QYXA1ZAZSP32163215Q反中微子反中微子 222()(,)(1,)(0)(,)(1,)(1)(,)(1,)XYeXeYeeXYQmZ AmZAm cmMZ AZmMZAZmm cMZ AMZA c-的能谱特点：两端
16、低、中间高的连续谱分布。的能谱特点：两端低、中间高的连续谱分布。由于在一次衰变时会发射出两个粒子，子核的动能可以由于在一次衰变时会发射出两个粒子，子核的动能可以忽略，所以衰变能近似等于两个粒子的动能之和。每个忽略，所以衰变能近似等于两个粒子的动能之和。每个粒子分配到的能量可以是零到衰变能之间的任何值。粒子分配到的能量可以是零到衰变能之间的任何值。2 2、衰变衰变:核内质子多，核内质子多，PP变变n n，放出一个正电子。，放出一个正电子。QYXA1zAzQOF188189注：式中注：式中代表中微子。代表中微子。能谱特点：能谱特点：粒子的能谱与粒子的能谱与-粒子能谱一样也是粒子能谱一样也是连续的。
17、连续的。222()(,)(1,)(0)(,)(1,)(1)(,)(1,)2XYeXeYeeXYeQmZ AmZAm cmMZ AZmMZAZmm cMZ AMZAm c3 3、轨道电子俘获轨道电子俘获 原子核从核外壳层中俘获一个轨道原子核从核外壳层中俘获一个轨道电子使核内的一个质子转变为中子，同时放出中微子的电子使核内的一个质子转变为中子，同时放出中微子的过程称为轨道电子俘获。过程称为轨道电子俘获。QTeeIQYeX1255212553A1ZAz222()(,)(1,)(0)(,)(1,)(1)(,)(1,)XeYiXeeYeiXYiQmZ AmmZA cWmMZ AZmmMZAZmcWMZ
18、AMZA cW 在图14中的稳定核素区的左上方时，因为它的中子数比相应的稳定同位素的中子数多而被称为丰中子核素。丰中子核素容易发生 衰变，经衰变后，一个中子变成一个质子，而质量数不变，因此它是沿同量异位线向右下靠拢稳定核素区。相反，如果一个核素位于稳定核素区的右下方，则被称为缺中核素。缺中子核素容易发生 衰变或轨道电子俘获反应，沿着同量异位线向左上靠拢稳定核素区。（三）（三）跃迁和内转换跃迁和内转换 伴随伴随或或衰变后发生。衰变后发生。内转换：内转换：有些原子核进行有些原子核进行跃迁时不放出跃迁时不放出射线，而射线，而把激发态跃迁到较低激发态或基态时释放出来的能量直接把激发态跃迁到较低激发态或
19、基态时释放出来的能量直接交给核外壳层电子（主要是交给核外壳层电子（主要是K K层电子），使该电子释放出层电子），使该电子释放出来成为自由电子，这个过程称为来成为自由电子，这个过程称为内转换内转换，发射出的电子称，发射出的电子称为为内转换电子内转换电子。QXXAZmAZTcTc9943h02.6tm99432/1例：例：（E E=0.141MeV=0.141MeV）是是的的同质异能素同质异能素。注：注：m9943TcTc9943三、放射性度量三、放射性度量放射性指数衰变规律：放射性指数衰变规律：放射性活度：放射性活度：是指一定量的放射性核素在一个很短的时是指一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔
20、内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。公式表达间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。公式表达如下：如下：0tdNANA edt活度的国际单位是贝可活度的国际单位是贝可勒尔勒尔（Bq）。旧单位是居里）。旧单位是居里（Ci）。）。1Ci3.71010Bq3.71010核衰变核衰变/秒秒0tNN e为衰变常数为衰变常数半衰期：半衰期：放射性核素其原子核数目衰减到原来数目一半放射性核素其原子核数目衰减到原来数目一半所需的时间（所需的时间（T T1/21/2）。半衰期与衰变常数的关系为：）。半衰期与衰变常数的关系为：1/2ln20.693TT T1/21/2的单位是秒，对半衰期长的核素可以用分（的单位
21、是秒，对半衰期长的核素可以用分（minmin）、）、天（天（d d）、年（）、年（a a）。）。平均寿命（平均寿命（）：）：是指放射性原子核平均生存的时间。是指放射性原子核平均生存的时间。01/21/200()11.440.693tdN tTtedtTN放射性比活度：放射性比活度：单位质量放射源的放射性活度，单单位质量放射源的放射性活度，单位是位是Bq/g。衡量放射性物质纯度的指标。衡量放射性物质纯度的指标。例：例：一台一台60Co治疗机源初装时的活度为治疗机源初装时的活度为111TBq111TBq（3000Ci3000Ci），），使用使用5 5年、年、1010年后源的活度还剩多少？年后源的活
22、度还剩多少？解：将解：将A A0 0111TBq111TBq，T T1/21/25.27a，t5a，代入，代入1/20.69300tTtAA eA e得得557.5aATBq，1029.8aATBq。四、递次衰变和放射平衡四、递次衰变和放射平衡 递次衰变：递次衰变：放射性核素转变为稳定核素时往往要经放射性核素转变为稳定核素时往往要经过多次衰变才能完成，这种衰变称为递次衰变。衰变过程过多次衰变才能完成，这种衰变称为递次衰变。衰变过程中形成的核素系列称衰变系列。中形成的核素系列称衰变系列。例如，例如，9036Kr转变为转变为9040Zr需经需经4 4次次衰变衰变142.9min2864909090
23、90903637383940sahKrRbSrYZr 递次衰变时任一子体随时间变化不仅与本次衰变的衰变递次衰变时任一子体随时间变化不仅与本次衰变的衰变常数有关，而且与前面所有衰变的衰变常数有关。常数有关，而且与前面所有衰变的衰变常数有关。放射性平衡：放射性平衡：如果母体的半衰期大于子体的半衰期，当经如果母体的半衰期大于子体的半衰期，当经过足够长的时间后，子母体间的放射性活度将保持固定比过足够长的时间后，子母体间的放射性活度将保持固定比例，这样一种状态称为放射性平衡。当放射性平衡出现后，例，这样一种状态称为放射性平衡。当放射性平衡出现后，子体的衰变速度将与母体相同。子体的衰变速度将与母体相同。五
24、、人工放射性核素五、人工放射性核素 在医学中有广泛的应用，如钴在医学中有广泛的应用，如钴-60、锝、锝-99、锶、锶-90、铱铱-192等。等。制备途径：制备途径：（1）反应堆中的强中子束照射靶核，靶核俘获中子而）反应堆中的强中子束照射靶核，靶核俘获中子而生成放射性核；（主要来源）生成放射性核；（主要来源）（2）中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核）中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素，这样制备出来的核素是丰中子核素，通常具有素，这样制备出来的核素是丰中子核素，通常具有衰衰变。变。（3）用高能加速器产生放射性核素，这样制备出来的）用高能加速器产生放射性核素，这样制备出来的是缺中子
25、核素，通常具有是缺中子核素，通常具有衰变，但多是短寿命的。衰变，但多是短寿命的。小结：小结：1基本概念基本概念元素，核素，同位素，原子量，基态，激发态，元素，核素，同位素，原子量，基态，激发态，特征特征X射线，原子结构和能级，原子核结构和能射线，原子结构和能级，原子核结构和能级，阿伏加德罗定律，电子密度，每克电子数。级，阿伏加德罗定律，电子密度，每克电子数。2放射性放射性原子核的稳定性，衰变类型，放射性指数衰变规原子核的稳定性，衰变类型，放射性指数衰变规律，放射性活度，半衰期，衰变常数，平均寿命律，放射性活度，半衰期，衰变常数，平均寿命，递次衰变，放射平衡，放射性比活度，人工，递次衰变，放射平衡，放射性比活度，人工放射性核素的生产途径。放射性核素的生产途径。作业作业1：名词解释：名词解释：特征辐射、放射性活度特征辐射、放射性活度问答题：问答题：1、哪些因素会影响核素的稳定性？、哪些因素会影响核素的稳定性？2、10000Ci的的60Co源有多少个源有多少个60Co放射性原子放射性原子?其质量为多少克其质量为多少克?3、60Co半衰期为半衰期为5.27年，衰变到年，衰变到1/10用多长时用多长时间间?4、说明处于激发态的原子核其释放能量的方式？、说明处于激发态的原子核其释放能量的方式？
