原子核的放射性与衰变.pptx

第二章第二章 原子核的放射性与衰变原子核的放射性与衰变第一页，共六十八页。2.1 衰变衰变2.2 衰变衰变2.3 衰变衰变2.4 衰变纲图衰变纲图2.5 放射性核素衰变的根本规律放射性核素衰变的根本规律2.6 放射性活度及其单位放射性活度及其单位2.7 放射性核素的递次衰变规律放射性核素的递次衰变规律2.8 放射性平衡放射性平衡2.9 核衰变规律和放射性平衡的应用核衰变规律和放射性平衡的应用第二页，共六十八页。主主 要要 参参 考考 教教 材材核辐射物理根底核辐射物理根底 樊明武等编著樊明武等编著 暨南大学出版社暨南大学出版社2022年年原子核物理修订版原子核物理修订版 卢希庭等编著卢希庭等编著 原子能出版社原子能出版社2000年年第三页，共六十八页。第第2.6节节 放射性活度及其单位放射性活度及其单位第四页，共六十八页。一、放射性活度一、放射性活度 Activity 放射源发出放射性粒子的多少，与放射源含有的放射性原子核数目放射源发出放射性粒子的多少，与放射源含有的放射性原子核数目有关，还与衰变常数有关，还与衰变常数 有关。有关。放射源的强弱用放射性活度来度量放射源的强弱用放射性活度来度量。p 放射性活度的定义：放射性活度的定义：在在单位时间内单位时间内发生衰变发生衰变的的原子核数目原子核数目，称为，称为放射性活度放射性活度A(t)，也称，也称为衰变率为衰变率J(t)，表征放射源的强弱表征放射源的强弱。放射性活度的放射性活度的精确定义精确定义在给定时刻，处于特定能态的一定量放在给定时刻，处于特定能态的一定量放射性核素在时间间隔射性核素在时间间隔dt内发生自发核衰变或跃迁的期望值。内发生自发核衰变或跃迁的期望值。第五页，共六十八页。定义定义t=0时的放射性活度为时的放射性活度为A(0)：则：则：放射性活度是指单位时间放射性活度是指单位时间发生衰变的发生衰变的原子核数目原子核数目，而，而不是不是放射源放射源发出的发出的粒子数目粒子数目。放放射射源源发发出出放放射射性性粒粒子子的的多多少少，不不仅仅与与核核衰衰变变数数有有关关，而而且且和和核核衰衰变变的具体情况直接相关。的具体情况直接相关。一般情况，一般情况，核衰变率数核衰变率数不等于不等于发出粒子数发出粒子数。放射性活度放射性活度和和放射性原放射性原子核的数目子核的数目具有具有同样的指数同样的指数衰减规律衰减规律。物质中放射性核的多少并不能完全反映出放射性的强弱。活度大物质中放射性核的多少并不能完全反映出放射性的强弱。活度大必须满足必须满足N和和 都大。人们更关心放射性活度的大小。都大。人们更关心放射性活度的大小。p 对放射性活度的理解：对放射性活度的理解：第六页，共六十八页。p 放射性活度与射线强度的区别：放射性活度与射线强度的区别：射线强度射线强度：放射源在单位时间内：放射源在单位时间内放出某种射线的个数放出某种射线的个数。放射性活度：指单位时间内放射性活度：指单位时间内发生衰变的发生衰变的原子核数目原子核数目。如果某放射源一次衰变只放出一个粒子，那么该源的射线强度与放如果某放射源一次衰变只放出一个粒子，那么该源的射线强度与放射性活度在数值上是相等的。射性活度在数值上是相等的。对大多数放射源，一次衰变往往会放出假设干个粒子，因此对大多数放射源，一次衰变往往会放出假设干个粒子，因此其放射性活度与射线强度的数值是不相等的。其放射性活度与射线强度的数值是不相等的。例：例：32P的一次衰变只放出一个的一次衰变只放出一个粒子，那么粒子，那么32P的射线强度与放的射线强度与放射性活度在数值上相等。射性活度在数值上相等。例例：60Co源的一次衰变放出源的一次衰变放出2个个光子，因此光子，因此60Co源的源的射线强射线强度值是放射性活度值的度值是放射性活度值的2倍。倍。第七页，共六十八页。例如例如137Cs，每发生，每发生100次衰变，发出的粒子数有：次衰变，发出的粒子数有：最大能量为最大能量为1.17MeV的的 粒子粒子5个；个；最大能量为最大能量为512keV的的 粒粒子子95个；个；能量为能量为662keV的的 粒子粒子85个；个；能量约为能量约为662keV的内转的内转换电子换电子10个；个；还有特征还有特征X射线等。射线等。30.17 y0661.662.55 m661.66 85.0%e9.6%11/23/27/20=1173.20.9 keV 511.6 94.6%1173.2 5.4%实例：实例：说明：放射性活度与放射源发出的粒子数目、射线强度是完全不同的说明：放射性活度与放射源发出的粒子数目、射线强度是完全不同的概念概念 核衰变数不等于放出粒子数核衰变数不等于放出粒子数 ，要注意区分。，要注意区分。第八页，共六十八页。p 核素具有多种分支衰变的活度：核素具有多种分支衰变的活度：第第i种分支衰变的种分支衰变的局局部放射性活度：部放射性活度：式中，式中，为第为第i种分支衰变的衰变常数；种分支衰变的衰变常数；为该核素的总衰变常数。为该核素的总衰变常数。核素的总放射性活度：核素的总放射性活度：注意注意：部分放射性活度随时间是按部分放射性活度随时间是按 衰减衰减而不是按而不是按 衰减的。衰减的。（原因：任何放射性活度随时间的衰减都是由于原子核数（原因：任何放射性活度随时间的衰减都是由于原子核数N的的减少，而减少，而N减少是所有分支衰变的总结果。）减少是所有分支衰变的总结果。）第九页，共六十八页。衰变的分支比衰变的分支比Ri：第第i种分支衰变的种分支衰变的局局部放射性活度与总放射性活度之比。部放射性活度与总放射性活度之比。可见：可见：局局部放射性活度在任何时候都是与总放射性活度成正比的。部放射性活度在任何时候都是与总放射性活度成正比的。第十页，共六十八页。二、放射性活度单位二、放射性活度单位 放射性物质的质量多少不能反映出放射性的大小放射性物质的质量多少不能反映出放射性的大小：有些放射性：有些放射性强的物质，其质量不一定多；而放射性弱的物质，其质量不一定少。强的物质，其质量不一定多；而放射性弱的物质，其质量不一定少。衡量放射性物质的多少通常不用质量单位，而是采用放射性物质的放衡量放射性物质的多少通常不用质量单位，而是采用放射性物质的放射性活度射性活度 即单位时间内发生衰变的原子核数即单位时间内发生衰变的原子核数 来表征。来表征。历史上，采用历史上，采用Ci(居里居里)作为放射性活度的单位作为放射性活度的单位：Ci的定义：的定义：1Ci的氡等于和的氡等于和1g镭处于平衡的氡的每秒衰变数镭处于平衡的氡的每秒衰变数 到达放到达放射性平衡时两核素的活度相等射性平衡时两核素的活度相等，即，即1g镭的每秒衰变数。镭的每秒衰变数。早期测得早期测得1g226Ra在在1秒内衰变的次数为秒内衰变的次数为3.71010次。次。即：即：第十一页，共六十八页。较小的单位还有较小的单位还有毫居毫居(mCi)和和微居微居(Ci)：Ci作为单位的缺点作为单位的缺点：会随测量的精度而改变，使用不方便。：会随测量的精度而改变，使用不方便。1975年国际计量大会规定放射性活度的国际单位为年国际计量大会规定放射性活度的国际单位为Bq(贝可勒贝可勒尔尔Becquerel)：Bq的定义的定义：每秒发生：每秒发生1次核衰变。次核衰变。Ci和和Bq之间的换算关系为：之间的换算关系为：第十二页，共六十八页。利用衰变纲图来计算一定量放射性核素的放射性。利用衰变纲图来计算一定量放射性核素的放射性。例：求解例：求解1mg 的的+粒子强度。粒子强度。解：解：根据衰变纲图可知，根据衰变纲图可知，64Cu通过通过+衰变到衰变到64Ni的基态，概率为的基态，概率为64Cu总衰总衰变率的变率的19%。因此。因此+粒子的强度为粒子的强度为1mg64Cu活度活度A的的19%。那么有：。那么有：第十三页，共六十八页。三、活度单位与其它几个单位的比较三、活度单位与其它几个单位的比较第十四页，共六十八页。四、放射性核素的质量与放射性活度的关系四、放射性核素的质量与放射性活度的关系 放射性物质的放射性物质的质量质量m与活度与活度A之间的关系：之间的关系：设该放射性物质的原子质量为设该放射性物质的原子质量为M，阿伏加德罗常数为，阿伏加德罗常数为NA，质量为，质量为m的该物质对应的原子个数为的该物质对应的原子个数为N，那么有：，那么有：那么对应的活度那么对应的活度A为：为：例例1：求解：求解1g226Ra的活度值的活度值 查表知查表知 Ra=1.3710-11s-1。解：解：1g226Ra对应的原子个数为：对应的原子个数为：第十五页，共六十八页。通过计算说明：通过计算说明：1g226Ra的放射性活度约为的放射性活度约为1Ci。那么对应的活度那么对应的活度ARa为：为：可见：一般放射源的质量很小，但却包含有大量的原子核，足以可见：一般放射源的质量很小，但却包含有大量的原子核，足以保证衰变规律良好的统计性。保证衰变规律良好的统计性。五、比活度五、比活度p 定义：定义：比活度是指放射源的放射性活度与其质量之比，即单位质比活度是指放射源的放射性活度与其质量之比，即单位质量放射源的放射性活度，即：量放射源的放射性活度，即：第十六页，共六十八页。p 比活度的意义：比活度的意义：比活度反映了比活度反映了放射源中放射源中放射性物质放射性物质的的纯度纯度。某一核素的放射源，不大可能全部由该种核素组成，一般都含有其它物某一核素的放射源，不大可能全部由该种核素组成，一般都含有其它物质。其它物质相对含量大的放射源，该核素的比活度低；反之那么高。质。其它物质相对含量大的放射源，该核素的比活度低；反之那么高。实际生产的实际生产的60Co源的比活度一般只有源的比活度一般只有(10111012)Bq/g。例如：例如：3.7104Bq的的60Co放射源放射源 能看出能看出T1/2=5.27a 对应的对应的60Co质量为质量为8.86 10-10g，假设该源全部由，假设该源全部由60Co源组成源组成 不含任何其它物质不含任何其它物质，那么其比，那么其比活度为：活度为：(理想情况理想情况)第十七页，共六十八页。第第2.7节节 放射性核素的递次衰变规律放射性核素的递次衰变规律第十八页，共六十八页。许许多多放放射射性性核核素素并并非非一一次次衰衰变变就就到到达达稳稳定定，而而是是它它们们的的子子核核仍仍有有放放射射性性，会会接接着着衰衰变变直直到到衰衰变变的的子子核核为为稳稳定定核核素素为为止止，这这样样就就产产生生了了多多代代连连续续放射性衰变，称之为递次衰变或级联衰变。放射性衰变，称之为递次衰变或级联衰变。递次衰变的表示递次衰变的表示：例如，铀系的母核例如，铀系的母核238U经过一系列衰变后，得到：经过一系列衰变后，得到：第十九页，共六十八页。第第1种种情情况况：在在递递次次衰衰变变中中，任任何何一一种种放放射射性性物物质质被被别别离离出出来来单单独独存放时，它的衰变都满足放射性核素的指数衰减规律。存放时，它的衰变都满足放射性核素的指数衰减规律。第第2种种情情况况：假假设设不不将将递递次次衰衰变变链链中中的的的的各各子子体体别别离离 母母体体和和子子体体共共存存，那么，它们混在一起的衰变规律不再满足简单的指数衰减律。，那么，它们混在一起的衰变规律不再满足简单的指数衰减律。递次衰变的特征递次衰变的特征：对于对于衰变链中的衰变链中的任何一种任何一种放射性子体核素放射性子体核素，在它衰变过程中：一，在它衰变过程中：一方面因自身衰变而减少，另一方面由于母体的衰变而不断得到补充。方面因自身衰变而减少，另一方面由于母体的衰变而不断得到补充。原因原因结果结果 需要进一步研究两个以及多个核素相继衰变的规律。需要进一步研究两个以及多个核素相继衰变的规律。第二十页，共六十八页。一、两次连续衰变规律一、两次连续衰变规律 考虑母体衰变成子体，子体衰变成稳定核的情况。如：考虑母体衰变成子体，子体衰变成稳定核的情况。如：设两次连续衰变的一般表达式：设两次连续衰变的一般表达式：其中：其中：A、B、C的衰变常数为的衰变常数为 1、2，3=0 稳定核素稳定核素；t时刻时刻 A、B、C的原子核数分别为的原子核数分别为N1、N2、N3；t=0时时 A、B、C的原子核数为的原子核数为N1(0)，N2(0)=N3(0)=0 t=0时刻只有母体时刻只有母体A存在存在。研究研究A,B,C的原子核数和放射性活度随时间的变化规律。的原子核数和放射性活度随时间的变化规律。第二十一页，共六十八页。母体母体A的衰变不受子体影响，的衰变不受子体影响，N1随时间的变化仍服从指数衰减规律，随时间的变化仍服从指数衰减规律，其原子核数其原子核数N1为：为：母体母体A的放射性活度为：的放射性活度为：p 母体母体A的衰变规律：的衰变规律：p 子体子体B的衰变规律：的衰变规律：子体子体B的原子核数目同时受到母体衰变速度和子体衰变速度的原子核数目同时受到母体衰变速度和子体衰变速度的影响。即：的影响。即：即：母体即：母体A在单位时间内发生衰变的原子核数目为在单位时间内发生衰变的原子核数目为 1N1(t)，这些衰变的原子核，这些衰变的原子核A都生成子体都生成子体B第二十二页，共六十八页。B衰变为衰变为C，B不断从自身衰变中减少不断从自身衰变中减少(B减减少少)，即即B衰变的速率为：衰变的速率为：A衰变为衰变为B，B不断从不断从A的衰变中获得累积的衰变中获得累积(B增加增加)，即，即B产生的速率为：产生的速率为：B因此，对于子体因此，对于子体B，单位时间核数目的变化，单位时间核数目的变化 满足：满足：代入代入N1(t)等条件，解此微分方程，等条件，解此微分方程，得子体得子体B的原子核数目随时间的原子核数目随时间的变化规律为：的变化规律为：可见，子体可见，子体 B 的变化规律不仅与它本身的衰变常数的变化规律不仅与它本身的衰变常数 2 有关，而且还有关，而且还与母体与母体 A 的衰变常数的衰变常数 1 有关，它的衰变规律有关，它的衰变规律不再是简单的指数规律不再是简单的指数规律。第二十三页，共六十八页。从而，易得子体从而，易得子体B的放射性活度为：的放射性活度为：p 稳定子体稳定子体C的原子核数目：的原子核数目：子体子体C的原子核数的原子核数N3(t)只受到子体只受到子体B衰变速度的影响，即它的变衰变速度的影响，即它的变化仅由化仅由B的衰变决定，因此：的衰变决定，因此：由于子体由于子体C不发生衰变，是稳定核素，因此不发生衰变，是稳定核素，因此 3=0。B衰变为衰变为C，C不断从不断从B的衰变中获得累的衰变中获得累积积(C增加增加)，即，即C产生的速率为：产生的速率为：C即：子体即：子体B在单位时间内发生衰变的原子核数目为在单位时间内发生衰变的原子核数目为 2N2(t)，这些衰变的原子核，这些衰变的原子核B都生成稳定子体都生成稳定子体C 因此，对于稳定子体因此，对于稳定子体C，单位时，单位时间核数目的变化间核数目的变化 满足：满足：第二十四页，共六十八页。将将N2(t)代入，并求解微分方程，得子体代入，并求解微分方程，得子体C的原子核数目随时间的变的原子核数目随时间的变化规律为：化规律为：可见，子体可见，子体C的变化规律也由母体的变化规律也由母体A和子体和子体B的衰变常数共同决的衰变常数共同决定。定。当当t ，N3(t)N1(0)，母体，母体A全部衰变成子体全部衰变成子体C。子体子体C是稳定是稳定的，不再发生衰变的，不再发生衰变。显然，显然，子体子体C的放射性活度的放射性活度A3(t)=3N3(t)=0，因为它是稳定的，因为它是稳定的，3=0。$思考：思考：大家课后计算一下，大家课后计算一下，第二十五页，共六十八页。二、二、屡屡次连续衰变规律次连续衰变规律 母体衰变成假设干代子体，最终子体衰变成稳定核。母体衰变成假设干代子体，最终子体衰变成稳定核。屡屡次连续衰变的一般表达式：次连续衰变的一般表达式：与两次连续衰变情况不同，这里的子体与两次连续衰变情况不同，这里的子体C并不是稳定核素，也会发并不是稳定核素，也会发生衰变，其原子核数生衰变，其原子核数N3(t)受到子体受到子体B衰变速度和子体衰变速度和子体C衰变衰变 自身的衰自身的衰变变 速度的影响。即：速度的影响。即：p 衰变规律推导：衰变规律推导：第二十六页，共六十八页。C衰变为衰变为D，C不断从自身衰变中减少不断从自身衰变中减少(C减少减少)，即即C衰变的速率为：衰变的速率为：B衰变为衰变为C，C不断从不断从B的衰变中获得累积的衰变中获得累积(C增加增加)，即，即C产生的速率为：产生的速率为：C因此，对于子体因此，对于子体C，单位时间核数目的变化，单位时间核数目的变化 满足：满足：求解微分方程，并利用初始条件求解微分方程，并利用初始条件t=0，N3(0)=0得，得，其中，其中，c1、c2、c3是常数。是常数。第二十七页，共六十八页。易得子体易得子体C的放射性活度为：的放射性活度为：p n代连续放射性衰变规律代连续放射性衰变规律：对于对于n代连续放射性衰变过程，共有代连续放射性衰变过程，共有n+1种核素，种核素，其中：前面其中：前面n种都是不稳定核素种都是不稳定核素(具有放射性具有放射性)，都有衰变过程；，都有衰变过程；第第n+1种是稳定核素，即种是稳定核素，即 n+1=0。设前面设前面n种核素的衰变常数分别为种核素的衰变常数分别为 1,2,3,n；初始条件：初始条件：N1(0)，N2(0)=N3(0)=Nn(0)=Nn+1(0)=0。即即t=0时刻只有母体时刻只有母体A1存在存在 第二十八页，共六十八页。其中，其中，c1,c2,cn是常数。是常数。同理，可得第同理，可得第n种放射性核素种放射性核素An的原子核数随时间的变化规律为：的原子核数随时间的变化规律为：第二十九页，共六十八页。从而，易得从而，易得第第n种放射性核素种放射性核素An的放射性活度为：的放射性活度为：其中，其中，n为为An的衰变常数。的衰变常数。结论结论：在连续放射性衰变中，在连续放射性衰变中，母体衰变母体衰变是单一放射性衰变，服从是单一放射性衰变，服从指数衰减规律指数衰减规律；其余各代子体其余各代子体的衰变规律的衰变规律不再是简单指数规律不再是简单指数规律，而，而与与 前前面各代衰变常数都有关面各代衰变常数都有关。第三十页，共六十八页。第第2.8节节 放射性平衡放射性平衡第三十一页，共六十八页。在连续放射性衰变中，母核及各代子核的衰变常数有大有小，在连续放射性衰变中，母核及各代子核的衰变常数有大有小，衰变有快有慢。衰变有快有慢。如果如果时间足够长时间足够长，各代核素的衰变规律会出现什么情况各代核素的衰变规律会出现什么情况？问题？问题：显然，显然，在连续放射性衰变中在连续放射性衰变中，母体母体的衰变情况总是服从单一指的衰变情况总是服从单一指数衰减规律的。因此，对子体数衰减规律的。因此，对子体B的变化情况感兴趣。的变化情况感兴趣。子体子体B的变化情况的变化情况只取决于只取决于 1和和 2。下面分三种情况讨论：。下面分三种情况讨论：母体母体A的原子核的原子核数目变化规律：数目变化规律：子体子体B的原子核的原子核数目变化规律：数目变化规律：对于对于两代连续衰变两代连续衰变：其中，其中，T1和和T2 分别为母体分别为母体A和子体和子体B的半衰期。的半衰期。第三十二页，共六十八页。一、暂时平衡一、暂时平衡 放射性动平衡放射性动平衡 母体母体A的半衰期不是很长，但比子体的半衰期不是很长，但比子体B的半衰期长，即：的半衰期长，即：T1T2，一一一一 暂时平衡的条件及建立暂时平衡的条件及建立暂时平衡的条件及建立暂时平衡的条件及建立p 暂时平衡的条件：暂时平衡的条件：p 暂时平衡的建立：暂时平衡的建立：那么在观察时间内可看出母体那么在观察时间内可看出母体 A 放射性的变化。放射性的变化。例如：例如：经经过过足足够够长长时时间间后后，子子体体的的原原子子核核数数目目将将与与母母体体的的核核数数目目建建立立起起固固定定的的比比例例关关系系，即即此此时时子子体体的的变变化化将将按按照照母母体体的的半半衰衰期期衰衰减减。这时建立的平衡叫这时建立的平衡叫暂时平衡暂时平衡暂时平衡暂时平衡。母体母体A中的一个原子核在单位时间内中的一个原子核在单位时间内发生衰变的概率发生衰变的概率小于小于子体子体B的原子核的原子核或或 1 2第三十三页，共六十八页。二二二二 暂时平衡关系的推导暂时平衡关系的推导暂时平衡关系的推导暂时平衡关系的推导 以两代连续衰变为例，根据子体以两代连续衰变为例，根据子体B的原子核数目随时间的变化规律，的原子核数目随时间的变化规律，有：有：由于由于 1 2，当，当t足够大时足够大时，有：，有：即：当即：当 t 足够大时足够大时，有：，有：第三十四页，共六十八页。当当t足够大时，子体与母体的放射性活度关系为：足够大时，子体与母体的放射性活度关系为：当时间足够长时，子体与母体之间出现暂时平衡，即它们的当时间足够长时，子体与母体之间出现暂时平衡，即它们的核数目核数目 或放射性活度或放射性活度 之比为一固定值。之比为一固定值。推导结论推导结论：由于由于N1和和A1是按半衰期是按半衰期T1衰减，那么当到达暂时平衡时，衰减，那么当到达暂时平衡时，N2和和A2也按半衰期也按半衰期T1衰减。衰减。第三十五页，共六十八页。三三三三 暂时平衡时母体和子体的变化规律曲线暂时平衡时母体和子体的变化规律曲线暂时平衡时母体和子体的变化规律曲线暂时平衡时母体和子体的变化规律曲线 以实例具体来说明暂时平衡以实例具体来说明暂时平衡(1 2)情况：情况：暂时平衡暂时平衡(1 2)时子体的生长和衰变情况如以下图所示：时子体的生长和衰变情况如以下图所示：母体按自己的衰变常数指数衰减。母体按自己的衰变常数指数衰减。母体母体A的原子核的原子核数目变化规律：数目变化规律：子体子体B的原子核的原子核数目变化规律：数目变化规律：暂时平衡暂时平衡(1 2)时时第三十六页，共六十八页。b：母体衰变：母体衰变(T1=12.6h)时时的放射性活度的放射性活度A1指数规律；指数规律；a：子体的放：子体的放射性活度射性活度A2随时间的变化；随时间的变化；c：母子体：母子体的总放射性的总放射性活度活度(A1+A2)随随时间的变化；时间的变化；d：子体单独存在时的衰变规律：子体单独存在时的衰变规律(T2=0.81h)，e：a的直线的直线局局部外推。部外推。图中：图中：tm：子体活度到达最大值的时刻。：子体活度到达最大值的时刻。lnAi=ln(iNi)第三十七页，共六十八页。子体的原子核数目子体的原子核数目(t=0)从从零开始增长，零开始增长，t很大后按母体半很大后按母体半衰期衰减，核数减少，存在一衰期衰减，核数减少，存在一个极大值：个极大值：p 子体活度到达最大值所需子体活度到达最大值所需的时间的时间tm的求解：的求解：注：因注：因A2(t)=2N2(t)，2为常数，因此为常数，因此子体的原子核数目到达最大值时，子体活子体的原子核数目到达最大值时，子体活度也到达最大值。度也到达最大值。此时求出的此时求出的t值即为值即为tm值值 精确计算值精确计算值：10，且仅与，且仅与 1、2有关。有关。根据根据，则有：，则有：第三十八页，共六十八页。在在t=tm时，时，N2(t)取极大值，得到：取极大值，得到：上式说明，上式说明，t=tm时，母体和时，母体和子体的放射性活度相等。子体的放射性活度相等。如右图所示，如右图所示，此时曲线此时曲线b和曲线和曲线a相交；相交；ttm时，时，A2tm时，时，A2A1。在实际应用中，知道在实际应用中，知道tm是很重要的，因为这时别离出子体，可以获得是很重要的，因为这时别离出子体，可以获得最大的活度。最大的活度。右图中的右图中的tm=3.4h，即在此时，即在此时200Au具有最大的活度值。具有最大的活度值。由由代入代入 1,2值值第三十九页，共六十八页。对于多代连续放射性衰变过程：对于多代连续放射性衰变过程：只要母体只要母体A1的衰变常数的衰变常数 1比比 2,3,n都小，当时间足够长以后，都小，当时间足够长以后，整个衰变系列会到达暂时平衡。即：整个衰变系列会到达暂时平衡。即：各代子体的放射性活度各代子体的放射性活度 各放射体的数量各放射体的数量 之比不随时间变化；之比不随时间变化；各代子体都按母体的半衰期衰减。各代子体都按母体的半衰期衰减。因为因为 1最小，经过足够长时间，最小，经过足够长时间，A2和和A1建立起暂时平衡，建立起暂时平衡，A2 按照按照 1衰变；衰变；然后，然后，A3和和A2建立起暂时平衡，建立起暂时平衡，A3又按照又按照 1衰变；以后各代也都衰变；以后各代也都会到达平衡。会到达平衡。四四四四 多代连续放射性衰变的暂时平衡多代连续放射性衰变的暂时平衡多代连续放射性衰变的暂时平衡多代连续放射性衰变的暂时平衡原因原因第四十页，共六十八页。二、长期平衡二、长期平衡 放射性平衡放射性平衡 一一一一 长期平衡的条件及建立长期平衡的条件及建立长期平衡的条件及建立长期平衡的条件及建立 母体的半衰期比子体的长得多，即：母体的半衰期比子体的长得多，即：p 长期平衡的条件：长期平衡的条件：并且在并且在观察时间内观察时间内看不出看不出母体放射性的变化母体放射性的变化。T1T2，例如：例如：T1=1600年，年，T2=3.824天，天，T1T2，而且，而且T1很长，在观察时间内，很长，在观察时间内，例如几天或几十天不会看出例如几天或几十天不会看出226Ra放射性的变化。放射性的变化。母体中的一个原子核在单位时间内发母体中的一个原子核在单位时间内发生衰变的概率生衰变的概率远小于远小于子体中的原子核子体中的原子核或或 1 2第四十一页，共六十八页。p 长期平衡的建立：长期平衡的建立：在在经经过过足足够够长长的的时时间间后后，子子体体的的原原子子核核数数目目和和放放射射性性活活度度到到达达饱饱和和，并并且且子子体体和和母母体体的的放放射射性性活活度度相相等等。这这时时建建立立的的平平衡称为长期平衡。衡称为长期平衡。二二二二 长期平衡关系的推导长期平衡关系的推导长期平衡关系的推导长期平衡关系的推导 以两代连续衰变为例，根据子体以两代连续衰变为例，根据子体B的原子核数目随时间的变的原子核数目随时间的变化规律，有：化规律，有：因因 1 2第四十二页，共六十八页。所以，当所以，当t时，时，上式成为：，上式成为：或或 此时，单位时间内子体此时，单位时间内子体B衰变掉的原子核个数与母体衰变掉的原子核个数与母体A衰变掉的原衰变掉的原子核个数相等。我们称核素子核个数相等。我们称核素A、B到达到达“放射性平衡放射性平衡。实际情况下实际情况下 粗略计算粗略计算，t?，可认为母体和子体到达放射性平，可认为母体和子体到达放射性平衡？衡？问题？问题：假设取假设取0.001误差，可以认为是：误差，可以认为是：第四十三页，共六十八页。1、经过、经过10T2时间，时间，A、B两核素到达放射性平衡。两核素到达放射性平衡。上式说明：上式说明：2、10T2时间也是核素时间也是核素B积累到极大值所需的时间。积累到极大值所需的时间。时对应的时对应的t值值对于两代连续衰变：对于两代连续衰变：以下图给出了子体以下图给出了子体B的衰变曲线的衰变曲线(红线红线)及子体及子体B的积累曲线的积累曲线(绿线绿线)：由前知，由前知，t时：时：第四十四页，共六十八页。子子体体核核素素的的衰衰变变与与积积累累曲曲线线T2N2(0)N2(t)子体子体B的积累曲线：给出了当子体与母体共存时，从的积累曲线：给出了当子体与母体共存时，从t=010T2过程子体过程子体B原子核数目的积累变化规律原子核数目的积累变化规律 即包含了即包含了B从从A的衰变中获的衰变中获得累积以及得累积以及B从自身衰变中减少共同作用得到的变化规律从自身衰变中减少共同作用得到的变化规律；子体子体B的衰变曲线：给出了当子体与母体别离的衰变曲线：给出了当子体与母体别离 即子体单独存放即子体单独存放 时，从时，从t=010T2过程子体过程子体B原子核数目的衰变规律原子核数目的衰变规律 即即B的衰变满足单一放射性核的衰变满足单一放射性核素的指数衰减规律素的指数衰减规律；第四十五页，共六十八页。子体核素的衰变与积累曲线子体核素的衰变与积累曲线T2N2(0)N2(t)当积累时间等于核素当积累时间等于核素B的半衰期时，核素的半衰期时，核素B原子核数目已到达平衡原子核数目已到达平衡时的一半；时的一半；从图中可看出：从图中可看出：当经过当经过10T2时，核素时，核素B的原子核数已积累到达最大值；的原子核数已积累到达最大值；衰变曲线与积累曲线恰好成镜像关系。衰变曲线与积累曲线恰好成镜像关系。第四十六页，共六十八页。当时间足够长当时间足够长 t=10T2 时，子体与母体之间出现长期平衡，子体时，子体与母体之间出现长期平衡，子体的放射性活度与母体相同，到达饱和。的放射性活度与母体相同，到达饱和。推导结论推导结论：A、B两个核素满足两个核素满足 1 2条件时，条件时，A核素的子体核素核素的子体核素B的原子核数的原子核数积累到极大值一半所需的时间，即是该衰变子体的半衰期，经过积累到极大值一半所需的时间，即是该衰变子体的半衰期，经过10倍倍B核核素的半衰期后，素的半衰期后，A核素与其子体核素核素与其子体核素B到达长期平衡到达长期平衡 放射性平衡放射性平衡，此时，此时二者的衰变率二者的衰变率(N)即活度相等：即活度相等：1N1=2N2。第四十七页，共六十八页。三三三三 长期平衡时母体和子体的变化规律曲线长期平衡时母体和子体的变化规律曲线长期平衡时母体和子体的变化规律曲线长期平衡时母体和子体的变化规律曲线 以实例具体来说明长期平衡以实例具体来说明长期平衡(1 2)情况：情况：1、母体在观测时间内数目、母体在观测时间内数目(N1)几乎不变；几乎不变；2、子体开始时从无到有增加，但会到达饱和：、子体开始时从无到有增加，但会到达饱和：a.母体原子核数目母体原子核数目(N1)几乎不变，其衰变率几乎不变，其衰变率(活度活度 1N1)不变，即子体生成率不变；不变，即子体生成率不变；b.子体原子核数目子体原子核数目(N2)增加，衰变率增加，衰变率(活度活度2N2)增加，直到等于母体衰变率增加，直到等于母体衰变率1N1=2N2即即A1(tm)=A2(tm)时，子体数目到达饱和。时，子体数目到达饱和。分析如下：分析如下：该例中该例中tm=79.7h，即在此时，即在此时228Ac具有最大的活度值。具有最大的活度值。由由代入代入 1,2值值（精确计算值精确计算值）粗略计算值：粗略计算值：t=10T2=106.12h=61.2h时可认为到达长期平衡。时可认为到达长期平衡。第四十八页，共六十八页。a：子体的放射性：子体的放射性活度活度A2随时间的变随时间的变化；化；b：母体衰变：母体衰变(T1)时的放射时的放射性活度性活度A1；c：母子体的总放射性活度：母子体的总放射性活度(A1+A2)随时间的变化；随时间的变化；d：子体单独存在时的衰变规律。：子体单独存在时的衰变规律。长期平衡长期平衡(1 2)：lnAi=ln(iNi)第四十九页，共六十八页。四四四四 多代连续放射性衰变的长期平衡多代连续放射性衰变的长期平衡多代连续放射性衰变的长期平衡多代连续放射性衰变的长期平衡 对于多代连续放射性衰变过程：对于多代连续放射性衰变过程：只要满足：只要满足：母体母体A1的半衰期的半衰期T1很大，在观察期间看不出母体的变化；很大，在观察期间看不出母体的变化；而且各代子体的半衰期都比母体半衰期小得多而且各代子体的半衰期都比母体半衰期小得多 而不管各代子体的半衰期而不管各代子体的半衰期的差异如何的差异如何，那么：，那么：当时间当时间t足够长以后足够长以后 t=系列中半衰期最长的子体核素的系列中半衰期最长的子体核素的10T1/2max，整个衰，整个衰变系列到达长期平衡。即：变系列到达长期平衡。即：即：即：i=2,3,4,总核数为总核数为N1(0)，平衡后总活度为，平衡后总活度为 nA1。各代放射体的数量各代放射体的数量(核数目核数目)之比之比不随时间变化不随时间变化；各代子体的各代子体的放射性活度都放射性活度都等于等于母体的放射性活度，且均母体的放射性活度，且均按按 1衰变衰变。第五十页，共六十八页。解：解：例：长期平衡系列中例：长期平衡系列中227Ac的半衰期为的半衰期为21.8a，求求231Pa的半衰期。的半衰期。三个天然放射系就属于长期平衡的情况。三个天然放射系就属于长期平衡的情况。利用上式可求解寿命很长的放射性核素的半衰期，只要能看出其利用上式可求解寿命很长的放射性核素的半衰期，只要能看出其中一个放射体的半衰期及其与所求放射体的原子数之比。中一个放射体的半衰期及其与所求放射体的原子数之比。p 应用：应用：第五十一页，共六十八页。三、不成平衡的情况三、不成平衡的情况 逐代衰变逐代衰变 一一一一 不成平衡的条件及建立不成平衡的条件及建立不成平衡的条件及建立不成平衡的条件及建立例如：例如：母体的半衰期小于子体的半衰期，母体衰变比子体快。即：母体的半衰期小于子体的半衰期，母体衰变比子体快。即：p 不成平衡的条件：不成平衡的条件：T1 2第五十二页，共六十八页。二二二二 不成平衡关系的推导不成平衡关系的推导不成平衡关系的推导不成平衡关系的推导 以两代连续衰变为例，根据子体以两代连续衰变为例，根据子体B的原子核数目随时间的变化的原子核数目随时间的变化规律，有：规律，有：由于由于 1 2，当，当t时，有时，有 ，则上式变为：，则上式变为：此时子体的放射性活度为：此时子体的放射性活度为：第五十三页，共六十八页。可见，当时间可见，当时间t足够长时，母体将几乎全部转变足够长时，母体将几乎全部转变 衰变衰变 为子体，子为子体，子体那么按自身的指数规律衰减。因此子体与母体之间根本不会出现任体那么按自身的指数规律衰减。因此子体与母体之间根本不会出现任何平衡。何平衡。而母体的放射性活度为：而母体的放射性活度为：t 三三三三 不成平衡时母体和子体的变化规律曲线不成平衡时母体和子体的变化规律曲线不成平衡时母体和子体的变化规律曲线不成平衡时母体和子体的变化规律曲线 以实例具体来说明不成平衡以实例具体来说明不成平衡(1 2)情况：情况：第五十四页，共六十八页。分析如下：分析如下：1、母体以衰变常数、母体以衰变常数 1按指数规律衰减；按指数规律衰减；2、子体开始时从无到有增加，长时间后以、子体开始时从无到有增加，长时间后以 2按指数规律衰减。按指数规律衰减。当当 时，子体数目最大。时，子体数目最大。以下图给出了该实例对应的不成平衡以下图给出了该实例对应的不成平衡(1 2)情况时的母体和子体的情况时的母体和子体的变化规律曲线：变化规律曲线：该例中该例中tm=25d，即在此时，即在此时210Po具有最大的活度值。具有最大的活度值。由由代入代入 1,2值值（精确计算值精确计算值）第五十五页，共六十八页。a：子体的放射：子体的放射性活度性活度A2随时间随时间的变化；的变化；b：母体的活度：母体的活度A1衰减；衰减；c：母子体的总放：母子体的总放射性活度射性活度(A1+A2)随时间的变化；随时间的变化；d：子体单独存在时的衰变规律。：子体单独存在时的衰变规律。不成平衡不成平衡(1 2)：对于不成平衡的递次衰变，为了得到单纯的子体，最简单的方对于不成平衡的递次衰变，为了得到单纯的子体，最简单的方法就是把放射体搁置足够长的时间，让母体几乎都衰变完，剩下就法就是把放射体搁置足够长的时间，让母体几乎都衰变完，剩下就是单纯的较长寿命的子体。是单纯的较长寿命的子体。lnAi=ln(iNi)第五十六页，共六十八页。四四四四 多代连续放射性衰变的不成平衡情况多代连续放射性衰变的不成平衡情况多代连续放射性衰变的不成平衡情况多代连续放射性衰变的不成平衡情况对于多代连续放射性衰变：对于多代连续放射性衰变：如果上代的核素如果上代的核素都都比下代的核素衰变的快，即有比下代的核素衰变的快，即有:那么，在经过足够长的时间后，不会形成平衡，而是形成逐代衰变的那么，在经过足够长的时间