原子核与放射性精品文稿.ppt

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1、原子核与放射性第1页，本讲稿共26页第1节一、原子结构原子是由一个原子核和绕核旋转的若干电子原子是由一个原子核和绕核旋转的若干电子组成。原子核集中了原子的全部正电荷和几组成。原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部原子的质量（核外电子质量与核的质乎全部原子的质量（核外电子质量与核的质量相比是非常小的），但只占整个原子体积量相比是非常小的），但只占整个原子体积的极小部分。的极小部分。原子的正电荷电量为原子的正电荷电量为Ze（Z为原子序数，为原子序数，e为为电子电量）；在正常情况下，核外有电子电量）；在正常情况下，核外有Z个电个电子，其总的负电量也为子，其总的负电量也为Ze。第2页，本讲稿共26页第

2、1节一、原子结构玻尔原子结构三个基本假设玻尔原子结构三个基本假设 1、式式中中为为电电子子的的质质量量，为为圆圆周周轨轨道道半半径径，为为电电子子运运动动的的速速率率，为为普普朗朗克克常常数数，叫叫量量子子数，可以取、数，可以取、等整数值。等整数值。、当当电电子子在在上上述述任任何何一一个个轨轨道道上上运运动动时时，原原子子处于稳定状态并不向外辐射能量。处于稳定状态并不向外辐射能量。第3页，本讲稿共26页第1节一、原子结构玻尔原子结构三个基本假设玻尔原子结构三个基本假设、电子由一个轨道过渡到另一个轨道时，原子、电子由一个轨道过渡到另一个轨道时，原子的能量状态发生变化，同时发射或吸收一个光的能量

3、状态发生变化，同时发射或吸收一个光子。发射或吸收光子的能量子。发射或吸收光子的能量h等于原子能量的等于原子能量的变化，即变化，即第4页，本讲稿共26页第1节一、原子结构氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，及电氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，及电子在各条轨道上运动时的能量子在各条轨道上运动时的能量 式中的式中的r1、1分别代表第一条（即离核最近分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，时的能量，rn、En分别代表第分别代表第n条可能轨道的半条可能轨道的半径和电子在第径和电子在第n条轨道上运动时的能量。条轨道上运动时的能

4、量。第5页，本讲稿共26页第1节一、原子结构原子能够处于一系列不原子能够处于一系列不连续的能量状态中，这连续的能量状态中，这些能量状态通常叫做原些能量状态通常叫做原子能级。子能级。在正常状态下，在正常状态下，原子处于最低能级，这原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫道上运动，这种定态叫基态。如果受到外界的基态。如果受到外界的作用原子会吸收一定的作用原子会吸收一定的能量从基态跃迁到高能能量从基态跃迁到高能级，这些定态叫做激发级，这些定态叫做激发态态。第6页，本讲稿共26页第1节二、原子核的组成及基本性质 原子核是由质子和中子组成的，两者统称原子核是由质子

5、和中子组成的，两者统称为核子。为核子。中子用符号中子用符号n表示，它是电中性的，其质量表示，它是电中性的，其质量是电子质量的是电子质量的1836.6倍。倍。质子用符号质子用符号p p表示，它就是氢核，带有正电表示，它就是氢核，带有正电荷，在数值上与电子的负电量相等。质子荷，在数值上与电子的负电量相等。质子的质量是电子质量的的质量是电子质量的1836.11836.1倍，与中子的倍，与中子的质量近似相等质量近似相等 第7页，本讲稿共26页第1节二、原子核的组成及基本性质通常把具有不同原子核组成的各种元素统通常把具有不同原子核组成的各种元素统称为核素，用符号称为核素，用符号 表示。这里表示。这里X是

6、元是元素符号，左下角素符号，左下角Z标明核内的质子数，也标明核内的质子数，也称核电荷数或原子序数；左上角的称核电荷数或原子序数；左上角的A标明标明核内质子数和中子数之和，亦即核子总数，核内质子数和中子数之和，亦即核子总数，又称质量数。又称质量数。质子数相同，中子数不同的核素称为同位质子数相同，中子数不同的核素称为同位素素。第8页，本讲稿共26页第1节二、原子核的组成及基本性质原子核的几个基本性质：原子核的几个基本性质：、原子核的电荷：原子核的一个重要特征、原子核的电荷：原子核的一个重要特征是它所带的电量。原子核带正电，数值总是是它所带的电量。原子核带正电，数值总是最小电量单位的整倍数。这个倍数

7、同元素周最小电量单位的整倍数。这个倍数同元素周期表中的原子序数期表中的原子序数Z是一致的。是一致的。、原子核的质量：原子核的另一个重要特、原子核的质量：原子核的另一个重要特征是它的质量。对原子核的描述或进行某些征是它的质量。对原子核的描述或进行某些计算时，往往用整个中性原子的质量数值。计算时，往往用整个中性原子的质量数值。原子的总质量等于原子核的质量加核外电子原子的总质量等于原子核的质量加核外电子的质量，再减去相当于电子全部结合能的数的质量，再减去相当于电子全部结合能的数值。值。第9页，本讲稿共26页第1节二、原子核的组成及基本性质、原子核的成分：原子核是由质子和中原子核的成分：原子核是由质子

8、和中子两种粒子组成的。质子和中子的质量数子两种粒子组成的。质子和中子的质量数都是都是1，所以原子核的质量数也代表构成这，所以原子核的质量数也代表构成这个原子核的质子和中子的总数。代表原子个原子核的质子和中子的总数。代表原子核电量的核电量的Z也代表核内的质子数。也代表核内的质子数。N=AZ是核内的中子数。质子和中子统称核子。是核内的中子数。质子和中子统称核子。、原子核的大小：实验证明原子核的半、原子核的大小：实验证明原子核的半径在径在 米的数量级。米的数量级。第10页，本讲稿共26页第1节三、质量亏损与结合能、原子核的质量亏损、原子核的质量亏损 原原子子核核的的质质量量，应应该该等等于于组组成成

9、原原子子核核的的核核子子质质量量的的总总和和，但但是是从从实实验验测测得得的的结结果果恒恒小小于于这这一一数数值值。如如以以Mp、Mn和和MA分分别别表表示示质质子子、中中子子和和原原子子核核的的质质量量，则则核核子子质质量量的的总总和和与与原原子子核核质质量量的的差差值值，叫叫作作原原子子核核的的质质量量亏亏损损，以以M表示，即表示，即M=ZMp(AZ)MnMA 第11页，本讲稿共26页第1节三、质量亏损与结合能、原子核的结合能、原子核的结合能核核子子结结合合成成原原子子核核，质质量量为为什什么么会会减减少少呢呢？按按照照相相对对论论原原理理，质质量量与与能能量量相相联联系系，当当质质子子和

10、和中中子子组组成成原原子子核核时时，应应有有大大量量的的能能量量释释放放出出来来，这这一一能能量量就就是是原原子子的的结结合合能，其值为能，其值为 E=Mc2 式中，式中，c为光速，为光速，M为原子核的质量亏损。为原子核的质量亏损。第12页，本讲稿共26页第1节三、质量亏损与结合能每个核子的平均每个核子的平均结合能为结合能为 第13页，本讲稿共26页第2节原子核的衰变类型及衰变规律 一、原子核的衰变类型一、原子核的衰变类型 二、放射性衰变定律二、放射性衰变定律 第14页，本讲稿共26页第2节一、原子核的衰变类型 我们把铀、镭等核素所具有的、能放出某种我们把铀、镭等核素所具有的、能放出某种射线的

11、性质称为放射性。射线的性质称为放射性。自然界中天然存在的某些核素能够不断放出自然界中天然存在的某些核素能够不断放出上述射线，常称为天然放射性。这些核素则上述射线，常称为天然放射性。这些核素则称为天然放射性核素或天然放射性同位素。称为天然放射性核素或天然放射性同位素。自然界的一些重核素如铀、镭等，它们的原自然界的一些重核素如铀、镭等，它们的原子核自发地放出某种射线后转变成其它的核子核自发地放出某种射线后转变成其它的核素，这种现象叫原子核的衰变。素，这种现象叫原子核的衰变。第15页，本讲稿共26页第2节一、原子核的衰变类型射线，射线，粒子是带正电的氦核；粒子是带正电的氦核；放射放射粒子而发生的衰变

12、过程叫粒子而发生的衰变过程叫衰变。衰变。若用若用X代表母体，代表子体，代表母体，代表子体，其衰变反应式如其衰变反应式如下下Q是核衰变过程中所放出的能量，叫衰变能。是核衰变过程中所放出的能量，叫衰变能。衰变所形成的子体，其电荷数比母体少了衰变所形成的子体，其电荷数比母体少了个，质量数减少了，所以在元素周期表个，质量数减少了，所以在元素周期表中的位置比母体前移两个位置。中的位置比母体前移两个位置。第16页，本讲稿共26页第2节一、原子核的衰变类型射线，射线，粒子是高速的电子；粒子是高速的电子；放放射射粒粒子子的的衰衰变变过过程程叫叫衰衰变变。其其衰衰变变反反应式如下：应式如下：衰衰变变时时，在在放

13、放出出一一个个电电子子的的同同时时，还还放放出出一一个个中中微微子子。衰衰变变所所形形成成的的子子体体，其其电电荷荷数数比比母母体体增增加加了了，质质量量数数不不变变，所所以以在在元元素周期表中的位置比母体向后移一位，素周期表中的位置比母体向后移一位，第17页，本讲稿共26页第2节一、原子核的衰变类型射线，射线，射线是波射线是波长比长比X射线更短的射线更短的电磁辐射。电磁辐射。原子核由高能态向原子核由高能态向低能态跃迁时放出低能态跃迁时放出光子的现象叫光子的现象叫跃迁（衰变）跃迁（衰变）。第18页，本讲稿共26页第2节二、放射性衰变定律 如如果果以以N0表表示示在在时时的的母母体核数，经过数学

14、运算可知，体核数，经过数学运算可知，这个公式指出，放射性核素是随这个公式指出，放射性核素是随时间按指数函数规律而衰变的，时间按指数函数规律而衰变的，这就是放射性衰变定律。这一定这就是放射性衰变定律。这一定律可用曲线表示。曲线的陡度即律可用曲线表示。曲线的陡度即下降速度决定于衰变常数下降速度决定于衰变常数的大的大小。小。值越大，曲线下降越快，值越大，曲线下降越快，母体衰变的速度越快。母体衰变的速度越快。第19页，本讲稿共26页第2节二、放射性衰变定律除了用衰变常数表示每种原子核衰变的快慢除了用衰变常数表示每种原子核衰变的快慢外，在实际应用中常用到另一个物理量外，在实际应用中常用到另一个物理量半衰

15、期。半衰期的定义是：放射性原子核的半衰期。半衰期的定义是：放射性原子核的数量衰减到原来的一半所经历的时间。通常数量衰减到原来的一半所经历的时间。通常用表示。用表示。半衰期和衰变常数半衰期和衰变常数成反比，衰变常数越大，成反比，衰变常数越大，则半衰落期越短，放射性核素衰变的越快。则半衰落期越短，放射性核素衰变的越快。第20页，本讲稿共26页第3节放射性核素在医学上的应用 一、放射性核素在医学上的应用一、放射性核素在医学上的应用、示踪原子、示踪原子 2、利用放射性核素进行治疗、利用放射性核素进行治疗 二、放射线的防护二、放射线的防护 第21页，本讲稿共26页第3节一、放射性核素在医学上的应用 示踪

16、原子示踪原子放射性核素由于放出容易被测到的射线，无放射性核素由于放出容易被测到的射线，无形中带上一种特殊的标记，使得它的踪迹容形中带上一种特殊的标记，使得它的踪迹容易被放射性探测仪器观测出来。因此当放射易被放射性探测仪器观测出来。因此当放射性物质和稳定物质混在一起时，可借以测出性物质和稳定物质混在一起时，可借以测出稳定物质在各种变化过程中的变动情况。此稳定物质在各种变化过程中的变动情况。此种作用称为示踪原子作用。种作用称为示踪原子作用。第22页，本讲稿共26页第3节二、放射线的防护、尽量使用放射性强度小的放射源。、尽量使用放射性强度小的放射源。、接接触触放放射射源源的的强强度度与与射射线线的的

17、照照射射量量成成正正比比。为为了了减减少少操操作作人人员员的的照照射射剂剂量量，在在不不影影响响工工作作的的情况下，应尽量缩短接触时间。情况下，应尽量缩短接触时间。、增增加加离离放放射射源源的的距距离离。根根据据放放射射性性强强度度与与距距离离平平方方成成反反比比的的特特点点，可可以以采采用用远远离离放放射射源源操操作作的的方方法法来来达达到到防防护护的的目目的的。一一般般可可使使用用长长柄柄钳钳或或机械手等操作工具。机械手等操作工具。、外照射一般应进行屏蔽防护。、外照射一般应进行屏蔽防护。第23页，本讲稿共26页第4节基本粒子简介一、描述基本粒子特性的物理量一、描述基本粒子特性的物理量 二、

18、基本粒子的分类及相互转变二、基本粒子的分类及相互转变 三、物质的无限可分性三、物质的无限可分性 第24页，本讲稿共26页第4节一、描述基本粒子特性的物理量、质量：一般是以电子的静止质量、质量：一般是以电子的静止质量e为单位来表示为单位来表示。、电电荷荷：以以电电子子的的电电量量作作为为单单位位来来表表示示，例例如如电电子子的的电电荷荷为为，而质子的电荷为。，而质子的电荷为。、寿寿命命：很很多多基基本本粒粒子子都都是是不不稳稳定定的的，可可以以自自发发地地衰衰变变为为其其他他粒粒子子，因因此此我我们们说说每每一一粒粒子子具具有有一一定定的的寿寿命命。一一般般是是以以同同一一类类粒粒子子的的平平均

19、均寿寿命命来来表表示示。在在已已发发现现的的三三百百多多种种基基本本粒粒子子中中，绝绝大大部部分分是是寿寿命命非非常常短短（秒秒）的的粒粒子子，叫叫做做共共振振态态粒粒子子。寿寿命命较较长长（秒秒以以上上）的的基基本本粒粒子子，叫基态粒子。叫基态粒子。、自旋：每一粒子都具有自旋动量矩，可以用自旋量、自旋：每一粒子都具有自旋动量矩，可以用自旋量子数表示。自旋量子数简称自旋子数表示。自旋量子数简称自旋.第25页，本讲稿共26页第4节二、基本粒子的分类及相互转变 、光光子子族族：只只有有光光子子一一种种，它它的的静静止止质质量量为为零零，自自旋旋量量子子数数为。为。、轻轻子子族族：质质量量较较轻轻，

20、自自旋旋量量了了数数为为1/2。轻轻子子族族有有对对共共种种质质量量较较轻轻的的基基本本粒粒子子，它它们们是是e中中微微子子、中中微微子子、和和介介子子以以及它们的反粒子。及它们的反粒子。、介介子子族族：共共有有种种，它它们们的的质质量量介介于于核核子子与与轻轻子子之之间间，故故叫叫介介子子，自自旋旋量量子子数数为为零零。共共分分为为三三类类，介介子子（+、0）、K介子（介子（K+、K0）、）、介子。介子。、重子族：共有、重子族：共有18种，它们的质量等于或大于核子，自种，它们的质量等于或大于核子，自旋量子数为旋量子数为1/2。共分为，核子（质子和中子）和超子。共分为，核子（质子和中子）和超子.第26页，本讲稿共26页