原子核与放射性.ppt

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1、现在学习的是第1页，共28页1.原子核的组成原子核的组成核子：质子中子核子：质子中子XXAAZ或A核子数、质量数核子数、质量数Z电荷数、质子数、原子序数电荷数、质子数、原子序数X 相应原子的元素符号相应原子的元素符号N中子数中子数A-ZH11U23892第一节原子核的基本性质第一节原子核的基本性质现在学习的是第2页，共28页 原子的质量等于原子核的质量加上核外电子的质量减去相当电子全部结合能的数值。但是一般电子组成原子原子的质量等于原子核的质量加上核外电子的质量减去相当电子全部结合能的数值。但是一般电子组成原子的结合能很小，可以忽略不计。的结合能很小，可以忽略不计。在原子核物理中，常把在原子核

2、物理中，常把12原子质量的原子质量的1/12作为质量单位即原子质量单位（作为质量单位即原子质量单位（atmoic mass unit) 记作记作amu或或u1u=1.6605510-27kg 质子 中子 电子质量/kg 1.67310-27 1.675 10-27 9.109 10-31相对质量1.007 1.008 1/1836近似整数值 1 1 忽略不计电量/C 1.60210-19 0 1.60210-19 现在学习的是第3页，共28页核素核素核素（核素（nuclide): Z和和A都相同的原子核称为某种核素。都相同的原子核称为某种核素。 核子组分不同（不同，也不同）的各种原子核的统称核

3、子组分不同（不同，也不同）的各种原子核的统称 目前已知的元素（包括人工合成的）共目前已知的元素（包括人工合成的）共107种，而核素却有种，而核素却有2300多种多种元素：具有相同质子数的一类原子的总称。元素：具有相同质子数的一类原子的总称。核素：具有一定质子数和一定中子数的一种原子。核素：具有一定质子数和一定中子数的一种原子。同位素：同种元素的不同种核素间的互称。同位素：同种元素的不同种核素间的互称。C614C612元素、核素和同位素的关系元素、核素和同位素的关系H11H12H13互为同位素互为同位素核素核素1核素核素2某种元素某种元素现在学习的是第4页，共28页核素核素（1）同位素（）同位素

4、（isotope)（3）同量异位素）同量异位素（2）同中子异位素）同中子异位素核素（核素（nuclide): Z和和A都相同的原子核称为某种核素。都相同的原子核称为某种核素。 核子组分不同（不同，也不同）的各种原子核的统称核子组分不同（不同，也不同）的各种原子核的统称 目前已知的元素（包括人工合成的）共目前已知的元素（包括人工合成的）共107种，而核素却有种，而核素却有2300多种多种质子数相同质子数相同而中子数不同的一类核素，在元素周期表中处于相同的位置。而中子数不同的一类核素，在元素周期表中处于相同的位置。中子数相同而质子数不同的一类核素中子数相同而质子数不同的一类核素OOO181716

5、40203616CaS质量数相同，质子数不同的一类核素质量数相同，质子数不同的一类核素 40204019CaK原子核按组成分为三类原子核按组成分为三类现在学习的是第5页，共28页 通过通过粒子散射实验，证明原子核的形状近似粒子散射实验，证明原子核的形状近似球形球形，其半径，其半径小于小于1015m,通过精确测定，原子核的半径通过精确测定，原子核的半径同质量数的关系为：同质量数的关系为：310ARR 其中其中R0是一个常数，为是一个常数，为1.210-15m原子核的体积为：原子核的体积为：ARRV3033434原子核的密度为：原子核的密度为：317030300/1029. 24334/mkgNR

6、ARNAVMn因此，原子核的体积与核子数成正比，而各种原子核密度相同，与核子数无关因此，原子核的体积与核子数成正比，而各种原子核密度相同，与核子数无关现在学习的是第6页，共28页7 由核子构成的原子核，虽然质子间存在静电排斥力，却结合得非常紧密，因此核子间必然存在强大的吸由核子构成的原子核，虽然质子间存在静电排斥力，却结合得非常紧密，因此核子间必然存在强大的吸引力，这种使核子紧密结合在一起的力称为引力，这种使核子紧密结合在一起的力称为核力核力。现在某些方面至今还未认识清楚，从目前的理论和实事，可以说明核力具有以下性质：现在某些方面至今还未认识清楚，从目前的理论和实事，可以说明核力具有以下性质：

7、（4）核力与电荷无关）核力与电荷无关（1）核力是短程力）核力是短程力 因为核力既能把带电的质子束缚在原子核中，也能把不带电的中子束缚在原子核中，促成质子和中子成双成对地结合因为核力既能把带电的质子束缚在原子核中，也能把不带电的中子束缚在原子核中，促成质子和中子成双成对地结合。 核力的作用范围只有核力的作用范围只有10-15m的数量级。的数量级。一个核子所能相互作用的其他核子的最大数目是有限制的。一个核子所能相互作用的其他核子的最大数目是有限制的。（2）核力是强相互作用）核力是强相互作用（3）核力具有饱和性）核力具有饱和性（5）核力极短程内存在斥心力）核力极短程内存在斥心力核子不能无限靠近。核子

8、不能无限靠近。现在学习的是第7页，共28页原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和实验测定表明：原子核的质量总小于组成它的核子质量之和，其质量差，即损失了一部分质量实验测定表明：原子核的质量总小于组成它的核子质量之和，其质量差，即损失了一部分质量: 通常把这部分损失的质量，称为质量亏损通常把这部分损失的质量，称为质量亏损(mass defect)质能方程：质能方程：nnpMNmZmm)(mnnMNmZmm)(p2mcE这个能量称为原子核的这个能量称为原子核的结合能（结合能（binding e

9、nergy)现在学习的是第8页，共28页 质子和中子组成核的过程中，有能量质子和中子组成核的过程中，有能量 E E 释放出来。释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收必须吸收 E E 的能量。的能量。 氘核吸收氘核吸收 E E 能量后分解为质子和中子能量后分解为质子和中子 E氘氘质子质子中子中子爱因斯坦爱因斯坦H12现在学习的是第9页，共28页 原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。核子在结合成原子核时要放出大量的结原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。核子在结合成原子核时要放出大量的结合能，反之

10、，如果想要使原子核内的核子重新分裂出来，需要供给同样多的能量。因此，核子结合过程释放合能，反之，如果想要使原子核内的核子重新分裂出来，需要供给同样多的能量。因此，核子结合过程释放的能量越大，其核就越稳定，（能量越低越稳定），对于不同的原子核其稳定性不相同。的能量越大，其核就越稳定，（能量越低越稳定），对于不同的原子核其稳定性不相同。通常用每个原子的平均结合能来反映原子核的稳定程度，即通常用每个原子的平均结合能来反映原子核的稳定程度，即比结合能比结合能AE/核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。现在学习的是第10页，共28页 核素中，原子序数很高的重元素，如铀（

11、）、镭（核素中，原子序数很高的重元素，如铀（）、镭（a）等，不稳定的原子核自发地过渡到稳）等，不稳定的原子核自发地过渡到稳定的原子核的变化过程称为定的原子核的变化过程称为原子核的衰变。原子核的衰变。 质能守恒定律动量守恒定律质能守恒定律动量守恒定律电荷守恒定律核子数守恒定律电荷守恒定律核子数守恒定律n衰变过程遵守的定律衰变过程遵守的定律n定义定义1. 衰变衰变2. 衰变衰变3. 衰变衰变n衰变的类型衰变的类型第二节原子核的衰变类型第二节原子核的衰变类型现在学习的是第11页，共28页QHeYXAZAZ42421 1. .定义定义. .衰变方程衰变方程 某些原子核，由于某些原子核，由于核子数核子数

12、( (质量数质量数) )过多，在衰变过程中，放出一个过多，在衰变过程中，放出一个 粒子而变成另一种原子核的过程称粒子而变成另一种原子核的过程称为为 衰变衰变。Q衰变能衰变能用用代表衰变前的母体原子核，代表衰变前的母体原子核，代表衰变后形成的子体原子核代表衰变后形成的子体原子核, , 42He 质量数守恒，不是质量守恒质量数守恒，不是质量守恒现在学习的是第12页，共28页由于由于 衰变过程是不稳定的原子核变成稳定的原子核的自发过程，因此衰变过程是不稳定的原子核变成稳定的原子核的自发过程，因此Q0即：即： HeYXMMMQHePbPo4220682210845.408MeVQ 305.5MeVE现

13、在学习的是第13页，共28页现在学习的是第14页，共28页三种形式：三种形式： 衰变衰变 衰变衰变轨道电子俘获轨道电子俘获1 1. . 衰变衰变（1 1）定义）定义某些原子核，由于某些原子核，由于中子数中子数过多，放出一个过多，放出一个 粒子和一个反中微子而变成另一种原子核的过程称为粒子和一个反中微子而变成另一种原子核的过程称为 衰变衰变。（2 2）条件条件( (a)a)中子数过多中子数过多 (b) (b) 粒子粒子 1 1e e（负电子负电子) )np+e-反中微子：中微子的反粒子。反中微子是中微子对应的反物质粒子，其性质反中微子：中微子的反粒子。反中微子是中微子对应的反物质粒子，其性质 跟

14、中微子正好相反。它是一种非常轻的中性带电粒子。跟中微子正好相反。它是一种非常轻的中性带电粒子。QeYXAZAZ011现在学习的是第15页，共28页现在学习的是第16页，共28页2. 2. 衰变衰变（1 1）定义定义某些原子核，由于某些原子核，由于质子数质子数过多，放出一个过多，放出一个 粒子和一个中微子而变成另一种原子核的过程称为粒子和一个中微子而变成另一种原子核的过程称为 衰变衰变。（2 2）条件条件( (a)a)质子数过多质子数过多 (b) (b) 粒子粒子 1 1e e（正电子正电子) )p n+e+QeYXAZAZ011现在学习的是第17页，共28页现在学习的是第18页，共28页（1

15、1）定义）定义某些原子核可以俘获一个轨道电子使核内的一个某些原子核可以俘获一个轨道电子使核内的一个质子质子转换成转换成中子中子和和一个中微子的过程称为一个中微子的过程称为轨道电子俘轨道电子俘获获。（2 2）条件条件 质子数过多质子数过多 标识标识X射射线线Auger 电子电子p+e- nQYeXAZAZ101轨道电子俘获使原子处于激发态轨道电子俘获使原子处于激发态现在学习的是第19页，共28页1 1. . 衰变衰变 处于激发态的原子核处于激发态的原子核在不改变其组分的情况下在不改变其组分的情况下跃迁至稳定的基态，同时放出跃迁至稳定的基态，同时放出 粒子的过粒子的过程程. .注：注： 衰变通常伴

16、随着衰变通常伴随着 衰变和衰变和衰变衰变2.2.现在学习的是第20页，共28页213.3. 内转换内转换处于激发态的原子核跃迁至稳定的基态时，将其衰减能直接传递给处于激发态的原子核跃迁至稳定的基态时，将其衰减能直接传递给核外壳层电子核外壳层电子，使该壳层的电子脱，使该壳层的电子脱离原子成为自由电子离原子成为自由电子，这种衰变方式称为内转换，这种衰变方式称为内转换,由此发射的电子叫内转换电子。内转换主要发生由此发射的电子叫内转换电子。内转换主要发生在在壳层壳层电子。电子。注：内转换使原子处于激发态，伴有注：内转换使原子处于激发态，伴有射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。发射发射 射线射线和发射和发射

17、内转换电子内转换电子是原子核从激发态回到基态的两种方式。是原子核从激发态回到基态的两种方式。内转换电子现在学习的是第21页，共28页氦核正电1/10 C强弱电子负电9/10 C弱强电磁波 不带电C 很弱最强物质电性速度电离本领穿透本领n放射性物质发射出来的射线放射性物质发射出来的射线放射性表明原子核是有内部结构的。放射性表明原子核是有内部结构的。一种一种元素元素只能发生一种衰变，但在一块放射性只能发生一种衰变，但在一块放射性物质物质中中可以同时放出可以同时放出、和和三种射线。三种射线。现在学习的是第22页，共28页注注: :1. 1. N0 为为t=0 0时的核子数时的核子数; ; 2. 2.

18、由由积分形式可知积分形式可知, ,核子数核子数N以指数形式随时间减少以指数形式随时间减少. . 3. 3.一种核素的物质同时进行多种类型衰变，一种核素的物质同时进行多种类型衰变，通过精确的实验证明：若在通过精确的实验证明：若在时刻原子核的数目为时刻原子核的数目为，经过，经过dtdt（dtdt0)0)时间后，其中有时间后，其中有dN个发生了衰变个发生了衰变( (负号表示原子核数目在减小负号表示原子核数目在减小) )即即-dN = Ndt其中其中: : 为核为核衰变的衰变常数衰变的衰变常数N = N0e- t微分形式微分形式积分形式积分形式第三节原子第三节原子核的衰变规律核的衰变规律 = 现在学习

19、的是第23页，共28页 693.02lnT0T0N5.0eNNTt0TtT-0t-0)21(NeNeNN1.1.半衰期半衰期放射性原子核数目中有一半发生衰变所需要的时间放射性原子核数目中有一半发生衰变所需要的时间叫做核素的半衰期，叫做核素的半衰期， 常用常用表示表示现在学习的是第24页，共28页TtNN)21(64100Tt0)21(NN例：例：32P(磷磷)的半衰期为的半衰期为14.3天，问经过多长时间后，它变为原来的天，问经过多长时间后，它变为原来的1/64？解：解：天8 .856 Tt例：例：131I（碘）的半衰期为（碘）的半衰期为T天，经过天，经过32天后变为天后变为N，又经过，又经过

20、96天，还剩余（天，还剩余（1/4）N，求，求T。解：据题意有解：据题意有T320)21(NNTNN96320)21(41天482)21()21(4969612832TTTTTTt0)21(NN现在学习的是第25页，共28页生物半衰期生物半衰期T Tb b：各种排泄而使体内的反射性原子数目减少一半所需时间：各种排泄而使体内的反射性原子数目减少一半所需时间生物衰变常量生物衰变常量 b b: :单位时间内由人体代谢所产生的原子核减少的概率单位时间内由人体代谢所产生的原子核减少的概率有效半衰期有效半衰期T Te e : :人体内实际的半衰期人体内实际的半衰期 自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素

21、自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素和放射性同位素14C。14C的半衰期的半衰期为为5730年年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测年法；二是以测年法；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。 beT1T1T1be现在学习的是第26页，共28页T、 和和 都是表示原子核都是表示原子核衰变快慢的物理量。衰变快慢的物理量。2.2.平均寿命平均寿命放射性原子核的平均生存时间叫做核素的平均寿命，常用放射性原子核的平均生存时间叫做核素的平均寿命，常用表示。表示。TdtetdteNtNtt44.1110000 1T2lntNeNeN0t0(-dN)个核的寿命都是个核的寿命都是t,总寿命为总寿命为: (-dN)t = Ntdt则则t=0时的原子数时的原子数N0的总寿命为：的总寿命为：0Ntdt所以平均寿命为：所以平均寿命为：现在学习的是第27页，共28页感谢大家观看现在学习的是第28页，共28页