医学专题—原子核和放射性.ppt

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1、第十五章第十五章原子核和放射性原子核和放射性医用物理(wl)(wl)教研室 第一页，共四十三页。基本内容：基本内容：1、原子核的基本性质、原子核的基本性质 2、原子核的衰变类型、原子核的衰变类型(lixng)3、原子核的衰变规律、原子核的衰变规律第二页，共四十三页。1945年年8月月7日日早早晨晨，一一颗颗挂挂在在降降落落伞伞下下的的“炸炸弹弹”在在日日本本广广岛岛上上空空爆爆炸炸，这这座座城城市市顷顷刻刻间间被被夷夷为为平平地地，死死伤伤306545人人三三天天之之后后，同同样样的的命命运运降降临临长长崎崎，死死伤伤138905人人造造成成这这场场空空前前浩浩劫劫的的，是是一一种种叫叫“原原

2、子子弹弹”的的新新式式武武器器它它的的出出现现结结束束了了二二战战，却却又又带带来来了了冷冷战战它它的的出出现现深深刻刻地地改改变变了了军军事事战战略略，也也深深远远地地影影响响着着人人类类(rnli)命运命运原子弹爆炸结束二战核武器竞争威胁人类。原子弹爆炸结束二战核武器竞争威胁人类。第三页，共四十三页。1945年年5月月，前前苏苏联联红红军军攻攻克克柏柏林林，德德国国法法西西斯斯宣宣布布投投降降然然而而，在在远远东东，日日本本法法西西斯斯仍仍在在作作垂垂死死挣挣扎扎当当时时估估算算，如如果果占占领领日日本本本本土土，美美军军起起码码还还得得付付出出死死亡亡一一二二百百万万人人的的沉沉重重代代

3、价价这这一一切切促促使美国最高当局下决心动用原子弹，以尽早结束战争使美国最高当局下决心动用原子弹，以尽早结束战争 其其实实，当当时时日日本本和和德德国国都都在在研研制制原原子子弹弹，只只是是由由于于四四面面楚楚歌歌、力力不不从从心心而而进进展展缓缓慢慢就就在在广广岛岛被被原原子子弹弹轰轰炸炸后后几几小小时时，日日本本军军部部立立即即派派研研制制原原子子弹弹的的核核科科学学家家二二阶阶义义男男带带领领“2号号研研究究”（即即原原子子弹弹研研究究）人人员员去去广广岛岛作作现现场场调调查查之之后后(zhhu)，把把这这批批人人员员招招集集到到大大本本营营，副副总总参参谋谋长长河河边边将将军军问问道道

4、：“你你们们能能不不能能在在半半年年内内造造出出原原子子弹弹来来？如如果果能能做做到到的的话话，我我们们就就把把你你们们这这些些专专家家和和天天皇皇一一起起藏藏到到长长野野山山下下用用花花岗岗岩岩造造的的地地下下堡堡垒垒中中保保护护起起来来军军队队不不惜惜代代价价再再坚坚持持6个个月月没没有有问问题题，到到那那时时就就可可以以对美军还以颜色了对美军还以颜色了”第四页，共四十三页。二二阶阶义义男男回回答答说说：“阁阁下下，不不要要说说6个个月月内内造造不不出出原原子子弹弹，就就是是再花再花6年也不行年也不行”听听了了首首席席科科学学家家的的这这番番话话，河河边边将将军军默默不不作作声声，并并立立

5、即即向向军军部部作作了了汇汇报报三三天天后后，当当长长崎崎也也传传来来被被原原子子弹弹炸炸成成平平地地的的消消息息后后，日日本本最最高高当当局局中中的的主主战战派派顿顿时时像像泄泄了了气气的的皮皮球球此此时时(c sh)，美美国国又又放放出出空空气气，声声称称还还有有100颗颗原原子子弹弹（其其实实当当时时还还没没有有新新的的原原子子弹弹生生产产出出来来）将将投投向向日日本本，如如果果日日本本不不投投降降的的话话在在这这种种严严峻峻的的形形势势下下，经经过过幕幕后后活活动动，日日本本天天皇皇终终于于在在8月月15日宣布无条件投降日宣布无条件投降第五页，共四十三页。原子弹爆炸原子弹爆炸(bozh

6、)第六页，共四十三页。大亚湾核电站夜景大亚湾核电站夜景(y jn)第七页，共四十三页。神经胶质瘤患者神经胶质瘤患者(hunzh)头部的核磁共振断面像头部的核磁共振断面像第八页，共四十三页。人类认识人类认识(rn shi)(rn shi)原子结构的简单历史原子结构的简单历史1787年，道尔顿年，道尔顿原子原子 一切物质一切物质(wzh)都是由不可见的、不可再分割的原子组成。都是由不可见的、不可再分割的原子组成。1811年，阿佛加德罗年，阿佛加德罗分子分子 原子原子(yunz)不能独立存在，相互结合在一起形成分子才能独立存在。不能独立存在，相互结合在一起形成分子才能独立存在。十九世纪中期十九世纪中

7、期原子分子论原子分子论 原子不可再分。原子不可再分。1897年，汤姆逊发现电子年，汤姆逊发现电子提出原子结构模型提出原子结构模型 原子是由带正电的连续体和在其内部运动的负电子构成的。原子是由带正电的连续体和在其内部运动的负电子构成的。1911年，年，卢瑟福卢瑟福散射散射核式模型核式模型 1913年，玻尔原子模型年，玻尔原子模型20世纪世纪20年代以来年代以来现代模型（电子云模型）现代模型（电子云模型）电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，在一个确定电子的时刻不能精确测定电子的确切位置电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，在一个确定电子的时刻不能精确测定电子的确切位置 第九页，共四十三页。第一节第一

8、节 原子核的基本原子核的基本(jbn)(jbn)性质性质15.1 原子核的组成原子核的组成(z chn)、质量和大小、质量和大小1原子核的电荷原子核的电荷（1）质子）质子 带正电，其电量绝对值等于电子的电量。带正电，其电量绝对值等于电子的电量。Z（2）中子）中子 不带电，不带电，N核子核子(hz)数：也称为质量数数：也称为质量数 AZ+N第十页，共四十三页。（1）原子核质量）原子核质量(zhling)的表示的表示 原子质量单位（以原子质量单位（以12C的的1/12为原子质量单位）为原子质量单位）1u1.66054010-27kg（2）原子核的分类）原子核的分类a.同位素（元素周期表中位置相同，

9、同位素丰度）同位素（元素周期表中位置相同，同位素丰度）b.同中子异位素（中子数相同）同中子异位素（中子数相同）c.同量异位素（质量数相同，质子数不同）同量异位素（质量数相同，质子数不同）d.同质异能素（质量数和质子数都相同，能量不同）同质异能素（质量数和质子数都相同，能量不同）2.原子核的质量原子核的质量(zhling)第十一页，共四十三页。15.2 原子核的性质原子核的性质(xngzh)对于对于(duy)轻核轻核 的核半径为的核半径为:对于对于(duy)重核重核 的核半径为的核半径为:通过估算通过估算,可以看出各种原子核半径大小均处于同一可以看出各种原子核半径大小均处于同一数量级上数量级上,

10、且随着各种元素之不同彼此之间又略有差异且随着各种元素之不同彼此之间又略有差异.第十二页，共四十三页。根据实验表明根据实验表明,除少数例外除少数例外(lwi),原子核是近似球形的原子核是近似球形的,其体积为其体积为:由此可得到由此可得到(d do)一个非常重要的结论一个非常重要的结论:在一切原子核中在一切原子核中,核物质的密核物质的密度近似为一常数度近似为一常数,不妨作这样一个比拟不妨作这样一个比拟,水的密度是水的密度是103kg/m3,而而原子核的原子核的密度比水要大密度比水要大1014倍倍,足见原子核是物质紧密集中之处足见原子核是物质紧密集中之处,且密度大得惊人！且密度大得惊人！针尖大的物体

11、，质量一吨！针尖大的物体，质量一吨！第十三页，共四十三页。15.4 原子核的结合能及质量原子核的结合能及质量(zhling)亏损亏损 原子核既然是由质子原子核既然是由质子(zhz)(zhz)和中子组成的，它的质量就和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和：应等于所有质子和中子的质量之和：根据根据(gnj)(gnj)爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：mx=Zmp+(A-Z)mn 但实验测定的原子质量但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量总是小于所有核子质量之和，这一差值称为原子核的质量亏损：之和，这一差值称为原子核的质量亏损：m=Zm

12、p+(A-Z)mn-mX第十四页，共四十三页。质子和中子组成质子和中子组成(z chn)(z chn)核的过程中，有能量核的过程中，有能量 E E释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收质子和中子就必须吸收 E E的能量。的能量。氘核吸收氘核吸收(xshu)(xshu)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(zhz)中子中子 E=(E=(m)cm)c2 2=Zm=Zmp p+(A-Z)m+(A-Z)mn n-m-mX Xcc2 2爱因斯坦爱因斯坦第十五页，共四十三页。原子原子(yunz)结合能的计算结合能的

13、计算一原子质量单位一原子质量单位(dnwi)(dnwi)具有具有(jy(jyu)u)能能量量质子质量质子质量中子质量中子质量核子平均结合能核子平均结合能第十六页，共四十三页。核子核子(hz)(hz)的比结合能越大，原子核就愈稳定。的比结合能越大，原子核就愈稳定。原子核的结合能非常大，所以一般原子核都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。然而，不同是非常稳定的系统。然而，不同(b tn)(b tn)原子核的稳原子核的稳定程度不同定程度不同(b tn)(b tn)。每个核子每个核子(hz)(hz)的平均结合能称为比结合能：的平均结合能称为比结合能：第十七页，共四十三页。a.中等质

14、量原子核的核子平均中等质量原子核的核子平均(pngjn)(pngjn)结合能较大结合能较大8.79MeV8.47MeV8.75MeVb b.轻核和重核的核子轻核和重核的核子(hz)(hz)平均结合能都较小平均结合能都较小2.83MeV7.5MeV7.56MeV第十八页，共四十三页。核力是一种短程力；核力是强相互作用；核力具有核力是一种短程力；核力是强相互作用；核力具有(jyu)饱和性饱和性;核核力与电荷无关；核力在极短程内存在斥心力，它使核子不能无限靠近。力与电荷无关；核力在极短程内存在斥心力，它使核子不能无限靠近。第十九页，共四十三页。第二节第二节 原子核的衰变原子核的衰变(shuibin)

15、(shuibin)类型类型放射性：放射性：(1896法国科学家年贝克勒尔发现法国科学家年贝克勒尔发现U的放射性的放射性)放射性元素：原子序数放射性元素：原子序数(yunz xsh)83（包括（包括83）以后的所有元）以后的所有元素都具有天然放射性。素都具有天然放射性。贝克勒尔贝克勒尔 放大放大(fngd)(fngd)了了10001000倍的铀矿倍的铀矿石石第二十页，共四十三页。居居 里里居里夫人居里夫人1898年发现年发现(fxin)放射性更强的元素钋（放射性更强的元素钋（Po）和镭（）和镭（Ra）。）。贝克勒耳和居里夫妇一起，因为放射性的发现贝克勒耳和居里夫妇一起，因为放射性的发现(fxin

16、)和研和研究，究，1903年得到科学界的最高荣誉年得到科学界的最高荣誉诺贝尔奖。诺贝尔奖。第二十一页，共四十三页。三种三种(sn zhn)射线：射线：、。三种射线的性质三种射线的性质：最弱最弱最强最强C 光子光子较弱较弱较弱较弱接近接近C电离本领电离本领贯穿本领贯穿本领速率速率组成物质组成物质 射线射线射线种类射线种类氦核氦核电子电子最强最强最弱最弱衰变衰变(shuibin)(shuibin)原原则：则：质量数守恒质量数守恒(shu hn)(shu hn)，电荷数守，电荷数守恒恒(shu hn)(shu hn)。第二十二页，共四十三页。15.1 衰变衰变(shuibin)（质量数（质量数A20

17、9）1 2 3母核母核子核子核粒子粒子(l(l z)z)衰变衰变(shuibi(shuibi n)n)能能 粒粒子子的的能能谱谱与与子子核核或或母母核核的的能能级级结结构构有有密密切连续。切连续。第二十三页，共四十三页。15.2 衰变衰变(shuibin)1.-衰变衰变(shuibin)2.+衰变衰变(shuibin)放出电子、反中微子放出电子、反中微子放出正电子、中微子放出正电子、中微子第二十四页，共四十三页。3.电子电子(dinz)俘获俘获(E.c)能能量量一一部部分分可可以以以以标标识识X射射线线的的形形式放出式放出;一一部部分分可可以以使使另另外外一一层层电电子子电电离离成成自由电子自

18、由电子(z yu din z)-俄歇电子俄歇电子。一个一个(y)(y)质子变为中子，放出中微子质子变为中子，放出中微子第二十五页，共四十三页。中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十分微弱。中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十分微弱。因此极难探测，需要因此极难探测，需要(xyo)(xyo)用体积庞大的探测器。用体积庞大的探测器。4.中微子简介中微子简介(jin ji)1930 1930 泡利假设了中微子，以解决泡利假设了中微子，以解决 衰变中能量不守恒问题衰变中能量不守恒问题1956 Reines1956 Reines和和CowanCowan发现中微子（发现中微子（1995 199

19、5 年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1962 Lederman1962 Lederman等发现等发现中微子（中微子（19881988年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1957 Pontecorvo1957 Pontecorvo提出中微子可以发生振荡提出中微子可以发生振荡1968 Davis1968 Davis发现太阳发现太阳(tiyng)(tiyng)中微子丢失，中微子振荡中微子丢失，中微子振荡.（20022002年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1998 1998 超级神冈实验证实大气中微子丢失超级神冈实验证实大气中微子丢失,中微子振荡！中微子振荡！(2002 (2002年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）2001 SNO 200

20、1 SNO 实验证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子实验证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子2002 KamLAND 2002 KamLAND 用反应堆实验证实太阳中微子振荡用反应堆实验证实太阳中微子振荡第二十六页，共四十三页。15.3 衰变衰变(shuibin)和内转换：和内转换：处于激发态的原子核不稳定处于激发态的原子核不稳定(wndng)，要向低能态跃迁，要向低能态跃迁，放出放出光子。常常伴随着光子。常常伴随着衰变和衰变和衰变过程产生。衰变过程产生。例例 6027Co6028Ni+0MeV2.50MeV1.33MeV第二十七页，共四十三页。在医疗上，射线可以使癌细胞受到抑制或死亡，在医疗

21、上，射线可以使癌细胞受到抑制或死亡，因此常利用钴因此常利用钴6060的射线按理的射线按理(n l)(n l)治疗肺癌、食道癌等。治疗肺癌、食道癌等。射线还可以用于医疗器械的消毒灭菌，处理医院排出射线还可以用于医疗器械的消毒灭菌，处理医院排出的污水，杀死各种病原体，保护环境卫生。的污水，杀死各种病原体，保护环境卫生。伽玛辐射仪伽玛辐射仪第二十八页，共四十三页。内转换：内转换：在某些情况下，原子核从激发态向较低能在某些情况下，原子核从激发态向较低能级跃迁时不一定放出级跃迁时不一定放出光子、而是把这部分能量光子、而是把这部分能量直接直接(zhji)交给核外电于，使其脱离原子的束缚而交给核外电于，使其

22、脱离原子的束缚而成为自由电子，这称为内转换。成为自由电子，这称为内转换。锝锝99Tcm 基态基态(j ti)时时89%射线射线(shxin)11%内转换内转换第二十九页，共四十三页。第三节第三节 原子核的衰变原子核的衰变(shuibin)(shuibin)规律规律15.1 衰变衰变(shuibin)定律定律（1）对一个特定的放射性核素，其衰变）对一个特定的放射性核素，其衰变(shuibin)的精确时间的精确时间是无法预测的；是无法预测的；（2）对足够多的放射性核素的集合，其衰变规律是确）对足够多的放射性核素的集合，其衰变规律是确定的，并服从量子力学的统计规律。定的，并服从量子力学的统计规律。第

23、三十页，共四十三页。衰变衰变(shuibin)定律定律 衰衰变变常常数数：一一个个原原子子核核在在单单位位(dnwi)时时间间内内发发生生衰衰变变的的几几率率，衰衰变变常常数数与与外外界界条条件件（温温度度、压压力力、磁磁场场等）几乎无关。等）几乎无关。第三十一页，共四十三页。15.2 半衰期半衰期 在在放放射射性性衰衰变变(shuibin)过过程程中中，放放射射性性元元素素的的原原子核数减少到原有核数的一半时所需的时间。子核数减少到原有核数的一半时所需的时间。衰变定律衰变定律(dngl)的另一种表示：的另一种表示：1、衰变、衰变(shuibin)定律定律当有一半粒子发生衰变时：当有一半粒子发

24、生衰变时：第三十二页，共四十三页。例：一个例：一个(y)放射性物质放射性物质T=2d,过了四天后：过了四天后：第三十三页，共四十三页。t=0时，核数为时，核数为N0，经经t时间的衰变，剩下时间的衰变，剩下 N(t)=Noe-t，再经再经 dt(tt+dt)时间，有时间，有-dN=Ndt发生衰变。发生衰变。这意味着这意味着-dN个核子存活个核子存活(cn hu)了了t时间，所以核素的时间，所以核素的总寿命是总寿命是 (1)平均寿命平均寿命(pn(pn jn shu mn)jn shu mn)2、有效、有效(yuxio)半衰期和平均寿命半衰期和平均寿命第三十四页，共四十三页。任一核素的平均寿命任一

25、核素的平均寿命(pn jn shu mn)为为第三十五页，共四十三页。（2）有效）有效(yuxio)半衰期：半衰期：放射性元素放射性元素进入进入(jnr)生物生物体内体内物理物理(wl)衰变衰变 N=N0e-t生物衰变生物衰变:b（常数）（常数）b-生物衰变常量。生物衰变常量。放射性元素随生物体的代谢排出体外，其衰减也放射性元素随生物体的代谢排出体外，其衰减也按指数规律。按指数规律。第三十六页，共四十三页。有效有效(yuxio)衰变常数衰变常数e,据半衰期与衰变常数的关系据半衰期与衰变常数的关系(gun x)(gun x)：采采用用(ciyng)(ciyng)放放射射性性元元素素作生物体内示踪

26、剂。作生物体内示踪剂。第三十七页，共四十三页。例例题题:临临床床上上常常用用59Fe检检查查或或在在患患者者(hunzh)(hunzh)血血液液的的异异常常情情况况.已已知知59Fe的的物物理理半半衰衰期期46.3d,生生物物半半衰衰期期为为65d,问问服服用用13.5d后后,残残留留在在体体内内的的放放射射性性核核素素的的相相对对量量N/N0为多大为多大?第三十八页，共四十三页。15.3 放射性活度放射性活度 放射性活度（简称活度）一定量的放射性核素在放射性活度（简称活度）一定量的放射性核素在单位时间间隔内发生单位时间间隔内发生(fshng)的核衰变数，即的核衰变数，即 dN:在时间间隔在时

27、间间隔dt内自发内自发(zf)核衰变次数。核衰变次数。第三十九页，共四十三页。（1）活度服从同样）活度服从同样(tngyng)的指数规律。的指数规律。（2）活度单位是居里）活度单位是居里.（3）1居里居里(Ci)3.71010 次核衰变次核衰变s。（4）我国用贝可）我国用贝可(Bq)作单位：作单位：（5）1贝可（贝可（Bq）1次核衰变次核衰变s ，说明说明(shumng)：放射性活度放射性活度第四十页，共四十三页。例例设设一一台台60Co刀刀初初装装时时Co源源活活度度为为6040Ci，使使用用5年年后后，Co源源活活度度还还剩剩下下(shn xi)多多少少Bq？其其平平均均寿命是多少年？寿命

28、是多少年？解：活度为：解：活度为：平均寿命平均寿命(pn jn shu mn)为：为：第四十一页，共四十三页。全部课程到此结束！全部课程到此结束！谢谢大家一个谢谢大家一个(y)学期的支持。学期的支持。希望多提宝贵意见！希望多提宝贵意见！祝大家期末考试顺利祝大家期末考试顺利!全部课程到此结束！全部课程到此结束！谢谢谢谢(xi xie)大家一个学期的支持。大家一个学期的支持。希望多提宝贵意见！希望多提宝贵意见！祝大家期末考试顺利祝大家期末考试顺利!第四十二页，共四十三页。内容(nirng)总结第十五章原子核和放射性。原子不能独立存在，相互结合在一起形成分子才能独立存在。原子质量单位（以12C的1/12为原子质量单位）。然而，不同原子核的稳定程度不同。每个核子的平均结合能称为比结合能：。放射性：(1896法国科学家年贝克勒尔发现(fxin)U的放射性)。质量数守恒，电荷数守恒。1968 Davis发现(fxin)太阳中微子丢失，中微子振荡.。祝大家期末考试顺利第四十三页，共四十三页。