第二章_放射性衰变的种类和规律
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核辐射物理基础
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1
第二章 放射性衰变的种类及其规律
§2.1 衰变种类 §2.2 衰变纲图 §2.3 放射性衰变的基本规律 §2.4 放射性活度及其单位 §2.5 放射性核素的重量与活度的关系
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2
第一节 放射性衰变
一、核力和放射性核素
原子核的核子之间存在着很强的短程引力称为核力，核力使原子核中的核
放射性活度是指单位时间发生衰变的原子核数目，而不 是放射源发出的粒子数目。
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30
第五节 核素重量和活度的关系
AdNd tN
核素的克质量为G、原子质量数为M，则初始时刻的核素数量N为：
N
G M
NA
放射性核素的重量、放射性活度、半衰期之间的关系
整理版ppt
31
整理版ppt变的核素称为稳定核素(stable nuclide);
原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于 稳定的核素称为放射性核素(radionuclide);
放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一 种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为放射性衰变 (radiation decay)。
迁，在这个过程中发射 射线，原子核能态降低。 射线是高能量的电磁辐射—— 光子
整理版ppt
21
衰变特点：
1.从原子核中发射出光子 2.常常在 或 衰变后核子从激发态退激时发生 3.产生的射线能量离散 4.可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别
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22
α 衰变
β- 衰变
β+ 衰变
衰变
衰变衰变3215p3216sue171mev137n136c1190mev射线本质是高速运动的电子流衰变正电子衰变发生原因母核中子或质子过多12衰变的三种情况1衰变放出负电子2衰变放出正电子3俘获轨道电子质量数守恒衰变过程中质量数a保持不变eyxa1zazno157158yexa1zazfo199198eyxaz1az13质子转变成中子并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子并且带走一个单位的负电荷中微子反中微子三种子体分享裂变能因此电子具有连续能谱141衰变放出负电子eyxa1zaznc114746152衰变放出正电子bc115116eyxaz1az163俘获轨道电子azyexa1z质子变成中子x射线核外轨道电子173俘获轨道电子电子俘获电子俘获77bebe77lili18333319中微子光子3
131I → 131Xe + β- +γ (T1/2:8.04d)
光子
－
中微子 整理版ppt
19
衰变：99mTc 99Tc
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20
137Cs
137Ba* （激发态）
母核 -衰变
衰变
137Ba + 射线（661.7 keV）
子核（基态） （0.0）
射线是什麽？ 射线就是高能量的光子：几百keV-MeV 量级 衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃
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5
放射性来源于原子核的衰变：
不稳定的核素
衰变
稳定的核素
• 原子核自发地放射出某种粒子或射线的现象，称为放射性。 • 放射性不受物理、化学等环境条件的影响，是原子核的内在
特征。
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6
射线在电场中的偏转
： 在电/磁场中偏转，与带正电荷离子流相同； ： 在电/磁场中偏转，与带负电荷粒子流相同； ： 在电/磁场中不偏转，电中性。
大小只与原子核本身性质有关，与外界条 件无关; 数值越大衰变越快
半衰期(half-live)：放射性原子核数从N0
衰变到N0的1/2所需的时间
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N = N0e-t
26
2. 半衰期
放射性原子核的数目因衰变减小到原来核数的一半所需要 的时间
表示方法： T 1 2
当t T1 时， 2
N1 2N0＝ N0eT12
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23
第二节 衰变纲图
Decay scheme用以综合反映某核素放射性衰变的主要特征和数的示意图
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24
第三节 衰变的基本规律
➢ 对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰变，但不是所 有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。放 射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，各种放射性核素都 有自己特有的衰变速度。放射性核素原子随时间而呈指数规律减少，其 表达式为： N=N0e-λt
λ: decay constant t: decay time e: base of natural logarithm
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25
1、衰变规律
指数衰减规律 N = N0e-t
N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目
N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核 数目
:放射性原子核衰变常数（单位时间内一个原 子核衰变的几率）
β-衰变 3215P → 3216S + β- + Ue + 1.71MeV
正电子衰变 137N → 136C + β+ + υ + 1.190MeV
β射线本质是高速运动的电子流
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11
β衰变的三种情况：
1）β-衰变 放出负电子
18O 9 19F 9 β
2）β+衰变 放出正电子
Z AX ZA 1Ye_ν
18O 5 17N 5 β
3）俘获轨道电子
A ZXe Z A -Y 1
Z AX ZA Y -1eν
质量数守恒：衰变过程中整理版，ppt质量数A保持不变
12
中微子
+
+ ++
+ +
+
+ +
+
质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷
中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷
－
反中微子
三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能谱
子结合在一起，同时，原子核中又存在带正电荷的质子之间的静电排斥力，原
子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间的静电排斥力的相对大小决定，与
核内质子数和中子数的比例有关。
Z<20 Z/N=1 Stability
Z>20 N/Z>1 Stability
Z>83
Unstability
整理版ppt
3
元素——具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数可以不同，如 131I和127I； 核素——质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原子，称为一种 核素。同一元素可有多种核素，如131I、127I、3H、99mTc、99Tc分别为3种 元素的5种核素； 同位素——凡同一元素的不同核素（质子数同，中子数不同）在周期表上处于 相同位置，互称为该元素的同位素。
T12
ln20.639
半衰期是放射性原子核的重要特征常数之一
不同放射性核有不同的半衰期整理版ppt
27
3. 平均寿命τ
放射性原子核的每一个原子核生存时间的平均值
有的核在 t 0时刻就衰变了
有的核在 t 时才衰变
所有核的总寿命： 0Ntdt
0tN N 0 0 etdt 1 0tetd(t) 1
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3）俘获轨道电子
电子俘获：7Be 7Li
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17
-衰变：3H 3He+ -
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18
3. 衰变
+ +
+
++
+
+
+ +
➢ γ衰变往往是继发于α衰变或β衰变后发生，这些衰变后， 原子核还处于较高能量状态，原子核以放出γ-ray 释放 出过剩能量
99Mo → 99mTc + β- → 99Tc + γ (T1/2: ①66.02d; ②6.02h)
28
原子核的平均寿命为衰变常数的倒数
1 T1 2 0.693
0.639 T12 0.639
0.639 1 T1 2
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29
第四节 放射性活度及其单位
定义：AdNdt
放射性样品 单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示。
单位：贝可勒尔（Bq）：1Bq=每秒1次核衰变 居里（Ci）: 1Ci=3.7×1010次衰变/s
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13
1）β-衰变 放出负电子
164C 174Nβ
Z AX ZA 1Ye_ν
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14
2）β+衰变 放出正电子
16C 1 15B 1β Z AX ZA Y -1eν
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15
3）俘获轨道电子
A ZXe Z A -Y 1
质子变成中子
X射线
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核外轨道电子
16
Z AXA Z 42Y24He
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9
α粒子的特点：
➢ 能量：能量分立 一般情况下， α粒子能量 4-8 MeV
➢ 穿透能力：非常弱，在空气中的射程约几厘米。在 固体材料中的射程10-20微米。一张薄纸就能挡住。
➢ 重核才具有α衰变 （A>150）共200多种
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10
2. 衰变
发生原因——母核中子或质子过多
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7
二、基本衰变类型
1. 衰变
+ +
+
++
+
+
+ +
放射性母核
238U → 234Th + 4He + Q 粒子得到大部分衰变能， 粒子含2个质子，
2个中子
238U4He + 234Th
从母核中射出 的4He原子核
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8
AX AY 4 ZX ZY -2
α衰变表达式：
元素周期表 左移2格
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第二章 放射性衰变的种类及其规律
§2.1 衰变种类 §2.2 衰变纲图 §2.3 放射性衰变的基本规律 §2.4 放射性活度及其单位 §2.5 放射性核素的重量与活度的关系
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2
第一节 放射性衰变
一、核力和放射性核素
原子核的核子之间存在着很强的短程引力称为核力，核力使原子核中的核
放射性活度是指单位时间发生衰变的原子核数目，而不 是放射源发出的粒子数目。
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30
第五节 核素重量和活度的关系
AdNd tN
核素的克质量为G、原子质量数为M，则初始时刻的核素数量N为：
N
G M
NA
放射性核素的重量、放射性活度、半衰期之间的关系
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31
整理版ppt变的核素称为稳定核素(stable nuclide);
原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于 稳定的核素称为放射性核素(radionuclide);
放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一 种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为放射性衰变 (radiation decay)。
迁，在这个过程中发射 射线，原子核能态降低。 射线是高能量的电磁辐射—— 光子
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21
衰变特点：
1.从原子核中发射出光子 2.常常在 或 衰变后核子从激发态退激时发生 3.产生的射线能量离散 4.可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别
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α 衰变
β- 衰变
β+ 衰变
衰变
衰变衰变3215p3216sue171mev137n136c1190mev射线本质是高速运动的电子流衰变正电子衰变发生原因母核中子或质子过多12衰变的三种情况1衰变放出负电子2衰变放出正电子3俘获轨道电子质量数守恒衰变过程中质量数a保持不变eyxa1zazno157158yexa1zazfo199198eyxaz1az13质子转变成中子并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子并且带走一个单位的负电荷中微子反中微子三种子体分享裂变能因此电子具有连续能谱141衰变放出负电子eyxa1zaznc114746152衰变放出正电子bc115116eyxaz1az163俘获轨道电子azyexa1z质子变成中子x射线核外轨道电子173俘获轨道电子电子俘获电子俘获77bebe77lili18333319中微子光子3
131I → 131Xe + β- +γ (T1/2:8.04d)
光子
－
中微子 整理版ppt
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衰变：99mTc 99Tc
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20
137Cs
137Ba* （激发态）
母核 -衰变
衰变
137Ba + 射线（661.7 keV）
子核（基态） （0.0）
射线是什麽？ 射线就是高能量的光子：几百keV-MeV 量级 衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃
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放射性来源于原子核的衰变：
不稳定的核素
衰变
稳定的核素
• 原子核自发地放射出某种粒子或射线的现象，称为放射性。 • 放射性不受物理、化学等环境条件的影响，是原子核的内在
特征。
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射线在电场中的偏转
： 在电/磁场中偏转，与带正电荷离子流相同； ： 在电/磁场中偏转，与带负电荷粒子流相同； ： 在电/磁场中不偏转，电中性。
大小只与原子核本身性质有关，与外界条 件无关; 数值越大衰变越快
半衰期(half-live)：放射性原子核数从N0
衰变到N0的1/2所需的时间
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N = N0e-t
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2. 半衰期
放射性原子核的数目因衰变减小到原来核数的一半所需要 的时间
表示方法： T 1 2
当t T1 时， 2
N1 2N0＝ N0eT12
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第二节 衰变纲图
Decay scheme用以综合反映某核素放射性衰变的主要特征和数的示意图
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第三节 衰变的基本规律
➢ 对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰变，但不是所 有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。放 射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，各种放射性核素都 有自己特有的衰变速度。放射性核素原子随时间而呈指数规律减少，其 表达式为： N=N0e-λt
λ: decay constant t: decay time e: base of natural logarithm
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1、衰变规律
指数衰减规律 N = N0e-t
N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目
N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核 数目
:放射性原子核衰变常数（单位时间内一个原 子核衰变的几率）
β-衰变 3215P → 3216S + β- + Ue + 1.71MeV
正电子衰变 137N → 136C + β+ + υ + 1.190MeV
β射线本质是高速运动的电子流
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β衰变的三种情况：
1）β-衰变 放出负电子
18O 9 19F 9 β
2）β+衰变 放出正电子
Z AX ZA 1Ye_ν
18O 5 17N 5 β
3）俘获轨道电子
A ZXe Z A -Y 1
Z AX ZA Y -1eν
质量数守恒：衰变过程中整理版，ppt质量数A保持不变
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中微子
+
+ ++
+ +
+
+ +
+
质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷
中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷
－
反中微子
三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能谱
子结合在一起，同时，原子核中又存在带正电荷的质子之间的静电排斥力，原
子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间的静电排斥力的相对大小决定，与
核内质子数和中子数的比例有关。
Z<20 Z/N=1 Stability
Z>20 N/Z>1 Stability
Z>83
Unstability
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元素——具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数可以不同，如 131I和127I； 核素——质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原子，称为一种 核素。同一元素可有多种核素，如131I、127I、3H、99mTc、99Tc分别为3种 元素的5种核素； 同位素——凡同一元素的不同核素（质子数同，中子数不同）在周期表上处于 相同位置，互称为该元素的同位素。
T12
ln20.639
半衰期是放射性原子核的重要特征常数之一
不同放射性核有不同的半衰期整理版ppt
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3. 平均寿命τ
放射性原子核的每一个原子核生存时间的平均值
有的核在 t 0时刻就衰变了
有的核在 t 时才衰变
所有核的总寿命： 0Ntdt
0tN N 0 0 etdt 1 0tetd(t) 1
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3）俘获轨道电子
电子俘获：7Be 7Li
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-衰变：3H 3He+ -
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3. 衰变
+ +
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➢ γ衰变往往是继发于α衰变或β衰变后发生，这些衰变后， 原子核还处于较高能量状态，原子核以放出γ-ray 释放 出过剩能量
99Mo → 99mTc + β- → 99Tc + γ (T1/2: ①66.02d; ②6.02h)
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原子核的平均寿命为衰变常数的倒数
1 T1 2 0.693
0.639 T12 0.639
0.639 1 T1 2
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第四节 放射性活度及其单位
定义：AdNdt
放射性样品 单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示。
单位：贝可勒尔（Bq）：1Bq=每秒1次核衰变 居里（Ci）: 1Ci=3.7×1010次衰变/s
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1）β-衰变 放出负电子
164C 174Nβ
Z AX ZA 1Ye_ν
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2）β+衰变 放出正电子
16C 1 15B 1β Z AX ZA Y -1eν
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3）俘获轨道电子
A ZXe Z A -Y 1
质子变成中子
X射线
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核外轨道电子
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Z AXA Z 42Y24He
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α粒子的特点：
➢ 能量：能量分立 一般情况下， α粒子能量 4-8 MeV
➢ 穿透能力：非常弱，在空气中的射程约几厘米。在 固体材料中的射程10-20微米。一张薄纸就能挡住。
➢ 重核才具有α衰变 （A>150）共200多种
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2. 衰变
发生原因——母核中子或质子过多
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二、基本衰变类型
1. 衰变
+ +
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++
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放射性母核
238U → 234Th + 4He + Q 粒子得到大部分衰变能， 粒子含2个质子，
2个中子
238U4He + 234Th
从母核中射出 的4He原子核
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AX AY 4 ZX ZY -2
α衰变表达式：
元素周期表 左移2格