第二章原子核辐射

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物理半衰期
（physical half life，T1/2） 放射性核素的原子核数目衰变 到原来的一半所需要的时间。
N0
1 N0 2
Nt N 0 e
t
t
即：当 N = N0/2时，t = T1/2
T1/2与λ的关系
1 2
T1/ 2
N 0 N 0e
T1 / 2
T1 / 2
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线状谱
线状谱的产生：核外电子
分布于各个能级，当某个具 有足够能量的电子将阳极靶 原子的内层电子击出时，于 是在低能级上出现空位，则 原子处于激发态。较高能级 上的电子向低能级上的空位 跃迁，并以光子的形式辐射 出特征X射线。
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特征X射线频率
E n -E k Vnk = h
h—普朗克常数，h=6.6262×10-34J.S En、Ek分别是原子跃迁前后两量子态 所具有的能量。
T / 2 Te 1 T 1 / 2
T b Tb
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2、放射性活度（radioactivity，A）
放射性活度（A）是指在一定的时间（dt）内处于 特定能态的一定量的放射性核素发生自发衰变 （dN）的期望值。
dN d t t At N 0e N 0 e dt dt t t N A0e A Ae
X射线光谱分为连续谱和线状谱两类。
高能电子到达阳极后，电子在靶物质的 原子核的库仑场作用下，骤然减速，其 部份或全部能量转化为电磁辐射，即产 生连续谱的X射线，这种辐射称为轫致 辐射（bremsstrahlung）。
对于某种靶物质，当入射电子的能量超 过一定界限时，除发射连续谱的X射线 外，还叠加一种线状谱，能量为35KeV 电子与钼靶作用，在连续谱上叠加两条 波长分别为0.07135nm和0.06326nm的 线状X射线，Kα、Kβ线 。这种线状谱 线称为特征X射线
第二章
原子核辐射物理基础
1
本章要点
• 1、掌握：轫致辐射、核素、物理半衰期、
放射性活度等原子核辐射物理的基本概念。
• 2、掌握：带电粒子、与物质的相互作用。 • 3、掌握：衰变的规律和放射性活度的校
正。
• 4、了解：衰变的类型和X射线产生的方式。
2
第一节
• • • •
原子结构与核素
一、原子结构 二、X射线 三、核素、同位素和同质异能素 四、稳定性核素和放射性核素
核子数过多 核力弱 释放α粒子
衰变反应式
A Z
X
A4 Z 2
子核
Y Q
4 2
衰变能
母核
He 原子核
规律：衰变后的核原子序数减2，质量数减4
例
293
Np He
4 2
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β衰变
1) β¯ 衰变（- decay）
中子过多
1 0 1 1
中子转化为质子
内转换现象 电磁辐射 γ跃迁– γ射线
β衰变
传给核外电子
出现空穴 特征X线或俄歇电子
γ射线来源于核内能量释放，而X射线为核外电子 跃迁过程中的能量释放。
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（二）放射性核素衰变规律及其度量
1、衰变规律与半衰期
核衰变的核数目与核的总数成正比，并且随着时间 的增长，遵循一定的规律减少。
dN N dt dN N dt
各种元素都有自己特 定的X线谱，与电子 的能量无关。
定性
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医用X线机球管多属高真空热阴极电子式， 当高速电子撞击阳极靶面时，大约仅有1% 左右的能量可转化为X射线，绝大部分能量 转化为热能，使阳极靶面温度增高，故X射 线球管不能长时间连续工作。
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三、核素、同位素和同质异能素
质子数
核素（Nuclide） 相同
放射性核素（radionuclide）
伴有射线（radiation）
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第二节
核衰变、核裂变与核聚变
一、原子核的质量亏损与结合能 二、核衰变 三、核裂变与核聚变
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一、原子核的质量亏损与结合能
• 爱因斯坦根据相对论认为质量（m）和能量（E） 的关系为： E = mc2 （c为真空光速，c = 2.99×108m.s-1） • 原子能量用电子伏特（eV）表示， 1eV=1.6022×10-19 J • 一个原子质量单位（u）的静止质量可转化为 931.5016MeV，一个电子静止质量可转化为 0.511MeV。
t 0
放射性活度的国际制单位为Bq，其表示每秒内 有一次核衰变 即： Bq=S-1
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1Bq = 1 decay / s (Bq = Becquerel)
旧单位为居里（ Curie ，Ci）
1 Ci = 3.7 1010 Bq
= 3.7 104 MBq (M=mega ~106)
= 3.7 10 GBq
特 征 X 射 线 俄歇电子（Auger eletron）
A Z
X e
0 1
A Z 1
Y Q
125 53
特征X 线 俄歇电子
特征X 线0.027MeV 0.031MeV 俄歇电子0.0227MeV
质量数不变，质子数减1
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γ跃迁与内转换
α衰变 激 发 态
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• 原子核质量均小于核子的质量之和----质量亏损。 用符号Δm（Z、A）表示
m(Z , A) Zmp Nmn (M ( X ) Zme )
A Z
• 原子核的结合能与核子数A之比----平均结合能， 或称比结合能，用ε表示 ε=某原子核结合能（ΔE）/核子数（A） • ε表示把质量数为A，质子数为Z的原子核打碎成 自由核子时，平均对每个核子要做的功。 • 它表示了原子核结合的松紧程度，ε大，表明原子 核结合紧，稳定性好。ε小表明原子核结合松，稳 定性差。
P n e Q
中微子
A Z
X
6
A Z 1
11 5
Y Q


例 11C
B Q
质量数不变，质子数减1
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β衰变
1)电子俘获（Electron Capture，E.C） 质子过多 俘获核外电子 质子转为中子 轨道出现空穴
0 I 1 e 125 52Te Q
原子核带 正电荷
原子呈电中性
电子与质子数相同，每个带1单 位负电荷
5
基态 （ground state）
接受能量
激发态 （excited state）
跃迁（transition）
释放能量
AＸ 99mTc
AmＸ 99Tc
6
二、X射线
• 1895 年 , 德 国 物 理 学 家 伦 琴 (W.C.R0ntgen,1845-1923) 发 现 : 阴极射线管被包好，远距离一 镀有铂氰酸钡的屏出现微弱荧 光。显而易见的特点 : 它能穿过 不透明物质 . 人类历史上第一次 观察到了人手骨骼的影象。 X射线是一种比紫外线波长更短 的电磁波，具有电磁辐射的一 切特性。
0 1
释放负电子，β¯粒子
n P
e Q
反中微子
A Z
X Z A Y Q 1
例
14 6
C N Q
14 7
质量数不变，质子数加1
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β衰变
2) β+衰变（+ decay）
中子不足
1 1 1 0
质子转化为中子
0 1
释放正电子，β+粒子
λ为衰变常数（decay constant），表征原子核 发生衰变的速率。
dN N dN lim N dt dt t 0 t N dN N dt ln N t C
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Nt N0e
t
放射性核素衰变规律 ：放射性核素衰变随时间增长 而以负指数规律递减。 不同的放射性核素其衰变速率不一，λ值越大，衰 变速率越快，不受外界影响。
原子核处于稳定状态的核素--稳定性核素(stable nuclide )
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核子数 过多
核力 弱
丢弃部 份核子
结构改变 （α衰变）
p与n不 成比例
核子相互转化 质子→中子 中子→质子
结构改变 （β衰变）
核内能量进行调 整 （能量释放）
新核的最低能量状态（γ跃迁）
自发的核内结构或能量的变化过程----核衰变（nuclear decay）
质子、中子比例不当，进行相互转 换。特点：子核与母核质量数不变 ，仅只原子序数改变（相差1）。分 为β¯、β+和电子俘获（Electron Capture，E.C）三种形式。 衰变后的子核处于高能的激发态， 多余能量以电磁辐射形式释放后返 回基态，该过程称为γ跃迁。
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核衰 变的 类型
β衰变
γ跃迁
α衰变
线状谱
连续谱
钼的X线光谱 9
连续谱
辐射强度随波长连续变化，在一定的波长处 有一最大值，超过最大值后，强度随波长减少 而下降，波长有明显极限，极限波长与靶物质 性质无关。加速电压V0越高，X射线极限波长 λmin就越小，与极限波长λmin相对应的X射线 能量等于电子在加速电场中所获得的全部能量。 λmin=1239.810/V0 （nm）
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一、原子结构
质子（proton，p）
原子核
原子
中子（neutron，n）
核子 (nucleon)
核外电子
与质子数相同，依据能量将电子分为 不同壳层，K、L、M、N……
原子核的质量以原子质量单位u(atomic mass unit)表示 1 u = 1.6605655 × 10-27kg （12C原子质量的1/12）
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