第十五章原子核和放射性

A 0 A Z X+− e→ − Y+v+Q 1 Z1
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三 γ衰变和内转换
衰变— α和β衰变后的子核大部分处于激发态，并以γ射线 衰变后的子核大部分处于激发态，并以γ γ衰变 的形式释放能量，跃迁到较低的能量或基态，这种跃迁叫γ 的形式释放能量，跃迁到较低的能量或基态，这种跃迁叫γ 衰变。 衰变。
注意：上述两种衰变都有三种产物， 注意：上述两种衰变都有三种产物，因此衰变时所放出的 能量为三者共有，而且β所携带的能量不是分立的， 能量为三者共有，而且β所携带的能量不是分立的，而是 连续的β能谱。 连续的β能谱。
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3、 电子俘获（EC） 、 电子俘获（ ） 原子核俘获核外电子， 原子核俘获核外电子，使核内的一个质子变为一个中 原子序数数变为Z-1。 子，原子序数数变为 。 在电子俘获过程中， 在电子俘获过程中，可能出现核更外层电子填补内层 电子空位，而产生标识X射线或俄歇电子 射线或俄歇电子。 电子空位，而产生标识 射线或俄歇电子。 俄歇电子：当高能级的电子跃迁至低能级，其多余的 俄歇电子：当高能级的电子跃迁至低能级， 能量直接转移给同一能级的另一电子，而不辐射X射 能量直接转移给同一能级的另一电子，而不辐射 射 接受这份能量的电子脱离原子， 线，接受这份能量的电子脱离原子，成为自由电子 俄歇电子）。 （俄歇电e +Qα
222 86 4 2
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二、β 衰变
一种核自发地变成另一种核，其质量数Ａ不变， 一种核自发地变成另一种核，其质量数Ａ不变，而原子 序数Ｚ在元素周期表中向前或向后移一个位置。 序数 Ｚ在元素周期表中向前或向后移一个位置。 有β-， 衰变和电子俘获三种类型。 β+衰变和电子俘获三种类型。 1、 β- 衰变 、 衰变——母核放出电子的一种衰变 母核放出电子的一种衰变
稳定性对比： 稳定性对比： 偶偶核>偶奇核和奇偶核> 偶偶核>偶奇核和奇偶核>奇奇核
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第二节 放射核素的衰变种类
核素放射性核素 核素 稳定性核素 放射性核素: 能自发放出射线变为另一种核素， 放射性核素 能自发放出射线变为另一种核素，这种现 象称为原子核衰变，简称核衰变。其过程 象称为原子核衰变，简称核衰变。 遵守电荷，质量，能量， 遵守电荷，质量，能量，动量和核子数守 恒定律。 恒定律。
另外我们还应考虑到当放射性核素引入人体内时，其原子核 另外我们还应考虑到当放射性核素引入人体内时， 的数量除按前述的规律衰变而减少外， 的数量除按前述的规律衰变而减少外，还通过生物代谢而排 出体外，使体内的放射性物质数量减少比单纯的衰变要快。 出体外，使体内的放射性物质数量减少比单纯的衰变要快。
λe 有 衰 常 ）λ+λb(生 衰 常 ) （ 效 变 数= 生 物 变 数
dN A= − = λN = λN0e−λt = A e−λt 0 dT
1 t /T A= A ( ) 0 2
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讨论： 讨论：
1. 当N一定时，短寿命的核素放射性活度大；当A一定时，短 一定时，短寿命的核素放射性活度大； 一定时， 一定时 一定时 寿命的核素对应的核数目要少。 寿命的核素对应的核数目要少。 2. 临床上，从测量精度上要求有一点的放射性活度， 临床上，从测量精度上要求有一点的放射性活度，但为减 少辐射对人体的伤害，要尽量可能减少放射性核素的残留， 少辐射对人体的伤害，要尽量可能减少放射性核素的残留， 因此使用短寿命的核素。 因此使用短寿命的核素。 通过测量残留在生物体内的放射性核素的活度， 通过测量残留在生物体内的放射性核素的活度，可以求出 相应的残留量，从而求得该核素的生物半衰期。 相应的残留量，从而求得该核素的生物半衰期。 质量活度(比活度 ： 质量活度 比活度)：单位质量放射源的放射性活度 Bq/kg 比活度
A A 0 Z X→ + Y+− e+v+Q Z 1 1 β −
式中X和 代表母核和子核 代表母核和子核， 称为反中微子， 式中 和Y代表母核和子核，v称为反中微子，是在衰变 中与β 粒子同时放射出的粒子，不带电，静止质量为零。 中与β-粒子同时放射出的粒子，不带电，静止质量为零。 原子核中并不存在电子， 原子核中并不存在电子，而是在衰变时原子核中的一个 中子放出一个电子和一个反中微子变为一个质子的过程， 中子放出一个电子和一个反中微子变为一个质子的过程， 遵守位移法则。 遵守位移法则。
一、α 衰变
放射性核素发射α粒子，变为另一种核素的过程叫α衰变。 放射性核素发射α粒子，变为另一种核素的过程叫α衰变。
A A−4 4 e α Z X→Z−2Y+2H +Q
式中Ｘ叫母核，Ｙ叫子核， 为衰变能。 式中Ｘ叫母核，Ｙ叫子核，Ｑα为衰变能。 ，Ｙ叫子核
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α衰变的位移法则： 衰变的位移法则： 子核比母核的质量数A少 ， 子核比母核的质量数 少4，原子序 数Z少2，在元素周期表中的位置比 少 ， 母核前移两位。 母核前移两位 。 α 衰变过程放出的 能量主要反映在α 粒子的动能， 能量主要反映在 α 粒子的动能 ， 子 核的动能很小。 α衰变能谱是线状 核的动能很小。 能谱。 能谱。
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2、 β+ 衰变 、 衰变——母核放出一个正电子的衰变 母核放出一个正电子的衰变
A A 0 X→Z−1Y++1e+v+Qβ+ Z
原子核中一个质子放出一个正电子而变成中子， 原子核中一个质子放出一个正电子而变成中子，同时 放射出一个中微子，遵守位移法则。 放射出一个中微子，遵守位移法则。 正电子可与电子相遇而产生正负电子对湮灭。 正电子可与电子相遇而产生正负电子对湮灭。
5、原子核的质量 、
原子的质量等于原子核的质量加核外电子全部电子的质量。 原子的质量等于原子核的质量加核外电子全部电子的质量。
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相对论指出：当系统有质量改变时， 相对论指出：当系统有质量改变时，一定也有相应的能 量改变。 量改变。
∆E=(∆m)c2
实验表明: 原子核的质量总是少于全部核子质量之和， 实验表明 原子核的质量总是少于全部核子质量之和，即 发生了质量亏损。可见当p和 组成核时 有大量的能量放出， 组成核时， 发生了质量亏损。可见当 和n组成核时，有大量的能量放出， 这能量称为原子的结合能。 这能量称为原子的结合能。 根据质能关系， 的质量其能量为 根据质能关系，1u的质量其能量为
所有原子的核密度相等。核是物质紧密集中之处。 所有原子的核密度相等。核是物质紧密集中之处。
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4、核力——核内的核子之间存在的一种特殊的 、核力 核内的核子之间存在的一种特殊的 相互作用力，其具有以下四种特征： 相互作用力，其具有以下四种特征：
短程力” Ａ “短程力” Ｂ 目前已知的最强力 Ｃ 一个核子只与临近几个核子发生相互作用 与核子的带电状态无关 Ｄ
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3、原子核的半径 、
原子核近似球形，是物质紧密集中之处。 原子核近似球形，是物质紧密集中之处。各种原子核的半径 R与原子质量数 有如下关系： 与原子质量数A有如下关系 与原子质量数 有如下关系：
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R= R0 A
R0 =(1.1~1.5)×10−15m
m m 17 3 ρ= = ≈2.3×10 kg/m V 4πR3A 0 3
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原子核的成分
原子序数为Z、质量数为 的原子核由 的原子核由Z个 原子序数为 、质量数为A的原子核由 个 质子（ ） 个中子(n)组成 质子（p）和N个中子 组成。这两种粒子 个中子 组成。 的质量近似等于1u， 的质量近似等于 ，所以原子核的质量数 A=N+Z。 。 质子和中子统称为核子。 质子和中子统称为核子。
λ =∑ i λ
i
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二、半衰期和平均寿命
1、半衰期 、 半衰期（ 也是用来表示放射性核素衰变快慢的物理量。 半衰期（T1/2）也是用来表示放射性核素衰变快慢的物理量。 定义为放射性核素的原子核数减少一半所需的时间。 定义为放射性核素的原子核数减少一半所需的时间。
T= ln2
λ
1 N=N0( )t /T 2
第十五章
原子核和放射性
1 原子核的衰变类型和衰变规律 放射性活度 2 原子核的组成和基本性质
习题： ， ， ， ， 习题： 2，4，5，6，8, 12
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第一节 原子核的基本性质
一 原子核的组成
1 中子-质子模型 中子 质子模型
原子核的电荷 原子核是原子的中心体， 原子核是原子的中心体，其重要特征之一是带 正电, 而且是旋转的，具有动量矩和磁矩，最小电 正电 而且是旋转的，具有动量矩和磁矩， 量单位是电子电量e的整数倍 的整数倍。 量单位是电子电量 的整数倍。这个倍数和元素周 期表中的原子序数Z是一致的 是一致的。 期表中的原子序数 是一致的。
在原子核物理学中， 在原子核物理学中，标记原子核用AzX。 。 左上角的数值A代表质量数。 左上角的数值 代表质量数。 代表质量数 左下角的数字为原子序数Z。 左下角的数字为原子序数 。
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2、 核素 、
核素：原子核内的 ， 和能量状态都相同的原子 和能量状态都相同的原子。 核素：原子核内的Z，N和能量状态都相同的原子。 同位素：质量数不同而质子数相同， 同位素：质量数不同而质子数相同，在化学元素周期 表中处于同一位置，有相同的 的元素 的元素。 表中处于同一位置，有相同的Z的元素。 同位素丰度：同位素中各核素自然含量的质量百分比。 同位素丰度：同位素中各核素自然含量的质量百分比。 同质异能素： 和 相同而处于不同能量状态的核素 同质异能素：Z和N相同而处于不同能量状态的核素 。 同量异位素：Ａ相同而Ｚ不同的核素。 同量异位素：Ａ相同而Ｚ不同的核素。 ：Ａ相同而 偶偶核、奇奇核、 偶奇核， 偶偶核、奇奇核、奇A核(偶奇核，奇偶核 核 偶奇核 奇偶核)
A m A Z X → X+γ +Q Z γ