1、原子核物理概論原子核物理概論 在迄今為止發(fā)現(xiàn)的在迄今為止發(fā)現(xiàn)的2000多種核素中，絕大多數(shù)多種核素中，絕大多數(shù)都不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)地蛻變?yōu)榱硪环N核素，同時(shí)放出都不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)地蛻變?yōu)榱硪环N核素，同時(shí)放出各種射線。這種現(xiàn)象稱為各種射線。這種現(xiàn)象稱為放射性衰變放射性衰變。能自發(fā)地放。能自發(fā)地放射出各種射線的核素稱為射出各種射線的核素稱為放射性核素放射性核素，也叫，也叫不穩(wěn)定不穩(wěn)定核素核素。放射性衰變放射性衰變1.提供原子核內(nèi)部的信提供原子核內(nèi)部的信息息2.用于為人類(lèi)造福用于為人類(lèi)造福 放射性衰變過(guò)程中，原來(lái)的核素放射性衰變過(guò)程中，原來(lái)的核素(母體母體)或者變?yōu)榛蛘咦優(yōu)榱硪环N核素另一種核素(子體子體)，

2、或者進(jìn)入另一種能量狀態(tài)。，或者進(jìn)入另一種能量狀態(tài)。原子核物理概論原子核物理概論 放放射射性性衰衰變變的的類(lèi)類(lèi)型型衰變衰變)He(RnRa422228622688衰變的位移定則衰變的位移定則:子核在元素周子核在元素周期表中的位置左移期表中的位置左移2格。格。,K衰變衰變-2108421083ePoBi衰變的位移定則衰變的位移定則:子核在元素子核在元素周期表中的位置右移周期表中的位置右移1格。格。 衰變衰變 CoCo602760m27高能短波電磁輻射高能短波電磁輻射+內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換p放射性放射性;12C放射性放射性;延遲延遲n(p)發(fā)發(fā)射射;雙雙- -衰變衰變;自發(fā)裂變自發(fā)裂變(SF)等。等。原子核

3、物理概論原子核物理概論 原子核物理概論原子核物理概論 1.指數(shù)衰變律指數(shù)衰變律 原子核是一個(gè)量子體系，核衰變是一個(gè)量子原子核是一個(gè)量子體系，核衰變是一個(gè)量子躍遷過(guò)程。躍遷過(guò)程。 對(duì)一個(gè)特定的放射性核素，其衰變的精確時(shí)對(duì)一個(gè)特定的放射性核素，其衰變的精確時(shí)間是無(wú)法預(yù)測(cè)的；間是無(wú)法預(yù)測(cè)的； 但對(duì)但對(duì)足夠多足夠多的放射性核素的集合，其衰變規(guī)的放射性核素的集合，其衰變規(guī)律是確定的，并服從量子力學(xué)的律是確定的，并服從量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律。原子核物理概論原子核物理概論 設(shè)設(shè)t0時(shí)，放射性核素的數(shù)目為時(shí)，放射性核素的數(shù)目為N0，在，在dt 內(nèi)發(fā)內(nèi)發(fā)生衰變的數(shù)目生衰變的數(shù)目為為dN，則：，則：Nt/Ne

4、NNtNNtdddd0 稱為稱為衰變常數(shù)衰變常數(shù)，它表示一，它表示一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，標(biāo)志著衰生衰變的幾率，標(biāo)志著衰變的快慢。衰變常數(shù)與外變的快慢。衰變常數(shù)與外界條件（溫度、壓力、磁界條件（溫度、壓力、磁場(chǎng)等）場(chǎng)等）幾乎無(wú)關(guān)幾乎無(wú)關(guān)。aT292/1 1T1T 2T 2T3T3T 4T 4TSr9038衰變衰變?cè)雍宋锢砀耪撛雍宋锢砀耪?2.半衰期半衰期 69302200.lnTeNNT 得得由由T稱為稱為半衰期半衰期，它表示放射性核素的數(shù)目衰變到，它表示放射性核素的數(shù)目衰變到原來(lái)數(shù)目的一半所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。不同放射性核素原來(lái)數(shù)目的一半所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。不同放射

5、性核素的半衰期是大不相同的，的半衰期是大不相同的，60Co的半衰期為的半衰期為5.27a; 238U的半衰期為的半衰期為4.5 109a。min10 T1.000.500.25 0 1T 2T 3T 4T tN/NoN13衰變衰變?cè)雍宋锢砀耪撛雍宋锢砀耪?3.平均壽命平均壽命 對(duì)于某種放射性核素，有些核早衰變，有些對(duì)于某種放射性核素，有些核早衰變，有些核晚衰變，即有的壽命長(zhǎng)，有的壽命短，所有原核晚衰變，即有的壽命長(zhǎng)，有的壽命短，所有原子核壽命的平均值子核壽命的平均值稱為稱為平均壽命平均壽命。T.lnTNtNt44121d00 平均壽命平均壽命表示：經(jīng)過(guò)表示：經(jīng)過(guò)時(shí)間以后，剩下的核素?cái)?shù)時(shí)間以

6、后，剩下的核素?cái)?shù)目為初始核素?cái)?shù)目的目為初始核素?cái)?shù)目的37%原子核物理概論原子核物理概論 4.放射性核素的特征量放射性核素的特征量 衰變常數(shù)衰變常數(shù) 、半衰期半衰期T和和平均壽命平均壽命都可以作都可以作為放射性核素的特征量，不同核素的特征量差別為放射性核素的特征量，不同核素的特征量差別很大。我們可以根據(jù)測(cè)量的特征量很大。我們可以根據(jù)測(cè)量的特征量判斷它屬于哪判斷它屬于哪種核素。例如單晶硅中痕量碳的分析：種核素。例如單晶硅中痕量碳的分析：min.T:eSiPpSimin.T:eCNpC52969303029131312 原子核物理概論原子核物理概論 5.放射性單位放射性單位放射性活度放射性活度A：為

7、了表示某放射源的放射性強(qiáng)弱，為了表示某放射源的放射性強(qiáng)弱，人們引入放射性活度人們引入放射性活度A，定義為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰，定義為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)：變的原子核數(shù)：tteAeNNtNA 00ddA有時(shí)也稱有時(shí)也稱“放射性強(qiáng)度放射性強(qiáng)度”、“放射率放射率”或或“衰變衰變率率”。 注意：注意：A只描述放射源每秒發(fā)生核衰變的次只描述放射源每秒發(fā)生核衰變的次數(shù)數(shù), ,并不表示放射出的粒子數(shù)并不表示放射出的粒子數(shù).原子核物理概論原子核物理概論 放射性活度單位：放射性活度單位： 1975年以前年以前 1盧瑟福（盧瑟福（Rd）=106次核衰變次核衰變/秒秒 1居里（居里（Ci）=3.7 1010次核

8、衰變次核衰變/秒秒 1毫居毫居=0.001居里，居里，1微居微居=0.001毫居毫居 1g226Ra的放射性強(qiáng)度近似為的放射性強(qiáng)度近似為1居里（早期定義）居里（早期定義） 1975年以后（目前通用的國(guó)際單位）年以后（目前通用的國(guó)際單位） 1貝克勒（貝克勒（Bq）=1次核衰變次核衰變/秒秒1居里（居里（Ci）=3.7 1010貝克勒（貝克勒（Bq）原子核物理概論原子核物理概論 放射源所含放射性物質(zhì)的原子核數(shù)：放射源所含放射性物質(zhì)的原子核數(shù)：2lnATAN 放射源所含放射性物質(zhì)的質(zhì)量：放射源所含放射性物質(zhì)的質(zhì)量： 2lnNMATN)NM(mAA 比活度比活度（放射性比度、（放射性比度、比放射性比放

9、射性）：是指放射源的）：是指放射源的放射性活度與其質(zhì)量之比，它表明放射性物質(zhì)純度放射性活度與其質(zhì)量之比，它表明放射性物質(zhì)純度的高低，其單位的高低，其單位為為Bq/g。射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度：是指放射源在單位時(shí)間內(nèi)放出某種射線：是指放射源在單位時(shí)間內(nèi)放出某種射線的個(gè)數(shù)，其單位也為的個(gè)數(shù)，其單位也為Bq。原子核物理概論原子核物理概論 射線的物質(zhì)效應(yīng)射線的物質(zhì)效應(yīng)：射線對(duì)物質(zhì)的效應(yīng)不僅取決于放：射線對(duì)物質(zhì)的效應(yīng)不僅取決于放射性物質(zhì)本身的強(qiáng)弱，還取決于所釋放的射線的特射性物質(zhì)本身的強(qiáng)弱，還取決于所釋放的射線的特性及接受射線的材料的性質(zhì)。射線對(duì)物質(zhì)的物質(zhì)效性及接受射線的材料的性質(zhì)。射線對(duì)物質(zhì)的物質(zhì)效應(yīng)單位：應(yīng)

10、單位： 1倫琴（倫琴（R）=使使1kg空氣中產(chǎn)生空氣中產(chǎn)生2.58 10-4庫(kù)庫(kù) 侖電量的輻射量侖電量的輻射量 1拉德（拉德（rad）=1g受輻照物質(zhì)吸收受輻照物質(zhì)吸收100erg的的 輻射能量輻射能量 1戈瑞（戈瑞（Gr）=1kg受輻照物質(zhì)吸收受輻照物質(zhì)吸收1J的的輻輻 射能量射能量 原子核物理概論原子核物理概論 6.長(zhǎng)半衰期的測(cè)定長(zhǎng)半衰期的測(cè)定 半衰期是放射性核素的手印半衰期是放射性核素的手印，測(cè)定半衰期，測(cè)定半衰期是確定放射性核素的重要方法。是確定放射性核素的重要方法。斜率法：中等壽命的放射性元素斜率法：中等壽命的放射性元素直接法：長(zhǎng)壽命的放射性元素，例如直接法：長(zhǎng)壽命的放射性元素，例如

11、1mg238U平衡關(guān)系測(cè)量法：短壽命的放射性元素平衡關(guān)系測(cè)量法：短壽命的放射性元素tAlnAln 0118323108741023810022660740 s.s/N/A個(gè)個(gè) 原子核物理概論原子核物理概論 檢測(cè)放射檢測(cè)放射性的方法性的方法蓋革計(jì)數(shù)器蓋革計(jì)數(shù)器是根據(jù)受輻射氣體發(fā)生電離而產(chǎn)是根據(jù)受輻射氣體發(fā)生電離而產(chǎn)生的離子和電子能傳導(dǎo)電流的原理設(shè)計(jì)的。生的離子和電子能傳導(dǎo)電流的原理設(shè)計(jì)的。每個(gè)被放大了的電脈沖每個(gè)被放大了的電脈沖即代表一次放射性記數(shù)即代表一次放射性記數(shù) 原子核物理概論原子核物理概論 放射性放射性 鑒年法鑒年法C14W.F.Libby(利比利比)鑒年法的先驅(qū)鑒年法的先驅(qū)C14獲獲1

12、9601960年度年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)方法：放射性測(cè)定年代法方法：放射性測(cè)定年代法C14依據(jù)：半衰期與反應(yīng)物的起始濃度無(wú)關(guān)依據(jù)：半衰期與反應(yīng)物的起始濃度無(wú)關(guān) 假定：大氣中、的比值是恒定的假定：大氣中、的比值是恒定的 C146C126 宇宙射線中的大量質(zhì)子與大氣中原子核反應(yīng)產(chǎn)生許多宇宙射線中的大量質(zhì)子與大氣中原子核反應(yīng)產(chǎn)生許多次級(jí)中子，這些次級(jí)中子與大氣中的反應(yīng)而產(chǎn)生次級(jí)中子，這些次級(jí)中子與大氣中的反應(yīng)而產(chǎn)生而自發(fā)地進(jìn)行而自發(fā)地進(jìn)行衰變：衰變：N14C14C14pCNn 1414 eNC1414C146C12由于宇宙射線的質(zhì)子流、大氣組分相對(duì)恒由于宇宙射線的質(zhì)子流、大氣組分相對(duì)恒定定,故

13、上述次級(jí)中子流也相對(duì)恒定故上述次級(jí)中子流也相對(duì)恒定,使得使得 的產(chǎn)生率保持恒定的產(chǎn)生率保持恒定,經(jīng)相當(dāng)時(shí)間后產(chǎn)出與衰變經(jīng)相當(dāng)時(shí)間后產(chǎn)出與衰變達(dá)平衡達(dá)平衡,其數(shù)目保持不變其數(shù)目保持不變.而大氣中的是而大氣中的是穩(wěn)定核素穩(wěn)定核素.研究表明：研究表明： 1214103 . 15730:1214CCaC/NN大大氣氣中中的的半半衰衰期期 原子核物理概論原子核物理概論 埃及一法老古墓發(fā)掘出來(lái)的木質(zhì)遺物樣品中埃及一法老古墓發(fā)掘出來(lái)的木質(zhì)遺物樣品中, ,放射性碳放射性碳-14-14的比活度為的比活度為432Bqg432Bqg-1-1 即即s s-1-1(gC)(gC)-1-1,而地球上而地球上活體植物組織相

14、應(yīng)的比活度則為活體植物組織相應(yīng)的比活度則為756Bqg756Bqg-1-1, ,試計(jì)算該試計(jì)算該古墓建造的年代古墓建造的年代. .例例1解解: :衰變反應(yīng)是衰變反應(yīng)是: : 根據(jù)一級(jí)反應(yīng)的速率方程和半衰期公式根據(jù)一級(jí)反應(yīng)的速率方程和半衰期公式: : ln lnc ct t( )= -( )= -ktkt lnlnc c0 0( ) ( ) T T1/21/2 = 0.693/ = 0.693/k k得：得：k k = 0.693/ = 0.693/t t1/21/2 = 0.693/5730 a = 1.21 = 0.693/5730 a = 1.211010-4-4 a a-1-1 t t=

15、n756Bqg=n756Bqg-1-1/432Bqg/432Bqg-1-1/(1.21/(1.211010-4-4a a-1-1) ) =4630 a=4630 a 如以上數(shù)據(jù)系如以上數(shù)據(jù)系20052005年所得，則年所得，則4630-20054630-200526252625即該古墓大約是公元前即該古墓大約是公元前26252625年建造的。年建造的。 C146C146eNC01147146 原子核物理概論原子核物理概論 解解: :例例2 2測(cè)得古墓測(cè)得古墓100g100g骸骨碳的衰變率為骸骨碳的衰變率為900/min900/min，求此墓年代。，求此墓年代。 據(jù)衰變定律和半衰期公式據(jù)衰變定律

16、和半衰期公式 2ln2/10TeNNt當(dāng)前當(dāng)前100g100g骸骨中的數(shù)目為骸骨中的數(shù)目為N N，00ln2lnln1NNTNNt 結(jié)論：古墓年代約結(jié)論：古墓年代約為公元前為公元前22002200年年C141281091. 3/1073. 4693. 057302ln1 aadtdNTdtdNN 1223120105 . 61210022. 6100103 . 11001214 CACCNNNN 墓主死亡時(shí)墓主死亡時(shí)100g100g骸骨碳中含原子的數(shù)目為：骸骨碳中含原子的數(shù)目為：C14aaNNTt4200105 . 61091. 3ln693. 05730ln2ln12120 aadtdN/1

17、073. 4/3652460900min/9008 原子核物理概論原子核物理概論 7.級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變 許多放射性同位素并非一次許多放射性同位素并非一次衰變就達(dá)到穩(wěn)定，而是一代接一衰變就達(dá)到穩(wěn)定，而是一代接一代地衰變，直到穩(wěn)定的核素為止，代地衰變，直到穩(wěn)定的核素為止，這樣就構(gòu)成一個(gè)級(jí)聯(lián)（第次）衰這樣就構(gòu)成一個(gè)級(jí)聯(lián)（第次）衰變，也稱為放射系。自然界共有變，也稱為放射系。自然界共有四個(gè)放射系，其中三個(gè)是天然存四個(gè)放射系，其中三個(gè)是天然存在的，一個(gè)是人工制造的。在的，一個(gè)是人工制造的。BiPaNpAmPuUnUda.aa.209831623391101422379343224195414241942

18、241922389263 镎镎 系系釷釷 系系錒錒 系系鈾鈾 系系原子核物理概論原子核物理概論 808590145140135130125ZN Th23290Ra22888Th22890Ra22488Rn22086Po21684Pb21282Po21284Pb20882Tl20881808590145140135130125ZNU23892U23492Th23490Pa23491Tb23090Ra22688Rn22286Po21884Pb21482At21885Bi21484Tl21481Po21484Pb21082Bi21083Tl21081Po21084Pb2068280859014514

19、0135130125ZN808590145140135130125ZN釷系（釷系（4n）級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變鈾系（鈾系（4n+2）級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變?cè)雍宋锢砀耪撛雍宋锢砀耪?808590145140135130125ZN808590145140135130125ZN錒系（錒系（4n+3）級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變U23592Pa23191Th23190Th22789Fr22387Th22790Ra22388Rn21986Pb21182Ro21584At21585Tl20781Bi21183Po21184Pb20782Np23793Pa23391Ac23589Fr22187At21785U23592Ra22

20、588Th22989Br21383Tl20981Po21384Pb20982Bi20983808590145140135130125ZN镎系（镎系（4n+1）級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變?cè)雍宋锢砀耪撛雍宋锢砀耪?對(duì)于簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)衰變：對(duì)于簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)衰變：)e)(t (N)ee(N)t (NNNdtdN:BeN)t (N:A.)(N,N)(N,tCBAt )(AABAttAABABBBAABtAABAAABBAA 10000000原子核物理概論原子核物理概論 1.暫時(shí)平衡暫時(shí)平衡ABAABABAABAABAt )(AABAttAABABBABAAA)t (N)t (N)t (N)e)(t (N)ee(N)t (NTT;ABBA 10原子核物理概論原子核物理概論 2.長(zhǎng)期平衡長(zhǎng)期平衡BABBAABAABABAt )(AABAttAABABBABAAA)t (N)t (N)t (N)t (N)t (N)e)(t (N)ee(N)t (NTT;ABBA 10壽命測(cè)量；壽命測(cè)量；短壽命核素的保存短壽命核素的保存（母體（母體+ +子體）。子體）。原子核物理概論原子核物理