程品晶（cheng-pj@)

核科學技術學院放射物理學第一章核物理基礎第一節基本概念一、原子結構中心是帶正電的原子核核的周圍是帶負電的電子在繞核運動原子核:質子和中子組成，質子帶正電荷e，中子不帶電，質子和中子統稱為核子。元素、核素、同位素和同質異能素

元素：質子數相同的原子稱為一種元素，它們的原子序數相同，因此具有相同的化學特性。但其原子核中的中子數可以不同，因而物理特性可有某些差異。到目前為止，天然和人工合成的元素有109種，組成元素周期表。

核素：質子和中子數相同，質量數相同，并處于同能量狀態的原子，稱為一種核素，例如:

為5種不同的核素。目前已知的核素有2300多種，分別屬于100多種元素。、

同位素：質子數相同而中子數不同，稱為元素的同位素，例如:同質異能素：核內中子數和質子數都相同，但核所處能態不同的核素互為同質異能素。例如：正常的鈷元素和鏷元素表示為60Co和234Pa，它們的同質異能素則表示為60Com和234Pam等。

和互為氫的同位素。二、原子、原子核能級

幾個量子數：n,l,m,ms

零勢能規定：習慣上規定當電子與核相距無窮遠時，電子所具有的勢能為零。因此，當電子填充核外某一個殼層時，其勢能為負值。

基態：電子填充殼層時按照從低能到高能的順序進行，以保證原子處于最低能量狀態。由于內層電子對外層電子具有屏蔽效應，所以實際電子填充殼層時，會出現能級交錯，而不是按殼層順序逐個填充。電子的殼層結構殼層能級次序各能級的電子數滿殼層電子總數KLMNOPQ1s2s，2p3s，3p4s，3d，4p5s，4d，5p6s，4f，5d，6p7s，5f，6d，…22，62，62，10，62，10，62，14，10，62，14，10，...21018365486

激發態：當電子獲得能量，從低能級躍遷到高能級而使低能級出現空位時，稱原子處于激發態。

結合能：當一個自由電子填充殼層時，會以發射一個光子的形式釋放能量，能量的大小等于殼層能級能量的絕對值，這些能量稱為相應殼層的結合能。結合能隨n、l的增大而減小，對于同一個能級，結合能隨原子序數增大而增加。

特征輻射與俄歇電子：處于激發態的原子很不穩定，高能級的電子會自發躍遷到低能級空位上，從而使原子回到基態。兩能級能量的差值一種可能是以電磁輻射的形式發出，這種輻射稱為特征輻射，當特征輻射的能量足夠高，進入X射線能量范圍時，又稱為特征X射線；另一種可能是傳遞給外層電子，使之脫離原子束縛成為自由電子，這種電子稱為俄歇電子，它的能量等于相應躍遷的X射線能量減去該電子的結合能。三、原子、原子核的質量

原子質量單位定義：1u＝原子質量

相對原子質量：原子的質量以u為單位時測量得數。

阿伏加德羅定律：1摩爾任何元素的物質包含有NA（6.022×1023）個原子。

摩爾質量：1摩爾物質的質量，其數值等于相對原子質量，單位為（g/mol）。單位體積中的電子數＝每克原子數＝每克電子數＝所有元素（氫除外）的四、電子密度、每可電子數單質單位體積中的原子數＝為0.5，并且隨原子序數的增加而略有減小。近似第二節放射性一、原子核的穩定性

影響核素穩定的因素如下：1、中子數與質子數之間的比例關系2、核子數的奇偶性3、重核的不穩定性原子序數小于82的元素至少存在一種穩定核素，而原子序數大于82的元素都不穩定，會自發的放射出α粒子或自發裂變而成為鉛（Z＝82）的同位素。二、衰變類型

放射性、放射性衰變、放射性核素原子核的衰變，主要有三種類型，即α、β衰變和γ躍遷。（一）α衰變

α粒子是氦的原子核，它由2個質子和2個中子組成。α衰變的反應式如下：

MeV（二）β衰變

β衰變包括3種類型：β-衰變、β＋衰變、軌道電子俘獲。1、β-衰變：核內中子多，n→變P，放出一個負電子。稱為反中微子β-的能譜特點：兩端低、中間高的連續譜分布。2、β＋衰變:核內質子多，P→變n，放出一個正電子。

注：式中υ代表中微子。能譜特點：β＋粒子的能譜與β-粒子能譜一樣也是連續的。3、軌道電子俘獲原子核從核外殼層中俘獲一個軌道電子使核內的一個質子轉變為中子，同時放出中微子的過程稱為軌道電子俘獲。

（三）γ躍遷和內轉換

伴隨α或β衰變后發生。

內轉換：有些原子核進行γ躍遷時不放出γ射線，而把激發態躍遷到較低激發態或基態時釋放出來的能量直接交給核外殼層電子（主要是K層電子），使該電子釋放出來成為自由電子，這個過程稱為內轉換，發射出的電子稱為內轉換電子。例：

（Eγ=0.141MeV）是的同質異能素。注：三、放射性度量放射性指數衰變規律：

放射性活度：是指一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔內發生的核衰變數除以該時間間隔之商。公式表達如下：活度的國際單位是貝可[勒爾]（Bq）。舊單位是居里（Ci）。1Ci＝3.7×1010Bq＝3.7×1010核衰變/秒λ為衰變常數半衰期：放射性核素其原子核數目衰減到原來數目一半所需的時間（T1/2）。半衰期與衰變常數的關系為：T1/2的單位是秒，對半衰期長的核素可以用分（min）、天（d）、年（a）。平均壽命（τ

）：是指放射性原子核平均生存的時間。放射性比活度：單位質量放射源的放射性活度，單位是Bq/g。衡量放射性物質純度的指標。例：一臺60Co治療機源初裝時的活度為111TBq（3000Ci），使用5年、10年后源的活度還剩多少？解：將A0＝111TBq，T1/2＝5.27a，t＝5a，代入得，。四、遞次衰變和放射平衡

遞次衰變：放射性核素轉變為穩定核素時往往要經過多次衰變才能完成，這種衰變稱為遞次衰變。衰變過程中形成的核素系列稱衰變系列。例如，轉變為需經4次β－衰變遞次衰變時任一子體隨時間變化不僅與本次衰變的衰變常數有關，而且與前面所有衰變的衰變常數有關。放射性平衡：如果母體的半衰期大于子體的半衰期，當經過足夠長的時間后，子母體間的放射性活度將保持固定比例，這樣一種狀態稱為放射性平衡。當放射性平衡出現后，子體的衰變速度將與母體相同。五、人工放射性核素在醫學中有廣泛的應用，如鈷-60、锝-99、鍶-90、銥-192等。制備途徑：（1）反應堆中的強中子束照射靶核，靶核俘獲中子而生成放射性核；（主要來源）（2）中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取放射性核素，這樣制備出來的核素是豐中子核素，通常具有β－衰變。（3）用高能加速器產生放射性核素，這樣制備出來的是缺中子核素，通常具有β＋衰變，但多是短壽命的。一般應選擇照射時間小于5個半衰期。人工放射性核素的生產曲線：小結：1．基本概念元素，核素，同位素，原子量，基態，激發態，特征X射線，原子結構和能級，原子核結構和能級，阿伏加德羅定律，電子密度，每克電子數。2．放射性原子核的穩定性，衰變類型，放射性指數衰變規律，放射性活度，半衰期，衰變常數，平均壽命τ，遞次衰變，