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第十五章 原子核和放射性 医用物理教研室 基本内容：基本内容：1、原子核的基本性质、原子核的基本性质 2、原子核的衰变类型、原子核的衰变类型 3、原子核的衰变规律、原子核的衰变规律 1945年年8月月7日早晨日早晨，一颗挂在降一颗挂在降落伞下的落伞下的“炸弹炸弹”在日本广岛上空爆在日本广岛上空爆炸炸，这座城市顷刻间被夷为平地这座城市顷刻间被夷为平地，死死伤伤306545人人三天之后三天之后，同样的命运同样的命运降临长崎降临长崎，死伤死伤138905人人造成这场造成这场空前浩劫的空前浩劫的，是一种叫是一种叫“原子弹原子弹”的的新式武器新式武器它的出现结束了二战它的出现结束了二战，却却又带来了冷战又带来了冷战它的出现深刻地改变它的出现深刻地改变了军事战略了军事战略，也深远地影响着人类命也深远地影响着人类命运运 原子弹爆炸结束二战核武器竞争威胁原子弹爆炸结束二战核武器竞争威胁人类人类。1945年年5月月，前苏联红军攻克柏林前苏联红军攻克柏林，德国法西斯宣布投德国法西斯宣布投降降然而然而，在远东在远东，日本法西斯仍在作垂死挣扎日本法西斯仍在作垂死挣扎当时估算当时估算，如果占领日本本土如果占领日本本土，美军起码还得付出死亡一二百万人的沉重美军起码还得付出死亡一二百万人的沉重代价代价这一切促使美国最高当局下决心动用原子弹这一切促使美国最高当局下决心动用原子弹，以尽早结以尽早结束战争束战争 其实其实，当时日本和德国都在研制原子弹当时日本和德国都在研制原子弹，只是由于四面楚只是由于四面楚歌歌、力不从心而进展缓慢力不从心而进展缓慢就在广岛被原子弹轰炸后几小时就在广岛被原子弹轰炸后几小时，日本军部立即派研制原子弹的核科学家二阶义男带领日本军部立即派研制原子弹的核科学家二阶义男带领“2号研号研究究”（即原子弹研究即原子弹研究）人员去广岛作现场调查人员去广岛作现场调查之后之后，把这批把这批人员招集到大本营人员招集到大本营，副总参谋长河边将军问道：副总参谋长河边将军问道：“你们能不能你们能不能在半年内造出原子弹来在半年内造出原子弹来？如果能做到的话如果能做到的话，我们就把你们这些我们就把你们这些专家和天皇一起藏到长野山下用花岗岩造的地下堡垒中保护起专家和天皇一起藏到长野山下用花岗岩造的地下堡垒中保护起来来军队不惜代价再坚持军队不惜代价再坚持6个月没有问题个月没有问题，到那时就可以对美到那时就可以对美军还以颜色了军还以颜色了”二阶义男回答说：二阶义男回答说：“阁下阁下，不要说不要说6个月内造不出原子弹个月内造不出原子弹，就是再花就是再花6年也不行年也不行”听了首席科学家的这番话听了首席科学家的这番话，河边将军默不作声河边将军默不作声，并立即向并立即向军部作了汇报军部作了汇报三天后三天后，当长崎也传来被原子弹炸成平地的当长崎也传来被原子弹炸成平地的消息后消息后，日本最高当局中的主战派顿时像泄了气的皮球日本最高当局中的主战派顿时像泄了气的皮球此此时时，美国又放出空气美国又放出空气，声称还有声称还有100颗原子弹颗原子弹（其实当时还没其实当时还没有新的原子弹生产出来有新的原子弹生产出来）将投向日本将投向日本，如果日本不投降的如果日本不投降的话话在这种严峻的形势下在这种严峻的形势下，经过幕后活动经过幕后活动，日本天皇终于在日本天皇终于在8月月15日宣布无条件投降日宣布无条件投降 原子弹爆炸原子弹爆炸 大亚湾核电站夜景大亚湾核电站夜景 神经胶质瘤患者头部的核磁共振断面像神经胶质瘤患者头部的核磁共振断面像 人类认识原子结构的简单历史人类认识原子结构的简单历史 1787年，道尔顿年，道尔顿原子原子 一切物质都是由不可见的、不可再分割的原子组成。一切物质都是由不可见的、不可再分割的原子组成。1811年，阿佛加德罗年，阿佛加德罗分子分子 原子不能独立存在，相互结合在一起形成分子才能独立存在。原子不能独立存在，相互结合在一起形成分子才能独立存在。十九世纪中期十九世纪中期原子分子论原子分子论 原子不可再分。原子不可再分。1897年，汤姆逊发现电子年，汤姆逊发现电子提出原子结构模型提出原子结构模型 原子是由带正电的连续体和在其内部运动的负电子构成的。原子是由带正电的连续体和在其内部运动的负电子构成的。1911年，年，卢瑟福卢瑟福散射散射核式模型核式模型 1913年，玻尔原子模型年，玻尔原子模型 20世纪世纪20年代以来年代以来现代模型（电子云模型）现代模型（电子云模型）电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，在一个确定电子的时刻不能精确测定电电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，在一个确定电子的时刻不能精确测定电子的确切位置子的确切位置 第一节第一节 原子核的基本性质原子核的基本性质 15.1 原子核的组成、质量和大小原子核的组成、质量和大小 1原子核的电荷原子核的电荷 （1）质子质子 带正电带正电，其电量绝对值等于电子的电量其电量绝对值等于电子的电量。Z（2）中子中子 不带电不带电，N 核子数：也称为质量数核子数：也称为质量数 AZ+N（1）原子核质量的表示原子核质量的表示 原子质量单位原子质量单位（以以12C的的1/12为原子质量单位为原子质量单位）1u1.66054010-27kg（2）原子核的分类原子核的分类 a.同位素同位素（元素周期表中位置相同元素周期表中位置相同，同位素丰度同位素丰度）b.同中子异位素同中子异位素（中子数相同中子数相同）c.同量异位素同量异位素（质量数相同质量数相同，质子数不同质子数不同）d.同质异能素同质异能素（质量数和质子数都相同质量数和质子数都相同，能量不同能量不同）2.原子核的质量原子核的质量 15.2 原子核的性质原子核的性质 对于轻核对于轻核 的核半径为的核半径为:C126 mARR153/1153/101002.3121032.1对于重核对于重核 的核半径为的核半径为:U23892mARR153/1153/101044.72381020.1 通过估算通过估算,可以看出各种原子核半径大小均处于可以看出各种原子核半径大小均处于同一数量级上同一数量级上,且随着各种元素之不同彼此之间又略且随着各种元素之不同彼此之间又略有差异有差异.根据实验表明根据实验表明,除少数例外除少数例外,原子核是近似球形的原子核是近似球形的,其体积为其体积为:ArRV303343430143MMVAr3173171029210731kg/m.kg/m.由此可得到一个非常重要的结论由此可得到一个非常重要的结论:在一切原子核中在一切原子核中,核物质的核物质的密度近似为一常数密度近似为一常数,不妨作这样一个比拟不妨作这样一个比拟,水的密度是水的密度是103kg/m3,而而原子核的密度比水要大原子核的密度比水要大1014倍倍,足见原子核是物质紧密集中之处足见原子核是物质紧密集中之处,且密度大得惊人！且密度大得惊人！针尖大的物体，质量一吨！针尖大的物体，质量一吨！15.4 原子核的结合能及质量亏损原子核的结合能及质量亏损 原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就 应等于所有质子和中子的质量之和：应等于所有质子和中子的质量之和：根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：mx=Zmp+(A-Z)mn 但实验测定的原子质量但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量总是小于所有核子质量 之和，这一差值称为原子核的质量亏损：之和，这一差值称为原子核的质量亏损：m=Zmp+(A-Z)mn-mX 质子和中子组成核的过程中，有能量质子和中子组成核的过程中，有能量 E E释放出来。反之，要使原子核再分解为释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收单个的质子和中子就必须吸收 E E的能量。的能量。氘核吸收氘核吸收 E E能量后分解为质子和中子能量后分解为质子和中子 E 氘氘 质子质子 中子中子 E=(E=(m)cm)c2 2=Zm=Zmp p+(A+(A-Z)mZ)mn n-m mX Xcc2 2 爱因斯坦爱因斯坦 原子结合能的计算原子结合能的计算 一原子质量单位一原子质量单位 kgu2710660552.11具有能量具有能量 JcuE102104944968.11MeV10340605.92质子质量质子质量 ump007277.1中子质量中子质量 umn008665.1核子平均结合能核子平均结合能 AcmmZAZmEnp/)(2核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。AmcAE2 原子核的结合能非常大，所以一般原子原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。的稳定程度不同。每个核子的平均结合能称为比结合能：每个核子的平均结合能称为比结合能：a.中等质量原子核的核子平均结合能较大中等质量原子核的核子平均结合能较大 Fe56268.79MeV As75338.47MeV Cu63298.75MeV b b.轻核和重核的核子平均结合能都较小轻核和重核的核子平均结合能都较小 H312.83MeV U238927.5MeV Pu239947.56MeV 核力是一种短程力；核力是强相互作用；核力具有饱和性核力是一种短程力；核力是强相互作用；核力具有饱和性;核力与电荷无关；核力在极短程内存在斥心力，它使核子不核力与电荷无关；核力在极短程内存在斥心力，它使核子不能无限靠近。能无限靠近。第二节第二节 原子核的衰变类型原子核的衰变类型 放射性：放射性：(1896法国科学家年贝克勒尔发现法国科学家年贝克勒尔发现U的放射性的放射性)放射性元素：原子序数放射性元素：原子序数83（包括（包括83）以后的所有元素）以后的所有元素都具有天然放射性。都具有天然放射性。贝克勒尔贝克勒尔 放大了放大了10001000倍的铀矿石倍的铀矿石 居居 里里 居里夫人居里夫人 1898年发现放射性更强的元素钋年发现放射性更强的元素钋（Po）和镭和镭（Ra）。贝克勒耳和居里夫妇一起，因为放射性的发现和贝克勒耳和居里夫妇一起，因为放射性的发现和研究，研究，1903年得到科学界的最高荣誉年得到科学界的最高荣誉诺贝尔奖。诺贝尔奖。三种射线：三种射线：、。三种射线的性质三种射线的性质：最弱最弱 最强最强 C 光子光子 较弱较弱 较弱较弱 接近接近C 电离本领电离本领 贯穿本领贯穿本领 速率速率 组成物质组成物质 射线射线 射线种类射线种类 氦核氦核 He42电子电子 e01最强最强 最弱最弱 c101衰变原则：衰变原则：质量数守恒，电荷数守恒。质量数守恒，电荷数守恒。15.1 衰变（质量数衰变（质量数A209）QHeYXAZAZ4242 1 2 3 aR22688nR22286母核母核 子核子核 粒子粒子 衰变能衰变能 粒子的能谱与粒子的能谱与子核或母核的能级结子核或母核的能级结构有密切连续构有密切连续。15.2 衰变衰变 1.-衰变衰变 QeYXeAZAZ12.+衰变衰变 QeYXeAZAZ1放出电子、反中微子放出电子、反中微子 放出正电子、中微子放出正电子、中微子 3.电子俘获电子俘获(E.c)QYeXeAZAZ101 能量一部分可以以标识能量一部分可以以标识X射线的射线的形式放出形式放出;一部分可以使另外一层电子电一部分可以使另外一层电子电离成自由电子离成自由电子-俄歇电子俄歇电子。一个质子变为中子，放出中微子一个质子变为中子，放出中微子 中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十分微弱。因此极难探测，需要用体积庞大的探测器。分微弱。因此极难探测，需要用体积庞大的探测器。4.中微子简介中微子简介 1930 1930 泡利假设了中微子，以解决泡利假设了中微子，以解决 衰变中能量不守恒问题衰变中能量不守恒问题 1956 Reines1956 Reines和和CowanCowan发现中微子（发现中微子（1995 1995 年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1962 Lederman1962