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1、第一章 原子核与放射性 郭秋菊 刘洪涛 北京大学物理学院 技术物理系,物质世界是由什麽组成的？是什麽把它们组合在一起？,第一部分 原子与原子结构,1）“原子”概念的提出,朴素的认识论：世界万物由 水 空气 土 火等构成,古希腊时代:思辩性古代原子论 万物由原子构成,原子是物质世界的共同基础，不能再分割。,2）1803道耳顿化学原子论,原子是保持元素化学性质的基本粒子-科学概念,伦琴发现X射线,1895年，德国物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了X射线 它不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因此成为1901年第一个诺贝尔物理学奖得主,世界上第一张X光照片
2、,贝克勒尔发现放射性,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生证明发射这种射线是铀原子自身的作用。放射性的发现，引起人们对原子核内部的研究的深入。“进入原子内部”和“分裂原子”成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获1903年诺贝尔物理学奖。,贝克勒尔与居里夫妇,1898年，物理学家居里夫人在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中，先发现了一种新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她将其名命为“钋”。居里夫妇又花了4年时间，发现了镭，并在极端艰苦的条件下，从几吨沥清铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭，后又测出其原子量为225，其发出的
3、射线比铀强200多万倍。居里夫人因此获1911年诺贝尔化学奖。,更强的放射性钋、镭,居里夫妇,卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为射线；另一种有较强的穿透能力，他称之为射线。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线射线。由于组成射线的粒子带有巨大能量和动量，就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。,卢瑟福发现射线,电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的，阴极射线究竟是什么？物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置，证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各种不同物质的阴极射线粒
4、子都是一样的。,指出电子是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离子的千分之一。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成部分。,汤姆逊发现电子,1903年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。,汤姆逊的原子结构模型,卢瑟福的原子结构模型,1911年，卢瑟福借助于粒子散射研究，提出原子正电荷必定集
5、中在半径10-15米的范围内，而原子半径却有1010米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明长冈半太郎的“土星型模型”比汤姆逊的“葡萄干面包模型”更接近于物理真实。,原子结构模型演化示意图,1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。并提出了“原子能”的概念。,卢瑟福、索迪元素衰变,卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖,以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链：
6、索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。,卢瑟福、索迪元素衰变,卢瑟福用镭发射的粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，18N 17Op。这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为新炼金术。,人工衰变,1932年，物理学家查德威克发现了其质量同质子相当的中性粒子，这正是1920年卢瑟福
7、猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子，即中子。他因此获1935年诺贝尔物理学奖。,查德威克发现中子,1932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想炮弹。,探索原子核奥妙的钥匙中子,中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工控制原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘的钥匙，在开发原子能的伟大事业中大显身手。,探索原子核奥妙的钥匙中子,现代原子结构,现代原子结构,1933年，
8、狄拉克关于正电子存在的预言被证实，安德森因此获1936年诺贝尔物理学奖。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，他们因此获1959年物理奖。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。莱因斯等利用大型反应堆，在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获1995年物理学奖。到1968年，人们才探测到了来自太阳的中微子。1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中找到了1934年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获1949年物理奖，鲍威尔获1950年物理奖。,基本粒子,到50年代末，基本粒子的数目已达30种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发现的。,19
9、88年中科院近代物理所建成的重离子加速器,到达地球表面数目 6.61010个/cm2 秒中微子与物质作用很弱吸收截面10-40cm2通过100万个太阳厚度强度才减少一半。,中微子在宇宙中自由穿行，由于作用太弱，很难探测到。,地球 R=6.37 x 106 m,太阳 R=7 x 108 m,太阳中微子:天然存在,对人体作用完全可以忽略不计，对人体没有危害。人们不会对存在的大量中微子感到害怕.,公元前4世纪德寞克利特,1803道尔顿,1911卢瑟福,1913玻耳,1932海森堡,？,人类认识物质“基本砖块”历程,电子,2000 多年,6 0 多 年,100,1990年代“基本砖块”轻子 12夸克
10、36媒介子 13希格斯粒子 1合计 62其中 2个粒子尚未发现：引力子和希格斯粒子。,1964夸克,第二部分 核与放射性的基本物理基础,核素：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核素是原子核的一种统称,核素及符号表示,其它：稳定核素和不稳定核素 稳定同位素和不稳定同位素 放射性核素和非放射性核素,定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。,同位素,实验发现:原子核内的质子+中子紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同).稳定原子核基本上类似与球体 原子核的半径 R=r0A1/3 原子核半径常数 r0=1.2 10-15 m=1.2 fm A 原子核的质量数 例如：238U
11、7.4 fm,1)原子核的大小,原子核的基本性质,2)原子核的质量,电子 me=9.110-31 kg=5.4810-4 u=0.511 MeV/c2质子 mp=1.007276 u=938.256 MeV/c2中子 mn=1.008665 u=939.550 MeV/c2,原子核质量=原子质量 全部电子的质量 MN(Z,A)=Ma(Z,A)Z me 忽略了电子的结合能（eV 量级）原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查)原子核质量可以精确确定,3)核物质密度,原子核中核子紧密挤在一起根据=M/V 计算 核物质密度:2.3 1014 g/cm3 1 cm3 核物质 2 亿吨重!,黑 洞 10
12、18核物质 1014中子星 109白矮星 105 水 1,密度比较 g/cm3,天平为何倾斜?,重,轻,4)原子核结合能和原子核稳定性,质量亏损 氦原子核（4He）由2个质子+2个中子构成 2个质子质量+2 个中子质量=原子核 4He 的质量 2 x 1.007276+2 x 1.008665-4.002603 M(4He)=4.031882-4.002603=-0.029279 u,E(4He)=M(4He)C2=27.27 MeV亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是 27.27 MeV,亏损的质量哪里去了?,质能关系 E=M C 2,原子核结合能,定义:质子和中子结合构成原子核时所释放
13、的能量原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定,表:比结合能(原子核结合能/核子数),原子核平均结合能(比结合能)曲线,1 各原子核中，每个 核子的平均结合能 随质量数而变化 6-9 MeV2 中等重量的原子核 的比结合能较大,释放能量途径:1）重核裂变 2）轻核聚合成原子核,重核裂变,轻核聚合,252Cf 自发裂变,中子引起 235U 裂变,H 原子核聚合 H 的燃烧,太阳能,释放能量举例,例：估算裂变释放的能量,n+235U(236U)X+Y+E假设裂变成质量相等的两块 质量数各约为118 235U 核子平均结合能 7.6 MeV 质量数为118的原子核平均结合能 8.6 MeV 两
14、者平均结合能差 1 MeV 230多个核子 总的 E=200 MeV!,比较:裂变能 n+235U X+Y+E 200 MeV 化学能 C+O2 CO2+E 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV,从母核中射出的4He原子核,粒子得到大部分衰变能,238U4He+234Th,放射性母核!,基本衰变衰变,放射性衰变及衰变规律,衰变241Am 237Np,发生原因：母核中子或质子过多,质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷,中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷,基本衰变衰变,基本衰变衰变（动画）,衰变3H 3He,正衰变11C
15、 11B,电子俘获,电子俘获7Be 7Li,基本衰变衰变,基本衰变衰变,衰变特点：1、从原子核中发射出光子2、常常在 或 衰变后核子从激发态退 激时发生3、产生的射线能量不连续4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别,衰变3He 3He,衰变,-衰变,+衰变,衰变,半衰期(T1/2)定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。,经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n,放射性衰变规律,半衰期,放射性衰变基本规律,1 指数衰减规律 N=N0e-t N0:（t=0）时放射性原子 核的数目N:经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数
16、 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快,N=N0e-t,核辐射的基本性质,核辐射与物质的相互作用,一 核辐射与物质的基本作用,。原子。,n,物 质：气体 液体 固体 包括人体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,二 带电粒子与物质的作用,自由电子,正离子,+靶原子 正离子+电子+4He+Ar Ar+e-+4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子,+,e-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+
17、-,+-,+-,+-,+-,+-,库仑作用,射线与射线电离效应比较,射线 射线径迹 粗 直 细 弯,电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用 Z1Z2/v2 Z1 入射粒子原子序数 Z1 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,实验结果,粒子径迹是一条直线 5.3 MeV粒子在空气中 的射程3.83 cm,电子径迹是折线,电磁辐射谱,小能量高,E=h,=c/,大能量低,射线是波长很短能量高的电磁辐射（10-11 米，keV，MeV），来自原子核衰变,不带电，静止质量 0。,1 射线是什麽？,能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以
18、对物质发生电离作用。,能量 E=h）动量 p=h/c,2 射线对物质的电离作用 两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应次级电子使物质原子电离,射线,第 1 步初级作用,第 2 步次级作用,光电效应,自由电子,作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）原子 A+X 射线,原子,受激原子,电子对效应能量1.02 MeV 的射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M+e+e-1+2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511
19、MeV基本条件：射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量M=E/C2,3 轫致辐射,电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管,特征:x 射线能量连续 0 EMax(电子能量)电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0-15 keV,应注意玻璃含有40K U Th,产生机制,原子核,4 正电子湮灭,正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+e-+me+me-=0.511+0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率(100%）,射线通过介质时由于同物质的作用,光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对射线的吸收。,
20、I(x)=I0 e-x,厚 度 X,I0,四 射线的吸收,I,实验发现：射线强度随通过介质层厚度增加而 减小，服从指数衰减规律。,指数衰减规律,指数衰减因子 线性吸收系1）射线能量高 值小2）原子序数高 值大,I(x)=I0 e-x,铅和铝吸收系数,射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。,半吸收厚度 单位：cm,物质层厚度,0 I/I,半吸收厚度(d1/2),对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m)离子对密度/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个,1 MeV 的粒子穿透物质能力,1 页 60页/本,铅,地 下1-2 米深
21、,铅室,n,4580本,中子源,射线穿透物质能力,射线穿透 人体皮肤情况,中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应,1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n+H n+p 第一步 打出质子（载能）第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O)重水(2D2O),五 中子与物质的作用,n,H,n,n,p,电离,2）中子核反应 例如(n,p)反应 n+14N 14C+p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用,n,p电离,14N,14C,人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害,1,2,电
22、离辐射 直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子(能量 keV)、x、n、p、裂变碎片 介子等 来 源 1)放射性物质(人造 天然）2)加速器3)反应堆 4)宇宙射线 5)地球环境,电离辐射和非电离辐射,非电离辐射 紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV 量级移动电话 800-1800 MHz 0.01 eV(没有电离作用）,1 原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量，既可造福人类，也可能对环境和人类产生危害。2 核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递 的过程；没有能量和动量传递就没有作用。3 通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会 对物体产生一系列的影响，人体也不例外。,小 结,
