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重庆医科大学 彭志平 川北医学院附属医院 谢建平

第一章 核物理. 重庆医科大学 彭志平 川北医学院附属医院 谢建平. +. +. +. 第一节 原子核结构. 原子核. 中子. 质子. 电子. 原子结构. 原子核结构 : X 为元素符号 Z 为质子数 N 为中子数 A 为质量数. 原子核结构. 原子的能量状态：核外电子和原子核的能级. 元素、核素、同位素. 元素 —— 具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数可以不同，如 131 I 和 127 I ；

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Presentation Transcript

  1. 第一章核物理 重庆医科大学 彭志平 川北医学院附属医院 谢建平

  2. + + + 第一节 原子核结构 原子核 中子 质子 电子 原子结构

  3. 原子核结构: • X为元素符号 • Z为质子数 • N为中子数 • A为质量数 原子核结构

  4. 原子的能量状态：核外电子和原子核的能级

  5. 元素、核素、同位素 • 元素——具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数可以不同，如131I和127I； • 核素——质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原子，称为一种核素。同一元素可有多种核素，如131I、127I、3H、99mTc、99Tc分别为3种元素的5种核素； • 同质异能素——质子数和中子数都相同，但处于不同的核能状态原子，如99mTc、99Tc 。

  6. 4 • 同位素——凡同一元素的不同核素（质子数同，中子数不同）在周期表上处于相同位置，互称为该元素的同位素。

  7. 第二节 放射性衰变 一、核力和放射性核素 原子核的核子之间存在着很强的短程引力称为核力，核力使原子核中的核子结合在一起，同时，原子核中又存在带正电荷的质子之间的静电排斥力，原子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间的静电排斥力的相对大小决定，与核内质子数和中子数的比例有关。 Z<20 Z/N=1 Stability Z>20 N/Z>1 Stability Z>83 Unstability

  8. 原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素(stable nuclide); • 原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素称为放射性核素(radionuclide); • 放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为放射性衰变(radiation decay)。

  9. + + + + + + + + + 二、基本衰变类型 1. 衰变 238U → 234Th + 4He + Q 粒子得到大部分衰变能， 粒子含2个质子，2个中子 238U(铀)4He + 234Th(钍) 从母核中射出的4He原子核 放射性母核

  10. 衰变：241Am(镅) 237Np(镎)+4He

  11. 2. 衰变 • β-衰变：3215P → 3216S + - + Ue + 1.71MeV • 正电子衰变：137N → 136C + + + υ + 1.190MeV β射线本质是高速运动的电子流 发生原因——母核中子或质子过多

  12. -衰变：3H 3He+ -

  13. -衰变

  14. 正电子衰变：11C 11B+ +

  15. 中微子 + + + + + + + + + + － 反中微子 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 三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能谱

  16. 3. 电子俘获（electron capture） 质子变成中子 X射线 核外轨道电子

  17. 电子俘获：7Be(铍) 7Li(锂)

  18. + + + 光子 + + + + + + － 中微子 4. 衰变 • γ衰变往往是继发于α衰变或β衰变后发生，这些衰变后，原子核还处于较高能量状态，原子核以放出γ-ray 释放出过剩能量 • 99Mo → 99mTc + - → 99Tc + γ (T1/2: ①66.02d; ②6.02h) • 131I → 131Xe + -+γ (T1/2:8.04d)

  19. 衰变：99mTc 99Tc

  20. 射线是什麽？ 射线就是高能量的光子：几百keV-MeV 量级 衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃迁，在这个过程中发射射线，原子核能态降低。 射线是高能量的电磁辐射——光子

  21. 衰变特点： 从原子核中发射出光子 常常在或衰变后核子从激发态退激时发生 产生的射线能量离散 可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别

  22. α衰变 β-衰变 衰变 β+衰变

  23. 三、放射性衰变基本规律 • 对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰变，但不是所有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。放射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，各种放射性核素都有自己特有的衰变速度。放射性核素原子随时间而呈指数规律减少，其表达式为：N=N0e-λt λ: decay constant t: decay time e:base of natural logarithm

  24. 衰变规律 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；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 半衰期(half-live)：放射性原子核数从N0衰变到N0的1/2所需的时间 N = N0e-t

  25. 放射性活度（activity, A) • 定义：单位时间内发生衰变的原子核数 A=dN/dt • 1Bq=1次 × S-1 • 1Ci=3.7×1010 Bq • 1Ci=1000mCi • 定义：单位质量或体积中放射性核素的放射性活度。 • 单位： Bq/kg; Bq/m3; Bq/l • 比放射性活度： • 仪器测量常用放射性活度单位： • dps: disintegration per second • cps: counts per second

  26. 第三节 射线与物质的相互作用 物质：气体、液体、固体、包括人体等 。。。。。。 。。。。。。 。。。。。。 。。。原子。。。 射线 ( βγ n)

  27. Interactions of charged particles with matter (α,β) Ionization 电离 Excitation 激发 Scattering 散射 Bremsstrahlung 轫制辐射 • Interactions of -ray with matter Photoelectric effect 光电效应 Compton scattering 康普顿散射 Pair production 电子对生成

  28. 1.带电粒子与物质相互作用

  29. 2. 射线与物质相互作用 第1步 初级作用 射线 第2步 次级作用 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

  30. 光电效应、康普顿效应、电子对生成

  31. 自由电子 原子 • 光电效应 受激原子 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。 γ + A  A* + e-（光电子） 原子 A + X射线

  32. 电子对效应： 能量≥1.02MeV的射线与原子核作用可能产生一对正负电子。 能量转化成质量 M = E /C2 M ＋  → M + e+ + e- →1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV 基本条件： 射线能量 E≥1.02 MeV 为什麽？

  33. γ 正电子湮灭： 正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。 γ e+ + e- →+ me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 （100%）

  34. 电子对的生成和与物质的相互作用

  35. 谢 谢

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