放射性核素的衰变规律

第三章放射性核素的衰变规律Radioactivedecay.目的熟悉各种衰变的特点掌握衰变规律与活度计算了解放射性平衡及放射系.内容α衰变β衰变γ衰变衰变规律放射性平衡放射系.引言放射性的发现：贝可勒尔与居里夫妇放射线的分类及本质放射性与放射性核素的概念自发的含义核衰变的概念与分类各种放射性核素通过衰变趋向β稳定线对各类衰变，要求熟悉其含义、方程、对象、能量和纲图.HenriBecquerel1852~1908,FranceFrenchphysicistwhodiscoveredradioactivitythroughhisinvestigationsofuraniumandothersubstances.In1903hesharedtheNobelPrizeforPhysicswithPierreandMarieCurie.MarieCuriebornNov.7,1867,Warsaw,Poland,RussianEmpirediedJuly4,1934,nearSallanches,FrancePolish-bornFrenchphysicistfamousforherworkonradioactivityandtwiceawinneroftheNobelPrize.WithHenriBecquerelandherhusband,PierreCurie,shewasawardedthe1903NobelPrizeforPhysics.Shewasthensolewinnerofthe1911NobelPrizeforChemistry.ShewasthefirstwomantowinaNobelPrize.PierreCuriebornMay15,1859,Paris,FrancediedApril19,1906,ParisFrenchphysicalchemistandcowinneroftheNobelPrizeforPhysicsin1903.Heandhiswife,MarieCurie,discoveredradiumandpoloniumintheirinvestigationofradioactivity..放射线的分类及本质.放射性(radioactivity)原子核自发放出α、β、γ等粒子的性质thespontaneousdisintegrationofatomicnuclei,withtheemissionofusu.penetratingradiationorparticles(Oxford)propertyexhibitedbycertaintypesofmatterofemittingenergyandsubatomicparticlesspontaneously.Itis,inessence,anattributeofindividualatomicnuclei.(EB)Note:amajorsourceofheatintheinteriorofboththeEarthandtheMoonisprovidedbyradioactivedecay.(EB).放射性核素(radionuclide)具有放射性的核素aradioactivenuclide(Oxford)aradioactivenuclide(Merriam-Webster)radioactiveisotope(radioisotope):anyofseveralspeciesofthesamechemicalelementwithdifferentmasseswhosenucleiareunstableanddissipateexcessenergybyspontaneouslyemittingradiationintheformofalpha,beta,andgammarays(EB).（核，放射性）衰变(decay,disintegration)原子核自发放出α、β、γ等粒子的过程(ofasubstanceetc.)undergochangebyradioactivity(Oxford)anyprocessinwhichanucleusemitsaparticleorparticlesordividesintosmallernuclei(Oxford)原子核自发的结构或能量转变过程.α衰变Alphadecay.α衰变的定义放射性原子核自发放出α粒子而变为另一种原子核的过程typeofradioactivedisintegrationinwhichsomeunstableatomicnucleidissipateexcessenergybyspontaneouslyejectinganalphaparticleα粒子的实质：高速运动的氦原子核.α衰变的方程或：例：注：衰变过程满足质量数守恒、电荷守恒、能量守恒以及动量守恒.α衰变的衰变能和衰变条件衰变能：衰变条件：即：只有比较重(A>140)的原子核才可能发生α衰变.α衰变的对象丰质子的核素.α衰变的动能分配α粒子的动能远大于子核的反冲动能或：衰变能绝大部分被α粒子带走原子核的基态与激发态α粒子的能谱是分立的线状谱短射程α粒子与长射程α粒子.讨论和提问（1~3分钟）.α衰变的纲图(decayscheme).一个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 从Ra-226的衰变纲图看，只有α和γ粒子的发射，为何在发自镭源的射线（图3-1）中显示有β粒子的发射？.β衰变betadecay.β衰变的定义β-衰变、β+衰变和电子俘获(EC)的统称同量异位跃迁(isobarictransition)anyofthreeprocessesofradioactivedisintegrationbywhichsomeunstableatomicnucleispontaneouslydissipateexcessenergyandundergoachangeofoneunitofpositivechargewithoutanychangeinmassnumber.Thethreeprocessesareelectronemission,positron(positiveelectron)emission,andelectroncapture..β-衰变(negativebetadecay)放射性原子核自发放出β-粒子，变为原子序数加1而质量数相同的核素的过程β-粒子的实质：高速运动的电子.β-粒子能谱之谜.β-粒子能谱之谜β-粒子能谱是连续谱泡利中微子假说费米弱相互作用理论.β-衰变的方程例：实质：.β-衰变的衰变能和衰变条件衰变能：衰变条件：即：当母核的原子质量大于子核的原子质量时才能发生β-衰变.β-衰变的对象丰中子的核素:3H,14C.β-衰变能的分配绝大部分衰变能被β-粒子和反中微子带走，子核带走的反冲动能微不足道β-粒子的最大能量(Em)等于衰变能β-粒子的平均能量约为衰变能的1/3，而反中微子的平均能量约为衰变能的2/3.β-衰变的纲图.讨论和提问（1~3分钟）.β+衰变放射性原子核自发放出β+粒子，变为原子序数减1而质量数相同的核素的过程β+粒子的实质：高速运动的正电子发生β+衰变的核素基本是人工放射性核素.β+衰变的方程例：实质：.β+衰变的衰变能和衰变条件衰变能：衰变条件：即：只有母核与子核的原子质量之差大于两个电子的静止质量才可能发生β+衰变.β+衰变的对象丰质子的核素:11C,15O.β+衰变的能量β+粒子的能谱与β-粒子的能谱相似.β+衰变的纲图.β+粒子的命运正电子湮没(annihilation)当β+粒子的能量耗尽时，旋即与物质中的电子结合而转化为电磁辐射的过程湮没辐射(annihilationradiation)正电子湮没时产生的电磁辐射：能量均为0.511MeV，反向发射的两个光子.讨论和提问（1~3分钟）.电子俘获原子核俘获轨道电子的衰变过程K俘获原子核俘获K层电子的衰变过程注：俘获K层电子比俘获其他壳层电子的概率都大.电子俘获的方程例：实质：.电子俘获的条件即：只有母核与子核的原子质量之差大于壳层电子的结合能（相应的质量）才能发生电子俘获从能量条件看，能发生β+衰变的，也能发生电子俘获，反之则不尽然.电子俘获的对象丰质子的核素.电子俘获的能量子核与中微子的能量都是单一的（杨福家引述王淦昌探测中微子的思想）7Li的反冲能为56eV（7Be的衰变能等于0.86MeV）.电子俘获的继发过程子核的原子伴随特征X射线或俄歇电子的发射特征X射线或俄歇电子的能量都是单一的间接证实电子俘获存在的方法或途径：观察原子特征X射线或俄歇电子的发射.电子俘获的衰变纲图.β衰变小结β衰变都是同量异位素之间的跃迁β衰变包括β-衰变、β+衰变和电子俘获(EC)发生β-衰变的是丰中子的核素，而发生β+衰变和电子俘获(EC)的是丰质子的核素有些放射性核素能同时发生三种β衰变.能同时发生三种β衰变的放射性核素.讨论和提问（1~3分钟）.γ衰变Gammadecay.GammadecaytypeofradioactivityinwhichsomeunstableatomicnucleidissipateexcessenergybyaspontaneouselectromagneticprocessInthemostcommonformofgammadecay,knownasgammaemission,gammarays(photons,orpacketsofelectromagneticenergy,ofextremelyshortwavelength)areradiatedGammadecayalsoincludestwootherelectromagneticprocesses,internalconversionandinternalpairproduction.γ发射(gammaemission)放射性原子核自发放出γ粒子的过程γ粒子的本质：光子，电磁波或电磁辐射.γ发射的方程例：.内转换(internalconversion,IC)激发态原子核将多余的能量直接传给核外电子，使其脱离核的束缚而成为自由电子的过程被发射的核外电子称为内转换电子Note:Noneutrinosareinvolvedininternalconversion(NuclearRadiationPhysics).内转换电子的能量内转换电子的能量是单一的，分立的，不连续的内转换电子的能谱是线状谱.内转换能谱.内转换的继发过程与电子俘获(EC)一样，内转换(IC)也会继发特征X射线或俄歇电子.内转换系数发生γ衰变时，发射内转换电子与γ光子的概率之比（内转换电子数与γ光子数之比）一般说来，重核低激发态的跃迁，发生内转换的概率较大.电子对内转换(internalpairproduction)激发态原子核直接发射一对正、负电子而回到基态的过程正、负电子的动能之和条件：激发能大于1.02MeV.其他放射性自发裂变(spontaneousfission,SF)重原子核自发分裂成两个较轻的核，并同时释放2到3个中子的过程Mostoftheheavyatomshavinganunevennumberofneutronsarefissionableandarealsoradioactive(RadiationandHealth).讨论和提问（1~3分钟）.衰变规律Decaylaw.放射性核素的衰变规律单一核素的衰变规律递次衰变规律.单一核素的衰变规律指数衰减规律衰变常量半衰期平均寿命放射性活度多分支衰变情形生物半排期和有效半衰期比活度与放射性浓度.单一核素的衰变规律.指数衰减规律实验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，任何放射性物质在单独存在时都服从这样的规律式中的λ是一个常量，称为衰变常量.衰变常量(decayconstant)物理意义：单位时间内每个原子核的衰变概率.半衰期(half-life)放射性原子核的数目衰减至原来一半所需的时间.平均寿命(meanlifetime)放射性原子核的平均生存时间.放射性核素的特征量衰变常量λ、半衰期T1/2和平均寿命τ，都可以作为放射性核素的特征量大量实验表明，衰变常量λ几乎与外界条件（温度、压力、磁场等）没有任何关系.放射性活度(activity)放射源在单位时间内发生衰变的原子核数，或放射性核素的衰变率.放射性活度的单位国际制单位：贝可(Bq)1Bq=1s-1表示每秒钟有一次核衰变惯用单位：居里(Ci)1Ci=3.7×1010Bq常用单位：kBq,MBq,GBq;mCi,μCi.放射性活度的计算（1）1gRa-226(1602a)的活度（以Bq为单位）1BqC-14(5730y)的原子数和质量.讨论和提问（1~3分钟）.Exercise:Carbon-14datingSomearcheologistsfoundapieceofwoodwhichtheyassumedcouldbefromaVikingship.InordertofindoutmoreaboutthishypothesistheydecidedtodeterminetheageofthepieceofwoodbyC-14analysis.AlllivingorganicmaterialscontainC-14ataconcentrationof15.4dpmpergramofpurecarbon.Thepiecefoundbythearcheologistsweighed2gram.Theactivitywas11.8dpm.Thecarboncontentofthewoodwas44%.Howoldwasthepieceofwood?.Exercise:CesiumfromChernobylThemostimportantisotopereleasedintheChernobylaccidentwasCs-137,withahalf-lifeof30years.Theamountreleasedintheaccidentwasgivenas85,000TBq.WhatistheweightoftheCs-137releasedintheaccident?.Exercise:AscenariowithpollutionbyisotopesInaresearchlaboratory,workisgoingonwiththeradioactiveisotopeNa-24.Onedayanaccidentoccurredresultingincontaminationofthelaboratory.Theradiationauthoritiesfoundthattheactivitywas100timesthatacceptable.Theydecidedtoclosethelaboratoryuntiltheactivityreachedanacceptablelevel.Na-24hasahalf-lifeof15hours.Forhowlongatimemustthelaboratorybeclosed?.多分支衰变情形总衰变常量部分放射性活度注意：部分放射性活度随时间按而非衰减总放射性活度.生物半排期和有效半衰期生物半排期(biologicalhalflife,Tb)生物体内的放射性核素经各种代谢途径从体内排出一半所需的时间有效半衰期(effectivehalflife,Te)生物体内的放射性核素经物理衰变和生物代谢二者共同作用，使体内放射性减少一半所需的时间.生物半排期和有效半衰期.Exercise:Biologicalhalf-lifeforK-40inhumansThelargestnaturalcontributiontointernalradiationdoseisduetoK-40.ThelevelofK-40isratherconstanteventhoughitvarieswithageandsex.Inthisexercise,weassumethatthetotalbodycontainsaconstantlevelof5000Bq(about70Bq/kg).Furthermore,weassumethatthedailyconsumptionofpotassiumisapproximately2.5gram.Since0.0118%ofthepotassiumconsistsoftheradioactiveisotopeK-40,youcancalculatethateachdayyoueatabout76BqofK-40.1.Carryoutthiscalculation.2.Calculatethebiologicalhalf-lifeforK-40ifyoueat76Bqperdayandthelevelinyourbodyisconstantat5,000Bq.Physicalhalf-lifeforK-40is1.27billionyears..比活度与放射性浓度比活度(specificactivity)单位质量放射源的放射性活度注：本征比活度放射性浓度单位体积放射源的放射性活度放射性活度与放射性强度.讨论和提问（1~3分钟）.递次衰变规律递次衰变母核的衰变规律第一代子核的衰变规律贝特曼公式.递次衰变(serialdecay)一代接一代的连续衰变过程，即例如：.母核的衰变规律母核的数目随时间的变化规律有：母核的活度：.第一代子核的衰变规律第一代子核的数目随时间的变化规律有：第一代子核的活度：.贝特曼公式第n代子核的数目随时间的变化规律有：式中：.放射性平衡Radioactiveequilibrium.放射性平衡研究对象：（第一代）子核与母核的数目及活度关系长期平衡暂时平衡不成平衡.长期平衡(secularequilibrium)条件：结果：例如：68Ge(280d)→68Ga(68m)对递次衰变系列(T1»Ti,i=2,3,···)，有：.长期平衡.讨论和提问（1~3分钟）.暂时平衡(transientequilibrium)条件：结果：例如：99Mo(66.0h)→99mTc(6.0h).暂时平衡.子体的极值问题子体的活度达到最大值的时间.不成平衡条件：结果：例如：“冷却”反应堆裂变产物.不成平衡.子体的极值问题子体的活度达到最大值的时间.放射平衡小结三种平衡的共同点在于：达到平衡后，衰变规律随半衰期较长的核素长期平衡与暂时平衡：平衡后，子核按母核的半衰期（较长）衰变不成平衡：平衡后，母核消失，子核按自身的半衰期（较长）衰变.放射系Radioactiveseries.放射系递次衰变系列的统称三个天然放射系：铀系，钍系和锕系一个人工放射系：镎系.铀系(uraniumseries).钍系(thoriumseries).锕系(actiniumseries).镎系(neptuniumseries).Theneptuniumseries,(4n+1)The(4n+1)seriesisuniqueinthatitcontainsnogaseousmember.Bothastatine(85)andfrancium(87),longmissingfromtheperiodictable,aremembersofthisseries.Again,branchingoccursatabismuthisotope,inthiscase213Bi.Theseriesterminateswithanisotopeofbismuthinsteadofatlead,asisthecasefortheotherthreeseries.Itshouldbenotedthattheterminationoftheneptuniumseriesisat209Bi,whichhasamagicneutronnumber126..放射系小结放射系起点核素终点核素衰变方式气体核素ΔZΔA铀(4n+2)238U(4.51×109a)206Pb8α+6β222Rn(3.82d)1032钍(4n)232Th(1.4×1010a)208Pb6α+4β220Rn(55.6s)824锕(4n+3)235U(7.1×108a)207Pb7α+4β219Rn(3.96s)1028镎(4n+1)237Np(2.14×106a)209Bi7α+4β无1028.讨论和提问（1~3分钟）.小结核辐射的来源：放射性衰变−衰变能来自原子核的质量亏损，体现了能量最低原理−衰变类型：α，β，γ放射性衰变的规律：指数衰减−放射源的活度与原子核数成正比，与半衰期成反比−放射源的活度随时间按指数规律衰减.思考题课后习题：4，9，10，11，12，16(U-234)三种常见放射性衰变的含义、方程（举例）、对象、粒子能谱和衰变纲图（会看）单一放射性核素的衰变规律及相关概念放射性活度的单位和计算各种放射性平衡的条件和举例放射系释放的气体核素.EvaluationofAvogadro’snumberBycountingtheflashesoflightproducedbyalphaparticleswhentheystrikeascreencoatedwithzincsulfide,SirWilliamRamsayandProfessorFrederickSoddyfoundthat1gofradiumgivesoff13.8×1010alphaparticles(nucleiofheliumatoms)persecond.Theyalsomeasuredtheamountofheliumgasproducedinthisway,finding0.158cm3(at0oCand1atm)peryearpergramofradium.Atthistemperatureandpressure1lofheliumweighs0.179g.Avogadro’snumberofheliumatomsweighs4.003g(theatomicmassofheliumis4.003).FromthesedatacalculateanapproximatevalueofAvogadro’snumber.(ChemistrybyL.Pauling&P.Pauling,p.106).参考文献卢希庭主编，原子核物理杨福家主编，原子核物理LappandAndrews,NuclearRadiationPhysicsEB(EncyclopediaBritannica)Saha,PhysicsandRadiobiologyofNuclearMedicine..谢谢大家！感谢您的观看！.