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《核物理基础》
核物理基础与辐射防护
一、核物理基础一) 原子核结构与基本概念
原子结构示意图
卢瑟福模型
中性原子:Z=核内质子数、核电荷数、原子序数、核外电子数。
物质的性质如元素的化学、物理及光谱特性与核外电子有关。
1. 基态(gound state):
原子核处于最低能量状态。
2. 激发态(excited state):
原子核在核反应、核裂变、核衰变后处于的高能量状态,可表示为AmX,如99mTc(99m锝)。
3. 元素(element):
具有相同质子数的同类原子称为一种元素。化学性质相同,物理性质可以不同。如碘和磷元素:
碘:13153I 12753I 磷:3214P 3114P
4. 核素(nuclide):
具有相同质子数和中子数,并处在相同特定能量状态的原子。
12353I 12553I 12853I 12753I 13153I
它们属于一种元素、五种核素。
化学性质相同,物理性质不同。
5. 同位素(isotope):
相同质子数,但中子数不同,周期表上位置相同的元素互称同位素。
氢: 氕 11H 氘 21H 氚 31H
6. 同质异能素(nuclear isomer):
原子的质子、中子、电子数均相同,但处于不同能量状态的核素。
锝:9943Tc (基态) T1/2=21万年
锝:99m43Tc (激发态) T1/2=6.02 hr m 表示核素处于激发态。
二) 放射性衰变
1. 定义
1) 稳定性核素:原子核稳定,不会自发衰变的核素,stable nuclide。
2) 放射性核素(不稳定核素):原子核处于不稳定状态,需要通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素,radionuclide。 它们能自发地发出某种射线而转变为另一种核素。
3) 放射性衰变(核衰变) :放射性核素的原子自发地释放出一种或一种以上的射线并转变成另外一种原子的过程, radiation decay。其衰变类型与方式取决于原子核内的固有特征,与外界环境无关。
2. 放射性衰变类型
1) α衰变alpha decay
核子总数过多(Z 82)
AZX→A-4Z-2Y + 42He + Q
2) β衰 变 beta decay
β- 衰 变:
富中子核素的中子数过剩 ——中子转换为质子
AZX→AZ+1Y +β- + Ue + Q
β+ 衰 变:
贫中子(质子过剩)核素 —— 质子数转换为中子
AZX→AZ-1Y +β+ + Ue + Q
电子俘获electron capture(EC):贫中子核素从核外靠内层的电子轨道俘获一个轨道电子使核内质子转换为中子。
AZX + 0-1e→AZ-1Y + Ue + Q
3) γ衰变 gamma decay
处于激发态的原子核向低的激发态或基态跃迁时,将过剩能量以 γ光子形式发射。又称同质异能跃迁(或γ跃迁)。通常伴随α或β衰变一起发生。电子俘获有时也伴随γ射线。
AmZX→AZX + γ
3. 放射性衰变规律各种放射性核素的总放射性都随时间按指数规律衰减(随机和自发):
A=A0e-λt
各个核素的衰变速度不一,都有自己独特的半衰期。
1) 物理半衰期 physical half life(T1/2):
放射性强度衰减到原来一半所需的时间。
2) 生物半衰期biological half life(Tb):
体内核素由于生物体内代谢排出过程而减少一半所需要的时间。
3) 有效半衰期 effective half life(Teff):
由于放射性物理衰变和生物排除的双重综合作用,使核素在体内放射性强度减少一半所需的时间。1/Teff = 1/T1/2 + 1/Tb
4. 放射性强度/活度
放射性强度(A):一定量的放射性核素,在单位时间内发生衰变的原子核数称为放射性强度或放射性活度。
放射性强度(活度)单位: 贝可:表示每秒内发生核衰变次数(贝克勒尔)。 1Bq = 1/S Bq、KBq、MBq、GBq 。
居里: 1Ci = 3.7(1010 Bq Ci、mCi、μCi
1Bq=2.703(10-11 Ci
比放射性活度specific activity: 单位质量物质内含有的放射性活度称比活度,Bq/g或Bq/mol。
放射性浓度radioactive constant:单位体积溶液内含有的放射性活度称放射性浓度,Bq/L。
三) 电离辐
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