核科学基础知识
核科学基础知识概述核科学是研究原子核的结构、特性和相互作用的科学。
普通物质的质量几乎全部都集中在原子核。
了解核物质在常态和极端状态下的表现非常不易。
极端状态存在于早期的宇宙中、存在于当今星球的内核，也可在实验室中通过原子核的相互碰撞实现。
核子科学家藉由测量静止时和碰撞状态下核子的性能、形状和衰退来进行研究。
他们要解决的问题有：核子为什么停留在核心中？质子与中子有哪些可能的组合方式？当核被挤压的时候什么发生？地球上的核子起源于何外？核子科学家使用以下方法进行理论和实验研究：高能粒子加速器、创新的检测仪器和最前沿的计算设备。
原子在20 世纪早期，已经有极具说服力的证据表明物质可以由原子理论加以描述，也就是说，物质是由一些种类不多的、我们称为原子的建筑模块组成。
这一理论为当时已知的化学反应提供了一致的、统一的解释。
然而，这个原子理论无法解释一些神秘现象。
1896 年，A.H.Becquerel （贝克勒尔）发现了具有穿透力的放射线。
在1897 年，J.J.Thomson （汤姆逊）指出电子带有负电荷，并且来自于普通物质之中。
物质要呈电中性，必定在某处有正电荷潜藏。
那么正电荷究竟在哪里，被什么携带呢？1911 年出现了一次里程碑的突破。
当时，Ernest Rutherford （卢瑟福）和他的同事想要通过实验找到一束阿尔法粒子（氦核）的穿过薄的金箔后的散射角度。
原子的模型在Rutherford 模型中，原子中心的点是原子核。
核的大小被扩大以使在图像中可以看到。
Rutherford 实验的预期结果本来是什么？它取决于原子的组织结构。
当时流行的Thomson 模型（或称为”葡萄干—布丁”原子）认为带负电荷的电子（葡萄干）与四处填满的、带正电荷的质子（布丁）混合在一起。
这个模型能够解释海量物质的电中性，而且能够解释电荷的流动。
按照这一模型，一个阿尔法粒子发生散射时，散射角几乎不可能大于零点几度，而绝大部分几乎不会发生散射。
Rutherford 实验的结果是令人惊讶的：绝大多数的阿尔法粒子正如所期望的那样，几乎不会散射。
但也有阿尔法粒子发生了大于90 度的散射，这对“葡萄干布丁”模型来说是不可思议的。
主要就是由于这一类型的实验，导致了原子有一个核心的模型的提出。
与Rutherford 试验唯一兼容的模型是：一个很小的位于中心的核（原子核）带有正电荷，并具有原子质量的绝大多数，而原子的绝大多数体积却是由绕原子核转动的、分散的电子占据。
按照经典电磁理论，一个以圆形轨迹运行的电荷会丢失能量。
在Rutherford 模型，电子绕原子核的运行类似于行星绕太阳运行。
然而，在这一模型下，没有任何东西阻止电子由于丢失能量而在库伦引力的作用下坠入原子核。
这一稳定性的问题在1913 年被Niels Bohr 用一个新模型解决。
这个模型中电子以特定的轨道绕核旋转，而不会因为丢失能量以螺旋轨道坠入核子里。
这个模型是量子力学的开始，量子力学成功地揭示了原子的许多特性。
Bohr 的原子模型能够很方便地解释氢原子能级。
原子核原子核是由核子构成，核子有质子和中子。
质子和中子由夸克组成，并被夸克之间胶子交换而产生的强作用力结合在一起。
在由多个核子构成的原子核中，强作用力可以用介子（由夸克- 反夸克粒子对组成）交换来描述。
一个质子由两个上夸克和一个下夸克及寿命很短的强作用域组成。
中子与质子相似，但它有两个下夸克和一个上夸克。
虽然科学家确信核子由夸克组成，但还从未在实验中成功分离出一个单一夸克。
往核子内部加入能量以图分离夸克将增加它们之间的结合力。
而在能量足够高时，能源的增加将产生新的粒子而非释放夸克。
放射能如果原子核内中子和质子以一种不稳定的方式组合，那么原子就具有放射性。
对于质子数（Z ）小的原子，维持原子稳定所需的中子数（N ）大约与质子数相等。
举例来说，在绝大多数碳原子的原子核中，有6 个质子和 6 个中子。
对质子数多的原子核，质子之间的排斥电荷力致使需要更多的中子才能构成稳定的原子核，一个稳定的铅原子核中包括126 个中子和82 个质子。
一个放射性的原子，在质子数量和中子数量之间缺乏适当的平衡，就会经过放射性的衰变而达到一个较稳定的组合。
这种衰变在时间上是随机发生的，但是大量放射性材料可预期寿命。
常见的衰变产物依希腊字母的前三个来命名- 阿尔法( a ), 贝塔( b ), 和伽玛( g ) 。
在阿尔法衰退方面，一个氦核从一个原子核分裂出来。
阿尔法放射使原子核减少两个质子数字和两个中子数。
贝塔衰变可以如下任何一种方式进行：发射一个电子和一个反中微子，或者发射它们的反粒子，即正电子和中微子。
贝塔衰变将原子核中的一个质子变成中子，或将一个中子变成一个质子，从而改变原子核中的质子、中子数量。
反贝塔衰变过程中原子核则获得一个电子。
在gamma 衰变中，一个高能光子离开核子，从而原子核形成更稳定的、低能结构。
一个大原子核自然分裂生成小质量原子核也是放射的一种形式。
阿尔法衰变阿尔法粒子衰变在图中所示的阿尔法衰变中，原子核发出一个 4 He 核，即一个阿尔法粒子。
在质子/ 中子比数太大的重原子核中，最常发生阿尔法衰变。
一个阿尔法质子带两个质子和两个中子，是一个非常稳定的粒子结构。
阿尔法放射减小母核中的质子中子比率，使其成为一个比较稳定的结构。
许多比铅重的原子都按这一方式衰变。
以210 Po 的阿尔法衰变为例：反应式可以写成210 Po ? 206 Pb + 4 He 。
Po 原子核有84 个质子和126 个中子。
质子数对中子数的比率是Z / N = 84/126 ，即0.667 。
一个Pb 核子有82 个质子和124 个中子，质子数对中子数的比是82/124, 即0.661 。
质子数对中子数比率的这一小小改变，已足以使原子核处于较稳定的状态，并且如下图所示，使得子核（衰变产物）位于核素图中稳定的区域。
在阿尔法衰变中，原子序数发生改变，因此，最初的（或母）原子和子原子（衰变产物）是不同的元素，具有不同的化学性质。
核素图上端原子发生阿尔法衰变时，结合能转变为阿尔法粒子和子核的动能。
由于能量必须在这两种粒子之间分享，并且阿尔法粒子和子核一定有等量且方向相反的动量，所以衰变之后的阿尔法粒子和反冲的子核将会有明确的能量。
因为阿尔法粒子质量较小，大部分动能都传给了它。
Beta 衰变Beta 粒子是电子或正电子（带正电荷的电子，或称反电子）。
一个原子核如果带有太多质子或中子，而其中的一个质子变成了中子，或一个中子变成了质子时，就发生了Beta 衰变发生。
beta 负衰变时，一个中子变成一个质子，一个电子和一个反中微子：n ? p + e - + 。
Beta 正衰变时，一个质子变成一个中子，一个正电子和一个中微子：p ? n + e+ + n 。
两种反应都可以发生，因为在核素图的不同区域，这两种反应之一将会使衰变产物移到稳定的区域。
按照守恒定律，就会发生某一种反应。
按照电荷守恒定律，一个电中性的中子变成一个质子时，必须生成一个负电荷的粒子（此时为电子）。
与此相似，按照轻子数守恒定律，一个中子（轻子数为0 ）衰变成一个质子（轻子数为0 ）和一个电子（轻子数为-1 ）时，必须生成一个轻子数为-1 的粒子（此时为反中微子）。
Beta 衰变发射出的轻粒子在衰变之前并不存在于原子核中，它们是在衰变那一刻生成的。
我们已知，一个隔离的质子，即一个氢核，不论带不带电子，不发生衰变。
然而在一个原子核里，Beta 衰变过程可以将一个质子变成一个中子。
一个隔离中的中子是不稳定的，而且将会以10.5 分钟的半衰期衰变。
原子核内的一个中子，如果能够使原子核生成一个更稳定的核，将会衰变；半衰期依同位素不同而异。
原子核中的一个质子，如果能够使原子核生成一个更稳定的核，则可从原子捕获一个电子（电子抓取），和生成一个中子和一个中微子。
质子衰变、中子衰、电子捕获是质子中子互相转变的三种方法。
在每种衰变中都发生了原子序数的改变，因此母原子和子原子是不同元素。
在所有三个过程中，核子的A 值保持不变，而质子数和中子数增加或减少1 。
Beta 衰变时，结合能转变为beta 粒子的质量能和动能、中微子的能量、和子核反冲的动能。
一个特定的衰变发出的beta 粒子的能量可能是某范围中的任意值，因为三种粒子可以以多种方式分享能量，而仍然服从能量和动量守恒定律。
Gamma 衰变在上图描述的gamma 衰变中，一个原子核放射出电磁幅射（光子），从而由较高的能级变为较低的能级。
原子核内的质子（和中子）的数目在这一过程中不改变，因此母原子和子原子是相同的化学元素。
gamma 衰变中，发射出的光子和反冲的原子核各有确定的能量，特征能量只在二种粒子之间分享。
放射能的单位一个放射性样品每秒种衰减的次数，或称活度，以放射强度(Bq) 为单位表示。
该单位以Henri Becquerel （核物理学家）命名。
1Bq= 每秒衰减1 次。
一个较旧的单位是居里，以Pierre 和玛莉. 居里命名。
一个居里大约相当于 1 克镭的活度，恰好等于 3.7 x 10 10 Bq 。
活度仅和每秒钟的衰减次数有关，而与衰减类型、衰减产物的能量和放射线的生物效果无关。
放射性核元素的基础知识
放射性（radioactive ）： 原子核自发地放射出、、等各种射线的现象，称放射性。 射线：氦原子核粒子流，贯穿能力很弱。 射线：高速电子流，贯穿能力较强。 射线：波长很短的电磁波，贯穿能力更强。 X射线（英语：X-ray），又被称为艾克斯射线、伦琴射线或X射线，是一种波 长范围在0.01纳米到10纳米之间（对应频率范围30 PHz到30EHz）的电磁辐
射形式。X射线也是游离辐射等这一类对人体有危害的射线。X射线波长范
围在较短处与伽马射线较长处重叠。人工。
• 1895年11月8日德国科学家伦琴开始进行阴极射线的研究。1895年12月28 日他完成了初步的实验报告“一种新的射线”。他把这项成果发布在维尔 茨堡's Physical-Medical Society 杂志上。为了表明这是一种新的射线， 伦琴采用表示未知数的X来命名。很多科学家主张命名为伦琴射线，伦琴 自己坚决反对。1901年伦琴获得诺贝尔物理学奖。
• 1895年爱迪生研究了材料在X光照射下发出荧光的能力，发现钨酸钙最为 明显。1896年3月爱迪生发明了荧光观察管，后来被用于医用X光的检验。 然而1903年爱迪生终止了自己对X光的研究，因为他公司的一名玻璃工人 喜欢将X光管放在手上检验，得上了癌症，尽管进行了截肢手术仍然没能 挽回生命。1906年物理学家贝克勒耳发现X射线能够被气体散射，并且每 一种元素有其特征X谱线。他因此获得了1917年诺贝尔物理学奖。
• 4年中，不论寒冬还是酷暑，繁重的劳动，毒烟的熏烤，他们从不叫苦。 对科学事业的执着追求使艰辛的工作变成了生活的真正乐趣，百折不挠的 毅力使他们终于在1902年，即发现镭后的第45个月，从7吨沥青铀矿的炼 渣中提炼出0．12克的纯净的氯化镭，并测得镭的原子量为225。镭元素 是存在的，那些持怀疑态度的科学家不得不在事实面前低下头。这么一点 点镭盐，这一简单的数字，凝聚了居里夫妇多少辛勤劳动的心血！夜间， 当他们来到棚屋，不开灯而欣赏那闪烁着荧光的氯化镭时，他们完全沉醉 在幸福而又神奇的幻境中。每当居里夫人回忆起这段生活，都认为这是 “过着他们夫妇一生中最有意义的年代”。而他们也都痛并快乐着！但让 居里夫人感到意想不到的事发生了。丈夫皮埃尔出了车祸，这对居里夫人 无疑是一个沉重的打击。
核物理基础知识
核基础知识：一、电磁辐射（Electromagnetic Radiation）电磁辐射：带净电荷的粒子被加速时，所发出的辐射称为电磁辐射（又称为电磁波）。
电磁辐射：能量以电磁波形式从辐射源发射到空间的现象。
电磁频谱中射频部分是指：频率约由3千赫(KHZ)至300吉赫(GHZ)的辐射。
包括形形色色的电磁辐射，从极低频的电磁辐射至极高频的电磁辐射。
两者之间还有无线电波、微波、红外线、可见光和紫外光等。
电磁辐射有近区场和远区场之分，它是按一个波长的距离来划分的。
近区场的电磁场强度远大于远区场，因此是监测和防护的重点。
电磁污染：分为天然电磁辐射和人为电磁辐射两种。
大自然引起的如雷、电一类的电磁辐射属于天然电磁辐射类，而人为电磁辐射污染则主要包括脉冲放电、工频交变磁场、微波、射频电磁辐射等。
电磁辐射危害人体的机理，电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和累积效应等。
1、热效应：人体70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到体内器官的正常工作。
2、非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏，人体也会遭受损伤。
3、累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前，再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态，危及生命。
电磁辐射作用:（1）医学应用：微波理疗活血，治疗肿瘤等（2）传递信息：通信、广播、电视等（3）目标探测：雷达、导航、遥感等（4）感应加热：电磁炉、高频淬火、高频熔炼、高频焊接、高频切割等（5）介质加热：微波炉、微波干燥机、塑料热合机等（6）军事应用：电子战、电磁武器等《电磁辐射防护规定》具体标准如下：职业照射：在每天8小时工作期间内，任意连续6分钟按全身平均的比吸收率（SAR）小于0.1W/kg。
公众照射：在一天24小时内，任意连续6分钟按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.02W/kg。
核知识点总结
核知识点总结核能是一种强大而又神秘的能量形式，它具有巨大的潜力，但同时也伴随着安全和环境问题。
了解核能的基本知识点非常重要，可以帮助我们更好地理解这一能源形式的利与弊，以及如何更好地利用和管理核能资源。
在本文中，我们将总结核知识点，帮助读者更好地了解核能的基本概念和相关信息。
一、核能的基本概念1. 核能的定义：核能是指原子核内部的能量，它来源于原子核内部的核反应。
在核反应中，原子核发生变化，释放出巨大的能量，这种能量就称为核能。
2. 核能的来源：核能的主要来源是核裂变和核聚变。
核裂变是指重原子核分裂成两个或更多的轻原子核的过程，核聚变是指轻原子核相互结合成较重的原子核的过程。
这两种过程均释放出大量的能量。
3. 核能的利用：核能可以用于发电、医疗、军事和工业等多个领域。
其中，核能发电是最为常见和广泛的应用，能够为人类提供大量的清洁、高效的能源。
4. 核能的特点：核能具有高能密度、可再生、低碳排放等特点，是一种重要的替代能源形式。
但同时，核能也伴随着辐射和核废料处理等问题，需要严格控制和管理。
二、核裂变和核聚变的基本原理1. 核裂变的原理：核裂变是指重原子核吸收中子后发生裂变，释放出大量的能量。
裂变过程中，通常会释放出2-3个中子，并伴随着大量的能量释放。
核裂变可发生在铀、钍等重元素的原子核中。
2. 核聚变的原理：核聚变是指轻原子核相互融合成较重的原子核，同时释放出大量的能量。
核聚变通常会释放出中子和带正电的粒子，并伴随着巨大的能量释放。
核聚变可发生在氢、氦等轻元素的原子核中。
3. 核裂变和核聚变的区别：核裂变是重原子核的裂变，核聚变是轻原子核的融合。
核裂变释放的能量比较大，但产生的放射性废料也较多；核聚变的能量更为巨大，但是核聚变目前的实现还存在技术难题。
三、核能发电的基本原理1. 核能发电的原理：核能发电是利用核反应中释放的能量来驱动发电机产生电力。
一般来说，核能发电通常采用核裂变方式，通过核反应产生高温和高压的蒸汽，然后驱动涡轮机转动，最终产生电力。
1-核科学概论基础知识
α衰变
238 92
U Th He
234 90 4 2
β衰变
3 1
H He
3 2
γ衰变核素不会变化，只改变原子核内部状态。 γ射线与X射线相似，它是一种波长更短，能量 更高的电磁波。
29
核科学与技术概论
放射性同位素的半衰期
放射性同位素通过发射各种射线使原子 核发生转变（衰变），这种过程的快慢 用衰变的半衰期表示。 放射性同位素的原子核数目衰减为初始 值一半时所需要的时间，为半衰期。
34
核科学与技术概论
原子能的释放
一个铀-235原子核受一个中子轰击后能 分裂为两块碎片（中等质量的原子核）， 同时放出2～3个中子和大量的能量，放 出的能量比化学反应中释放出的能量大 得多，这就是核裂变能，也就是我们所 说的核能。
35
核科学与技术概论
原子能的释放
1 0Байду номын сангаас
n U Kr Ba 2 n E
到2003年底，全世界核电总装机容量达 到3.6亿千瓦，发电量占总发电量的 16~17％; 80年代以后基本保持原来水平; 美国核电已占全国发电量的22%; 法国核电已占全国发电量的78%。
16
核科学与技术概论
中国核电发展
2003 年 核 电 发 电 量 占 全 国 总 发 电 量 的 2.2%。 目前核电装机容量913万千瓦，仅占全国 发电装机总容量的2％左右。
教学目的
了解核领域 建立初步概念 热爱本专业
10
核科学与技术概论
3. 课程参考资料
核物理实验基础知识
核物理实验基础知识许景周核能的开发应用，是二十世纪人类取得的最伟大的科学成就之一。
核武器的出现和核能的应用大大地改变了世界的面貌。
原子核物理学的发展始终和核物理实验技术的发展紧密联系在一起。
这种实验技术的一个重要方面是对于微观粒子性质的探测和研究，它包括探测器的原理和使用, 实验方法和数据处理等内容。
在核能工程，同位素应用，医疗卫生，环境保护等领域。
也经常需要对核辐射粒子，放射性元素进行测量分析，因此，核物理实验技术已日益普及。
下面简单介绍有关的基本知识。
一. 射线和物质的互相作用各种类型的快速微观粒子，例如，α、β、γ射线和中子等都称之为核辐射或射线，射线有三类：带电粒子：α粒子、正负电子（β射线）、±π、±µ介子等。
中性粒子：中子、中微子等。
电磁辐射：ⅹ、γ光子。
这里只讲述带电粒子、电磁辐射和物质的相互作用。
中子和物质的相互作用要复杂的多，有弹性散射、非弹性散射、吸收及核反应等，可参阅有关书籍。
1. 带电粒子带电粒子对它所穿过的物质主要作用是使之电离和激发。
放射性同位素辐射的α、β等射线不可能深入到原子核的核力场范围之内，因此它们同物质中原子核和核外电子的作用主要是电磁作用，其效果是使原子的电子受到激发或电离，而带电粒子本身能量逐渐损失。
我们把由于电离和激发作用而在单位路程上损失的能量叫做能量损失率，它与粒子电荷、速度及通过物质的原子序数等有关。
α粒子的能量239P的能量为5.1Mev的α粒子, 它在空气中射程只有3.5cm，损失率较大，它在物质中射程很小，对于u在固体中的射程只有几十微米。
β射线的射程较α粒子大得多，在空气中可达数米，对金属如铝为若干毫米。
2. γ射线与物质的互相作用γ射线光子与物质的互相作用有三种方式，即光电效应、康普顿散射和电子偶效应。
通过这三种作用，γ射线被物质吸收，ⅹ射线与γ射线相同，只是光子能量较低，来源不同，故以下所讨论的γ射线的性质同样适用于ⅹ射线。
核医学基础知识PPT课件
射线还可以与物质原子核发生 碰撞，使原子核获得能量并发 生跃迁。
射线的能量在物质中传播时会 逐渐减少，最终以热能的形式 散失。
放射性测量
放射性测量是利用专门设计的仪 器和设备来测量放射性核素的活 度、能量和分布等参数的过程。
常用的放射性测量仪器包括盖革 计数器、闪烁计数器和半导体探
测器等。Βιβλιοθήκη 测量放射性时需要遵循一定的安 全规范，以保护测量人员的安全
随着放射性药物的需求不断增 加，如何保证放射性药物的生 产质量和安全性成为了一个重 要问题。未来将会有更严格的 生产标准和质量控制措施出台 。
放射性药物的运输与储存
放射性药物的运输和储存需要 特别注意安全问题。未来将会 有更完善的运输和储存方案出 台，确保放射性药物的安全使 用。
核医学与其他医学影像技术的结合
核医学基础知识PPT课件
目录
• 核医学概述 • 核物理基础 • 核成像技术 • 核医学在临床的应用 • 核医学的未来发展
01
核医学概述
核医学的定义
核医学是利用放射性核素或其标记化合物进行疾病诊断、治疗和研究的医学分支。 它涉及了放射性核素、标记化合物、仪器设备和标记技术等多个领域。
核医学在临床医学中占有重要地位，为疾病的早期诊断和治疗提供了有效手段。
单光子发射断层成像是一种核医学影像技术，用于观察人体器官和组织的血流 灌注和代谢情况。
详细描述
SPECT成像通过检测放射性示踪剂发射的单光子，能够生成三维图像，用于诊 断心脏病、脑部疾病和肿瘤等疾病。
γ相机成像
总结词
γ相机成像是一种简便、快速的核医学影像技术，用于观察人体器官和组织的形 态和功能。
实时成像技术
实时核成像技术能够提供动态的、实时的图像，有助于医 生观察病变的发展和变化，为制定治疗方案提供有力支持 。
放射卫生学-第一章核物理基础汇总
3. 1986年4月26日切尔诺贝利核泄漏事故
切尔诺贝利核泄漏事故被称之为历史上最严重的核电站灾难。1986年4月 26日早上，切尔诺贝利核电站第4号反应堆发生爆炸，更多爆炸随即发生并引 发大火，致使放射性尘降物进入空气中。据悉，此次事故产生的放射性尘降 物数量是在广岛投掷的原子弹所释放的400倍。
第一章
放射物理学基础知识
第一节 原子和原子核结构
原子和原子核结构
一、原子结构
自然界中的任何一种物质都是由很多同样 的分子组成的。分子是由相同的或不同的原子结 合而成的，而原子是任何一种化学方法都不能分 解的最小粒子。分子是保持该物质基本化学性质 的最小个体。它的种类虽然是无穷无尽的，但它 们都是由不外乎100多种基本成分组成的。这些 基本成分叫元素，元素的最小单位是原子。
Tc
六、 放射性核素（radionuclide）
是一类不稳定的核素，原子核能自发地不 受外界影响（如温度、压力、电磁场），也不 受元素所处状态的影响，只和时间有关。而转 变为其他原子核或自发地发生核能态变化的核 素，同时释放一种或一种以上的射线，这一变 化的过程称为放射性核衰变 （radioactive nuclear decay），或蜕变（简 称核衰变）。核衰变是由原子核内部的矛盾运 动决定的。每种元素的原子核，其质子数和中 子数必须在一定的比例范围内才是稳定的，比 例过大过小放射性核素都要发生核衰变。
原子结构 原子核外电子运动区域与电子能量的关系 电子能量高在离核远的区域内运动，电子能 量低在离核近的区域内运动 ，把原子核外分成七 个运动区域，又叫电子层，分别用n=1、2、3、4、 5、6、7…表示，分别称为K、L、M、N、O、P、 Q…，n值越大，说明电子离核越远，能量也就越 高。当内层轨道电子获得一定能量即会跃迁到外 层轨道，称激发；电子脱离原子称电离。内层电 子空缺时，外层电子又会跃迁（激退）到内层补 缺，而多余的能量以标志（特征）X射线或俄歇 电子形式放出。
核能基本原理和知识
基本原理和知识马栩泉发表于 2013-04-23 10:42核能是20世纪人类的一项伟大发现，并已取得了十分重要的成果。
1942年12月2日，著名科学家恩里科·费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学启动成功了世界上第一座核反应堆，标志着人类从此进入了核能时代。
核能是20世纪人类的一项伟大发现，并已取得了十分重要的成果。
1942年12月2日，著名科学家恩里科·费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学启动成功了世界上第一座核反应堆，标志着人类从此进入了核能时代。
我们从中学的物理课和化学课已经学到，物质是由分子或原子构成的。
分子是由原子构成的，原子是由原子核以及围绕原子核的电子构成的，原子核是由结合在其中的一定数目的质子和中子构成的。
质子带正电，电子带负电，中子不带电。
但凡不涉及到分子变化的过程叫做物理变化，但凡涉及到分子变化、但是原子并不发生变化的过程叫做化学变化。
在核能出现以前，人类利用的能源只涉及到物理变化和化学变化，核能是通过原子核变化释放出的能量。
核能分为核裂变能和核聚变能两种。
当一个重原子核在吸收了一个能量适当的中子后形成一个复合核，这个核由于内部不稳定而分裂成两个或多个质量较小的原子核，这种现象叫做核裂变。
核裂变释放出的能量叫核裂变能。
核聚变是两个轻原子核结合在一起释放能量的反应，主要包括氢的同位素氘〔2H，重氢〕和氚〔3H，超重氢〕聚合，或氘和氘聚合的反应。
核聚变释放出的能量叫核聚变能。
自然界中的氘以大部分以重水的形式存在于海水中。
氘的含量占氢的0.015%，1升海水中的氘通过核聚变释放出的能量相当于300升汽油燃烧释放出的能量。
核聚变又叫“热核反应”，受控的热核反应目前正在研究当中。
2002年12月2日，我国建成了受控核聚变研究装置——核工业西南物理研究院的中国环流器二号A。
目前核聚变的实际应用只是利用不可控的热核反应，即制造氢弹。
迄今，到达工业规模应用的核能只有核裂变能。
核能科学的基础知识与应用
核能科学的基础知识与应用核能科学是一项较为复杂、涉及众多学科的综合性学科，其应用广泛且日益重要，相关领域包括能源、医疗、环保等多个方向，被誉为21世纪最具潜力的产业之一。
本文将介绍核能科学的基础知识和应用领域。
一、核能科学基础知识1.核素和同位素核能科学的基础是化学元素的核素和同位素的研究。
核素指的是某一种元素内包含的原子核，每个核素的核子数都是相同的。
同位素则是指在同一种元素的不同核素中，其中的质子数和中子数相同的核素。
例如，氢的同位素有氢-1、氘（氢-2）和氚（氢-3）。
2.原子核原子核是核素的主要组成部分，它由质子和中子组成。
质子是带正电的粒子，中子则是不带电的粒子。
原子核的大小远小于原子的大小，但其质量却相对较大，大约是原子质量的一万倍。
原子核的结构非常稳定，而核反应则是通过改变原子核内部结构来实现的。
3.核反应核反应是指通过核子之间的相互作用来改变原子核结构的过程。
核反应可以通过核裂变或核聚变两种方式实现。
核裂变是指将一个原子核分裂成两个或多个原子核的过程，同时释放出巨大能量。
核聚变则是将两个原子核聚合成一个原子核的过程，同样能够释放出巨大能量。
4.放射性某些核素会自发地通过放射性衰变的过程释放出辐射，这种现象称为放射性。
放射性包括α射线、β射线和γ射线三种类型，它们的能量和穿透力不同。
放射性对人体有一定危害，需要进行有效的防护措施。
二、核能科学的应用领域1.能源领域核能科学在能源领域的应用主要是核电站的建设和运营。
核电站是利用核反应释放出的热能来产生电能的设施。
核电站对环境污染小，且燃料储备富足。
目前全球有57个国家拥有核电站，核能在全球电力供应中占比约10%。
2.医疗领域核能科学在医疗领域的应用主要是核医学。
核医学利用放射性物质来检查人体内部的器官和组织的功能和代谢情况。
核医学在诊断癌症、心脏病、神经疾病等方面有重要作用，同时也可以用于放疗治疗癌症等疾病。
3.环保领域核能科学在环保领域的应用主要是放射性物质的处理和监测。
原子核的基础知识
原子核的基础知识【学习目标】1．知道什么是天然放射性及其规律和发现的意义；2．知道三种射线的本质和区分方法；3．了解质子和中子的发现；4．知道原子核是由质子和中子组成的，掌握原子序数、核电荷数、质量数之间的关系；5．知道α和β衰变的规律及实质；6．理解半衰期的概念；7．学会利用半衰期解决相关问题；8．了解探测射线的仪器及原理；9．了解探测射线的方法；10．了解原子核人工转变及人工放射性同位素；11．了解放射性的应用；12．了解放射性同位素的应用．【要点梳理】要点一、原子核的组成1．天然放射现象——贝克勒尔的发现1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能发出一种看不见的射线，这种射线能穿透黑纸而使照相底片感光．这种元素白发地放出射线的现象叫天然放射现象。
物质发射看不见的射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素．研究发现，自然界中原子序数大于或等于83的所有元素，都能、自发地放出射线；原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．后来居里夫人发现了两种放射性很强的元素——钋和镭．虽然具有天然放射性的元素的种类很多。
但它们在地球上的含量很少．2．对放射线的研究（1）研究方法：让放射线通过电场或磁场来研究其性质．把样品放在铅块的窄孔中，在孔的对面放着照相底片，在没有电场和磁场时，发现在底片上正对孔的位置感光了．若在铅块和底片之间放一对电极或加上磁场，使电场方向或磁场方向跟射线方向垂直，结果在底片上有三个地方感光了，说明在电场或磁场作用下，射线分为三束，表明这些射线中有的带电，有的不带电，如图甲和乙所示．从感光位置知道，带正电的射线偏转较小，这种射线叫α射线；带负电的射线偏转较大，这种射线叫β射线；不偏转的射线叫γ射线．（2）各种射线的性质、特征①α射线：卢瑟福经研究发现，α射线粒子带有两个单位正电荷，质量数为4，即α粒子是氦核，速度约是光速的l 10／，有较大的动能． 特征：贯穿本领小，电离作用强，能使沿途中的空气电离．②β射线：贝克勒尔证实，β射线是电子流，其速度可达光速的99％．特征：贯穿本领大，能穿透黑纸，甚至穿透几毫米厚的铝板，但电离作用较弱．③γ射线是一种波长很短的电磁波——光子流，是能量很高的电磁波，波长1010m λ－＜．特征：贯穿本领最强，能穿透几厘米厚的铅板．电离作用最弱．3．天然放射现象的意义天然放射现象说明原子核是有内部结构的．元素的放射性不受单质和化合物存在形式的影响．化学反应决定于核外的电子，能量有限，不可能放出α粒子，也不可能放出高速的电子和γ光子来，因此三种射线只能是从原子核内放出的．说明原子核是有复杂结构的．4．原子核的组成卢瑟福建立了原子的核式结构模型，知道核外有带负电的电子，原子核内有带正电的物质，那么，原子核内的构成又是怎样的呢？（1）质子的发现．1919年，卢瑟福又用α粒子轰击氮核，结果从氮核中打出了一种粒子，并测定了它的电荷与质量，知道它是氢原子核，把它叫做质子．符号p 或11H ．以后又从氟、钠、铝等原子核中打出了质子，所以断定质子是原子核的组成部分．一开始，人们以为原子核只是由质子组成的．但是，这不能正确地解释原子核的质量和原子核所带的电荷量．如果原子核只是由质子组成的，那么，某种原子核的质量跟质子质量之比，应该等于这种原子核的电荷跟质子电荷之比．实际上，绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷跟质子电荷之比（2）中子的发现．卢瑟福发现质子后，预言核内还有一种不带电的粒子，并给这种还未“出生”的粒子起了一个名字叫“中子”．卢瑟福的预言十年后就变成了现实，他的学生查德威克用实验证明了原子核内含有中子，中子的质量非常接近于质子的质量（用α粒子轰击铍原子核实验）．（3）原子核的组成．原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称核子．原子核所带电荷都是质子电荷的整数倍，用Z 表示，叫做原子核的质子数，或叫核电荷数．原子核的质量是核内质子和中子质量的总和．由于质子和中子质量几乎相等，所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍，用这个整数代表原子核的质量，叫做原子核的质量数，用A 表示，原子核的符号可以表示为X A Z ．其中X 为元素符号，A 为原子核的质量数，Z 为核电荷数，例如氦核，可表示为42He ．表示氦核的质量数为4，电荷数为2，核内有2个质子和2个中子．238 92U 代表铀核，质量数为238，电荷数为92，质子数为92，中子数为146，有时也可写为238U 或简称为铀238．5．同位素原子核内的质子数决定了元素的化学性质，同种元素的原子质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同．定义：具有相同质子数、不同中子数的原子互称同位素．例如氢的三种同位素：氕（11H ）、氘（21H ）、氚（31H ）． 要点二、放射性元素的衰变1．原子核的衰变天然放射现象说明原子核具有复杂的结构．原子核放出α粒子或β粒子，并不表明原子核内有β粒子或β粒子（β粒子是电子流，而原子核内不可能有电子存在），放出后“就变成新的原子核”，这种变化称为原子核的衰变．（1）衰变规律：原子核衰变时，前后的电荷数和质量数都守恒．（2）衰变方程：α衰变：β衰变：（3）两个重要的衰变：①核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化（质量亏损）而释放出核能．②当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变．同时伴随着γ辐射．（4）α粒子和β粒子衰变的实质要点诠释：在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较紧密，有时会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，这就是放射性元素发生的仪衰变现象．原子核里虽然没有电子，但是核内的中子可以转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是β衰变．α粒子实质就是氦核，它是由两个质子和两个中子组成的．当发生α衰变时，原子核中的质子数减2，中子数也减2，因此新原子核的核电荷数比未发生衰变时的原子核的核电荷数少2，为此在元素周期表中的位置向前移动两位．β衰变是原子核中的一个中子转化成一个电子，即β粒子放射出去，同时还生成一个质子留在核内，使核电荷数增加．但β衰变不改变原子核的质量数，所以发生β衰变后，新原子核比原来的原子核在周期表中的位置向后移动一位．γ射线是在发生α或β衰变过程中伴随而生，且γ粒子是不带电的粒子，因此γ射线并不影响原子核的核电荷数，故γ射线不会改变元素在周期表中的位置．但γ射线是伴随α或β衰变而生，它并不能独立发生，所以，只要有γ射线必有α衰变或β衰变发生．因此从整个衰变过程来看，元素在周期表中的位置可能要发生改变．2．半衰期放射性元素具有一定的衰变速率，例如氡222经α衰变后变成钋218，发现经过3.8天后，有一半氡发生了衰变，再经过3.8天后，只剩下四分之一的氡，再经3.8天后，剩下的氡为原来的八分之一；镭226变为氡222的半衰期是1620年．不同元素的半衰期是不一样的．要点诠释：（1）定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫这种元素的半衰期．半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量；不同的放射性元素，其半衰期不同，有的差别很大．（2）公式：用T 表示半衰期，0m 与0N 表示衰变前的质量和原子核数，m 和N 表示衰变后的质量和原子核数，n 表示半衰期数，则（3）影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部的因素决定的，跟原子所处的物理状态（如温度、压强）或化学状态（如单质、化合物）无关．（4）规律理解：半衰期是个统计概念，只对大量原子核有意义，对少数原子核是没有意义的．某一个原子核何时发生衰变，是不可知的．若样品中有四个原子核，它们的半衰期为10天，10天后是否有两个原子核发生了衰变是无法确定的．3．核反应方程的配平及α、β衰变次数的确定方法（1）核反应方程中有两个守恒规律：质量数守恒，电荷数守恒．（2）确定衰变次数的原理是两个守恒规律．方法是：设放射性元素X A Z 经过n 次α衰变和m 次β衰变后，变成稳定的新元素''Y A Z ，则表示该核反应的方程为：根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：以上两式联立解得：由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组．（3）技巧上，为了确定衰变次数，一般是由质量数的改变先确定仪衰变的次数，这是因为β衰变的次数的多少对质量数没有影响，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数．（4）几点说明：①核反应过程一般都不是可逆的，所以核反应方程式只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接．②核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒杜撰出生成物来写核反应方程． ③核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化（质量亏损）而释放出核能．④当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．要点三、探测射线的方法1．威耳逊云室（1）构造：主要部分是一个塑料或玻璃制成的容器，它的下部是一个可以上下移动的活塞，上盖是透明的，可以通过它来观察和拍摄粒子运动的径迹，云室里面有干净的空气．如图所示．（2）原理：把一小块放射性物质（放射源）放在室内侧壁附近（或放在室外，让放射线从窗口射入），先往云室里加少量的酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后使活塞迅速向下运动，室内气体由于迅速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态．这时如果有射线粒子从室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心，凝结成雾滴，这些雾滴沿射线经过的路线排列，于是就显示出了射线的径迹．这种云室是英国物理学家威耳逊于1912年发明的，故叫威耳逊云室．（3）放射线在云室中的径迹．①α粒子的质量比较大，在气体中飞行时不易改变方向．由于它的电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而粗．②β粒子的质量小，跟气体分子碰撞时容易改变方向，并且电离本领小，沿途产生的离子少，所以它在云室中的径迹比较细，而且常常弯曲．③γ粒子的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹．④根据径迹的长短和粗细，可以知道粒子的性质；把云室放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，还可以知道粒子所带电荷的正负．2．气泡室气泡室的原理同云室的原理类似，所不同的是气泡室里装的是液体（如液态氢）．控制气泡室内液体的温度和压强，使室内温度略低于液体的沸点．当气泡室内压强突然降低时，液体的沸点变低，因此液体过热，在通过室内射线粒子周围就有气泡形成，从而显示射线径迹．3．盖革—米勒计数器（1）构造：主要部分是盖革管，外面是一根玻璃管，里面是一个接在电源负极的导电圆筒，筒的中间有一条接正极的金属丝．管中装有低压的惰性气体和少量的酒精蒸气或溴蒸气，如图所示．（2）原理：在金属丝和圆筒两极间加上一定的电压，这个电压稍低于管内气体的电离电压．当某种射线粒子进入管内时，它使管内的气体电离，产生电子……这样，一个射线粒子进人管中后可以产生大量电子，这些电子到达阳极，阳离子到达阴极，在外电路中产生了一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来．（3）优缺点．优点：放大倍数很大，非常灵敏，用它来检测放射性是很方便的．缺点：它对于不同的射线产生的脉冲现象相同，因此只能用来计数，而不能区分射线的种类．如果同时有大量粒子，或两个粒子射来的时间间隔很短（少于200 ms）时，也不能计数．4．乳胶照相放射线能够使照相底片感光．放射线中的粒子经过照相底片上的乳胶时，使乳胶中的溴化银分解，经显影后，就有一连串的黑点示出粒子的径迹．要点四、放射性的应用与防护1．人工放射性同位素1932年，约里奥·居里和玛丽·居里用α粒子轰击铍、铝、硼等元素，发现了前所未见的穿透性强的辐射，后经查德威克的研究，确定为中子流．1934年，他们用α粒子轰击铝、硼时，除探测到预料中的中子外，还探测到了正电子．正电子是科学家在1923年发现的，它带一个单位正电荷，质量跟电子质量相同．若拿走α粒子放射源，铝箔不再发射中子，但仍不断地发射正电子，而且这种放射性跟天然放射性具有相同的性质和规律，也有半衰期．经进一步研究发现：铝核被α粒子击中后发生了如下一系列核变化．这一反应生成的磷30是磷的一种同位素，具有放射性，它像天然放射性元素一样发生衰变，它衰变时放出正电子，衰变方程如下：这种具有放射性的同位素叫放射性同位素，这是人类第一次得到的人工放射性物质，由于这一重大发现，约里奥·居里夫妇于1935年获诺贝尔奖．后来人们用质子、氘核、中子、γ射线等轰击原子核，也得到了放射性同位素．天然存在的放射性元素只有四十多种，但用人工方法得到的放射性同位素有一千多种，因而使放射性同位素具有广泛的应用．2．放射性同位素的应用（1）利用它放射出的射线．①利用γ射线的贯穿本领．利用钴60放出的很强的γ射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹，这叫γ射线探伤．利用γ射线可以检查30 cm厚的钢铁部件．利用放射线的贯穿本领，可用来检查各种产品的厚度、密封容器中的液面高度等，从而自动控制生产过程．②利用射线的电离作用．放射线能使空气电离，从而可以消除静电积累，防止静电产生的危害．③利用γ射线对生物组织的物理、化学效应使种子发生变异，培育优良品种．④利用放射线的能量，轰击原子核实现原子核的人工转变．⑤在医疗上，常用以控制病变组织的扩大．（2）作为示踪原子．把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的．我们把用作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．示踪原子有极为广泛的应用：①在工业上可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情况．②在农业生产中，可用示踪原子确定植物在生长过程中所需的肥料和合适的施肥时间．③在医学上，可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围．④在生物科学研究方面，放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密，阐明了生命活动的物质基础起了极其重要的作用．使生物化学从静态进入动态，从细胞水平进入分子水平，阐明了一系列重大问题，如遗传密码、细胞膜受体、-逆转录等，使人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径．RNA DNA例如：在给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，这样可以知道农作物在各季节吸收含有哪种元素的肥料．利用示踪原子还可以检查输油管道上的漏油位置，在生物学研究方面，同位素示踪技术也起着十分重要的作用．3．放射性的污染和防护放射线在我们的生活中无处不在．在合理应用放射性的同时，又要警惕它的危害，进行必要的防护．过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然产生破坏作用．图示是世界通用的辐射警示标志．（1）放射性污染．过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然界产生破坏作用．几件需要记住的放射性污染是：①1945年美国向日本的广岛和长崎投了两枚原子弹，当日炸死了十多万人，另有无数的平民受到辐射后患有各种疾病，使无辜的平民痛不欲生．②1987年前苏联切尔诺贝利核电站的泄露造成了大量人员的伤亡，至今大片领土仍是生物活动的禁区．③美国在近几年的两次地区冲突（海湾地区、科索沃地区）中大量使用了含有放射性的贫铀弹，使许多人患有莫名其妙的疾病．【典型例题】类型一、原子核的组成例1．天然放射现象的发现揭示了（）．A．原子不可再分B．原子的核式结构C．原子核还可再分D．原子核由质子和中子组成【思路点拨】汤姆孙发现了电子说明原子也可再分；卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构；贝克勒尔发现了天然放射现象，说明了原子核也是有着复杂的结构的；天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分；卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现了质子，查德威克用仪粒子轰击铍核打出了中子，使人们认识到原子核是由质子和中子组成的．【答案】C【解析】本题涉及物理学史的一些知识．汤姆孙发现了电子说明原子也可再分；卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构；贝克勒尔发现了天然放射现象，说明了原子核也是有着复杂的结构的；天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分；卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现了质子，查德威克用仪粒子轰击铍核打出了中子，使人们认识到原子核是由质子和中子组成的．所以正确选项为C．【总结升华】要了解一些科学的史实，了解人类对物质结构及物质运动规律的认识过程．正是这些伟大的发现才使我们逐步认识了我们所生存的世界．举一反三:【变式】将αβγ、、三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情况正确的是（）．【答案】A、D【解析】已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向，可知A、B、C、D四幅图中，α、β粒子的偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步判断．带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径mvrBq=，将其数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比为由此可见，A项正确，B项错误．带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为0v，垂直电场线方向位移为x，沿电场线方向位移为y，则有消去t可得对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比为由此可见，C项错误，D项正确．【总结升华】明确α射线、β射线及γ射线的本质特征，并能准确判断它们在电场和磁场中的受力情况．例2．下列说法正确的是（）．A．23490Th为钍核，由此可知，钍核的质量数为90，钍核的质子数为234B．94Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4C．同一元素的两种同位素具有相同的质量数D．同一元素的两种同位素具有不同的中子数【答案】D【解析】A项钍核的质量数为234，质子数为90，所以A错；B项的铍核的质子数为4，中子数为5，所以B错；由于同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，因而C错，D对．【总结升华】明确核子数、原子数、核外电子数及中子数的相互关系，是正确解答此类问题的关键．举一反三:【变式】已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226，试问：（1）镭核中有几个质子？几个中子？（2）镭核所带的电荷量是多少？（3）若镭原子呈中性，它核外有几个电子？（4）22888Ra 是镭的一种同位素，让22688Ra 和22888Ra 以相同速度垂直射入磁感应强度为B 的匀强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？【答案】见解析。