原子物理-衰变规律
什么是原子核衰变
什么是原子核衰变原子核衰变是指原子核内部发生变化，通过放射出射线或释放粒子的方式转变为另一种原子核的过程。
在原子核衰变中，可能发生的变化包括α衰变、β衰变和伽马射线的放射。
这些衰变过程是由不稳定的原子核中发生的，以达到更加稳定的状态。
一、α衰变α衰变是原子核中放出α粒子的过程。
在α衰变中，原子核释放出两个质子和两个中子组成的α粒子。
α粒子是带有正电荷的核子，相当于一个氦原子核。
例如，铀-238（U-238）发生α衰变后，衰变成钍-234（Th-234），其中U-238原子核释放出一个α粒子。
二、β衰变β衰变是指原子核中的中子或质子转变为一个电子或正电子的过程。
1. β-衰变：在β-衰变中，一个中子转变为一个电子，同时释放出一个质子。
这个电子以高速离开原子核，进入外部空间。
这个电子被称为β-粒子。
例如，碳-14（C-14）发生β-衰变后，变为氮-14（N-14），其中一个中子转变为了一个质子，并释放出一个β-粒子。
2. β+衰变：在β+衰变中，一个质子转化为一个正电子，同时释放出一个中子。
这个正电子称为β+粒子。
例如，锝-99（Tc-99）发生β+衰变后，衰变成了钌-99（Ru-99），其中一个质子转变为了一个中子，并释放出一个β+粒子。
三、伽马射线伽马射线是一种高能量的电磁辐射。
当一个核发生α或β衰变后，通常会释放伽马射线，以平衡核内的能量。
伽马射线没有电荷和质量，可以穿透物质，并且对人体有一定的辐射危害。
例如，铯-137（Cs-137）发生β-衰变后，衰变产物碱土金-137（Ba-137）会释放出伽马射线。
原子核衰变是一种自发的过程，不能通过外界条件干预或加速。
衰变速率可以用半衰期来衡量，即衰变物质的一半数量所需的时间。
每种放射性核素都有其特定的半衰期。
原子核衰变在许多领域都具有重要的应用，包括核能产生、放射治疗和碳测年等。
人们对原子核衰变的研究使得我们对原子核的结构和性质有了更深入的了解，并为核物理学和天体物理学的发展提供了重要的基础。
原子物理
原子物理一、基本知识1、汤姆生发现了电子，使人们认识到原子内部具有复杂的结构。
汤姆生还提出了原子结构的“枣糕”模型。
2、α粒子散射现象绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进或只发生很小的偏转，但仍有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到l80°。
原子的核式结构：原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。
带负电的电子在核外空间绕着核旋转。
原子核带的正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是中性的。
电子绕核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力。
原子的半径大约是10-10m，原子核的直径大约是10-15m～10-14m。
3、玻尔的原子理论为了解决卢瑟福的原子核式结构学说与经典电磁理论发生的矛盾，主要表现在解释原子的稳定性和氢原子的线状光谱中。
玻尔提出了以下的三点假设，即玻尔理论。
(1)原子只能处在一系列不连续的能量状态中，在这些状态中，电子虽做加速运动，但不向外辐射能量。
原子的这种状态叫定态。
(2)原子从一种定态(设能量为E1)跃迁到另一种定态(设能量为E2)时，要辐射(或吸收)一定频率的光子。
光子的能量为hυ=E1-E2。
(3)原子不同的能量状态跟电子不同的绕核运动轨道相对应。
原子的能量是不连续的，电子的可能轨道分布也是不连续的。
氢原子的能级公式和轨道公式：r n=n2r1，。
其中r1=0.53×10-10m，为基态轨道半径；E1=-13.6ev，为基态能级的能量，n为量子数，n＝1，2，3……其中E的值是取电子距核无穷远处为电势能零点而计算出来的。
原子各定态的能量值叫原子的能级，原子的最低能量状态称为基态，对应电子在离核最近的轨道上运动；较高的能量状态称为激发态，对应电子在离核较远的轨道上运动。
(4)玻尔理论对氢原子光谱的解释。
玻尔的能级跃迁假设说明，原子无论是吸收还是辐射能量都不是任意的，必须等于原子能级发生跃迁时的两个能级间的能量差，因而吸收或辐射的能量会以一定频率的光子表现出米，即光子能量E＝hυ＝ΔE为一系列定值。
衰变及衰变规律
衰变及衰变规律
β+衰变表达式
A
ZX
A Z-1
Y+
+ e
+v
例如
12 7
N C e
12 6
*相当于原子核中一个质子子变为一个中子和一个正电子
衰变及衰变规律
EC表达式
A Z
X
+
e
A Z-1
Y
7 3
7 4
Be e Li
0 1
衰变及衰变规律
γ衰变
核素由高能态向低能态或激发态向基态跃迁的过程 中释放出γ射线或称光子，单纯γ衰变时子核的质量和 原子序数均不变，只是能量状态的改变。 射线是一种高能光子（电磁波）。
o
o
o
同位素具有相同的元素符号
二、衰变及衰变规律
衰变及衰变规律
核素的分类
稳定性核素 不稳定核素 (放射性核素）： 不稳定的核素会以什么样的方式存在呢？
衰变！
衰变及衰变规律
衰变的概念
放射性核素发生核内结构或能级的变化，同时 自发地放出一种或一种以上的射线而转变成另一种 核素的过程为“核衰变”。
原子核所具有衰变特性称为放射性。
原子及原子核结构
原子核的大小
原子核半径小于原子半径的万分之一，体积占原子体积的几千亿分之一。
原子的质量集中在原子核。
原子及原子核结构
核外电子排布
核外电子的排布：壳层结构 壳层结构是构成物质化学 性质的根源。
原子及原子核结构
核素的概念
把质子数相同，中子数也相同，核能级处于同 一状态的一类原子核， 称为同一种核素。 质量数 （质子数+中子数） 原子序数 （质子数）
法定单位：贝克勒尔（Bq）
人教版(选修3-5)第2节 放射性元素的衰变(基本概念、课堂例题、课后作业)
19.2 反射性元素的衰变【重点知识】1．原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
2．α衰变：238 92U→234 90Th ＋42He3．β衰变：234 90Th→234 91Pa ＋ 0－1e4．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做这种元素的半衰期。
【基本知识】一、原子核的衰变1．定义原子核放出 或 ，则核电荷数变了，变成另一种 ，这种变化称为原子核的衰变。
2．衰变分类(1)α衰变：放出α粒子的衰变。
(2)β衰变：放出β粒子的衰变。
3．衰变方程23892U→23490Th ＋ 23490Th→234 91Pa ＋ 。
4．衰变规律(1)原子核衰变时 和 都守恒。
(2)当放射性物质连续衰变时，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。
这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。
二、半衰期1．定义放射性元素的原子核有 发生衰变所需的时间。
2．决定因素放射性元素衰变的快慢是由 的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
不同的放射性元素，半衰期 。
3．应用利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间。
【课堂例题】例1、原子核238 92U经放射性衰变①变为原子核234 90Th，继而经放射性衰变②变为原子核234 91Pa，再经放射性衰变③变为原子核234 92U。
放射性衰变①②③依次为 ( )A．α衰变、β衰变和β衰变B．β衰变、α衰变和β衰变C．β衰变、β衰变和α衰变D．α衰变、β衰变和α衰变例2、(多选)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约5 700年。
已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减小。
现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。
下列说法正确的是 ( ) A．该古木的年代距今约5 700年B．12C、13C、14C具有相同的中子数C．14C衰变为14N的过程中放出β射线D．增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变例3、 (多选)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核放出一个α粒子，其速度方向与磁场方向垂直。
衰变本质及其规律
放射性元素衰变类型、本质及其规律
定义：
原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化，叫做原子核的衰变；
衰变类型：
放射性元素放射出a、β、γ三种射线，放出a射线的衰变称为a衰变，放出β
射线的称为β衰变。
衰变规律：
a衰变：新核的质量数比原来的质量数减少4，电荷数减少2，因此新核在元素周期表中的位置要向前移两位。
β衰变：β射线为β粒子，即为电子，电子的质量远小于新核的质量，可以认为电子质量为零，所以发生β衰变后，质量数不变，质子数加1，新核是周;
期表中向右移一格的那个元素的原子。
γ射线:是波长很短的电磁波，为一种光子，其电荷量和质量均可以看做为零，所以原子放出γ射线后，不会变成其他核。
衰变本质：
原子核内的两个质子和中子作为一个整体，结合比较紧密，有时候会作为一个整体从原子核内抛射出来，形成a射线，即a衰变；核内的中子可以转化为质子和电子，释放出电子形成β射线，即是β衰变。
放射性元素发生a、β衰变时，产生的新核往往处于激发状态，这时它要向低能量状态跃迁，辐射出光子，产生γ射线。
衰变及衰变规律
X射线的产生及其特点
X射线的发现
X射线的产生及其特点
X射线的产生
X射线的产生
X 射线管的结 构
X射线的产生
X射线的产生
X射线的产生及其特点
X射线的产生
当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时， 靶就放出X射线。 条件： （1）电子-------灯丝 （2）加速-------高压 （3）靶面-------阳极 （4）真空
衰变ec轨道电子俘获衰变例如2349123490衰变表达式相当于原子核中一个中子变为一个质子和一个电子例如衰变表达式相当于原子核中一个质子子变为一个中子和一个正电子ec表达式核素由高能态向低能态或激发态向基态跃迁的过程中释放出射线或称光子单纯衰变时子核的质量和原子序数均不变只是能量状态的改变
Contents
原子核的大小
原子核半径小于原子半径的万分之一，体积占原子体积的几千亿分之一。
原子的质量集中在原子核。
原子及原子核结构
核外电子排布
核外电子的排布：壳层结构 壳层结构是构成物质化学 性质的根源。
原子及原子核结构
核素的概念
把质子数相同，中子数也相同，核能级处于同 一状态的一类原子核， 称为同一种核素。 质量数 （质子数+中子数） 原子序数 （质子数）
1kBq＝103Bq 1MBq＝106Bq
衰变及衰变规律
衰变及衰变规律
计算实例
衰变及衰变规律
计算实例
半衰期：T1/2=1600×365×24×3600=5.04×1010s；
衰变常数：λ=0.693/T1/2=1.375×10-11s-1 原子核数量： N=(m/M)NA=(1×10-3/226)×6.02×1023 =2.665×1018 放射性活度： A = λN = 3.664×107s-1 = 3.664×107Bq
【高中物理】高考物理复习：原子核的衰变
【高中物理】高考物理复习：原子核的衰变【摘要】为大家整理了高考物理复习，便于大家查阅复习。
希望大家喜欢，也希望大家在学习愉快。
3.自然衰变中原子核的变化规律在核的天然衰变中，核变化的最基本的规律是质量数守恒和电荷数守恒。
① α衰变：随着α衰变，新原子核在周期表中的位置向前移动2位，即②β衰变:随着β衰变，新核在元素周期表中位置向后移1位，即③ γ衰变：对于γ，衰变和变化的不是原子核的类型，而是原子核的能量状态。
但总的来说，γ衰变总是伴随着α衰变或β衰变。
4.放射性元素放射的射线有三种:α射线、γ射线、β射线，这三种射线可以用磁场和电场加以区别，如图1所示。
图15.半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间称为半衰期。
不同的放射性元素的半衰期是不同的，但对于确定的放射性元素，其半衰期是确定的。
它由原子核的内部因素所决定，跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关。
二、实例分析[[例1]]关于天然放射现象，以下叙述正确的是()a、如果放射性物质的温度升高，它的半衰期就会降低b.β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的c、在α、β、γ三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强d.铀核(23892U）衰变为铅芯（20682pb)的过程中，要经过8次α衰变和10次β衰变[[分析]]半衰期由放射性元素原子核的内部因素决定，与元素的化学状态、温度、压力等因素无关；β衰变释放的电子是当原子核中的中子转化为质子时产生的。
1.0n11h+0-1e，b对;根据三种射线的物理性质，c对;23892U有92个质子和146206个中子82pb的质子数为82，中子数为124，因而铅核比铀核少10个质子，22个中子。
一次α衰变质量数减少4，故α衰变的次数为x==8次。
再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数y应满足2x-y+82=92，y=2x-10=6次。
故本题正确答案为b、c.[评论]（1）检查这个问题α衰变β衰变规律以及质量数、质子数和中子数之间的关系。
原子核衰变时电荷数和质量数都守恒
原子核衰变时电荷数和质量数都守恒原子核放出α粒子或β粒子后,就变成新的原子核.这种变化称为原子核的衰变.
衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒.
质量数守恒（注意不是质量守恒）；电荷数守恒；动量守恒；能量守恒.
题目
分析原子核发生衰变时质量数与核电荷数守恒．由此解答即可．解答解：原子核发生衰变时，无论能量然后变化，但电荷数和质量数守恒．
故答案为：电荷数，质量数
点评该题考查对衰变的理解，属于对基础知识的考查，牢记该知识点的内容即可．
已知的衰变的种类主要有以下三种：
1、阿尔法衰变，它是某种元素的一个原子核通过放射出一个阿尔法粒子，变成另外一种元素的原子核的衰变。
2、贝塔衰变，它的特点是原子核的原子序数改变而质量数不变。
它主要分为三种类型：贝塔加衰变、贝塔加衰变和轨道电子俘获；
3、伽马衰变，它是伴随着阿尔法衰变或贝塔衰变而产生的。
备注：原子核的放射性衰变还包括原子核的自发裂变、质子放射性等许多形式。
只有质量大的原子核才会有显著的原子核的自发裂变。
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3. 递次衰变规律
❖作积分并利用初始条件（t＝0，N3＝0）
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3. 递次衰变规律
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2. 放 射 性 平 衡
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3. 人工放射性的生长
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X表示母核，Y表示子核，例如
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1．放射性的一般现象
❖原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一 个轨道电子而发生的转变，统称为b衰变。
b衰变相当于原子核的一个中子变成了质子； + b衰变和轨道电子俘获相当于原子核的一 个质子变成了中子。
❖ 处于激发态的原子核向基态的跃迁称为g 跃迁，
放出g 射线。 g射线的自发放射一般是伴随a或b
数。N0 是时间t=0时核的数量，N是t时刻的 数量
❖通常把指数衰减律也叫作放射性衰变的统计
规律。它只适用于大量原子核的衰变，对少
数原子核的衰变行为 只能给出概率描写。
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2. 放射性衰变的指数衰减规律
❖指数率的普遍性质： （1） 各个粒子的行为相互独立。 （2） 过程发生的概率与“历史”无关。 （3） 在极小的时空间隔里，过程发生的概
兰州近物所重离子加速器冷却储存环（1997－2008，2.93亿人民币）
日本理化学研究所的放射性核束工厂 （仅一期约550亿日元）
德国GSI的FAIR项目（2003－，12 亿欧元）
美国启动RIA项目 （2008－，约5.5亿美元）
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原子核物理学研究的新领域
基本对称性和相互作用
稳定岛
?
可能存在原子核
已知原子核 Sp=0
rp-Process, Novae and X-ray Bursts
稳定原子核
100Sn
Sn=0
中子星
r-Process, Supernovae
78Ni
✓ 基本对称性以及基本相互作用
✓ 超重元素的合成
晕核
✓ 奇特原子核
✓ 核天体物理：中子星， 宇宙中元素的合成
1．a射线是高速运动的氦原子核（又称α粒子） 组成的。所以，它在磁场中的偏转方向与正离子 流的偏转相同。它的电离作用大，贯穿本领小。
2．b射线是高速运动的电子流，它的电离作用较 小，贯穿本领较大。
3．g射线是波长很短的电磁波。它的电离作用小， 贯穿本领大。
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1．放射性的一般现象
❖原子核衰变是指原子核自发地放射出粒子 而发生的转变。 原子核自发地放射出α粒子 而发生的转变，叫做α衰变。
❖部分放射性活度随时间是按 衰减 而不是按 衰减的。
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3. 递次衰变规律 ❖连续逐代衰变叫做递次衰变。例：
对于
设A，B的衰变常数分别为 l1， l2. 在时刻t，A，B，C的 原子核数分别为N1，N2，N3；在t＝0时，只有母体A
对于A
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3. 递次衰变规律 对于B
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率正比于该间隔。
放射性活度
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2. 放射性衰变的指数衰减规律 ❖半衰期T1/2是放射性原子核数衰减到原来数 目的一半所需的时间
平均寿命t是指放射性原子核平均生存的时间：
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2. 放射性衰变的指数衰减规律 ❖当核素具有多种分支衰变时：
❖第i种分支衰变的部分放射性活度
❖总放射性活度
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1．放射性的一般现象
原子核自发地放射各种射线的现象，称为放射 性。能自发地放射各种射线的核素称为放射 性核素，也叫不稳定的核素。放射性现象是 由原子核的内部变化引起的。
1896, H. Bequerel在研究铀矿时发现放射性
天然放射线主要有三种：a, b和 g射线
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1．放射性的一般现象
❖ 用人工办法（例如反应堆和加速器）来产生放射性 ，这叫人工放射性。
❖ 放射性核束，是指由放射性的（或非稳定的）原子 核构成的束流，通常是由核反应产生的次级束流。
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2. 放射性衰变的指数衰减规律 放射性是一种自发的随机过程
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2. 放射性衰变的指数衰减规律 微分
❖任何放射性物质在单独存在时都服从这样的 规律。l称为衰变常数，是在单位时间内每 个原子核的衰变概率，它的量纲是时间的倒
✓ 磁转动，手征转动模式
✓ ……
原子核的放射性
参考：原子核物理，卢希庭，原子能出版社
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1. 放射性衰变的基本规律
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核素图
可能存在原子核 已知原子核 Sp=0
稳定原子核
100Sn
Sn=0
Z
78Ni
稳定核：270 不稳定核
N
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原子核的不稳定性
核基态的不稳定性—核转变（b, a） （弱作用和电磁作用） 激发态的不稳定性—g衰变（电磁作用） 共振态衰变—粒子发射（强作用或核作用）
亚原子物理
2009年10月7号
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个人简介
❖ 亓斌，空间科学与物理学院讲师
❖ 研究： 原子核结构理论（主要） 1.发展粒子转子模型和相对论平均场理论 2. 解决原子核高自旋态中的热点问题 核天体物理 (一些计划) 中子星,太阳系元素丰度
❖ 科学实验楼406， bqi@
射线产生的。
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1．放射性的一般现象
❖ 天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放 射性。它们大多属于由重元素组成的三个放射系（ 即钍系、 铀系和锕系）。这三个放射系之外，还 存在一些非系列的 天然放射性核素，例如H，C， K，V，Rb，In，Te，La， Ce，Nd，Sm，Lu， Re，Pt，Bi等。
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爱因斯坦的《悼念玛丽·居里》演讲
“……我幸运地同居里夫人有20年崇高而真 挚的友谊。我对她的人格的伟大愈来愈感到 钦佩。她的坚强，她的意志的纯洁，她的律 己之严，她的客观，她的公正不阿的判断— 所有这一切都难得地集中在一个人身上。…
居里夫人的品德力量和热忱，哪怕只有一小
部分存在于欧洲的知识分子中间，欧洲就会
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编辑版ห้องสมุดไป่ตู้pt
原子核物理学的重要性
原子核物理学关系到国防与国家的战略需求
核能的利用以及同位素和辐照技术的利用： 核武器、核电站、 核动力装置、核医学设备等 （国家即将在山东建三座核电站）
其它交叉学科的研究: 材料物理、化学、生命科学等
世界上正在以及准备建造的新一代放射性束装置为核物理开 辟了崭新且令人激动的研究领域