核物理基础
核物理学基础知识
核物理学基础知识核物理学是研究原子核的结构、性质和相互作用的一门学科。
它是现代物理学的重要组成部分，对于人类的科学和技术发展起着重要的推动作用。
本文将介绍核物理学的基础知识，包括原子核的构成、放射性衰变、核反应以及核能的应用等。
一、原子核的构成原子核由质子和中子组成。
质子带正电，中子不带电。
它们都凝聚在原子核的中心，构成了原子核的主要部分。
质子和中子的质量几乎相等，都比电子要重得多。
二、放射性衰变放射性衰变是指某些不稳定核在放出粒子或电磁辐射的过程中逐渐转变成稳定核的过程。
放射性衰变有几种常见的类型，包括α衰变、β衰变和γ衰变。
α衰变是指放射性核放出一个α粒子，其实质是两个质子和两个中子的组合。
通过α衰变，原子核的质量数减少4，原子序数减少2。
这种衰变常见于重元素的放射性同位素。
β衰变分为β-衰变和β+衰变。
β-衰变是指过量中子转变成质子和电子，并放出一种称为β-粒子的高速电子。
β+衰变则是过量质子转变成中子和正电子，并放出一种称为β+粒子的高速正电子。
γ衰变是指核在电子能级跃迁中释放出γ射线。
γ射线是一种高能量的电磁辐射，它不带电，可以穿透物质。
三、核反应核反应是指两个或多个核粒子发生相互作用，产生新的核粒子的过程。
核反应可以是自发的也可以是人为引发的。
核反应的两个重要特点是核能量变化和质量守恒。
核能量变化是指核反应中，核粒子之间发生相互作用，能量可以转化为其他形式。
核能的变化常常伴随着放出或吸收高能粒子或电磁辐射。
质量守恒是指核反应中，参与反应的核粒子的质量总和在反应前后保持不变。
质量守恒的实质是通过质能关系，将能量转化为质量或质量转化为能量。
四、核能的应用核能的应用广泛存在于生活中。
核能可以用于发电、医学诊断和治疗、食品辐照等领域。
核能发电是目前最为常见的核能应用。
通过核裂变或核聚变反应，将核能转化为热能，再通过蒸汽转动涡轮发电机，产生电能。
核医学利用放射性同位素来进行诊断和治疗。
例如，放射性同位素碘-131常用于甲状腺癌的治疗，放射性同位素技术可以精确地定位肿瘤细胞并进行切除。
《核物理基础知识》课件
3
核安全保障的国际合作
国际社会通过国际组织和法律法规来促进核安全保障的国际合作。
4
核安全保障的重要性
核安全保障对防止核事故和核武器扩散具有重要意义。
核武器与核不扩散
核武器的概念及种类
核武器是指利用核能释放的巨大能量进行杀伤 和破坏的武器，包括原子弹和氢弹等。
核不扩散问题的背景
核不扩散问题是指阻止更多国家拥有核武器， 以维护全球核安全的问题。
3 核子的结合能
核子的结合能指的是原子核内核子相互结合 所释放的能量。
4 核能的转化
核能可以通过核反应或核衰变转化为其他形 式的能量。
核裂变与核聚变
1
核裂变的定义及特点
核裂变是指重核被撞击或吸收中子后分
核裂变的过程
2
裂为两个或更多的轻核的过程。
核裂变过程涉及核反应，一般会释放出
巨大的能量。
3
核聚变的定义及特点
放射性衰变的特点
放射性衰变是指放射性核素在一定时间内衰变 为其他元素的过程，释放出辐射。
放射性的应用
放射性元素在医学、能源和科学研究等领域有 广泛的应用。
核反应堆与核能的利用
核反应堆的结 构和原理
核反应堆是一个能够 维持核链式反应的装 置，可以通过核裂变 产生大量热能。
核能的利用
核能可以被用于发电、 航天技术、农业和医 学等领域，为人类创 造了巨大的福利。
核聚变是指两个轻核结合形成一个更重
核聚变的过程
4
的核的过程。
核聚变在太阳和恒星中发生，释放出巨 大的能量。
放射性核素的性质与应用
放射性核素的定义及分类
放射性核素是指具有放射性的原子核，可以分 为α射线、β射线和γ射线。
核物理基础
第一章核物理基础第一节基本概念一、原子结构原子是构成物体的微小单位，其大小为10－10m数量级，原子的中心是带正电的原子核，其大小是原子的万分之一，为10－14m数量级；核的周围是带负电的电子在绕核运动，每个电子所带电荷量为e＝1.60219×10－19C。
原子核由不同数目的质子和中子组成，质子带正电荷e，中子不带电，质子和中子统称为核子。
原子序数：任何原子的核外电子数，统称为原子的原子序数。
由于原子是电中性，核内质子数必然等于核外电子数，因此原子序数同时表示了核外电子数、核内质子数和核电荷数。
核素：具有确定质子数和中子数的原子总体称为核素。
目前已知的核素有2000多种。
元素：具有相同原子序数（质子数）的原子总体称为元素。
到目前为止，天然和人工合成的元素有109种，组成元素周期表。
同位素：质子数相同而中子数不同的核素，在元素周期表中处于同一位置，故互称同位素。
原子的符号表示：AZX，X是元素符号，Z是原子序数，A是原子的质量数（原子量），也是原子核内的核子数。
例：11H、21H、31H、22688Ra、9943Tc量子力学揭示：核外电子的运动状态由主量子数n，轨道角动量量子数l，轨道方向量子数m l 和自旋量子数m s决定。
根据泡利不相容原理，在原子中不能有两个电子处于同一状态，即不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。
在一个原子中具有相同n量子数的电子构成一个壳层，n＝1、2、3、4、5、6、7的各层分别被称为K、L、M、N、O、P、Q层；在一个壳层内，具有相同l量子数的电子构成一个次壳层，l＝0、1、2、3、4、5、6的各次壳层分别用符号s、p、d、f、g、h、i 表示。
二、原子、原子核能级电子在原子核的库仑场中所具有的势能主要由主量子数n和轨道角动量量子数l决定，并随n、l的增大而升高。
零势能规定：习惯上规定当电子与核相距无穷远时，电子所具有的势能为零。
因此，当电子填充核外某一个壳层时，其势能为负值。
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。
第一章-核物理基础
单位质量（摩尔、容积）物质所含放射性的多少, 后 者常称为放射性浓度。
§4 核射线与物质的相互作用
一、带电粒子与物质的相互作用 (一)电离与激发(ionization and excitation)
电离：指带电粒子与物质相互作用,使物质中的中性原子变 成离子对的过程。 激发：如果核外电子所获动能不足以使之成为自由电子， 只是从内层跃迁到外层，从低能级跃迁到高能级,这一过程 称之激发。 电离密度：单位路径上形成的离子对的数目。它表示的是 射线电离作用强弱的量。与带电粒子所带电荷数、行进速 率及被作用物质的密度有关，α>β>γ。
（二）核反应：快中子与物质的原子核作用放出带电粒子而形
成新核的过程称为核反应。形成的新核如果是放射性核素则继续 衰变放射出β、γ射线，使物质原子产生电离或激发，称为感生放 射性。中子与物质相互作用产生核反应是中子反应堆工作的基础 ，也是中子弹的杀伤因素。
比如： 23Na+10n→24Na+γ可写成23Na(n、γ)24Na。
§1 核射线及其与物质的相互作用
一.基本概念
1.定态：电子在轨道上运行既不吸收也不放出 能量的状态。
2.基态：能量最低的定态。 3.激发态：能量较高的定态。 4. 元素：凡核内质子数相同的一类原子，称之
为元素。 5.核素(nuclide) ：凡原子核内质子数、中子数
和核能态均相同的一类原子，称为一种核素。
衰变公式：N=Noe-λt
N = N0e-t
二、半衰期
1、物理半衰期(T1/2)：放射性核素由于衰变,其原子 核数目或活度减少到原来一半所需的时间,用T1/2 表示
2、生物半衰期(Tb)： 3、有效半衰期(Te)： 引入半衰期概念以后，核衰变的公式可改写成：
核物理基础知识
核物理基础知识
1.原子核结构：
-原子核位于原子的核心位置，由质子和中子组成，质子带有正电荷，中子不带电。
-质子数（Z）决定了元素的种类，而原子核中的质子数加上中子数即为原子的质量数（A）。
2.核力与稳定性：
-质子和中子在原子核内部由于强相互作用力（核力）紧密地结合在一起，对抗质子之间的电磁斥力，使得原子核保持稳定。
-当质子与中子的比例失衡或者总数量过大时，原子核可能会变得不稳定，发生放射性衰变。
3.放射性衰变：
-放射性衰变包括阿尔法衰变（α衰变）、贝塔衰变（β衰变，分为β⁻衰变和β⁺衰变）和伽马衰变（γ衰变）。
-阿尔法衰变是指原子核发射出一个氦-4核（α粒子，即两个质子和两个中子）。
-贝塔衰变涉及到中子转变为质子或质子转变为中子，同时释放电子（β⁻衰变）或正电子（β⁺衰变）及相应的反中微子。
-伽马衰变则是原子核从高能级向低能级跃迁时发射出高能光子（γ射线）。
4.质量亏损与结合能：
-当原子核形成时，其总质量通常小于构成它的单独质子和中子的质量之和，这个差值体现为质量亏损，对应的能量遵循爱因斯坦的质能方程E=mc²释放出来，成为结合能。
5.核反应：
-核反应包括核聚变（轻元素在高温高压下合并成更重元素的过程，如太阳内部发生的氢聚变）和核裂变（重元素被中子击中后分裂成两个较小原子核的过程，如铀-235的链式反应应用于核能发电和核武器制造）。
6.射线与物质相互作用：
-放射性射线包括α、β、γ射线以及中子等，在与物质相互作用时表现出不同的穿透性和生物效应，这方面的研究对于辐射防护至关重要。
核物理基础知识点总结
核物理基础知识点总结核物理是研究原子核内部结构和核反应的科学领域。
在核物理中，有一些基础知识点是我们需要了解和掌握的。
本文将对核物理基础知识点进行总结，包括原子核的组成、核稳定性、核衰变、核裂变和核聚变等内容。
一、原子核的组成原子核由质子和中子组成。
质子是带有正电荷的基本粒子，其质量约为1.67×10^-27千克。
中子是不带电的基本粒子，其质量也约为1.67×10^-27千克。
质子和中子统称为核子。
原子核的质量数A等于质子数Z加上中子数N：A = Z + N。
原子核的电荷数等于质子数Z，因此原子核的电荷数决定了原子的化学性质。
二、核稳定性核稳定性是指原子核在没有外部影响的情况下能够长时间存在而不发生衰变的性质。
核稳定性与质子数和中子数的关系密切。
在质子数较小的情况下，中子数与质子数相等时，原子核较为稳定。
当质子数增加时，中子数需要相应地增加来保持核稳定。
但当质子数超过一定的限制时，核稳定性会下降，原子核会变得不稳定，发生核衰变。
三、核衰变核衰变是指不稳定原子核放射出粒子或电磁辐射而转变为其他核的过程。
常见的核衰变方式有α衰变、β衰变和γ衰变。
α衰变是指原子核放出一个α粒子（由两个质子和两个中子组成），质量数减少4，质子数减少2。
β衰变分为β-衰变和β+衰变。
β-衰变是指中子转变为质子，放出一个电子和一个反中微子；β+衰变是指质子转变为中子，放出一个正电子和一个电子中微子。
γ衰变是指原子核从高能级跃迁到低能级时发出γ射线。
四、核裂变核裂变是指重核（如铀、钍等）被中子轰击后分裂成两个或更多轻核的过程。
核裂变是放出大量能量的过程，同时伴随着中子的释放。
核裂变产生的中子可以继续引发其他核反应，形成连锁反应，释放更多的能量。
核裂变在核能领域有重要的应用，如核电站利用核裂变的能量产生电能。
五、核聚变核聚变是指两个轻核融合成一个更重的核的过程。
核聚变需要高温和高压的条件，常用的反应是氘核和氚核聚变成氦核。
核物理基础知识
核物理基础知识核物理是物理学中的一个重要分支，研究原子核内部的组成、性质以及核反应等现象。
本文将以提供核物理基础知识为主题，讨论核物理的重要概念、实验方法和应用领域。
1. 原子核的组成原子核是由质子和中子组成的，质子带正电荷，中子不带电荷。
质子和中子统称为核子。
原子核的质量主要由质子和中子的质量之和决定，而原子核的电荷则由其中的质子数决定。
2. 原子核的结构原子核内部的核子是通过强相互作用相互结合在一起的。
强相互作用是一种非常强大的力量，使得核子能够克服其带电荷之间的排斥力，形成稳定的原子核结构。
3. 核反应核反应是指原子核之间的相互作用过程。
核反应可以分为裂变和聚变两种类型。
裂变是指原子核分裂成两个或多个较小的核片段，释放出大量能量。
聚变则是将两个或多个较轻的原子核聚集为一个更重的核，也释放出巨大的能量。
4. 辐射和放射性衰变放射性衰变是指某些不稳定核通过自发衰变过程，释放出粒子和电磁辐射以达到稳定状态。
放射性衰变可以分为α衰变、β衰变和γ衰变。
α衰变指某个放射性核放出一个α粒子，即氦核；β衰变指某个放射性核放出一个或多个β粒子，即电子或正电子；γ衰变指核内部能级发生跃迁并释放出γ射线。
5. 实验方法核物理实验通常包括通过粒子加速器产生高能粒子，以及使用探测器探测和测量核反应、放射性衰变等过程。
常见的实验方法包括康普顿散射实验、质谱法、闪烁探测器和核磁共振等。
6. 应用领域核物理的应用领域非常广泛。
核能技术是其中之一，包括核裂变发电、核聚变等，被广泛应用于能源领域。
核医学是另一个重要的应用领域，例如核医学影像学和放射治疗可以用于疾病的诊断和治疗。
核武器是另一个核物理的应用，然而这方面的应用受到国际社会的限制和禁止。
结论通过对核物理基础知识的讨论，我们了解了原子核的组成和结构，核反应、放射性衰变以及核物理实验的方法。
同时，我们也了解到核物理在能源、医学和军事等领域具有重要的应用价值。
随着科学技术的不断进步，核物理将在更多领域发挥重要作用，推动人类社会的进步和发展。
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Ｘ射线 俄歇电子 内转换电子
发生于原子序数>82
的核素
特 征
粒子质量大，带电 核
射程短、穿透力弱， 不适合显像
穿透 力弱
发生于贫中 子核素
射程仅 1~2mm
发生于贫 中子核素
射程短、能量单一，对 治疗，
局部的电离作用强，引 如32P-
入体内后，对其局部的 真性红
应用：显像、体外分析和核素治疗。
γ
P+e- n
特征X线 Auger 电子
3）γ衰变与内转换
γ衰变是伴随其它衰变而产生； 核素由激发态向基态或高能态向低能态
跃迁时放出γ射线的过程也称为γ跃迁 (γtransition) ； γ衰变后子核质量数 和原子序数均不变，9mTc
2.核素（nuclide） ：具有特定质量数、原子
序数与核能态的一类原子。
3. 同位素（isotope） ：具有相同原子序数，
而质量数不同的核素。
4.同质异能素(isomer) ：有相同质量数和
原子序数，处于不同核能态的一类核素。
5. 稳定核素（stable nuclide)
引力
二、基本概念
1.原子核（nucleus）结构 2.核素（nuclide） 3.同位素（isotope） 4.同质异能素(isomer) 5.稳定核素（stable nuclide) 6.放射性核素 (radionuclide) 7.放射性衰变（radiation decay） 8.半衰期,T1/2 (half-life) 9.放射性活度A （radioactivity） 10.母牛
核子（质子和中子统称为核子）之间
静电排斥力
质子之间
原子核的稳定性与核内质子数和中子数的比例有 关。
当原子核内引力与排斥力平衡时，原子核稳定， 不会自发衰变的核素称为稳定核素。
6.放射性核素 (radionuclide)
引力
核子（质子和中子统称为核子）之间
静电排斥力
质子之间
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。 如 99Tcm、131I、32P、90Sr、153Sm、188Re、125I、 60Co等。
核医学物理基础
山西医科大学第一医院核医学科 Zhifang-Wu
核医学
（Nuclear Medicine）
一．概述 二．基本概念 三．射线与物质的相互作用
一、定 义
是将核技术应用于医学领域的学科， 是用放射性核素诊断、治疗疾病和进行 医学研究的医学学科。
● 临床医学。
● 根据我国医学专业学位点的设置， 核医学属于“影像医学与核医学” 学位点。
1. 原子核（nucleus）结构
质子（proton） AZＸN
13153I78
原子（atom） 中子（neutron） AＸ
131I
电子（electron） A是质量数。 A=Z+N
基态
核反应、核裂变、放射性衰变
激发态
很快放出过剩能量
（ground state）
（excited state）
AＸ 99Tc
7.放射性衰变（radiation decay）
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。
核衰变类型（nuclear decay)
① 衰变（alpha decay） ② -衰变（beta decay ） ③ 正电子衰变 ④ 电子俘获（ electron capture ） ⑤ 衰变（gamma decay ）
的优势。
2）β衰变
核衰变时放射出β粒子或俘获轨道电子的 衰变。
β衰变后核素的原子序数可增加或减少， 但质量数不变。
分β － 衰变、β ＋ 衰变和电子俘获三种类型 。
β粒子的速度为20万km/s。
β－衰变
衰变时放射出β － 粒子。核内中子过多造成 的不平衡。中子转化为质子的过程。
β－
np+e-
γ
β－粒子的特性
β－粒子实质是负电子； 衰变后质量数不变，原子序数加１； β－粒子的能量分布从0～最大具有连续能
谱，穿透力比a粒子大； 电离能量比a粒子弱，能被铝和机体吸收； 在软组织中的射程仅为几厘米，可用于治
疗，如碘治疗甲亢。
β＋衰变
衰变时放射出β ＋ 粒子。核内中子过少致不 平衡。质子转化为中子过程。
研究内容
实验核医学
利用放射性核素进行生物医学的理论研究。
临床核医学（clinical nuclear medicine）
1.诊断核医学 体内诊断 体外诊断
2.治疗核医学
核医学显像
仪器
SPECT、PET
成像
发射型成像
（r射线由体内射出成像）
成像原理 利用脏器内外或脏器与
病变之间的放射性浓度
差别为基础
γ射线为光子流，不带电，穿透力强，电 离能力弱；
γ射线在真空中速度为30万km/s。 应用：体外成像。
三种衰变的比较
α衰变质量、质子数都变； β衰变质子数变，质量数不变； γ衰变质子、质量数都不变，而能量改变。
射线
-射线 正电子 电子俘获
射线
组
氦核
成
（42He）
高速运动 的电子流
+粒子
β＋
p n+e+
γ
β＋粒子的特性
β＋粒子实质是正电子； 衰变后子核质量数不变，但质子数减１； β＋也为连续能谱； 天然核素不发生β＋衰变，只有人工核素才
发生； 应用：PET成像。
电子俘获(electron capture,EC)
核衰变时俘获一个轨道电子。它是核内中子数相 对不足所致。从内层轨道（K ） 俘获一个电子，使 核内一个质子转化为一个中子。
1）α衰变
核衰变时放射出α粒子的衰变。 AZX--A-4Z-2Y+42He+Q
γ
42He
α粒子特性
α粒子实质上是He原子核； α衰变发生在原子序数大于８２的重元素核素； 在空气中的射程约为３－８cm，在水中或机体内
为0.06-0.16mm； 因其射程短，一张纸即可阻挡； 但α粒子的电离能力很强。 对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在
成像性质 生理、功能显像为主
优、缺点 早期诊断
分辨率低、图像清晰度差
X-CT显像
T-CT、螺旋CT 穿透型成像 （X射线穿透人体成像） 利用脏器内外或脏器与病 变之间的密度差别为基础
形态、结构显像为主 分辨率高、图像清晰 不能反映功能改变
CT
SPECT
融合图象
SPECT/CT同机图像融合技术示意图