绪论 与第一章 核物理与核化学基础

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二、核素和同位素
核素 是具有特定核特征，即具有一定的质子
数、中子数及核能级的一种原子。例如：H
（1H）、D（2H）和T（3H）都是一种核素。
通常用AZX 或AX的形式来表示一种核素，其中
核素应用技术
选修须知 1
1、上课时间2-16周。
2、注意课堂纪律,认真听课做好笔记。 3、认真做好作业，在首页下端注明： –姓名、学号： –院系、班级：
选修须知 2
4.本课程的成绩考核方式
总成绩 =平时成绩（30%）
+ 期末考试成绩（70%）
其中：平时成绩 = 作业 + 出勤
选修须知 3
5.联系方式 • 钟伟良 • 生命科学学院南楼402室
由上式可知：半衰期与衰变常数成 反比。 另外，根据半衰期的定义还可得放射性 活度与半衰期之间的关系： A= A0 / 2n 式中，n= t / T。 这也是一个很有用的公式。
（三）放射性活度及常用单位
放射性活度的定义是：
A=
dN dt
其物理意义是：单位时间内发生核衰变 的次数。 国际单位专用名称为贝可勒尔，简称贝 可，缩写为Bq。1Bq每秒衰变1次。
λ=
λ的物理意义：在单位时间内，每一
个核衰变的几率。显然，其值越大表示
核衰变得越快；小则反之。 衰变常数的单位是[秒]-1，[小时] -1 或[天]
-1等。如：32P的λ值为0.04873/天；而 60Co的λ值为0.01098/月。
2、半衰期T1/2 或T 定义：放射性核素的原子数因衰变而减
少到原来一半所需的时间。 显然，半衰期长表示放射性核素衰变得慢； 反之则快。 根据半衰期的定义，当t=T时，Nt=N0/2, 代入 N= N0 e- λ t得： T=ln2/ λ=0.693/ λ
γ 衰变是伴随α、β 或其它衰变一起 产生的。在许多场合， γ 衰变的原子核也 可以发射内转换电子（指向外发射核外绕 行电子）的方式，从激发态回到较低能态
或基态，而不必发射γ 射线。
γ 射线和内转换电子的能量都是单一的。
当一个核衰变放出不止一种γ 射线时，则
γ 射线的能量就有两组或两组以上。
二、放射性衰变的一般规律
且子体是稳定的，则下列关系成立：
ΔN∝ N · Δt
写成等式则为： ΔN/ Δt =-λ · N， 其中λ是比例常数，被称为衰变常数。 当Δt 0时，上式可写成：
dN/dt = -λ · N 假设t=0时，未衰变的总核数为N0则经积
分得：
N= N0 e- λ t
上式是衰变定律的数学表达式，它表示 放射性原子核的数目按时间的指数函数而 衰减。但在实际应用时，往往想知道在单 位时间内有多少核发生衰变，也就是放射 性核素衰变率（-dN/dt）。我们将其称为 放射性活度（A）， 即A= -dN/dt =λ · N。
其差值： ΔM = （Z MP + N Mn）- M核
又代表什么呢？
原来，原子中的所有质子和中子结合起 来时会放出一部分的能量。我们把这部分 的能量称之为原子核的结合能（ ΔE ）。 ΔM 则称为质量亏损。 根据质能联系定律， ΔE= ΔM C2。
如将ΔE除以该核的核子数，得到每个核
子的结合能，又称为比结合能。
+ β+v +Q
β衰变的实质：
n P +β+v 反中微子不带电，其静止质量约为电 子质量的万分之五。 在衰变时所释放的能量由子体核、 β粒 子和反中微子同时带走。但前者质量越 大于后二者，其带走的能量可忽略不计。 于是，Q约等于后二者的动能。
于是，对于β粒子来说，其动能的
取值范围是0~Q的任意值，即其粒子形
成了一个连续能谱。 β粒子的平均能量 约等于最大能量的1/3，而Emax = Q。
一个实例：
60 27Co 60 28Ni+
β+v +Q
（三） β+衰变
从放射性核素的核里放射出β+粒子的 过程称为β+衰变。其实质是： P n + β+ + v β+粒子的本质：正电子。
衰变表达式为：
A ZX A
Y+ β+ +v +Q Z-1
放射性核素的衰变是自发的，且衰变速度
不受外界条件的影响。有的核素衰变得快，
有的则慢，这是各种核素的特性。
有的核衰变后的子体仍不稳定会继续衰变。
我们这里仅讨论一次衰变后的子体核是稳
定的情况，也即：一次衰变定律。
（一）衰变定律
对某一特定的原子核来说，其衰变过 程是一个几率过程。研究表明：假设在时
间间隔t至t+Δt内，有ΔN个原子核衰变，
本课程主要内容(2)
第六章 几项实验技术(4学时) 第七章 同位素示踪技术应用(2学时) 第八章 辐照技术应用(2学时) 第九章 辐射剂量及防护: 附(放射性防护常识) (2学时)
绪
论
一、核技术的重要意义
核技术是原子核科学技术的简称。核科学技术
除核能利用外，还包括核素工业仪表、核探测与
分析、核辐射应用、核素示踪技术等。
子 19 弹 64 爆年 炸 10 （月 1 16 ）日 中 国 第 一 颗 原
（2）核聚变
太阳内部被认为进行如下的核聚变：
1H 3He 1H
+ 2H + 3He
3He 4He 2H
+ 2 1H
+ 1H
+ +β
核聚变与核裂变释放能量比较：
6Li
+ 2H
2 4He
上述反应产生的释放能量为： 2.8×10-12 焦耳， 以1摩尔的锂-6计，则为： 2.2×1012 焦耳 而1摩尔的 235U 裂变释放的能量为 2.0 ×1013 焦耳
一个实例：
30 15P 30
Si + β+ + v +Q 14
对照： 32 P 15
32
16S
+ β + v +Q
磷的同位素中， 32P， 33P 是β 衰变体， 31P是稳定的， 30P ，29P， 28P是 β+ 衰变 体。
（四）电子俘获
不稳定的原子核俘获一个核外绕行电子， 而使核内的一个质子转变成中子和中微子的
氡是无色、无味的惰性气体，易溶于水，特别 易溶于脂肪中，它可以通过呼吸道和皮肤侵入机 体，其子体进入人体就紧紧地附着在呼吸道，造 成内照射。
研究表明：高浓度氡及其子体的居室 是肺癌和呼吸癌的致癌主要因素之一。 氡具有较强的扩散能力，它在空气中
的扩散系数为：0.105cm2/s。影响居室氡
气浓度除和建筑物场地、建材和装饰材料
其就可能不稳定。
不稳定的核素会自发地通过放射性衰变，
来达到稳定的状态。
一、放射性衰变类型
放射性衰变类型多种多样，这里讨论五
种即：α衰变、β衰变、 β+衰变、电子 俘获及γ衰变。
（一） α衰变
α衰变：从放射性核素的核里放射出α粒子
的过程。 α粒子的本质： 氦核。 那为什么不直接叫氦核呢？
α衰变的衰变表达式为：
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同位素示踪原理与应用技术
本 课 程 教 材
刘琼英编
参 考 教 材 1
参 考 教 材 2
本课程主要内容(1)
绪论(1学时) 第一章核物理和核化学基础(5学时) 第二章 放射性同位素示踪法(4学时) 第三章 放射性测量(4学时) 第四章 放射性自显影技术(2学时) 第五章 稳定同位素示踪技术(2学时)
1896年A. H. Becguerel 对铀矿石天然放射性的
发现，揭开了原子时代的序幕。
大量成熟的核技术使工业进入仪表化、系 列化、专业化和商业化的阶段：如射线无损 探伤仪等。 碳-14可用于年代测定，是考古学的重要手 段之一。 辐射技术在高分子有机化学中具有聚合、改 性、接枝等特殊效用。
二、核技术农学应用的成就
种类有关外，还和建筑物位臵、通风条件
及氡析出有关。
衰变纲图：
222 86Rn,
3.825d
α
5ห้องสมุดไป่ตู้49MeV
γ
0.51MeV
218 84Po（钋）,3.11min
（二） β衰变 β衰变：从放射性核素的核里放射出β
粒子的过程。
β粒子的本质： 电子。
那为什么不直接叫电子呢？
β衰变的衰变表达式为：
A ZX A Z+1Y
第一节 原子核、核素和同位素
第二节 放射性衰变 第三节 核辐射与物质的相互作用 第四节 放射性核素的制备 第五节 放射性标记化合物的贮存
第一节 原子核、核素和同位素
一、原子和原子核
1、原子
直径：10-10米 氢原子质量：1.6736×10-27 kg 原子质量单位：1u=1.660566 ×10-27 kg
由于A= λ · 而N= N0 e- λ t，若设A0 N,
和A分别表示原始放射性活度和经过时间t
后的放射性活度，则可得：
A= A0 e- λ t
这是一次衰变定律的另一数学表达式。 也是较为常用的表达式。
（二）衰变常数、半衰期 1、衰变常数λ
由dN/dt = -λ · N可得： -dN dt N
相反，当我们将原子核分裂成它的各组 成成分时，就需要供给能量ΔE 。因此，比
结合能反映了核的稳定性：其值越大，核越
稳定。
大多数核的比结合能为8MeV,而一些很轻
或很重的核，比结合能小。因此在轻核聚变
或重核裂变时，均会放出大量的能量，称为
“原子能”。
4、核裂变和核聚变
（1）核裂变
液滴模型：
235U
X代表原子的符号，A和Z分别表示质量数和质子
数。如碳-14核素可表示为： 146C 或14C。
核素可分为稳定核素和不稳定核素
（也称放射性核素）。
不稳定核素：能自发地改变核结构，
放射出某种射线而转变成另一种原子核
的原子。
同位素：具有相同的Z值而A值不同的一
系列核素称为该元素的同位素，它们之间
也互称为同位素。
也即：1 Bq = 1 dps （ degradation per second）。 1 dps = 60 dpm
用仪器测量时常用下列单位：
cps ( counts per second )
+ 1n
90Sr
+
90Sr
143Xe
+ 3 1n
235U
143Xe
此反应是一个释放巨量热量的放热反应，1摩 尔的 235U 裂变释放的能量为 2.0 ×1013 焦耳 而燃烧一吨煤的热量约为 2.0 ×108 焦耳。
235U裂变的另一个重要特点是：中子的产额比原
先捕获的多。这意味着什么呢？
链 式 反 应
过程称为电子俘获。由于 K层电子最靠近
核，被俘获的几率最大，所以电子俘获有时
也叫K俘获。其衰变过程可表达为：
A ZX + -1 e A Z-1Y
+v+Q
一个实例：
125 53I + -1 e 125 52Te
+v+Q
对于电子俘获衰变来说，除有些核处于激发 态而发出γ射线外，核并不放出任何易探测的 辐射。但却有次级辐射即X特征射线及俄歇电 子放出。
2、原子核
由质子（p）和中子（n）组成，因此又
将其统称为核子。中子比质子略重。
所有元素的原子质量都接近某一整数，
我们将其称为质量数（A）。
用Z表示质子数，N表示中子数，则：
A=N+Z
3、原子核的结合能和质量亏损
原子核由质子和中子构成，但是核质量 小于其核子质量之和，即： M核 < Z M P + N Mn 这是为什么呢？
（一）核素示踪技术应用
在农业科学上的应用已有六十余年的历
史，现已成为一项应用广泛的先进技术。
例如：美国、前苏联五十年代研究磷肥合
理使用，改进施肥方法，收到了上千万美
元的经济效益。
（二）核辐射在农业上的应用
1、作物辐射育种。
2、食品贮藏。 3、辐射昆虫不育防治害虫。 4、低剂量辐射刺激增产。
第一章核物理和核化学基础
X射线发射
K
L
M
俄歇电子发射
电子俘获后的次级辐射示意图
（五）γ 衰变
从原子核里放射出γ射线的过程称γ 衰变。 γ 射线与α、β -、β+等不同，它是一种不 带电的高能电磁波，是核从激发态跃迁到较 低能态或基态时的产物。 γ 射线与X射线无本质区别。一般来讲， γ 射线的波长较短，能是较高，是从核里 发射出来的。
A ZX A-4
Y + 42He +Q Z-2
α粒子的性质
（1）具有很强的电离作用和照相作用， 在磁场中会偏转，但贯穿本领很小（一 张纸就能挡住）。 （2）能量是单一的。
一个实例：
226 88Ra 222 Rn 86 222
Rn + 42He +Q 86 218 Po + 4 He +Q 2 84
一般地讲，每一种元素都有一种以上的
同位素，多的达十几种。例如：碳元素有 13种同位素，其中11种是放射性同核素。
第二节 放射性衰变
研究表明：原子核的稳定性与其核内中
子数与质子数的比例有关。对于稳定的原
子核：在原子序数较低时，其值接近1，而
z值较大时，其值接近1.5。也就是说，当
某核素内中子数与质子数之比偏离此值时，