大學(xué)物理原子核

1、第十四章 原子核,核歷史——點滴瑪麗·居里以自己的勤奮和天賦，在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，都作出了杰出的貢獻，是唯一一位在兩個不同學(xué)科領(lǐng)域、兩次獲得諾貝爾獎的著名科學(xué)家。發(fā)現(xiàn)放射性元素釙(Po)和鐳(Ra)。,第十四章 原 子 核,最早發(fā)現(xiàn)是一個名叫貝克勒爾的人。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，標(biāo)志著原子核物理學(xué)的開端。因此他和居里夫婦共同獲得1903年的諾貝爾物理學(xué)獎。,1952年10月31日，世界第一枚氫彈在太平洋馬紹爾群島

2、一個環(huán)礁上成功爆炸，核當(dāng)量高達1000萬噸，相當(dāng)于700枚廣島原子彈，把一個直徑1.6公里的小島活生生地炸沒了，燃起火球直徑就超過了5公里。,1967年6月17日，我國第一顆氫彈在羅布泊爆炸成功。,1964年10月16日，中國第一次將原子核裂變的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。,☆ 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)☆ 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)☆ 放射性核素☆ 核磁共振,第十四章 原 子 核,第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),一、原子

3、核的組成與質(zhì)量,1. 原子核的電荷數(shù)(nuclear charge)Z: 原子序數(shù)(nuclear number) Z：2. 核子(nucleon): 組成原子核的質(zhì)子和中子.,原子質(zhì)量單位(atomic mass unit) u,3. 原子核的質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)A:,4. 核素(nuclide)：一類具有確定的質(zhì)子數(shù)、核子數(shù)和能量狀態(tài)的中性原子稱為核素。用符號 或 。,同位素(isotope)：同一種元素的

4、核內(nèi)可以含有多種核子數(shù)，即它們具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同, 它們在元素周期表占據(jù)同一位置, 具有相同的化學(xué)性質(zhì)。如氫的同位素 。,同量異位素(isobar)：質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核數(shù)。如 。,同核異能素(isomer)：質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同而處在不同能量狀態(tài)的一類核數(shù)。如 。,同中子異位素(isotone)：中子數(shù)

5、相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核數(shù)。如 。,第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),1. 質(zhì)量虧損(mass defect):,2. 結(jié) 合 能(binding energy):,二、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能,第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),3. 比結(jié)合能(specific binding energy):,物理意義：若把一個核子放入原子核里，則平均釋放能量?。反之若從核內(nèi)取出一個核子，

6、則需要克服原子核對核子的引力平均做功? 。因此， ? 越大，表示核子間結(jié)合得越緊密， ? 的大小可以作為核穩(wěn)定性的量度。,自然界中各種核的結(jié)合能相差甚大，但比結(jié)合能卻相差不大, 如下頁圖。,重核裂變：原子彈、原子能反應(yīng)堆等輕核聚變：氫彈等,第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),1. 原子核的大小:,原子核的密度:,核半徑比原子半徑小106倍。豌豆粒大小的核(~ mm)，其原子半徑約為~ km 。,普通物質(zhì)

7、的密度:,三、原子核的基本性質(zhì),第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),核力：核子之間存在的一種短程強吸引力。（1）核力是一種短程力；（2）核力與電荷無關(guān)；（3）核力是具有飽和性的交換力。,2. 核力(nuclear force),第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),有些核素的原子核是不穩(wěn)定的，能自發(fā)地放出由某些離子組成的射線后變?yōu)榱硪环N核素，這類核素稱為放射性核素。 如鈾，钚等元素周期表中序數(shù)

8、較大的元素。放射性，核衰變。,衰變的類型?粒子： 核?粒子：電子； ?+粒子：正電子?光子：能量高于X射線守恒規(guī)律：電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量、動量和核子數(shù)。,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),1. ?衰變:,(1) ?衰變：質(zhì)量數(shù)A>209的放射性核素自發(fā)地放射? 射線而變成 另一種核素的現(xiàn)象。,(2) ?衰變過程式:,(3) ?衰變位移法則：子核Y比母核X 電荷數(shù)減少2，核子數(shù)減少4，在

9、 元素周期表要前移2位。,(4) ?衰變綱圖：,一、 放射性衰變,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),2. ?衰變,(2) ??衰變：,(3) ?+衰變：,(4) 電子俘獲：,(1) ?衰變：放射性核素自發(fā)地放射?射線（高速電子） 或俘獲軌道電子而變成另一種核素的現(xiàn)象。,(5) 俄歇電子(Auger electron)：一個內(nèi)層電子被俘獲后，外層電子會立即填補這一空位，同時釋放能量。這個能量可以發(fā)射標(biāo)識X射線的形式放出，也

10、可以使另一外層電子電離成為自由電子。這種被電離的電子稱為俄歇電子。,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),(6) ?能譜圖：,由于?衰變過程中有中微子參與，衰變所放出的能量將在電子、中微子和子核之間任意分配，因此?射線的能譜是連續(xù)的。,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),(1) ? 衰變: 同核異能躍遷.,(2) 內(nèi)轉(zhuǎn)換: 在某些情況下, 原子核從激發(fā)態(tài)向低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷時, 不是通過放出光子, 而是通過核外電子發(fā)生能量交換把能量

11、交給電子, 使其脫離原子的束縛成為自由電子——內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。,(3) 內(nèi)轉(zhuǎn)換過程中, 由于釋放電子而在原子的內(nèi)殼層出現(xiàn)空位，外層電子將會填充這個空位而發(fā)射標(biāo)識X射線或俄歇電子。,3. ?衰變與內(nèi)轉(zhuǎn)換,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),(4) 衰變綱圖：,,,,,,,,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),1. 核衰變規(guī)律:,2. 半衰期(half life):,積分得：,?為衰變常數(shù)(decay constant)：表示一個原子核單位

12、時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。,二、衰變規(guī)律,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),3．有效半衰期(effective half life period),4．平均壽命(mean life time),半衰期、平均壽命與衰變常數(shù)的關(guān)系：,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),5. 放射性活度(radioactivity),單位：1Bq=1核衰變/秒 1Ci(居里)=3.7?1010 Bq,放射源單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的母核數(shù)，稱

13、為放射性活度。,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),反應(yīng)能：Q = EY+Eb?Ea,反應(yīng)后質(zhì)量虧損：?m =(mX+ma)?(mY+mb),反應(yīng)能：?E=?mc2，?m>0，放出能量；?m<0，吸收能量。,三、人工核反應(yīng)(artificial nuclear reaction ),第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),1. 中子核反應(yīng) (n,?), (n,p), (n,?), (n,2n),2. 質(zhì)子核反應(yīng) (p,?), (

14、p,n), (p,?),3. 氘核的核反應(yīng) (d, p), (d,n), (d,?), (d, 3H), (d,2n),4. ?粒子的核反應(yīng)(?, p), (?, n),5. 光致核反應(yīng) (?, n),第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),照射劑量就是單位體積或單位質(zhì)量被照射物質(zhì)所吸收的能量；測量照射劑量主要依據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干燥空氣中測量輻射產(chǎn)生的電離效應(yīng)，即測量X射線和?射線在單位質(zhì)量空氣中產(chǎn)生的正（或負(fù)）離子電量來表征X射線和

15、?射線的照射量。單位：C/kg或倫琴(R)；1R=2.58×10－4 C/kg,第三節(jié) 放射性核素,一、放射線劑量(irradiation dose),1. 照射劑量 (exposure dose),吸收劑量是被照射物質(zhì)單位質(zhì)量所吸收的電離能量；它是衡量單位質(zhì)量受照射物質(zhì)吸收輻射能量多少的一個物理量。,單位：J/kg或戈瑞(Gy)；1 Gy = 1 J/kg; 拉德(rad) ； 1 Gy =

16、100 rad,2. 吸收劑量 (absorbed dose),第三節(jié) 放射性核素,生物體內(nèi)單位質(zhì)量的組織，從各種射線中吸收同樣多能量，所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)有很大差別，這是因為射線對細(xì)胞的損傷，不但與它吸收的能量和產(chǎn)生的離子有關(guān)，還與電離的密集程度有關(guān)。書中表14-4 是射線的RBE。,單位：希沃特(Sv),3. 生物相對有效倍數(shù)和生物等效劑量,第三節(jié) 放射性核素,由表14-4可知, ?粒子的RBE=20, ?粒子的RBE=1

17、, 所以甲的肺組織受到的等效劑量為：2?10 ?3?20=4.0?10 ?2 Sv 同理,乙的肺組織受到等效劑量為： 1?10 ?3?20+1?10 ?3?1=2.1?10 ?2 Sv 相比之下，甲受到的輻射影響比乙大。,例 有甲、乙兩人, 甲的肺組織受?粒子照射, 吸收劑量為2mGy. 乙的肺組織受?粒子照射, 吸收劑量為1mGy，同時還受到?粒子照射, 吸收劑量也為1mGy。試比

18、較這兩人所受射線影響的大小。,,第三節(jié) 放射性核素,（1） 最大容許劑量(maximum permissible dose) 放射線雖可用來診斷和治療疾病，但人體正常組織如果受到過劑量的照射，人體將會受到損害。因此，在應(yīng)用放射線的同時，要注意對它的防護。 國際上規(guī)定了一個最大的容許劑量,即經(jīng)過一次照射成長期積累，對人體沒有損害又不發(fā)生遺傳危害的最大劑量限值。 從業(yè)人員: 50 mSv/a;

19、 居 民: 5 mSv/a .,4. 輻射的防護,第三節(jié) 放射性核素,(2) 外照射防護因為不同放射線的性質(zhì)不同，采取的防護措施也不一樣。? 射線的電離能力很強, 但射程短，穿透能力小。 由? 射線不可能由體表深入體內(nèi)，故對外照射只要戴上手套即可;? 射線和? 射線穿透能力強，外照射不容忽視，對? 射線常用含有中等原子序效的物質(zhì)作屏蔽材料，如各種塑料和有機玻璃。? 射線對重原子序數(shù)物質(zhì)易引起起韌致輻射(高速帶電

20、粒子急劇減速時發(fā)出的電磁輻射)，后者對人體健康亦不利，故不宜采用。?射線不存在這一問題，故多用重原子序數(shù)物質(zhì)如鉛、混凝土等來屏蔽。,第三節(jié) 放射性核素,除采用屏蔽措施外，還應(yīng)注意保護環(huán)境。對于含有放射性物質(zhì)的廢物，要妥善處理，不要隨便棄置。,(3) 內(nèi)照射防護用放射性核素注入體內(nèi)進行的照射叫內(nèi)照射。 ? 射線源進入體內(nèi)，由于其電離比值高，產(chǎn)生電離作用將對人體造成極大危害。故工作時要待別防止? 射線源由呼吸道、食管或外傷傷口進入體內(nèi)。

21、,第三節(jié) 放射性核素,放射性核素在診斷和治療方面都有重要應(yīng)用。體現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展水平的核醫(yī)學(xué)，在醫(yī)學(xué)診療中起著越來越重要的作用。,用放射性核素作為示蹤原子，以研究其在體內(nèi)的分布、轉(zhuǎn)移和代謝。并借助它們放出的射線，在體外探查該元素的行蹤，這種方法叫示蹤原子法。此外還有體外標(biāo)本測量法和放射自顯影。,二、放射性核素在醫(yī)藥方面的應(yīng)用,1. 示蹤的原理,第三節(jié) 放射性核素,治療腫瘤的一種有效的物理療法，從射線照射方式可分為外照射、近距離照射和

22、內(nèi)照射，臨床常用的外照射有60Co治療機、醫(yī)用直線加速器和?-刀等。,放射診斷主要是指核素成像，是一種利用放射性核素示蹤方法顯示人體內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，常見有?照射機、SPECT和PET等。,3. 放射治療,2. 放射診斷,第三節(jié) 放射性核素,正電子發(fā)射型計算機斷層(PET)原理,(1) 概念： PET是將發(fā)射正電子的同位素藥物注入人體之后，探測正電子在體內(nèi)被電子俘獲產(chǎn)生湮滅反應(yīng)時沿相反方向發(fā)出的兩個能量為0.511 Me

23、V的光子，從而獲得正電子標(biāo)記藥物在體內(nèi)的三維密度分布，以及這種分布隨時間變化的信息. 即一種探測注入體內(nèi)的放射性核素放射出的? +產(chǎn)生湮沒光子對而實現(xiàn)斷層成像。 例: 13N----13C+ ? + + ? +Q ? ++ ? ----2? (能量為 0.511MeV, 方向相反傳播的光子 ),第三節(jié) 放射性核素,(2) 采用自準(zhǔn)直符合探測原理,(1) 只有 a有信號輸出；

24、(2) b、c因不符合對稱電路,無信號輸出；(3) 湮沒光子位置與產(chǎn)生? +位置接近(1~2mm),第三節(jié) 放射性核素,PET正電子同位素由回旋加速器產(chǎn)生，如采用加速至9MeV的氘離子束轟擊氖氣靶產(chǎn)生18F，再經(jīng)化學(xué)合成得到所需藥物。常見PET標(biāo)記藥物及主要用途為：,PET 示蹤藥物,第三節(jié) 放射性核素,63歲左側(cè)下喉癌患者的CT 與PET圖像的融合,第三節(jié) 放射性核素,CT 與PET圖像融合，確定胸骨上損傷的位置，同時可見

25、右側(cè)腋窩處有一腫大的淋巴結(jié)。,第三節(jié) 放射性核素,PET掃描揭示悲哀時女性腦部(左)比男性腦部(右)更具代謝活性,第三節(jié) 放射性核素,（1） 核子（質(zhì)子和中子）與電子一樣具有自旋， 與之相聯(lián)系的有自旋角動量 和 自旋磁矩。,第四節(jié) 核磁共振,,一、 核子的自旋與磁矩,質(zhì)子和中子自旋角動量,自旋量子數(shù)：I=1/2,自旋磁量子數(shù)：mI=?1/2,自旋角動量大?。?LI在 Z 軸（外磁場）方向上的投影,(簡稱

26、 自旋),第四節(jié) 核磁共振,原子核內(nèi)核子的固有角動量和軌道角動量的矢量和。 式中 I 為自旋量子數(shù)(spin quantum number) 偶-偶核, 12C, 16O等, I =0； 奇-偶核, 1H, 31P等, I =n/2, (n=1,3,5, · · · )； 奇-奇核, 6Li, 14N等, I =n, (n=1,2, 3, &

27、#183; · · )。,二、原子核的自旋與磁矩,1. 原子核的角動量即核自旋(nuclear spin),第四節(jié) 核磁共振,2. 原子核的自旋角動量在空間某一選定方向(如z方向)上的投影也是量子化的,式中 m為磁量子數(shù): m =I， I–1，· · · –I+1，–I。共2I+1個可能取值，對應(yīng)該自旋核在外磁場中有2I+1個可能的取向。,第四節(jié) 核磁共振,式中 ?N = 5.05

28、08×10?27 J/T為核磁子。 質(zhì)子的g = 5.585694772。,式中 ? 為核自旋磁旋比。,3. 原子核的磁矩與原子核的自旋,4. 原子核的總磁矩及其在外磁場的分量也都是量子化的,第四節(jié) 核磁共振,自旋不為零的原子核與外磁場的相互作用，一方面產(chǎn)生核繞B的旋進，另一方面產(chǎn)生了核的附加能量，造成原子核能級的劈裂。當(dāng)頻率為10~100MHz的射頻(radio frequency，RF)電磁波對樣品照射，

29、 若RF電磁波的能量剛好等于原子核能級劈裂的能級差，就會出現(xiàn)樣品中的原子核強烈地吸收電磁波的能量，從劈裂后的低能級向相鄰的高能級躍遷的現(xiàn)象，這就是核磁共振現(xiàn)象中的共振吸收。,三、 核磁共振,1. 自旋核在磁場中的能級劈裂,第四節(jié) 核磁共振,2. 劈裂能級間的躍遷,（1）磁矩在外磁場作用下產(chǎn)生附加能量 m 只能取2I+1, 對I=1/2的氫核 m =1/2、–1/2,（2） 能級劈裂的間距，即裂距：,第四節(jié) 核

30、磁共振,3. 核磁（自旋核在磁場中與射頻電磁波）共振的條件 ——即雙方最大的交換能量的條件 ：,第四節(jié) 核磁共振,只有當(dāng)RF的角頻率?與外磁場B符合拉莫公式，才能發(fā)生能級躍遷，即共振吸收。,4. 拉莫（Larmor）公式,第四節(jié) 核磁共振,1. 核磁共振譜,以發(fā)生共振吸收的強度為縱坐標(biāo)，發(fā)生共振的頻率（或磁感應(yīng)強度）為橫坐標(biāo)，繪出一條共振吸收的強度與發(fā)生共振的頻率（或磁感應(yīng)強度）標(biāo)化的曲線，稱為核磁共振波譜，建立在此原理基礎(chǔ)上的一類

31、分析方法稱為核磁共振譜法。,應(yīng)用最普遍、最重要的是核磁共振譜，它能夠提供質(zhì)子類型及其化學(xué)環(huán)境、氫分布和核間關(guān)系等信息。,四、核磁共振譜(NMRS),第四節(jié) 核磁共振,2. 化學(xué)位移（the chemical shift）,（1）從公式? =?B0知，同一種核在固定的B0中，其共振譜線的位置是唯一的； 實際上，同一種類原子核處于不同的化合物分子中，譜線位置不同。原因：在B0中的樣品，其自旋核不是孤立的，而是被核外帶磁性的電子云所包圍，

32、即每一個自旋核具有不同的電子環(huán)境。使自旋核處于一個磁屏蔽之中，所以lamour公式變成：? =?(1??)B0 ，式中 ? 稱屏蔽常數(shù)(screening constant)與化合物的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)有關(guān)。同類自旋核處于不同的分子之中會有不同的?，因此它們會有不同的共振頻率。,第四節(jié) 核磁共振,（2） 化學(xué)位移：同種自旋核在相同的外磁場情況下，測試樣品中的自旋核的共振頻率與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的自旋核的共振頻率之差。 化學(xué)位移：,（3） 化

33、學(xué)位移也可以發(fā)生在同一分子的不同原子集團的同一自旋核。例如：乙醇的核磁共振譜NMRS有三個原子團 (OH\CH2\ CH3)三個不同位置的共振峰。,第四節(jié) 核磁共振,3. 自旋-自旋偶合（spin-spin coupling）,（1）基團間核自旋磁矩的相互作用引起;（2）與B0無關(guān);（3）CH3-基團通過結(jié)合電子與-CH2-兩個氫核發(fā)生作用, 使其 分裂成3條線;（4）-CH2-基團則受到CH3-和-CH2-

34、基團中5個 氫核的作用而 分裂成6條線;,（5）-CH2-（靠近-NO2）只受到左 邊-CH2-基團的兩個氫核的作 用而分裂成3條線；（6）規(guī)律（對于H核譜線條線）：某原子核集團的譜線條數(shù)受到周圍原子核集團同種核的個數(shù)n，其譜線則為n+1。,第四節(jié) 核磁共振,（1）MRS的原理 （a）化合物有自己特有特征峰的頻率位置; （b）共振峰下的面積正比于化合物

35、中自旋核的數(shù)量; （c）共振峰的形狀反映化合物的分子結(jié)構(gòu);（2）獲得MRS譜線的方法 （a）先用MRI取斷層圖像, 從中選出欲作MRI分析的部分; （b）用特制小線圈對檢測部位作RF激勵,該頻率變化范圍 稱作掃場范圍; （c）在作MRS分析時要采用抑制技術(shù)：例如 1H-MRS時要 對H2O峰作抑制, 作31P-MRS