核與化學(xué)損傷/原子核及原子核的轉(zhuǎn)變

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核武器與化學(xué)武器損傷

核物理基礎(chǔ)
- 原子核及原子核的轉(zhuǎn)變
- 放射與物質(zhì)的相互作用
- 輻射量及其單位

一、原子核
　　原子核（nucleus）是由帶正電的質(zhì)子（proton）和不帶電的中子（neutron）組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子(nucleon)。在中性原子中，原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù)，也代表核電荷數(shù)，稱為原子序數(shù)，用Z表示。原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和稱為質(zhì)量數(shù)，用A表示。原子核內(nèi)的中子數(shù)即為A-Z，若以X代表某種元素，則 ^A_ZX表示元素的原子核組成。
　?。ㄒ唬┰兀╡lement）：原子核內(nèi)具有相同電荷數(shù)的同一類原子稱為元素。

（二）核素（nuclide）：原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)完全相同的一類原子稱為核素。³²P和⁶⁰Co等具有放射性，稱為放射性核素。
　　（三）同位素（isotope）：一種元素可以包含多種核素，這些原子核中的質(zhì)子數(shù)都相同，但中子數(shù)不相同。同一種元素的各種核素又稱為同位素，因?yàn)樗鼈冊(cè)凇霸刂芷诒怼敝姓纪晃恢?，例如?sup>1H、²H、³H是不同的核素，但它們都是氫元素，故把它們叫同位素。
　?。ㄋ模┩|(zhì)異能素（isomer）：兩種核素若中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同，而僅僅是能量狀態(tài)不同，被稱為同質(zhì)異能素。例如：⁹⁹Tc^m與⁹⁹Tc是同質(zhì)異能素。
　　二、質(zhì)量、能量守恒和原子核結(jié)合能
　　（一）質(zhì)量虧損（mass defect）
　　原子核是由中子和質(zhì)子組成，但原子核的質(zhì)量與核內(nèi)中子的質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量之和并不相等。例如：
　　氦原子的質(zhì)量M( )＝4.002603原子質(zhì)量單位（u）
　　氫原子的質(zhì)量M( )＝1.007825u
　　中子的質(zhì)量M(n)＝1.008665u
　　氦核（）是由2個(gè)質(zhì)子（即2個(gè)氫原子）與2個(gè)中子組成的，把2個(gè)氫原子和2個(gè)中子的質(zhì)量相加為：
　　2×M( )＋2×M(n)＝2×1.007825u＋2×1.008665u＝4.032980u與氦（）的原子量不相等，其差值為：
　　△M＝［2M（）＋2M(n)］－M（）＝4.032980u－4.002603u＝0.030377u
　　以上計(jì)算表明，當(dāng)二個(gè)中子和二個(gè)質(zhì)子組成一個(gè)氦核時(shí)，要損失△M＝0.030377u的質(zhì)量。對(duì)于其它所有的原子核，都可通過計(jì)算證明，原子核的質(zhì)量并不等于其核內(nèi)中子質(zhì)量和質(zhì)子質(zhì)量之和，△M即為“質(zhì)量虧損”。
　?。ǘ┖肆Γ╪uclear potential）
　　原子核是由核子(中子和質(zhì)子)組成的，在核內(nèi)的核子間還存在著一種特殊的相互作用力——核力。它的特性是：核力是“短程作用”的力；核力作用與核子帶不帶電無關(guān)；核力具有“飽和”的性質(zhì)，一個(gè)核子只能與鄰近的、而不能同所有的核子都起相互作用。
　　原子核是由核子依靠核力相吸而緊密地結(jié)合在一起構(gòu)成。核子在組成原子核時(shí)，必然會(huì)對(duì)外作功，即放出能量。
　?。ㄈ┵|(zhì)量和能量聯(lián)系定律
　　質(zhì)量和能量是物質(zhì)同時(shí)具有的兩種屬性。任何具有一定質(zhì)量的物質(zhì)必然與一定的能量相聯(lián)系。
　　設(shè)：E＝能量（J），M＝質(zhì)量（kg），C＝光速（3×10⁸m/s），則E＝MC²
　　在任何有能量變化的場(chǎng)合總是伴隨著有質(zhì)量的變化。同樣如果任何物質(zhì)的質(zhì)量改變了，那么它相應(yīng)的能量也發(fā)生改變。
　　（四）原子核結(jié)合能（binding energy of nucleus）
　　若干個(gè)核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放出來的能量叫該原子核的結(jié)合能。結(jié)合能越大，表示核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量也越大，也表示這個(gè)核結(jié)合得越緊。原子核的結(jié)合能與核的質(zhì)量數(shù)（即核子數(shù)）的比值稱為“核子的平均結(jié)合能”（圖1-1）。
　
圖1－1　核子平均結(jié)合能曲線
　　對(duì)于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一個(gè)核子的平均結(jié)合能最大；而質(zhì)量數(shù)較大的重核區(qū)，或較小的輕核區(qū)的原子核中，核子的平均結(jié)合能都比較小，因此，當(dāng)重原子核分裂成中等質(zhì)量的核時(shí)，核子在較輕的核內(nèi)會(huì)結(jié)合得更緊密，就可能會(huì)大量釋放能量；當(dāng)兩個(gè)較輕的核發(fā)生聚合時(shí)，釋放出的能量更大。
　　三、原子核的轉(zhuǎn)變
　　（一）核衰變（nuclear decay）
　　某些核素的原子核自發(fā)地放出α、β等粒子而轉(zhuǎn)變成另一種核素的原子核，或是原子核從它的激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)，放出光子（γ線），這些過程稱為核衰變。
　　1．核衰變類型
　?。?）α衰變（alpha decay）
　　放射性核素的原子核放射α粒子而變另一種核素的原子核的過程為α衰變。α粒子就是高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核。α粒子由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成，所帶正電荷為2e，其質(zhì)量為氦核的質(zhì)量。通常把衰變前的核稱為母核，衰變后的核稱為子核。放射性核素的原子核發(fā)生α衰變后形成的子核較母核的原子序數(shù)即核電荷數(shù)減少2，在周期表上前移2位（左移法則），而質(zhì)量數(shù)較母核減少4，可用下式表示：
　　
　　α衰變是重元素原子核的特點(diǎn)，發(fā)生α衰變的天然放射性核素絕大部分屬于原子序數(shù)Z＞82的核素。
　　（2）β衰變（beta decay）
　　當(dāng)一個(gè)原子核電荷數(shù)改變±1，而質(zhì)量數(shù)保持不變時(shí)，這種核衰變叫β衰變。
　　β^-衰變是指從核內(nèi)放射出一個(gè)負(fù)電子e^-的過程。這里子核的質(zhì)量數(shù)與母核質(zhì)量數(shù)相同，只是生成的子核增加了一個(gè)質(zhì)子。所以，原子序數(shù)增加1，即在元素周期表中后移一位（右移法則）。由原子核發(fā)射的電子叫做β粒子。可用下式表示：
　　
　　β^-衰變可以看成是母核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，同時(shí)放出β^-粒子和中微子。
　　 n—→p+β^-+ν
　?。?）γ衰變（gamma decay）
　　各種類型的核衰變往往形成處于激發(fā)態(tài)的子核；由于受快速粒子轟擊或吸收光子也可以使原子核處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的，它可以直接退激到基態(tài)。原子核從激發(fā)態(tài)向較低能態(tài)或基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射光子的過程，稱為γ衰變。

　　在γ衰變過程中，原子核的質(zhì)量和原子序數(shù)都沒有改變，僅僅是原子核的能量狀態(tài)發(fā)生發(fā)生了改變，因而這種變化叫做同質(zhì)異能躍遷。
　　2．衰變規(guī)律（law of radioactive decay）
　　放射性核素的衰變與周圍環(huán)境的溫度、壓力和溫度等無關(guān)，它遵循指數(shù)衰減規(guī)律。即每秒內(nèi)衰變的原子數(shù)與現(xiàn)存的放射性原子數(shù)量呈比例。例如，某種放射性核素最初共有No個(gè)原子，經(jīng)過時(shí)間t以后，只剩下N個(gè)，則N和No之間的關(guān)系為
　　 N=Noe^-λt
　　其中，λ為衰變常數(shù)，表示各核素衰變的相對(duì)速度，即每秒衰變的核數(shù)為原有放射性核數(shù)的幾分之幾。其單位是時(shí)間單位的倒數(shù)（1/s、1/min等）。
　　3．半衰期（half-life time）
　　放射性原子核數(shù)因衰變而減少到原來的一半所需要的時(shí)間稱為半衰（T_1/2）。它與衰變常數(shù)λ有如下的關(guān)系：
　　 T_1/2=0.693/λ
　　不同核素的T_1/2值差別很大，例如²³²Th的半衰期為1.39×10¹⁰年，而²¹²P₀的半衰期只有3.0×10^-7秒。幾種醫(yī)學(xué)上常用放射性核素的半衰期是：
　　²⁴₁₁Na的T_1/2＝15.6小時(shí)，¹³¹₅₃I的T_1/2＝8.1天；³²₁₅P的T_1/2＝14.3天；⁵⁹₂₆Fe的T_1/2＝47.1天；⁶⁰₂₇Co的T_1/2＝5.3年；³₁H的T_1/2＝12.4年；¹⁴₆C的T_1/2＝5720年。
　　（二）核反應(yīng)（nuclear reaction）
　　若原子核由于外來的原因，如帶電粒子的轟擊，吸收中子或高能光子照射等，引起核結(jié)構(gòu)的改變，則稱為核反應(yīng)。
　　1．核裂變（nuclear fission）
　　一些重元素的原子核，例如²³³U、²³⁵U、²³⁹U在中子的轟擊下能分裂成2個(gè)質(zhì)量較輕的新原子核，是時(shí)放出2～3個(gè)中子和γ光子。新分裂的原子核也叫核裂碎片，它們可以是原子序數(shù)從30到64的各種元素的多種同位素，一般都具有放射性。核裂變過程會(huì)放出大量能量。
　　2．核聚變（unclear fusion）
　　兩個(gè)輕原子核在一定條件下結(jié)合成較重的原子核的反應(yīng)稱為輕核聚變反應(yīng)。在這過程中也會(huì)放出中子和大量能量。由于聚變反應(yīng)要在極高溫度下才能進(jìn)行，所以這種反應(yīng)又稱為“熱核反應(yīng)”。例如：氘和氚在極高的溫度下，聚合成氦核并放出中子和大量能量。熱核反應(yīng)放出的能量比重核裂變反應(yīng)放出的能量要大得多。