核與化學損傷/原子核及原子核的轉變

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核武器與化學武器損傷

核物理基礎
- 原子核及原子核的轉變
- 放射與物質的相互作用
- 輻射量及其單位

一、原子核
　　原子核（nucleus）是由帶正電的質子（proton）和不帶電的中子（neutron）組成，質子和中子統稱為核子(nucleon)。在中性原子中，原子核內的質子數等於核外電子數，也代表核電荷數，稱為原子序數，用Z表示。原子核內的質子數與中子數之和稱為質量數，用A表示。原子核內的中子數即為A-Z，若以X代表某種元素，則 ^A_ZX表示元素的原子核組成。
　　（一）元素（element）：原子核內具有相同電荷數的同一類原子稱為元素。

（二）核素（nuclide）：原子核內質子數、中子數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，這些原子核中的質子數都相同，但中子數不相同。同一種元素的各種核素又稱為同位素，因為它們在「元素周期表」中占同一位置，例如：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。
　　（四）同質異能素（isomer）：兩種核素若中子數和質子數都相同，而僅僅是能量狀態不同，被稱為同質異能素。例如：⁹⁹Tc^m與⁹⁹Tc是同質異能素。
　　二、質量、能量守恆和原子核結合能
　　（一）質量虧損（mass defect）
　　原子核是由中子和質子組成，但原子核的質量與核內中子的質量和質子的質量之和並不相等。例如：
　　氦原子的質量M( )＝4.002603原子質量單位（u）
　　氫原子的質量M( )＝1.007825u
　　中子的質量M(n)＝1.008665u
　　氦核（）是由2個質子（即2個氫原子）與2個中子組成的，把2個氫原子和2個中子的質量相加為：
　　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
　　以上計算表明，當二個中子和二個質子組成一個氦核時，要損失△M＝0.030377u的質量。對於其它所有的原子核，都可通過計算證明，原子核的質量並不等於其核內中子質量和質子質量之和，△M即為「質量虧損」。
　　（二）核力（nuclear potential）
　　原子核是由核子(中子和質子)組成的，在核內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；核力具有「飽和」的性質，一個核子只能與鄰近的、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合在一起構成。核子在組成原子核時，必然會對外作功，即放出能量。
　　（三）質量和能量聯繫定律
　　質量和能量是物質同時具有的兩種屬性。任何具有一定質量的物質必然與一定的能量相聯繫。
　　設：E＝能量（J），M＝質量（kg），C＝光速（3×10⁸m/s），則E＝MC²
　　在任何有能量變化的場合總是伴隨著有質量的變化。同樣如果任何物質的質量改變了，那麼它相應的能量也發生改變。
　　（四）原子核結合能（binding energy of nucleus）
　　若干個核子結合成原子核時釋放出來的能量叫該原子核的結合能。結合能越大，表示核子結合成原子核時放出的能量也越大，也表示這個核結合得越緊。原子核的結合能與核的質量數（即核子數）的比值稱為「核子的平均結合能」（圖1-1）。
　
圖1－1　核子平均結合能曲線
　　對於質量數為中等數值的那些原子核，每一個核子的平均結合能最大；而質量數較大的重核區，或較小的輕核區的原子核中，核子的平均結合能都比較小，因此，當重原子核分裂成中等質量的核時，核子在較輕的核內會結合得更緊密，就可能會大量釋放能量；當兩個較輕的核發生聚合時，釋放出的能量更大。
　　三、原子核的轉變
　　（一）核衰變（nuclear decay）
　　某些核素的原子核自發地放出α、β等粒子而轉變成另一種核素的原子核，或是原子核從它的激發態躍遷到基態時，放出光子（γ線），這些過程稱為核衰變。
　　1．核衰變類型
　　（1）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粒子就是高速運動的氦原子核。α粒子由2個質子和2個中子組成，所帶正電荷為2e，其質量為氦核的質量。通常把衰變前的核稱為母核，衰變後的核稱為子核。放射性核素的原子核發生α衰變後形成的子核較母核的原子序數即核電荷數減少2，在周期表上前移2位（左移法則），而質量數較母核減少4，可用下式表示：
　　
　　α衰變是重元素原子核的特點，發生α衰變的天然放射性核素絕大部分屬於原子序數Z＞82的核素。
　　（2）β衰變（beta decay）
　　當一個原子核電荷數改變±1，而質量數保持不變時，這種核衰變叫β衰變。
　　β^-衰變是指從核內放射出一個負電子e^-的過程。這裡子核的質量數與母核質量數相同，只是生成的子核增加了一個質子。所以，原子序數增加1，即在元素周期表中後移一位（右移法則）。由原子核發射的電子叫做β粒子。可用下式表示：
　　
　　β^-衰變可以看成是母核中的一個中子轉化為質子，同時放出β^-粒子和中微子。
　　 n—→p+β^-+ν
　　（3）γ衰變（gamma decay）
　　各種類型的核衰變往往形成處於激發態的子核；由於受快速粒子轟擊或吸收光子也可以使原子核處於激發態。處於激發態的原子核是不穩定的，它可以直接退激到基態。原子核從激發態向較低能態或基態躍遷時發射光子的過程，稱為γ衰變。

　　在γ衰變過程中，原子核的質量和原子序數都沒有改變，僅僅是原子核的能量狀態發生發生了改變，因而這種變化叫做同質異能躍遷。
　　2．衰變規律（law of radioactive decay）
　　放射性核素的衰變與周圍環境的溫度、壓力和溫度等無關，它遵循指數衰減規律。即每秒內衰變的原子數與現存的放射性原子數量呈比例。例如，某种放射性核素最初共有No個原子，經過時間t以後，只剩下N個，則N和No之間的關係為
　　 N=Noe^-λt
　　其中，λ為衰變常數，表示各核素衰變的相對速度，即每秒衰變的核數為原有放射性核數的幾分之幾。其單位是時間單位的倒數（1/s、1/min等）。
　　3．半衰期（half-life time）
　　放射性原子核數因衰變而減少到原來的一半所需要的時間稱為半衰（T_1/2）。它與衰變常數λ有如下的關係：
　　 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。幾種醫學上常用放射性核素的半衰期是：
　　²⁴₁₁Na的T_1/2＝15.6小時，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（nuclear reaction）
　　若原子核由於外來的原因，如帶電粒子的轟擊，吸收中子或高能光子照射等，引起核結構的改變，則稱為核反應。
　　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個質量較輕的新原子核，是時放出2～3個中子和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。核裂變過程會放出大量能量。
　　2．核聚變（unclear fusion）
　　兩個輕原子核在一定條件下結合成較重的原子核的反應稱為輕核聚變反應。在這過程中也會放出中子和大量能量。由於聚變反應要在極高溫度下才能進行，所以這種反應又稱為「熱核反應」。例如：氘和氚在極高的溫度下，聚合成氦核並放出中子和大量能量。熱核反應放出的能量比重核裂變反應放出的能量要大得多。