第一篇　核武器损伤

第一章　核物理基础

第一节　原子核及原子核的转变

　　一、原子核

　　原子核（nucleus）是由带正电的质子（proton）和不带电的中子（neutron）组成，质子和中子统称为核子(nucleon)。在中性原子中，原子核内的质子数等于核外电子数，也代表核电荷数，称为原子序数，用Z表示。原子核内的质子数与中子数之和称为质量数，用A表示。原子核内的中子数即为A-Z，若以X代表某种元素，则 ^A_ZX表示元素的原子核组成。

　　（一）元素（element）：原子核内具有相同电荷数的同一类原子称为元素。

　　（二）核素（nuclide）：原子核内质子数、中子数完全相同的一类原子称为核素。³²P和⁶⁰Co等具有放射性，称为放射性核素。

　　（三）同位素（isotope）：一种元素可以包含多种核素，这些原子核中的质子数都相同，但中子数不相同。同一种元素的各种核素又称为同位素，因为它们在“元素周期表”中占同一位置，例如：¹H、²H、³H是不同的核素，但它们都是氢元素，故把它们叫同位素。

　　（四）同质异能素（isomer）：两种核素若中子数和质子数都相同，而仅仅是能量状态不同，被称为同质异能素。例如：⁹⁹Tc^m与⁹⁹Tc是同质异能素。

　　二、质量、能量守恒和原子核结合能

　　（一）质量亏损（mass defect）

　　原子核是由中子和质子组成，但原子核的质量与核内中子的质量和质子的质量之和并不相等。例如：

　　氦原子的质量M()＝4.002603原子质量单位（u）

　　氢原子的质量M()＝1.007825u

　　中子的质量M(n)＝1.008665u

　　氦核（）是由2个质子（即2个氢原子）与2个中子组成的，把2个氢原子和2个中子的质量相加为：

　　2×M()＋2×M(n)＝2×1.007825u＋2×1.008665u＝4.032980u与氦（）的原子量不相等，其差值为：

　　△M＝[2M（）＋2M(n)]－M（）＝4.032980u－4.002603u＝0.030377u

　　以上计算表明，当二个中子和二个质子组成一个氦核时，要损失△M＝0.030377u的质量。对于其它所有的原子核，都可通过计算证明，原子核的质量并不等于其核内中子质量和质子质量之和，△M即为“质量亏损”。

　　（二）核力（nuclear potential）

　　原子核是由核子(中子和质子)组成的，在核内的核子间还存在着一种特殊的相互作用力——核力。它的特性是：核力是“短程作用”的力；核力作用与核子带不带电无关；核力具有“饱和”的性质，一个核子只能与邻近的、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紧密地结合在一起构成。核子在组成原子核时，必然会对外作功，即放出能量。

　　（三）质量和能量联系定律

　　质量和能量是物质同时具有的两种属性。任何具有一定质量的物质必然与一定的能量相联系。

　　设：E＝能量（J），M＝质量（kg），C＝光速（3×10⁸m/s），则E＝MC²

　　在任何有能量变化的场合总是伴随着有质量的变化。同样如果任何物质的质量改变了，那么它相应的能量也发生改变。

　　（四）原子核结合能（binding energy of nucleus）

　　若干个核子结合成原子核时释放出来的能量叫该原子核的结合能。结合能越大，表示核子结合成原子核时放出的能量也越大，也表示这个核结合得越紧。原子核的结合能与核的质量数（即核子数）的比值称为“核子的平均结合能”（图1-1）。

图1－1　核子平均结合能曲线

　　对于质量数为中等数值的那些原子核，每一个核子的平均结合能最大；而质量数较大的重核区，或较小的轻核区的原子核中，核子的平均结合能都比较小，因此，当重原子核分裂成中等质量的核时，核子在较轻的核内会结合得更紧密，就可能会大量释放能量；当两个较轻的核发生聚合时，释放出的能量更大。

　　三、原子核的转变

　　（一）核衰变（nuclear decay）

　　某些核素的原子核自发地放出α、β等粒子而转变成另一种核素的原子核，或是原子核从它的激发态跃迁到基态时，放出光子（γ线），这些过程称为核衰变。

　　1．核衰变类型

　　（1）α衰变（alpha decay）

　　放射性核素的原子核放射α粒子而变另一种核素的原子核的过程为α衰变。α粒子就是高速运动的氦原子核。α粒子由2个质子和2个中子组成，所带正电荷为2e，其质量为氦核的质量。通常把衰变前的核称为母核，衰变后的核称为子核。放射性核素的原子核发生α衰变后形成的子核较母核的原子序数即核电荷数减少2，在周期表上前移2位（左移法则），而质量数较母核减少4，可用下式表示：

　　α衰变是重元素原子核的特点，发生α衰变的天然放射性核素绝大部分属于原子序数Z＞82的核素。

　　（2）β衰变（beta decay）

　　当一个原子核电荷数改变±1，而质量数保持不变时，这种核衰变叫β衰变。

　　β^-衰变是指从核内放射出一个负电子e^-的过程。这里子核的质量数与母核质量数相同，只是生成的子核增加了一个质子。所以，原子序数增加1，即在元素周期表中后移一位（右移法则）。由原子核发射的电子叫做β粒子。可用下式表示：

　　β^-衰变可以看成是母核中的一个中子转化为质子，同时放出β^-粒子和中微子。

　　 n—→p+β^-+ν

　　（3）γ衰变（gamma decay）

　　各种类型的核衰变往往形成处于激发态的子核；由于受快速粒子轰击或吸收光子也可以使原子核处于激发态。处于激发态的原子核是不稳定的，它可以直接退激到基态。原子核从激发态向较低能态或基态跃迁时发射光子的过程，称为γ衰变。

　　在γ衰变过程中，原子核的质量和原子序数都没有改变，仅仅是原子核的能量状态发生发生了改变，因而这种变化叫做同质异能跃迁。

　　2．衰变规律（law of radioactive decay）

　　放射性核素的衰变与周围环境的温度、压力和温度等无关，它遵循指数衰减规律。即每秒内衰变的原子数与现存的放射性原子数量呈比例。例如，某种放射性核素最初共有No个原子，经过时间t以后，只剩下N个，则N和No之间的关系为

　　 N=Noe^-λt

　　其中，λ为衰变常数，表示各核素衰变的相对速度，即每秒衰变的核数为原有放射性核数的几分之几。其单位是时间单位的倒数（1/s、1/min等）。

　　3．半衰期（half-life time）

　　放射性原子核数因衰变而减少到原来的一半所需要的时间称为半衰（T_1/2）。它与衰变常数λ有如下的关系：

　　 T_1/2=0.693/λ

　　不同核素的T_1/2值差别很大，例如²³²Th的半衰期为1.39×10¹⁰年，而²¹²P₀的半衰期只有3.0×10^-7秒。几种医学上常用放射性核素的半衰期是：

　　²⁴₁₁Na的T_1/2＝15.6小时，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）核反应（nuclear reaction）

　　若原子核由于外来的原因，如带电粒子的轰击，吸收中子或高能光子照射等，引起核结构的改变，则称为核反应。

　　1．核裂变（nuclear fission）

　　一些重元素的原子核，例如²³³U、²³⁵U、²³⁹U在中子的轰击下能分裂成2个质量较轻的新原子核，是时放出2～3个中子和γ光子。新分裂的原子核也叫核裂碎片，它们可以是原子序数从30到64的各种元素的多种同位素，一般都具有放射性。核裂变过程会放出大量能量。

　　2．核聚变（unclear fusion）

　　两个轻原子核在一定条件下结合成较重的原子核的反应称为轻核聚变反应。在这过程中也会放出中子和大量能量。由于聚变反应要在极高温度下才能进行，所以这种反应又称为“热核反应”。例如：氘和氚在极高的温度下，聚合成氦核并放出中子和大量能量。热核反应放出的能量比重核裂变反应放出的能量要大得多。