《核素思维导图》

一、核心概念

1.1 核素定义

• 定义： 具有特定质子数和中子数的原子核的原子种类。
• 同位素： 具有相同质子数，不同中子数的核素。
• 同中子异位素： 具有相同中子数，不同质子数的核素。
• 同量异位素： 具有相同质量数（质子数+中子数），不同质子数和中子数的核素。
• 同核异能素： 具有相同质子数和中子数，但具有不同能量状态的核素（处于激发态的核素）。

1.2 核素表示法

• 符号表示： ^A_ZX
  • A: 质量数 (质子数 + 中子数)
  • Z: 原子序数 (质子数)
  • X: 元素符号
• 命名法： 元素名称-质量数 (例如，碳-14)

1.3 核素稳定性和放射性

• 稳定核素： 原子核稳定的核素，不会自发衰变。
• 放射性核素： 原子核不稳定的核素，会自发进行衰变。
• 稳定性判据：
  • 中子/质子比 (N/Z)： 轻核稳定核素N/Z ≈ 1，重核稳定核素N/Z > 1。
  • 幻数： 质子数或中子数为 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 时原子核较为稳定。
  • 偶-偶规则： 偶数质子数和偶数中子数的核素比奇-奇核素更稳定。

二、核衰变

2.1 衰变类型

• α衰变： 释放α粒子 (⁴₂He 核)
  • 质量数减少4，原子序数减少2。
  • 常见于重核。
• β^-衰变： 中子转变为质子，释放β^-粒子 (电子) 和反中微子。
  • 质量数不变，原子序数增加1。
  • 常见于中子数过多的核素。
• β⁺衰变： 质子转变为中子，释放β⁺粒子 (正电子) 和中微子。
  • 质量数不变，原子序数减少1。
  • 常见于质子数过多的核素。
• 电子俘获 (EC)： 原子核俘获轨道电子，质子转变为中子，释放中微子。
  • 质量数不变，原子序数减少1。
  • 与β⁺衰变竞争。
• γ衰变： 原子核从激发态跃迁到基态，释放γ射线 (高能光子)。
  • 质量数和原子序数不变。
  • 通常发生在α或β衰变之后。
• 自发裂变： 重核自发分裂成两个较轻的核，并释放中子。
  • 常见于超重核。

2.2 衰变规律

• 衰变方程： 描述核衰变过程的数学表达式。
  • 母核 → 子核 + 辐射粒子
• 衰变常数 (λ)： 单位时间内原子核衰变的概率。
• 半衰期 (T_1/2)： 核素原子核数量减少一半所需的时间。
  • T_1/2 = ln(2) / λ
• 平均寿命 (τ)： 原子核的平均存活时间。
  • τ = 1 / λ
• 活度 (A)： 单位时间内衰变的原子核数量。
  • A = λN，N为原子核的数量。
  • 单位：贝克勒尔 (Bq) = 1次衰变/秒
  • 旧单位：居里 (Ci) = 3.7 × 10¹⁰ Bq

2.3 衰变系

• 定义： 一系列放射性衰变过程，从一个母核开始，经过多次衰变最终达到一个稳定的子核。
• 常见衰变系： 铀系、钍系、锕系、 neptunium 系

三、核反应

3.1 核反应类型

• 散射反应： 入射粒子与靶核相互作用后，粒子种类不变，能量和方向改变。
  • 弹性散射： 动能守恒。
  • 非弹性散射： 动能不守恒，靶核被激发。
• 俘获反应： 入射粒子被靶核吸收，形成复合核，复合核衰变释放粒子或γ射线。
• 剥离反应： 入射粒子与靶核相互作用，入射粒子的一部分被剥离，剩余部分与靶核结合。
• 裂变反应： 重核吸收中子或其他粒子后分裂成两个较轻的核。
  • 链式反应： 裂变产生的中子继续引发其他核的裂变。
• 聚变反应： 轻核结合成较重的核。
  • 热核反应： 在高温下发生的聚变反应。

3.2 核反应方程

• 书写格式： a + X → Y + b 或 X(a,b)Y
  • a: 入射粒子
  • X: 靶核
  • Y: 产物核
  • b: 出射粒子
• 守恒定律：
  • 质量数守恒
  • 电荷数守恒
  • 能量守恒
  • 动量守恒

3.3 核反应能量

• Q值： 核反应前后静止质量的变化所对应的能量。
  • Q > 0: 放能反应
  • Q < 0: 吸能反应
• 阈能： 使吸能反应发生的入射粒子所需的最小动能。

四、核素的应用

4.1 医疗领域

• 放射性示踪： 利用放射性核素标记药物或生物分子，跟踪其在体内的分布和代谢。
• 放射性治疗： 利用放射性核素释放的射线杀死癌细胞。
  • 外部放射治疗（远距离治疗）
  • 内部放射治疗（近距离治疗）
• 医学影像： 利用放射性核素进行疾病诊断。
  • SPECT (单光子发射计算机断层扫描)
  • PET (正电子发射计算机断层扫描)

4.2 工业领域

• 放射性测厚： 利用射线穿透物质的衰减程度测量物质厚度。
• 放射性探伤： 利用射线检测金属材料内部的缺陷。
• 放射性示踪： 用于工业过程的优化和控制。
• 放射性辐照： 用于食品保鲜、医疗器械消毒等。

4.3 环境领域

• 放射性示踪： 用于研究水循环、污染物扩散等。
• 放射性定年： 利用放射性核素的衰变规律测定地质样品、考古文物的年代。
  • 碳-14 定年
  • 铀-铅 定年

4.4 农业领域

• 放射性诱变育种： 利用射线诱导植物产生突变，选育优良品种。
• 放射性辐照： 用于种子消毒、粮食保鲜等。

五、安全防护

5.1 辐射类型与危害

• α射线： 穿透能力弱，外照射危害小，内照射危害大。
• β射线： 穿透能力较强，外照射和内照射都有危害。
• γ射线： 穿透能力很强，外照射危害大。
• 中子： 穿透能力强，具有感生放射性。

5.2 防护措施

• 时间防护： 减少暴露时间。
• 距离防护： 增大与辐射源的距离。
• 屏蔽防护： 利用屏蔽材料吸收辐射。
  • α射线：纸张、皮肤
  • β射线：铝板、有机玻璃
  • γ射线：铅、混凝土
  • 中子：水、石蜡、混凝土

5.3 剂量限值

• 国家规定对不同人群的年有效剂量限值。
• 职业照射人员、公众等有不同的限值要求。

5.4 监测

• 个人剂量监测
• 环境监测