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1 放射性辐射防护 适用环境工程专业 2 放射性基本知识 1 了解原子核的组成2 核衰变或核蜕变3 了解放射性衰变规律 补充 3 原子核的组成 1 组成 质子和中子 中子的质量约为1u 质子的质量也为1u1u 1 66 10 24g 12C原子质量的1 12实际上中子的质量为1 0087u质子的质量也为1 0078u 2 核素的概念 有一定原子序数和一定核质量数和能态的同类原子叫做一种核素 如 23892U 23592U 3 同位素 原子序数相同 质量数不同的原子称为同位素 如 23892U 23592U 4 核衰变或核蜕变 1 核衰变或核蜕变的概念 原子核自发地发生变化 同时放射出 等核辐射的现象 注意 上述反应是在核内进行的 核衰变或蜕变只取决于原子核的本性自发进行 当然在特殊情况下 例如当温度高达几百万度时 对核蜕变有显著影响 同时 人为地使原子核发生反应也是可能的 例如 用高能的粒子轰击原子核也可引起核的变化 这类变化叫核反应 如 226Ra222Rn 5 核衰变或核蜕变 2 核辐射的种类 6 蜕变 92238U 24He 90234Th 蜕变产物的确定用位移定律确定 即 蜕变前后总质量数和总电荷数不变 例如 1 蜕变 原子核放出 粒子而发生蜕变的现象叫做 蜕变 一般只有质量数大于200的重金属才发生 蜕变 7 2 蜕变 原子核放出 粒子而发生蜕变的现象叫做 蜕变 RaB 82214Pb 10e RaC 83214Bi 说明 核内本应无电子怎么会放出电子 这是因为 蜕变的实质是核内中子发生了如下变化 8 01n11p 10e 00 00 为中微子 其质量比电子小得多 中微子与物质的相互作用很弱 故很难探测 广义的 蜕变还包括 蜕变与K俘获 天然放射性核素中很少遇到 后者实质是核内质子发生如下的变化 11p 10e00 01n 9 3 蜕变又称 跃迁 发生 蜕变的原子核有时处于激发态 激发态的原子核将过剩的能量以光子或其他形式放出 同时原子核从高能态向低能态过渡 这种现象叫 跃迁 放出的光子叫 射线 10 如 226Ra蜕变为222Rn时伴随发生 跃迁如下图所示 11 注意 跃迁只改变核的状态 不改变核的组成 故又称同质异能跃迁 用符号 I T 表示 4 每一次蜕变放出的粒子情况有以下三种 1 一次蜕变放出某种粒子一个 例如238U每发生一次蜕变就放出能量为4 18MeV的 粒子一个 2 分支蜕变 每次蜕变或放出这种或放出那种粒子一个 各占一定的比例 用百分数表示 如RaC每次蜕变有99 96 的几率放出 粒子 有0 04 几率放出 粒子 又如 226Ra每次蜕变有94 3 的几率放出4 793MeV的 粒子 有5 7 的几率放出4 612MeV的 粒子 3 一次蜕变放出好几个光子 12 例如 常用的钴源的蜕变 13 天然放射性核素与放射系 1 三个放射系1 铀系238U4n 22 锕铀系235U4n 33 钍系230Th4n 1 这三个放射系衰变的末代子体为稳定的铅 2 都有一代子体为氡 即222Rn 习惯称镭射气 用Rn表示 220Rn 习惯称钍射气 用Tn表示 210Rn 习惯称锕射气 用An表示 特点 14 15 16 17 超铀元素transuraniurmelements又称铀后元素原子序数在铀 原子序数为92 以后的所有元素 又称铀后元素 1944年 美国G T 西博格提出的锕系理论认为 在锕之后存在一个类似于镧系元素的锕系元素 在这一理论指导下 相继发现了钚之后的新元素 他借助元素周期律和锕系理论 预言了锕系后元素的性质 超铀元素已通过人工核反应发现 后来又在自然界找到其中的个别核素 如在氟碳铈镧矿中发现钚244 在铀矿中发现钚239和镎237 人工制得的已有镎 镅 锔 锫 锎 锿 镄 钔 锘 铹 104 105 106 107 108和109号元素 18 超铀元素的核性质具有以下特点 超铀元素的所有核素都是放射性的 以不同方式衰变 随着原子序数的增加 超铀元素最长寿命的同位素的半衰期越来越短 一些超铀核素以自发裂变方式衰变 这种现象是超铀核素所独有的 19 超铀元素的制备方法有 反应堆辐照 是获得可称量超铀元素的方法 带电粒子核反应 这类反应生成的新元素的数量虽然是不可称量的 但对发现新的超铀元素起着重要作用 对今后合成更重的超铀元素也是最有希望的方法 热核爆炸 20 超铀元素的应用有 核燃料 反应堆能大量生产钚239 作为快中子增殖堆的核燃料 能源 利用它们在衰变过程释放的热或将其转化为电能 同位素电池用于心脏起搏器 人造器官 航海浮标 海底电缆等 放射源 主要利用它们衰变时放出的 粒子 射线和中子 用于活化分析 中子照相 中子衍射 烟雾探测器预报火警等 21 放射性衰变规律 1 衰变率与放射性物质的量的关系1 衰变率 单位时间内衰变的原子核的数目 单位为1 s 在国际单位制中用贝可 勒尔 Beequerel 用Bq表示 过去惯用单位为居里Ci 1Ci 3 7 10101 s衰变率又称放射性活度或活度 习惯上称放射性强度或放射性 22 2 衰变的基本规律 放射性核素在某时刻的衰变率等于该核素的衰变常数和该核素原子核数目的乘积 即 A NA 衰变率 1 s 衰变常数 1 s 与一般的物理化学条件无关 仅由核素的种类决定 N 该时刻的原子核数目 例如 计算2 22 10 14g222Rn的衰变率有多大 N 2 22 10 14 222 6 02 1023 6 02 107A N 2 10 6 6 02 107 1 2 1021 s 23 3 有关衰变规律的一些概念问题a 的物理意义 表示一个核在单位时间内衰变的几率 例如 Rn 2 10 6 就意味着每秒钟内每一个氡核内发生衰变的几率为五十万分之一 b 衰变是一件随机事件 或统计现象 c 由于衰变率与放射性核素的原子数成正比 可以用衰变率 活度 表示放射性核素的多少 注意 其他的一些单位 1爱曼 10 10Ci L 3700Bq m31WL 1 3 105MeV L 2 8 10 5J m3 24 放射性物质的量随时间的变化 1 独立衰变的情况ABt 0N0t tNt t dtN dNA dN dt N解微分方程 dN N dt lnN N0 tN N0e t 25 2 半衰期与衰变常数的关系1 2N0 N0e T1 2即1 2 e T1 2ln2 T1 2T1 2 ln2 0 693 3 平均寿命 1 0 693 T1 2 26 4 连续衰变的情况在连续衰变情况下 A核的衰变仍然是独立衰变 因为A核的子体 B核 的衰变与否对A核的衰变是没有影响的 问题是在于B核的数量变化规律如何 B核未与A核分离 它不是独立衰变 所以其数量变化既取决于自身的衰变又取决于A核的衰变 前者使它的数量随时间减少 后者使它的数量随时间增加 所以B核数量随时间变化的速率等于B的衰变速率AB减去A的衰变速率AA 即 27 即 dNB dt AB AA dNB dt BNB ANA由于A核为独立衰变 即 dNA dt NANA NA0e At或AA AA0e At 28 所以 dNB dt BNB ANA0e At解微分方程 得 29 讨论 1 A的半衰期相对于所考虑的时间间隔是很长 B的半衰期比A的半衰期短得多时 相当于 A很小 A B 此时 At 0AA AA0e At AA0e 0 AA0 30 从上式可见 B的衰变率是随时间的增长而增大 最后趋于一个恒定的饱和值 建立了长期平衡 见下图 31 平衡原理图 32 能长期平衡的条件 1 母体的半衰期长于子体的半衰期 TA TB特点 放射性衰变平衡后 子体的衰变率等于母体的衰变率 AB AA 33 长期平衡应用意义 已知226Ra的半衰期是1602年 它的子体222Rn的半衰期是3 82天 符合长期平衡条件设一个扩散器内装镭标准源 含226Ra2 10 10g 将扩散器内原来的222Rn除去 这样扩散器内的222Rn浓度逐渐升高 约经过25天后 222Rn的强度接近了饱和值 等于母体226Ra的强度值 2 10 10 3 7 10 10 7 4次 秒 这也是我们测226Ra的原理 34 利用长期平衡估算物质的量 如矿石中铀238U与226Ra平衡时有AU ARa即 UNU RaNRaNRa NU U Ra T1 2Ra T1 2U 3 58 10 7 35 36 思考题 当一个已被淋浸过的铀矿石 用铀含量来估算Ra时 结果时偏高还是偏低 当用Ra含量 估算铀含量时 结果时偏高还是偏低 37 衰变链 38 辐射的危害 39 放射性对人体的危害在大剂量的照射下 放射性对人体和动物存在着某种损害作用 如在400rad的照射下 受照射的人有5 死亡 若照射650rad 则人100 死亡 照射剂量在150rad以下 死亡率为零 但并非无损害作用 住往需经20年以后 一些症状才会表现出来 放射性也能损伤遗传物质 主要在于引起基因突变和染色体畸变 使一代甚至几代受害 40 41 核能知识 1 铀的同位素铀是自然界中原子序数最大的元素 天然铀的同位素主要是铀 238和铀 235 它们所占的比例分别为99 3 和0 除此之外 自然界中还有微量的铀 234 铀 235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍 1 1KgU 235完全裂变释放的能量相当与20000tTNT炸药的威力 2 1gU 235 2 5t优质煤 42 核能 是核裂变能的简称 铀 235原子核在吸收一个中子以后能分裂 在放出2 3个中子的同时伴随着一种巨大的能量 这种能量比化学反应所释放的能量大的多 这就是我们今天所说的核能 核能的获得途径主要有两种 即重核裂变与轻核聚变 核聚变要比核裂变释放出更多的能量 例如相同数量的氘和铀 235分别进行聚变和裂变 前者所释放的能量约为后者的三倍多 被人们所熟悉的原子弹 核电站 核反应堆等等都利用了核裂变的原理 只是实现核聚变的条件要求的较高 即需要使氢核处于几千万度以上的高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应 43 重核裂变重核裂变是指一个重原子核 分裂成两个或多个中等原子量的原子核 引起链式反应 从而释放出巨大的能量 例如 当用一个中子轰击 235的原子核时 它就会分裂成两个质量较小的原子核 同时产生2 3个中子和 等射线 并释放出约200兆电子伏特的能量 如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀 235原子核 便引起新的裂变 以此类推 裂变反应不断地持续下去 从而形成了裂变链式反应 与此同时 核能也连续不断地释放出来 44 45 轻核聚变所谓轻核聚变是指在高温下 几百万度以上 重氢核 氘核 与超重氢核 氘核 结合成氦放出大量能量的过程 也称热核反应 它是取得核能的重要途径之一 由于原子核间有很强的静电排斥力 因此在一般的温度和压力下 很难发生聚变反应 而在太阳等恒星内部 压力和温度都极高 所以就使得轻核有了足够的动能克服静电斥力而发生持续的聚变 自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行 故称为 热核聚变反应 46 一种新能源 核电站目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍处于绝对优势 但此种能源不仅燃烧利用率低 而且污染环境 它燃烧所释放出来的二氧化碳等有害气体容易造成 温室效应 使地球气温逐年升高 造成气候异常 加速土地沙漠化过程 给社会经济的可持续发展带来严重影响 与火电厂相比 核电站是非常清洁的能源 不排放这些有害物质也不会造成 温室效应 因此能大大改善环境质量 保护人类赖以生存的生态环境 世界上核电国家的多年统计资料表明 虽然核电站的投资高于燃煤电厂 但是 由于核燃料成本远远地低于燃煤成本 相反核燃料反应所释放的能量却远远高于化石燃料燃烧所释放出来的能量 而且核燃料取之不皆 这就使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂 47 中国核电发展起步于上世纪80年代中期 核电设计工作从上世纪70年代就已开始 国内现有3个核电基地 浙江省的秦山核电基地 5台核电机组 广东大亚湾核电基地 4台核电机组 江苏省田湾核电基地 我国计划开发两个新的核电基地 浙江省三门核电基地和广东省阳江核电基地 目前我国正在运行和在建的核电站装机容量共有870万千瓦 2003年我国核电发电量达437亿千瓦时 初步设想2020年使核电发电量占到总发电量的4 装机容量达3600万千瓦 目前在建和运行的11台机组中 除了自主设计外 还分别采用了法国 加拿大 俄罗斯等国家的技术 2004年全年全国累计核电发电量达5000000万千瓦 截至2005年11月 全国累计核电发电量达4878621万千瓦 比2004年同期增长5 7 但是2004 2005年度我国能源 电力紧缺现象还在持续 利用发展核电来缓解电力紧张是出路之一 48 核能是可持续发展的能源据估计 在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨和275万吨 这些裂变燃料足可以用到聚变能时代 轻核聚变的燃料是氘和锂 1升海水能提取30毫克氘 在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量 即 1升海水约等于300升汽油 地球上海水中有40多万亿吨氘 足够人类使用百亿年 地球上的锂储量有2000多亿吨 锂可用来制造氚 足够人类在聚变能时代使用 况且以目前世界能源消费的水平来计算 地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量 可供人类使用上千亿年 因此 有关能源专家认为 如果解决了核聚变技术 那么人类将能从根本上解决能源问题 49 U 235的浓缩 浓缩后的铀中U 235的含量从0 72 99 99999 不等 超过浓度3 的铀是用来发电超过浓度90 的铀是用来造原子弹的 浓缩技术 气体扩散法 离心分离法 以UF6的形式进行 激光法 喷嘴法 电磁法分离法 化学分离法 50 乏燃料是指在核反应堆内使用 辐照 达到计划的卸料比燃耗后 自堆内卸出的 不再在原核反应堆中使用的核燃料 51 核工业的主要业务范围核工业的主要业务范围包括 铀矿勘探 铀矿开采与铀的提取 燃料元件制造 铀同位素分离 反应堆发电 乏燃料后处理 同位素应用以及与核工业相关的建筑安装 仪器仪表 设备制造与加工 安全防护及环境保护 52 核燃料循环及其组成核燃料循环是指核燃料的获得 使用 处理 回收利用的全过程 它是核工业体系中的重要组成部分 核燃料循环通常分为前端和后端两部分 前端包括铀矿勘探 铀矿开采 矿石加工 包括选矿 浸出 提取和沉淀等工序 精制 转化 浓缩 元件制造等 后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物进行处理 贮存和处置 53 放射性应用 一 同位素应用1 工业同位素示踪放射性同位素的探测灵敏度极高 这是常规的化学分析无法比拟的 利用微量同位素动态追踪物质的运动规律是放射性示踪不可替代的优势 目前 这一技术已广泛用于石油 化工 冶金 水利水文等部门 并取得显著的经济效益 54 2 同位素电池放射性同位素在进行核衰变时释放的能量 可以用作制造特种电源 同位素电池 这种电池是目前人类进行深空探索唯一可用的能源 空间同位素电池 如钚 238电池 的特点是 不需对太阳定向 小巧紧凑 使用寿命长 55 3 同位素监控仪表放射性同位素放出的射线作为一种信息源可取得工业过程中的非电参数和其他信息 根据这一原理制作的各种同位素监控仪表 如料位计 密度计 测厚仪 核子秤 水分计 射线探伤机和离子感烟火灾报警器等可用来监控生产流程 实现无损检测 以及探知火情等 56 4 辐射加工方面辐射加工是利用电离辐射作为一种先进的手段对物质和材料进行加工处理的一门技术 这种加工方式目前已在交联线缆 热缩材料 橡胶硫化 泡沫塑料 表面固化 中子嬗变掺杂单晶硅 医疗用品消毒 食品辐照保藏以及废水 废气处理等领域取得显著成效 形成产业规模 57 5 辐射育种辐射育种 是利用 射线等射线诱发作物基因突变 获得有价值的新突变体 从而育成优良品种 我国辐射突变育种的成就突出育成的新品种占世界总数的四分之一 特别是根 棉 油等作物的推广 取得了显著的增产效果 58 6 示踪技术方面同位素示踪在农业中的应用主要是从事肥料与农药的效用和机理 有害物质的分解与残留探测 畜