核物理基础ppt课件.ppt

核物理基础 一 原子与原子核二 放射性衰变三 核反应四 核裂变与核聚变五 人工放射性及其生产 主要内容 一 原子与原子核 物质由分子组成分子由原子组成原子由原子核和核外电子组成每一种原子对应一种化学元素 Z一定 原子核由中子和质子组成 物质结构 定义 组成物质的微小单元构成 原子核 核外电子 原子 原子结构模型 原子模型类似太阳系 太阳 原子核行星 核外电子 组成 质子 中子数目 Z个质子 N个中子质子电荷 e原子核电荷 Ze中子电荷 不带电 原子核 原子电中性 整体对外表现出来的电荷为0核外电子数 等于核内质子数Z 原子核外电子数 质量单位 质子质量 1 007276u中子质量 1 008665u电子质量 1 1836u 原子质量 原子质量数 原子质量 原子质量数 A电子 e 1 602 10 19Cme 9 019 10 31kg 原子核原子中的全部正电荷和原子的绝大部分质量 99 9 都集中在原子中心一个很小的区域内 称作原子核 原子核的大小 fm 1fm 10 15m 原子的大小为10 10m 原子与原子核的大小 原子大小 原子核半径 阿伏加德罗常数 1mol单原子物质的质量 比如 1克氢气 60克60Co 197克黄金均含有相同的原子数NA 能量单位 国际单位焦尔 1J原子能单位 1eV 1电子伏特 1 6 10 19J派生单位 1keV 103eV 1MeV 106eV 能量及其单位 原子核质量亏损 所有原子核都有正的质量亏损 原子核结合能 原子核质量亏损 质能关系 质量亏损对应放出能量 1克质量完全转化为能量 1014J相当于2412吨标准煤燃烧 思考 核电与火电的能量密度差异 核素的表示 核素 质子数 中子数和能量状态相同的原子核的总称 核素图 核素图 部分 在核素图上表示的不同种类的原子核 稳定线 核素的种类 人类已经发现了2000多种核素有近300种核素是稳定的 其余都是不稳定核素 同位素 如1H 2H 3H 12C 13C 14C39K 40K 41K234U 235U 238U同量异位素 40Ar 40K 40Ca 二 放射性 放射性 原子核自发地放射出某种粒子或射线的现象 称为放射性 放射性不受物理 化学等环境条件的影响 是原子核的内在特征 放射性的发现 1896年贝可勒尔 H Bequerel 发现铀矿能发射出穿透力很强的不可见射线 并使照相底片感光 射线在电场中的偏转 射线在磁场中的偏转 放射性种类 在电 磁场中偏转 与带正电荷离子流相同 在电 磁场中偏转 与带负电荷粒子流相同 在电 磁场中不偏转 电中性 42He原子核 电子 光子 电磁波 n 中子 在电磁场中不偏转 放射性来源于原子核的衰变 放射性的来源 衰变类型 衰变 原子核自发地放出 粒子而发生的转变 例如 衰变的表达式与守恒量 一般衰变表达式 衰变能与 粒子动能 粒子特征 能量 一般来说 粒子能量4 8MeV 能量单一 穿透能力 非常弱 在空气中的射程约几厘米 在固体材料中的射程10 20微米 一张薄纸就能挡住 重核才具有 衰变 A 150 常见的 衰变源 源能量空气自身材料210Po 5 3MeV3 84cm0 002cm238Pu 5 445 5 499MeV4 1cm0 002cm241Am 5 443 5 486MeV4 1cm0 002cm 衰变 原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变 衰变 衰变放射出电子 衰变放射出正电子 俘获轨道电子 衰变能与 粒子动能 衰变能 衰变能的分配 粒子 中微子 反冲核 衰变特点 电子 放出的射线是电子能量连续 从很低能量到接近衰变能穿透力不强 纸张 铝箔伴随粒子 中微子 穿透力极强 韧致辐射 屏蔽材料选择 e 对于正电子 存在电子对效应质量数守恒 衰变过程中 质量数A保持不变 常用的 放射源 低能源 55Fe 5 6keV 3H 18 5keV 63Ni 65 8keV 中能源 14C 156keV 147Pm 224keV 204Tl 763keV 高能源 32P 1710keV 89Sr 1460keV 106Ru 106Rh 3541keV 跃迁 原子核从高激发态到低激发态跃迁时 放出光子的过程 Ei Ef 跃迁特点 跃迁中原子核只是能量状态的转变 跃迁中原子核的质量数和电荷数保持不变能量从几十keV到几个MeV 放射源一般伴随着 粒子的发射 中子 组成原子核的粒子不带电穿透力极强 屏蔽困难生物损伤大 137Cs衰变纲图 661 66 85 0 e9 6 60Co的衰变 1 17MeV 60Co 5 3a 1 33MeV 60Ni 特性 射线是重带电粒子射线 与物质作用电离本领大 在物质中射程短 射线是轻带电粒子射线 与物质作用是直接电离 射程比 射线长 射线是光子 电磁波 射线 与物质作用是间接电离 射程在三种射线中最长 比较 和 辐射 三 放射性活度及单位 活度定义 活度 一个放射源 在单位时间内衰变的原子核数目 用于衡量放射性的强弱 放射源质量的多少不能用于衡量放射性的强弱 射线强度 单位时间内放射出的某种射线的数目 对于有些放射源 活度与射线强度相等 有些放射源 活度不等于射线强度 比活度 放射源单位质量的活度 用于衡量放射源的纯度 活度单位 放射性活度的国际单位为Bq 贝可勒尔 1贝可 1Bq 1次衰变 秒强度单位 1Bq 1个射线 秒常用旧单位 居里Ci1Ci 3 7 1010Bq1mCi 3 7 107Bq1uCi 3 7 104Bq比活度单位 Bq kg Ci kg 比活度理论最大值 一个放射源 如果由纯的放射性原子核组成 它的比放射性有一个理论最大值 比如60Co 4 2 1016Bq kg 1 23 106Ci kg 实际 1014 15Bq kg 104 105Ci kg 四 放射性衰变规律 核数目的衰变规律 放射性原子核数目随时间的变化关系 衰变常数 在单位时间内每个原子核的衰变几率 222Rn衰减曲线 直角坐标 衰减曲线 对数坐标 活度衰变规律 活度与源数目 衰变常数的关系 半衰期T1 2 定义 放射性原子核衰减到原来数目的一半需要的时间 半衰期与衰变常数的关系 实例 1 已知137Cs的半衰期为30年 目前的活度为100万Ci 求90年后活度为多少 2 已知60Co的半衰期为5 27年 目前的活度为100万Ci 估算15年后的活度为多少 3 求1Ci的60Co所含的原子核数目与核质量 4 求纯60Co的理论上的比活度 5 制得137Cs放射源 137Cs的质量仅有1毫克 求放射性活度 五 放射性平衡 原子核衰变往往是一代又一代地连续衰变 直到最后达到稳定为止 这种衰变叫做递次衰变 举例 母体 子体 第二代子体 递次衰变 递次衰变中原子核数目和放射性活度的变化关系 母体A原子核数目的变化服从原子核衰变规律 子体B的核数目变化情况 各代子体原子核的衰变 不再是简单指数规律 而与前面各代衰变常数都有关 子体B的原子核数目随时间的变化 在连续放射性衰变中 母体原子核的衰变 服从简单的指数衰减规律 有三种情况 长期平衡暂时平衡不平衡 问题 在递次衰变链中 时间足够长后 子体的衰变规律会出现什么情况 T1 T2或者 1 2 但是T1也不是很大 在观察时间内可以看出母体放射性的变化 12 6h 0 81h 例如 暂时平衡 母体放射性活度 子体放射性活度 当T1 T2或者 1 2 如 2 母体 子体 母子体均按照母体的衰减常数 半衰期 衰减 与子体的衰减常数无关 暂时平衡 子体与母体的放射性活度建立起固定的比例关系 常数 12 6h 0 81h 长期平衡 T1 T2或者 1 2 28 8y 64 1h 例如 条件 根据子体B的原子核数目随时间的变化 由于 1 2 当t足够大时 t 5T2 即 时间足够长 子体母体之间出现长期平衡 子体的放射性活度与母体相同 达到饱和 不成平衡 T1 2 母体衰变比子体快 例如 25 0m 8 04h 条件 根据子体B的原子核数目随时间的变化 当时间足够长 母体几乎全部衰变 转变成子体 子体按照自己的衰变常数衰变 子体母体之间不会出现平衡 当t足够大时 天然放射系 放射系 钍系铀系锕系 钍系 从232Th开始 经过十次连续衰变 最后到稳定核素208Pb 母体232Th的半衰期为1 41 1010年 子体半衰期最长的是228Ra 为5 76年 钍系 核素衰变方式半衰期粒子能量 Mev 分支比 232Th 1 41 1010y4 01 76 3 95 24 228Ra 5 76y0 048 70 0 024 30 228Ac 6 13y1 19 35 1 76 20 2 10 13 0 62 6 228Th 1 931y5 42 71 5 34 28 224Ra 3 661d5 684 95 5 45 5 220Rn 55 6s6 29 99 9 5 75 0 07 216Po 0 15s6 77 100 212Pb 10 64h0 34 81 0 58 14 212Bi 60 6min 2 25 54 1 25 5 6 05 25 6 09 10 212Po 3 0 101 7s8 78 100 208Tl 3 053min1 80 49 1 29 24 1 52 23 1 04 4 208Pb稳定 铀系 从238U开始 经过14次连续衰变 最后到稳定核素206Pb 母体238U的半衰期为4 468 109年 子体半衰期最长的是234U 为2 45 105年 铀系 核素衰变方式半衰期粒子能量 Mev 分支比 238U 4 468 109y4 20 75 4 15 25 234Th 24 10d0 19 81 0 10 19 234mPa 1 175min1 29 98 234Pa 6 75h0 51 66 0 23 14 0 73 11 1 02 7 234U 2 45 105y4 77 72 4 72 28 230Th 8 104y4 68 76 4 62 23 226Ra 1600y4 78 94 4 598 5 222Rn 3 824d5 486 99 218Po 3 05min 6 00 99 98 0 27 0 02 214Pb 26 8min0 69 42 0 74 36 1 03 6 212Bi 19 7min 3 28 20 1 51 18 1 55 15 5 45 5 511 0 02 214Po 1 64 10 4s7 688 100 210Tl 1 30min1 9 56 1 3 25 2 3 19 210Pb 22 3y0 017 81 0 063 19 210Bi 5 01d1 160 99 210Po 138 4d5 305 100 206Pb稳定 锕系 从235U开始 经过11次连续衰变 最后到稳定核素207Pb 母体235U的半衰期为7 038 108年 子体半衰期最长的是231Pa 为3 28 104年 核素衰变方式半衰期粒子能量 Mev 分支比 235U 7 03 108y4 396 57 4 37 18 231Th 25 52h0 30 46 0 22 27 231Pa 3 28 104y5 01 24 5 02 23 4 95 22 227Ac 21 773d 0 044 98 6 4 95 0 7 4 94 0 5 227Th 18 718d6 03 25 5 976 23 5 755 20 223Fr 21 8min1 10 223Ra 11 435d5 71 53 5 605 24 5 745 9 5 538 9 219Rn 3 96s6 817 81 6 551 12 6 423 7 215Po 1 78 10 3s8 384 100 211Pb 36 1min1 37 92 0 53 6 211Bi 2 15min 6 62 84 6 28 16 0 59 0 3 211Po 0 516s7 45 99 6 89 0 5 207Tl 4 77min1 43 99 207Pb稳定 锕系 六 核反应 核反应的基本概念 定义 原子核与原子核 或者原子核与其他粒子之间相互作用引起的各种变化表示 概念 入射粒子 靶核 出射粒子 剩余核 反应道 发生反应的一个途径 称为反应道 如 入射道 出射道 核反应中的守恒量 电荷质量数能量动量角动量宇称 反应能 核反应中释放出来的能量称为反应能反应能的来源 质量亏损放能反应 Q 0 吸能反应 Q 0如 反应截面与产额 反应截面定义 截面单位 靶恩 b 1b 10 24cm2反应产额定义 平均每个入射粒子引起的反应数反应产额与靶材料状态有关 核反应类型 低能核反应 30MeV A高能核反应 1000MeV A中子核反应 n n p n 2n 带电粒子核反应 p n d n pn 光核反应 n p 重离子核反应 实现核反应的方法 加速器反应堆放射性同位素宇宙射线 七 核裂变与核聚变 核裂变的基本概念 核裂变是一个大原子核分裂成两个或者多个中等质量原子核的变化 二分裂变 占主要 三分裂变 少部分 0 3 自发裂变 原子核自发产生的裂变 如 252Cf T1 2 2 6a裂变中子源254Cf T1 2 60 5d238U T1 2 1 1016a235U T1 2 3 5 1017a242Am T1 2 9 5 1011a 诱发裂变 由中子轰击才能引起的核裂变 如 中子与核的作用 如果出射粒子也是中子 称为中子与原子核的散射 弹性散射 散射后系统总动能不变 n n n非弹性散射 散射后系统总动能减少 n n n 辐射俘获 出射粒子是 射线 n c慢中子及中能中子与核作用 主要以弹性散射 辐射俘获为主 裂变 f 截面与中子能量关系 不同能量的中子 引起的裂变几率不一样 对于238U 存在一个阈能 只有中子能量大于阈能时 才能引起裂变 对于235U 热中子就可以引起裂变 且有较大截面 中子能量高时截面反而小 核燃料 热中子就可以引起裂变的核素 称为易裂变核 又称核燃料 如233U 235U 239Pu 快中子才能引起其裂变的核素 称为可裂变核 如238U 裂变产物 裂变产物是指核裂变后产生的所有裂变碎片及其衰变产物 中子 射线 粒子 中微子 以及其他带电粒子等如 粒子 是上述碎片衰变时放出的粒子 对裂变产物及其分布的研究 对于反应堆的设计 运行 控制 对乏燃料的处理处置等均具有重要的意义 235U裂变初级碎片 235U裂变初级碎片 续 235U主要裂变产物 裂变产物特征及影响 具有强烈放射性 携带能量 热量 个别产物释放中子有些产物对中子有强烈吸收有些产物是气体对反应堆安全 静特性 动特性有重要影响 原子核在发生核裂变时 释放出巨大的能量 称为裂变能 俗称原子能 裂变能来源 质量亏损 裂变能 235U裂变能及分布 1克铀235完全发生核裂变后质量亏损 1克铀235完全发生核裂变后放出的可用能量 相当于2 5t标准煤 裂变能具体计算 1 1000MWe核电站每天消耗235U 相当于标准煤 8000t 裂变能具体计算 2 压水堆核电站示意 核聚变 轻原子核结合生成较重原子核的反应 称为核聚变 最重要的聚变反应 聚变能 1克氘完全聚变放出的能量 受控热核反应 人类解决能源问题的希望 中国环流器二号A装置建成投运 物理实验取得重大进展 中国成为国际聚变技术研究的一员 核聚变实验装置 八 人工放射性生长 生长规律 假设单位时间内生长的核数目为P 放射性活度随时间的增长为 生长曲线 放射性核素活度随生产时间的变化 表放射性核素活度随生产时间的变化 生长方法 加速器 利用带电粒子束核反应 适合少量活度 短半衰期核素的生长 可较准确控制 灵活方便 一般是缺中子核素 具有 衰变 反应堆 主要利用反应堆中中子核反应 适合活度要求大的放射性核素的生长 成本较低 一般是丰中子核素 具有 衰变 加速器生长放射性核素 加速器产生的具有一定能量的带电粒子 如电子 质子 氘核和 粒子轰击靶材料 通过 p n d n d 2