辐射安全与防护培训放射性基础知识ppt课件.ppt

辐射安全与防护培训班培训课程 1 课程重点 原子核的基本性质 原子核的放射性及放射性衰变规律 射线与物质相互作用的主要过程 带电粒子 X和辐射和中子 辐射源的分类和核技术应用中的辐射源 要求 掌握基本概念 在工作中使用频率高 在后续课程中反复使用和训练 2 第一节原子核的基本性质 3 1 1原子与原子核 原子 源自希腊文 意思是 不可分割的 按照现代的观点 原子作为物质结构的一个层次 研究原子的组成 组成物 主要是核外轨道电子 的运动规律 其相互作用的规律及化学周期表等 其表征特征为物质的物理 化学性质和光谱特性 原子核 则是研究物质结构的另一个更深的层次 研究原子核的组成 性质 核力 核模型 核的蜕变及核能的利用等 其表征特征为原子核的放射性 4 实际上元素符号X和原子序数Z具有唯一 确定的关系 所以用符号X足以表示一个特定的元素 元素的表示 原子序数 化学符号 每一个原子隶属于某一种元素 例如 氢原子 氘原子均属于氢元素 在元素周期表中为1号元素 一般表示为 元素的原子量是该元素各原子的原子质量的加权平均值 对 5 一 原子结构模型 1871 1937 1908年诺贝尔化学奖 1909年卢瑟福 散射试验 1911年提出原子的核式模型 6 卢瑟福散射实验结论 正电荷集中在原子的中心 即原子核 线度为10 12 10 13cm量级 为原子的10 4量级 质量为整个原子的99 9 以上 从此建立了原子的有核模型 原子的电中性 要求 原子核所带电量与核外电子电量相等 核电荷与核外电子电荷符号相反 即 核电荷Ze 核外电子电荷 Ze 7 中子发现后 海森堡 W Heisenberg 很快提出 原子核由质子和中子组成 并得到实验支持 中子和质子统称为核子 中子不带电 质子带正电 电量为e 电荷数为的原子核含有个质子 1901 1976 因量子力学方面贡献 获1935年诺贝尔物理奖 二 原子核的组成 1932年查德威克 J Chadwick 发现中子 据此获1935年诺贝尔物理学奖 8 实际上核素符号X和质子数Z具有唯一 确定的关系 所以用符号AX足以表示一个特定的核素 原子核的表示 例如 为三个核素 可表示为 9 现代原子结构 10 三 原子核物理常用术语及意义 1 核素 nuclide 具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子称为核素 核子数 中子数 质子数和能态只要有一个不同 就是不同的核素 同量异位素 A同 Z N不同 同中异荷素 N同 A Z不同 同位素 Z同 A N不同 同质异能素 A Z同 能态不同 11 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度 不是所有同位素均构成同位素丰度 构成同位素丰度的原子可以是放射性原子 我们把具有相同质子数 但核子数不同的核素所对应的原子称为某元素的同位素 同位是指该元素的各种原子在元素周期表中处于同一个位置 它们具有基本相同的化学性质 2 同位素 Isotope 和同位素丰度 氢的三种同位素 99 756 0 039 0 205 99 985 0 015 0 0055 0 7200 99 2745 12 3 人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素 而是在反应堆或加速器所生成 同位素技术中应用最广泛的放射源 钴源 就是在反应堆中生成 将金属钴 即 其丰度 放在反应堆孔道内 利用中子照射 发生如下核反应 工业上应用于食品和医疗器具的杀菌 消毒的钴源 其活度达几十万至百万居里 13 4 核素和核素图根据原子核的稳定性 可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素 原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在着密切的关系 我们可以把核素排在一张所谓核素图上 核素图共包含2000个核素 其中天然存在332个核素 280为稳定核素 人工放射性核素1600多个 14 一 原子质量单位 1960年物理学国际会议通过采用 1 2原子核的质量与结合能 15 第二部分核与放射性的基本物理基础 二 质能联系定律 爱因斯坦相对论关系 其中为物体 粒子 的静止质量 为物体的运动速度 为真空中的光速 物体 粒子 的动能 当 16 原子核的质量用 原子质量表示为 为电子的质量 为原子核外轨道电子得结合能的总和 核质量则可表示为 三 原子质量和原子核质量 核数据表中给出的均为原子质量 17 三 质量亏损 所有的核都存在质量亏损 即 原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和的 少的那部分质量称为质量亏损 MassDefect 表示为 以氘核为例 式中为氘核的核质量 18 四 原子核结合能的概念 既然 则相应的能量就减少 表明当若干质子和中子结合成一个核时 将释放一部分能量 这个能量称为叫结合能 氘 由一个中子和一个质子所组成 19 五 比结合能及比结合能曲线 比结合能 平均结合能 单位是MeV Nu Nu代表核子 比结合能的物理意义 原子核拆散成自由核子时 外界对每个核子所做的平均功 或者说 它表示核子结合成原子核时 平均一个核子所释放的能量 比结合能表征了原子核结合的松紧程度 比结合能大 核结合紧 稳定性高 比结合能小 核结合松 稳定性差 当结合比较松的核变为结合较紧的核时释放能量 20 比结合能曲线 8 79 7 07 1 112 21 结论 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 这就是裂变能 当两个较轻的核发生聚合时 释放出的能量更大 就是聚变能 22 第二节原子核的放射性 23 放射性 原子核的蜕变1896年 Becquerel 获1903年诺贝尔物理奖 在铀盐中发现放射性 原子核的蜕变包括原子核的核衰变 核反应和核裂变等过程 在这些过程中均会产生放射性 我们将重点阐述核衰变过程 所谓核衰变就是不稳定的原子核自发的发射粒子而蜕变为新的子核 24 2 1核衰变主要的类型 a b g衰变 TypeofRadiationCharge MassPenetrationa粒子 氦核 2q 4mp空气 几cm b电子或正电子 q meor q me几mm铝片g光子nocharge几mm cm铅 此外 还有中子发射 质子发射 裂变等 25 1 a衰变 由能量守恒 定义衰变能 发生衰变的条件 26 2 衰变 衰变 丰中子核发生 衰变 欠中子核发生 EC 轨道电子俘获 欠中子核发生 27 衰变 表达式 母核X衰变为子核Y 一个电子和一个反中微子 核中一个中子变为了质子 衰变前 母核X静止 根据能量守恒定律 28 定义 衰变能E0为反中微子和 粒子的动能之和 也就是衰变前后静止质量之差 即 有 29 衰变发生的条件 衰变前母核原子质量必须大于衰变后子核原子质量 30 14C的衰变纲图 31 衰变 表达式 母核X衰变为子核Y 一个正电子和一个中微子 核中一个质子变为了中子 衰变前 母核X静止 根据能量守恒定律 32 衰变能 衰变发生的条件 33 EC 轨道电子俘获 表达式 母核俘获核外轨道上的一个电子 使母核中的一个质子转变为一个中子 同时放出一个中微子 K电子俘获最容易发生 34 EC衰变能 EC衰变发生的条件 35 由于 所以 能发生 衰变的原子核总可以发生轨道电子俘获 反过来不成立 EC衰变的后续过程 特征X射线 俄歇电子 36 3 跃迁 衰变 原子核从激发态通过发射 光子 射线 或其他过程跃迁到较低能态的过程 该过程核电荷数不变 核子数不变 发射 射线粒子能量在几KeV 十几MeV 半衰期范围为 10 16s 10 4s 跃迁的基本特点 包括 跃迁和内转换电子两种形式 37 核素的衰变纲图 核素的衰变纲图是理解核素放射性的重要手段 38 1 母核发生衰变后 子核为 发生衰变和EC过程 子核为 子核分别左移两位和一位 在发生的情况下 子核为 子核为右移一位 2 衰变纲图中用横的粗实线表示核素的基态 而用细实线表示该核素的激发态 激发态横线上的能量表示该激发态相对于基态的能量 图中的为相应过程的衰变能 用和表示粒子的能量和强度 对衰变又常称分支比 39 3 并用竖线表示跃迁过程 斜写在竖线右上方的数字分别为射线的能量 射线的绝对强度和与之相竞争的内转换电子强度 强度的定义为对100个母核发生衰变中 发出的光子数和内转换电子数 4 母核右侧的时间为该核素的半衰期 至于在每个能态横线左端的为该能态的自旋与宇称 在我们这里就不深入讨论了 它决定跃迁能否发生及其概率的大小 40 2 2放射性衰变基本规律 由于微观世界的统计性和全同行 不能预测某一原子核的衰变时刻 但可以统计得到放射源中总的放射性原子核数目的减少规律 具体到每个放射性原子核的衰变来说 就是服从一定规律进行衰变的一个随机事件 可以用衰变概率表示 41 一 单一放射性的指数衰减规律 222Rn的衰变曲线 实验发现 放射性核素放出一个 粒子 变成 而的数目每4天减少一半 42 由统计性 以放射源总体考虑衰减规律 设 t时刻放射性原子核的数目为N t t t dt内发生的核衰变数目 dN t 它应该正比于N t 和时间间隔dt 于是有 43 1 衰变常数 分子表示 t时刻单位时间内发生衰变的核数目 称为衰变率 记作 t时刻放射性原子核总数 衰变常数 一个原子核在单位时间内发生衰变的概率 放射性核素的特征量 量纲为 t 1 如1 s 1 h 1 d 1 a 44 b 当一个原子核有几种衰变方式时 a 衰变率 定义分支比 45 2 半衰期 半衰期 放射性核数衰变一半所需的时间 记为 即 量纲为 t 如s h d a 46 3 平均寿命 平均寿命 总寿命 总核数 47 特征量大小与核衰变的快慢 48 1 放射性活度 Activity 即 定义 则 活度定义 一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数 以A表示 表征放射源的强弱 二 放射性活度及其单位 49 放射源发出放射性粒子的多少 不仅与核衰变数有关 而且和核衰变的具体情况直接相关 一般情况 核率变数不等于发出粒子数 2 活度单位 常用单位居里 Ci 1克226Ra所具有的放射性活度 法定计量单位为贝可 Bq 较小的单位还有毫居 mCi 和微居 Ci 所以 50 3 比活度 SpecificActivity 定义为 单位质量放射源的放射性活度 比活度反映了放射源中放射性物质的纯度 即 单位为 Bq g或Ci g 51 求人体内含的0 2 的 已知的天然丰度为0 0118 其半衰期 求体重为75kg的人体内的总放射性活度 应用实例 已得求体内的原子数 体内由的放射性活度 52 2 3递次衰变规律 许多放射性核素并非一次衰变就达到稳定 而是它们的子核仍有放射性 会接着衰变 直到衰变的子核为稳定核素为止 这样就产生了多代连续放射性衰变 称之为递次衰变或级联衰变 53 递次衰变的表示 例如 递次衰变规律比较复杂 如需要可参考有关材料 54 2 4放射性规律的应用 放射性的应用很广泛 这里只讨论衰变规律本身的应用例子 1 放射源活度修正 2 确定放射源活度和制备时间 3 确定放射源性质 4 确定远期年代 5 短寿命核素发生器 55 1 放射源活度修正 典型应用 已知一个放射源某时的活度 求现在的活度 根据 若放射源已知 则 已知 根据已知条件A 0 和t可以求出现在或某时该源的活度 56 例 单一放射性核素137Cs 1987年10月137Cs源的放射性活度 半衰期T1 2 30 17年 请计算该源今天的放射性活度 当前137Cs源的放射性活度 解 137Cs源经过20年 其放射性活度减弱为原来的63 57 2 确定放射源性质 典型应用 在人工制备放射源时 确定其组成是很重要的 因这和其放射性活度及辐射的粒子密切相关 这个过程会达到长期平衡 平衡后 原纯90Sr源 变为90Sr和90Y共存的源 并以母核的半衰