核技术基础知识.ppt

CourseonNuclearTechnologyandit sApplication 核技术及应用课程 P J Cheng 程品晶 SchoolofNuclearScienceandTechnologyNanhuaUniversity 南华大学核科学技术学院 第二章核技术基础知识 第一节现代原子结构第二节原子核的基本性质第三节放射性衰变第四节放射性衰变规律第五节核辐射与物质的相互作用第六节核辐射量度及其单位第七节核科学的基本工具与测量 第一节现代原子结构 现代原子结构 核素 具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核素是原子核的一种统称 核素及符号表示 其它 稳定核素和不稳定核素稳定同位素和不稳定同位素放射性核素和非放射性核素 定义 质子数相同而中子数不同的核素互为同位素 同位素 实验发现 原子核内的质子 中子紧密地挤靠在一起 核子之间没有什麽空隙 与原子情况不同 稳定原子核基本上类似与球体原子核的半径R r0A1 3原子核半径常数r0 1 2 10 15m 1 2fmA原子核的质量数例如 238U7 4fm 1 原子核的大小 第二节原子核的基本性质 2 原子核的质量 电子me 9 1 10 31kg 5 48 10 4u 0 511MeV c2质子mp 1 007276u 938 256MeV c2中子mn 1 008665u 939 550MeV c2 原子核质量 原子质量 全部电子的质量MN Z A Ma Z A Zme忽略了电子的结合能 eV量级 原子的质量可以用质谱计精确测量 有表可查 原子核质量可以精确确定 3 核物质密度 原子核中核子紧密挤在一起根据 M V计算核物质密度 2 3 1014g cm31cm3核物质2亿吨重 黑洞1018核物质1014中子星109白矮星105水1 密度比较g cm3 天平为何倾斜 重 轻 4 原子核结合能和原子核稳定性 质量亏损氦原子核 4He 由2个质子 2个中子构成2个质子质量 2个中子质量 原子核4He的质量2x1 007276 2x1 008665 4 002603 M 4He 4 031882 4 002603 0 029279u E 4He M 4He C2 27 27MeV亏损的质量转化为能量氦原子核的结合能是27 27MeV 亏损的质量哪里去了 质能关系E MC2 原子核结合能 定义 质子和中子结合构成原子核时所释放的能量原子核的结合能越大 质量亏损越大 原子核越稳定 表 比结合能 原子核结合能 核子数 原子核平均结合能 比结合能 曲线 1各原子核中 每个核子的平均结合能随质量数而变化6 9MeV2中等重量的原子核的比结合能较大 释放能量途径 1 重核裂变2 轻核聚合成原子核 重核裂变 轻核聚合 252Cf 自发裂变 中子引起235U裂变 H原子核聚合H的燃烧 太阳能 释放能量举例 例 估算裂变释放的能量 n 235U 236U X Y E假设裂变成质量相等的两块质量数各约为118235U核子平均结合能7 6MeV质量数为118的原子核平均结合能8 6MeV两者平均结合能差 1MeV230多个核子总的 E 200MeV 比较 裂变能n 235U X Y E200MeV化学能C O2 CO2 E4ev汽油与氧的爆炸 一个分子释放40 50eVTNT爆炸自身释放能量 每个分子30eV 从母核中射出的4He原子核 粒子得到大部分衰变能 238U 4He 234Th 放射性母核 基本衰变 衰变 第三节放射性衰变 A 200 衰变 241Am 237Np 发生原因 母核中子或质子过多 质子转变成中子 并且带走一个单位的正电荷 中子转变成质子 并且带走一个单位的负电荷 基本衰变 衰变 基本衰变 衰变 动画 衰变 3H 3He 正 衰变 11C 11B 电子俘获 电子俘获 7Be 7Li 基本衰变 衰变 基本衰变 衰变 衰变特点 1 从原子核中发射出光子2 常常在 或 衰变后核子从激发态退激时发生3 产生的射线能量不连续4 可以通过测量光子能量来鉴定核素种类类别 衰变 3He 3He 衰变 衰变 衰变 衰变 半衰期 T1 2 定义 一定量的某种放射性原子核衰变至原来的一半所需要的时间 经过n个半衰期后 未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1 2n 第四节放射性衰变规律 半衰期 放射性衰变基本规律 1指数衰减规律N N0e tN0 t 0 时放射性原子核的数目N 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关 与外界条件无关 数值越大衰变越快 N N0e t 第五节核辐射与物质的相互作用 核辐射的基本性质 一核辐射与物质的基本作用 原子 n 物质 气体液体固体包括人体等 微观粒子间碰撞有动量和能量的传递库仑作用1电离作用2电离效应 二带电粒子与物质的作用 自由电子 正离子 靶原子 正离子 电子 4He Ar Ar e 4He 物质中原子被电离 在粒子通过的路径上形成许多离子对 正离子和自由电子 e 库仑作用 射线与 射线电离效应比较 射线 射线径迹粗直细弯 电离作用强电离作用严重产生离子对数目多 电离作用 Z1Z2 v2Z1入射粒子原子序数Z1靶粒子原子序数v入射粒子速度 实验结果 粒子径迹是一条直线5 3MeV 粒子在空气中的射程3 83cm 电子径迹是折线 轫致辐射 bremsstrahlung 原子核 高速带电粒子通过原子核附近时 受到原子核库仑电场的作用而急剧减速 一部分能量以光子的形式辐射出来 这种辐射称为韧致辐射 电磁辐射谱 小能量高 E h c 大能量低 三 射线与物质的作用 射线是波长很短能量高的电磁辐射 10 11米 keV MeV 来自原子核 衰变 不带电 静止质量0 1 射线是什麽 能够同物质原子发生作用 但不能直接使原子电离 有动量和能量交换 能够产生载能次级带电粒子 可以对物质发生电离作用 能量E h 动量p h c 2 射线对物质的电离作用两步过程 三种作用效应光电效应康普顿效应电子对效应产生次级电子 电离效应次级电子使物质原子电离 射线 第1步初级作用 第2步次级作用 光电效应 自由电子 作用机制光子同 整个 原子作用把自己的全部能量传递给原子 壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来 成为自由电子 光子本身消失了 A A e 光电子 原子 A X射线 原子 受激原子 电子对效应能量 1 02MeV的 射线与原子核作用可能产生一对正 负电子 M M e e 1 21 02MeVmeme0 511MeV0 511MeV基本条件 射线能量E 1 02MeV为什麽 能量转化成质量M E C2 康普顿 吴友训效应 Compton Wueffect 当 光子与物质原子中的一个电子发生弹性相撞时 将部分能量传给电子 电子获得能量后脱离原子而运动 该电子称康普顿 吴有训电子 而使物质电离 光子本身能量减少又改变了运动方向 当光子的能量为0 5 1 0MeV时 该效应比较明 正电子湮灭 正电子与负电子相遇发生湮灭 产生两个0 511MeV的 光子 e e me me 0 511 0 511MeV质量转化为能量转化效率 100 射线通过介质时由于同物质的作用 光子的数量不断的减少 物质层越厚减少得越多 这种现象称做对 射线的吸收 I x I0e x 厚度X I0 四 射线的吸收 I 实验发现 射线强度随通过介质层厚度增加而减小 服从指数衰减规律 指数衰减规律 指数衰减因子线性吸收系1 射线能量高 值小2 原子序数高 值大 I x I0e x 铅和铝吸收系数 射线强度减弱1 2所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用重金属铅 水泥等 构成很厚的防护墙 半吸收厚度单位 cm 物质层厚度 0I I 半吸收厚度 d1 2 对物质电离作用的比较 2MeV射程 m 离子对密度 mm 0 016000 2 360 10几个 1MeV的粒子穿透物质能力 1页 60页 本 铅 地下1 2米深 铅室 n 4580本 中子源 射线穿透物质能力 射线穿透人体皮肤情况 中子不带电不能直接使原子电离但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应 1 与H原子核的弹性碰撞传递能量质子跑出来中子被慢化n H n p第一步打出质子 载能 第二步质子引起物质电离慢化剂 轻水 1H2O 重水 2D2O 五中子与物质的作用 n H n n p 电离 2 中子核反应例如 n p 反应n 14N 14C p第一步核反应产生质子第二步质子对物质产生电离作用 n p电离 14N 14C 人体有大量H和N原子中子对人体电离效应严重 可导致严重伤害 1 2 电离辐射直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子 能量 keV x n p 裂变碎片 介子等来源1 放射性物质 人造天然 2 加速器3 反应堆4 宇宙射线5 地球环境 电离辐射和非电离辐射 非电离辐射紫外线 红外线 微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV量级移动电话800 1800MHz 0 01eV 没有电离作用 1原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量 既可造福人类 也可能对环境和人类产生危害 2核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递的过程 没有能量和动量传递就没有作用 3通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用 会对物体产生一系列的影响 人体也不例外 小结 第六节核辐射量度及其单位 1 放射性活度 activity A 定义 放射性核素在单位时间 dt 内发生核衰变的数目 dN A dN dt 单位 SI Becquerel Bq 1Bq 1s 1居里1Ci 3 7 1010Bq 2 吸收剂量 absorbeddose D 定义 授予单位物质 dm 或被单位物质吸收 的任何致电离辐射的平均能量 dE 单位 J kg1J kg 1Gy 戈瑞 1Gy 100rad 拉德 吸收剂量1戈瑞 1焦耳 千克 时的能量效应 1 水温升高 比热4 2 103J 千克度 1kg水物质吸收剂量1Gy水温度上升1 4 2 103 2 4 10 4C 2 转化为物体的动能mD 1 2 mv2运动速度v 1 4m s 3 转化为物体的势能mD mgh上升高度h 0 1m 剂量 实际上是单位物质吸收电离辐射能大小的一种量度 定义 组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积 3 当量剂量 equivalentdose HT 单位 焦耳 千克专用名称 Sievert Sv 希沃特 1Sv 1J kg 辐射权重因子 Radiationweightingfactor WR 组织权重因子 tissueweightingfactor WT 4 有效剂量 effectivedose E 定义 各组织或器官的当量剂量 HT 与相应的组织权重因子 WT 的乘积的总和 意义 定量评价随机效应的危险度 单位 Sv 希沃特 例 某人骨表面接受0 3Sv的剂量当量 而另一个人骨表面受0 2Sv的照射 同时肝脏又受到0 1Sv的照射 哪个人危险更大些 放射性活度 A 吸收剂量 D 剂量当量 H 有效剂量 E 吸收剂量 D 1戈瑞 1焦耳 千克1Gy 1J kg 放射源活度 A 1贝克 1次核衰变 秒 剂量当量 H 有效剂量 E 1希沃特 1焦耳 千克 三者意义和区别 任何物质 有机体 小结 剂量是指辐射与物质作用后 释放或吸收能量的量度 不同种类 能量的核辐射 对生物体造成的辐射损伤不同 辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行估算 第六节核科学的基本工具与测量 1观测和研究事物的工具 工欲善其事 必先利其具 望远镜1608年荷兰出现伽利略发现全新宇宙景象 木星有卫星 月球上有山脉 太阳上黑子 金星有转动周期 支持哥白尼日心理论 显微镜1650年代荷兰列文虎克制造出放大200倍显微镜 看见了 细菌 红血球 肌肉的条纹结构 血液在毛细血管中流动等 一滴久置的雨水中发现有250万个微生物在浮游 1673向英国皇家协会报告会员们不相信 认为是骗子 派人亲自登门观察 在事实面前承认是了不起的发现 英国国王和俄国彼得大帝拜访列文虎克并观看了神奇的显微镜 将人们注意力引向微小世界 放射源 2卢瑟福 看 原子 探测器 光源 载能粒子束观测物体 出射粒子眼睛 探测器 背散射粒子 看 未知图形 1 2 卢瑟福用 粒子轰击金原子 发现了原子核 看到了原子核的大小 建立了原子太阳系 利用粒子束轰击耙粒子 观测经过相互作用后出射粒子所载有的信息 可以推知耙粒子有关情况 探针粒子的波长应小于观测物体的尺度即 物体越小 所需粒子的能量越高 被看物体大小探针粒子的能量原子10 10米10eV 电子 高倍电子显微镜原子核10 14米107eV 卢瑟福实验核子10 15米108eV 电子 加速器对撞机夸克 10 18米 109eV 电子 对撞机 看微观小物体对显微镜的要求 4加速器显微镜 1 加速器人工产生高能量带电粒子束的机器 2 反应堆 可控裂变反应炉 第2章 4 辐射探测器 荧光屏 眼睛 感知放射性存在传感放射性信号 5 电子学和计算机放大变换传输控制记录分析核过程信息 核科学中的基本仪器和设备 3 放射源 6 其他 加速器在核科学中的地位 1 加速器是核科学最重要的工具之一 1932年前人们只是用天然的 粒子进行核反应 例如卢瑟福1919年发现第一个核反应 现在利用天然 粒子进行核反应早已成为历史 2 现在加速器不仅可以提供更高能量的粒子 而且周期表中从H U绝大多数元素粒子都可加速 1980年代后加速放射性粒子 6He17N等3 对探索原子核起了关键作用 可以说 没有加速器不可能有今天的核物理 不可能有今天的核科学 不可能有核技术的广泛应用 入射粒子与靶物质作用后产生的粒子或射线探测和分析这些出射粒子可获得核过程信息 1离子源 2加速聚焦 3偏转 4靶物质 加速器人工方法产生高能量带电粒子束的机器 5加速器基本结构和工作原理 基本要求和功能1提高带电粒子的能量2增加带电粒子束的强度3使粒子束同靶物质作用4带电粒子在真空管道中行进 产物 两种类型加速器 直线型 圆环型 高压直线加速器 离子源 电场 靶物质 抽真空 探测器做实验 能量E qV 世界上第一台高压倍压加速器1932年 静电加速器 球形电极 能量E qV E0 直流电源 靶物质 离子源 出射粒子 北大4 5MV单级静电加速器 V 北大4 5MV单级静电加速器 串列静电加速器 V q1加速负离子 q2加速正离子 出射粒子能量E Vqi E0若q1 1e q2 ne则E V n 1 e E0例如 V 1 5MV n 2 E0 28keV则E 2 1 x1 5 0 28 3 28MeV q1负离子 开关磁铁 靶室 偏转磁铁 负离子源 E0 高电位 E1 q1V E1 q2V 低 低 电子剥离器 北大2 1 7MV串列静电加速器 北大2 6MV串列静电加速器 6为什麽需要对撞 EF E入射 1 2EF 2E入射 固定靶 对撞束 有效能量 EF 假若入射粒子能量E入射增大100倍固定靶10倍 消耗于靶粒子反冲 对撞束200倍 对撞可以更多地提高粒子有效能量 E入射 E入射 E入射 E MC2 更高能量的粒子用于探索粒子内部和产生新粒子 质量和能量是等价的 粒子载有的能量可以转化成质量 产生许多粒子 高能电子e e 2 0 51MeV 2 105MeV 北京e e 对撞机2GeV 2GeV 世界上最大的对撞机 LHC大强子对撞机 LHC 周长27km 地下100m深隧道投资 30 35亿U参加人数 10000时间1995 2005 200712年 7放射性测量 放大与变换 记录与存储 放射性是人眼睛看不见 身体也感觉不到的 但用仪器可以直接测量