注册核安全工程师核安全专业综合第1章.pdf

核安全综合知识核安全综合知识核安全综合知识核安全综合知识 注册核安全工程师考试复习注册核安全工程师考试复习注册核安全工程师考试复习注册核安全工程师考试复习 2010年年6月月2010年年6月月 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 第章核物第一章 原子核物理基础 考试要求考试要求 熟悉熟悉原子结构的知识 熟悉熟悉放射性的概念衰变及其规律 熟悉熟悉放射性的概念 衰变及其规律 熟悉熟悉射线及其与物质的相互作用 掌握掌握核反应的类型 掌握掌握核反应的类型 了解了解核裂变及其裂变反应的知识 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 第章第一章的要求 复习内容复习内容 1 1 原子和原子核的基本性质 1 2 原子核的放射性1 2 原子核的放射性 1 3 射线及其与物质相互作用 1 4 原子核反应1 4 原子核反应 1 5 核裂变及核能的利用 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 核本性核本性1 1 原子和原子原子和原子核核的基的基本性本性质质 知识要点知识要点 知识要点知识要点 原子与原子核 原子的壳层结构 原子的壳层结构 原子核的组成及其稳定性 原子核的大小 原子核的大小 原子核的结合能 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子和原子核原子和原子核 1 原子和原子核原子和原子核 1 知识要点知识要点 原子 原子核 同位素 1896年法国科学家贝克勒尔 A H Becquerel 发现天年法国科学家贝克勒尔 q 发现天 然放射性现象 人类第一次观察到核变化 这一重大 发现是原子核物理的开端 万物是由原子分子构成每一种原子对应一种化学 万物是由原子 分子构成 每一种原子对应一种化学 元素 目前 人们已知一百多种元素 1911年卢瑟福根据 粒子的散射实验提出原子由原子 核核核和核外电子组成的假设 核外电子运动构成了原子物理学的主要内容 而原子 核内部核子的运动是原子核物理学的主要研究对象核内部核子的运动是原子核物理学的主要研究对象 原子和原子核是物质结构的两个层次 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子和原子核原子和原子核 2 原子和原子核原子和原子核 2 电子带负电荷 电子电荷的值为 e 1 60217733x10 19C 且 电荷是量子化的 即任何电荷只能是e的整倍数电子的质电荷是量子化的 即任何电荷只能是e的整倍数 电子的质 量为me 9 1093897x10 31kg 原子核带正电荷 集中了原子 的全部正电荷 原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征 原子可以设想为电子在以原子核为中心的 距核非常远的 若干轨道上运行 原子的大小半径约为10 8cm的量级 若干轨道上运行 原子的大小半径约为10 cm的量级 原子核的质量远超过核外电子的总质量 原子的质量中心 与原子核的质量中心非常接近 原子核的尺度只有几十飞 米 1513 而密度高达 83 米 1fm 10 15m 10 13cm 而密度高达108t cm 3 物质的许多化学性质及物理性质 光谱特性基本上只与核 外电子有关 而放射现象则主要与原子核有关 外电子有关 而放射现象则主要与原子核有关 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子和原子核原子和原子核 3 原子和原子核原子和原子核 3 单选题例 只有一个答案是正确的 原子物理学的主要内容是 A 原子物理学的主要内容是 A A核外电子的运动 B 原子核的裂变 C 原子核的衰变 D 原子核中核子间的运动 多选题例 有多个答案可能正确 错一个为全错 原子由原子核和核外电子组成 其中 ABCDE A 电子带负电荷 B 原子核集中了原子的全部正电荷 C 原子的大小半径约为10 8 的量级C 原子的大小半径约为10 8cm的量级 D 原子核的质量远超过核外电子的总质量 E 原子核的限度只有几十飞米E 原子核的限度只有几十飞米 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子的壳层结构原子的壳层结构 1 原子的壳层结构原子的壳层结构 1 知识要点知识要点 原子的壳层 能级 跃迁 原子的核外电子称为轨道电子 原子的轨道电子离核的距离是不 能取任意值的按照定的规律形成彼此分离的壳层能取任意值的 按照一定的规律形成彼此分离的壳层 最靠近核的一个壳层称为K层 在它的外面依次为L M N O壳 层等 以此类推 通常用量子数n n 1 2 3 代表壳层 并分别对 应K L M N O 壳层 每个壳层可容纳2n2个电子 除了K 层以外 其他壳层又可分成 2l 1 l n 1 个支壳层 l是描述电子 轨道的量子数 处于不同壳层的电子具有不同的位能 当电子从无穷远处移动到 靠近原子核的位置时是电场力作功 K层的能级最低 能级的能量 大小就等于该壳层电子的结合能 要使该壳层电子脱离核的束缚 成为自由电子所需做的功 结合能是负值 通常以KeV为单位 K 壳层电子的结合能的绝对值最大 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子的壳层结构 原子的壳层结构 2 用lj三个量子数来描述不同的能级其中123是主量 用n l j三个量子数来描述不同的能级 其中n 1 2 3 是主量 子数 l 0 1 2 n 1 是与电子的轨道运动相关的量子数 而j是与电子的自旋运动相关的量子数 j与l的关系是j l 1 2 n l j三个量子数的不同组合区别轨道电子不同的支壳层 每个支壳l j三个量子数的不同组合区别轨道电子不同的支壳层 每个支壳 层最多可容纳 2j 1 个电子 在正常情况下 电子先充满较低能级 但当原子受到内在原因或 外来因素的作用时 低能级的电子可以被激发到高能级上 称激 离离高发过程 或电子被电离到原子的壳层之外 称电离过程 高 能级电子就会跃迁到低能级上留下的空位上 并以电磁辐射的形 式释放一个光子 发生内电时发射的能较高素的原 发生内层电子跃迁时 发射的光子能量较高 而且不同元素的原 子均有不同特定的能量 所以通常又称作特征X射线 其能量计算 公式为 EX hc E1 E2 式中h 6 6260755x10 34J s 光速 X12 c 2 997925x108m s E1和E2分别是跃迁前后两个能级的能量 K系特征线是由K壳层之外的电子跃迁到K层空位时发射的特征X射 线 同样还有L系 M系特征X射线等 跃迁还需要满足特定的选 择定则择定则 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子的壳层结构原子的壳层结构 3 原子的壳层结构原子的壳层结构 3 单选题例 原子的核外电子称为 B A 自由电子 B 轨道电子 C 俄歇电子 D 康普顿电子 多选题例 多选题例 电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层 其中各 层最多可容纳的电子数分别是 BCE A K层1个 B K层2个 C L层8个C L层8个 D M层10个 E M层18个 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的组成及其稳定性 1 原子核的组成及其稳定性 1 知识要点知识要点 核的组成 核素 同位素 同质异能素 核的稳定性 1932年查德威克发现中子 海森堡提出原子核由质子和中子组成的 假设 中子为中性粒子 质子为带有单位正电荷的粒子 假设 中子为中性粒子 质子为带有单位正电荷的粒子 中子和质子的质量相差甚微 它们的质量分别为 mn 1 00866492u mp 1 00727646u u为原子质量单位 1960年国际上规定把碳 12 12C 原子质量的1 12定义为原子质量单位用u表示原子质量的1 12定义为原子质量单位 用u表示 1u 1 6605402 0 0000010 x10 27kg 931 494013MeV c2 任何一个原子核都可以由符号AZXN表示 N是中子数 Z是质子数或 电荷数A是核子数或质量数X是该原子核对应的元素符号只要电荷数 A是核子数或质量数 X是该原子核对应的元素符号 只要 元素符号X确定后 该元素的电荷数就已经确定 所以符号AX足以 表示一个特定的核 中子数和质子数都相同的原子核称为一种核素 具有相同原子序数 中子数和质子数都相同的原子核称为种核素 具有相同原子序数 但质量数不同的核素称为某元素的同位素 16O 17O 18O的天然丰度 比是 99 756 0 039 0 205 寿命较长的激发态原子核称 为基态原子核的同质异能素或同核异能素 同质异能素所处的能态 又称同质异能态如 87mS87S 又称同质异能态 如 87mSr 87Sr 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的组成及其稳定性 2 原子核的组成及其稳定性 2 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密 切的关系切的关系 核素图必须是一个含有N Z数的两维图 在现代核素图上 既包括 了天然存在的332个核素 其中280多个是稳定核素 也包括了自 1934年以来人工制造的1600多个放射性核素共约2000个核素1934年以来人工制造的1600多个放射性核素 一共约2000个核素 在 稳定核素分布图上 相同中子数N的核素是同中异荷素 在N和 Z轴截距相等的直线上的核素是同量异位素 在Z0 的看出 所有的核都存在质量亏损 即 m Z A Zmp A Z mn m Z A 其中 m Z A 为电荷数 为Z 质量数为A的原子核的质量 既然原子核的质量亏损 m Z A 0由质能关系式那 既然原子核的质量亏损 m Z A 0 由质能关系式 那 么相应能量的减少就是 E mc2 0 这表明核子结合成 原子核时 会释放出能量 这个能量称之为结合能 个中子和个质子组成氘核时会释放部分能量 一个中子和一个质子组成氘核时 会释放一部分能量 2 225MeV 这就是氘的结合能 它已为精确的实验测量所证 明 实验还证实了它的逆过程 当有能量为2 225MeV的光 子照射氘核时 氘核将分为两 飞出质子和中子子照射氘核时 氘核将一分为两 飞出质子和中子 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的结合能 2 原子核的结合能 2 结合能 B Z A mc mc2 2 比结合能 Z A B Z A A mc mc2 2 A A 比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时 比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时 外界对每个核子所做的最小的平均功 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表示核子结合成原子核时平均个核子所释放的 能量 比结合能表征了原子核结合的松紧程度 比结合能 比结合能表征了原子核结合的松紧程度 比结合能 大 原子核结合紧 稳定性高 比结合能小 结合 松 稳定性差 松稳定性 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的结合能 3 原子核的结合能 3 当结合能小的核变成结合能大的核 即当结合得比较松的核 变到结合得紧的核就会释放能量变到结合得紧的核 就会释放能量 从比结合能曲线可以看出 有两个途径可以获得能量 重核裂变 即一个重核分裂成两个中等质量的核 重核裂变 即个重核分裂成两个中等质量的核 轻核聚变 即两个轻核融合为一个较重质量的核 人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子 弹 依人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子 弹 依 靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变反 应 所谓原子能 主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的结合能 4 原子核的结合能 4 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的结合能 5 单选题例 一个质子和一个中子结合成氘原子核时 会 B 的能量 A 吸收2 225MeVB 释放出2 225MeVA 吸收2 225MeV B 释放出2 225MeV C 吸收14 1MeV 释放出17 6MeV 在原子核的质量亏损算式中 m Z A 为的原子核的 B A 核子数 B 核质量 C 中子数 D 原子序数 组成氘核的质子和中子质量之和 C 氘核的质量 A小于 B 等于 C 大于 D 等于两个A小于 B 等于 C 大于 D 等于两个 E mc2称为 A 定律 A 质能联系 B 万有引力 C 宇称守恒 D 库仑 多选 多选题例 原子能是指原子核结合能发生变化时释放的能量 原子能利用的实例 有 ABC A 核反应堆 B 原子弹 C 氢弹 D 激光器 E 氢气复合器 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 核放性1 2 原子核的放射性 知识要点知识要点 知识要点知识要点 原子核的衰变与放射性核素 放射性衰变的基本规律 放射性衰变的基本规律 放射系 放射规律的应用 放射规律的应用 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的衰变与放射性核素 1 原子核的衰变与放射性核素 1 知识要点知识要点 放射性核素 核衰变 衰变纲图 不稳定核素是指其原子核会自发地转变成另一种原子核或另 种状态并伴随些粒子或碎片的发射它称为放射性原一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射 它又称为放射性原 子核 在无外界影响下 原子核自发地发生转变的现象称为原子核 在无外界影响下 原子核自发地发生转变的现象称为原子核 的衰变 核衰变有多种形式 如 衰变 衰变 衰变 还 有自发裂变及发射中子 质子的蜕变过程 不稳定原子核会 自发地发生衰变 发发衰变 可以根据衰变纲图和同位素表提供的资料 选取有用的数据 衰变纲图中粗实横划线的态代表原子核基态 细实横划线的 态代表原子核的激发态 箭头向左表示原子序数减少 向右态代表原子核的激发态 箭头向左表示原子序数减少 向右 表示增加 箭头线上标示了放射粒子的类型及其动能或者动 能最大值 图中百分数代表该种衰变所占的比例 又叫分支 比 比 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的衰变与放射性核素 2 原子核的衰变与放射性核素 2 a b 一些核素的衰变纲图核素的衰变纲图 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 原子核的衰变与放射性核素 3 原子核的衰变与放射性核素 3 单选题例 在无外界影响下原子核自发地发生转变的现象称原子 在无外界影响下 原子核自发地发生转变的现象称原子 核的 A A 衰变 B 诱发裂变 C 聚变 D 散裂 会自发地转变成另种原子核或另种状态并伴随发射 会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随发射 一些粒子或碎片的原子核是 B A 散射靶核 B放射性原子核 C 裂变核 D 散裂核散射靶核放射性原子核裂变核散裂核 多选题例 原子核衰变有多种形式如 ABCDE 原子核衰变有多种形式 如 ABCDE A 衰变 B 衰变 C 衰变 D 自发裂变 E 发射质子的蜕变D 自发裂变 E 发射质子的蜕变 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 放射性衰变的基本规律 1 放射性衰变的基本规律 1 知识要点知识要点 指数衰变规律 衰变常数 半衰期 平均寿命 放射性活度 实验表明 任何放射性物质在单独存在时都服从相同的指数衰减规律 指数衰减规律不仅适用于单放射性衰变而且对于同时存在分支衰指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变 而且对于同时存在分支衰 变的过程 指数衰减规律也是适用的 这是一个普遍的规律 指数衰减规律 N t N0e t 对各种不同的核素来说 它们衰变的快慢又各不相同 这反映在它们 的衰变常数 或半衰期 平均寿命 各不相同 所以衰变常数又反映 了它们的个性 应该指出 放射性指数衰减规律是一种统计规律 它是由大量的全同 原子核参与衰变而得到的 对于单个原子核的衰变 只能说它具有一 定的衰变概率 而不能确切地确定它何时发生衰变 定的衰变概率而不能确切确定它何时发衰变 实验发现 用加压 加热 加电磁场 机械运动等物理或化学手段不 能改变指数衰减规律 也不能改变其衰变常数 这表明 放射性衰变 是由原子核内部运动规律所决定的 是由原子核内部运动规律所决定的 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 放射性衰变的基本规律 2 衰变常数 是单位时间内 单一放射性物质 一个原子核发生衰变的 概率 其单位为时间的倒数 s 1 min 1 h 1 d 1 a 1等 衰变常数表征该放射性核素衰变的快慢 越大 衰变越快 越小 衰变越慢 实验指出 每种放射性核素都有确定的衰变常数 衰变常 数 的大小与这种核素如何形成的或何时形成的都无关 数 的大小与这种核素如何形成的或何时形成的都无关 如果一种核素同时有几种衰变模式 如图1 5 b 中137Cs有两种 衰 变 还有一些放射性同位素同时放射 和 粒子等 则这核素的总衰常变 还有些放射性同位素同时放射 和 粒子等 则这核素的总衰常 数是各个分支衰变常数之和 即 i 定义分支比Ri为第个分支衰变在总衰变中所占的比例 即 定义分支比Ri为第个分支衰变在总衰变中所占的比例 即 Ri i i i 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 放射性衰变的基本规律 3 放射性衰变的基本规律 3 放射性核素衰变掉一半所需要的时间 叫做该放射性核素的半衰期 T1 2 单位为s min h d a等 根据指数衰变规律 可得 Tl 2 0 693 T1 2 ln2 0 693 还可以用平均寿命 来量度衰变的快慢 简称寿命 t N t dt N0 1 1 44T1 2 tN t dt N01 1 44T1 2 平均寿命是半衰期的1 44倍 放射性核素的平均寿命表示经过时间 以 后 剩下的核素数目约为原来的37 一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度 通常用符号A表示 如果一个放射源在t时刻含有N t 个放射性原子核 放射源核素的衰变 如果个放射源在t时刻含有N t 个放射性原子核 放射源核素的衰变 常数为 则这个放射源的放射性活度为 A t dN t dt N t A 0 e t 上式可见 一个放射源的放射性活度也应随时间增加而指数地衰减 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 放射性衰变的基本规律 4 历史上放射性活度采用居里为单位年为了统起见国际 历史上放射性活度采用居里 Ci 为单位 1950年 为了统一起见 国际 上共同规定 一个放射源每秒钟有3 7 1010次核衰变定义为一个居里 即 1Ci 3 7 1010s 1 更小的单位有毫居里 1mCi 10 3Ci 和微居里 1 Ci 10 6Ci 在1975年 国际计量大会 General Conference on Weights and Measures 上 规 定了放射性活度的SI单位叫Bq 贝克 勒尔 1Bq 1s 1 放射性活度仅仅指单位时间内原子核衰变的数目 而不是指在衰变过 程中放射出的粒子数目 在实际工作中还经常用到 比放射性活度 或 比活度 的概念 比 在实际工作中还经常用到比放射性活度或比活度的概念 比 放射性活度就是单位质量放射源的放射性活度 即 a A m 式中m为放射源的质量 比放射性活度的单位为Bq g 衡量一个放射源或放射性样品的放射性的强弱的物理量除放射性活 衡量一个放射源或放射性样品的放射性的强弱的物理量 除放射性活 度外 还常用 衰变率 这一概念 设t时刻放射性样品中 某一放射 性核素的原子核数为N t 该放射性核素的衰变常数为 我们把这 个放射源在单位时间内发生衰变的核的数目称为衰变率J t 则个放射源在单位时间内发生衰变的核的数目称为衰变率J t 则 J t N t 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 放射性衰变的基本规律 5 放射性衰变的基本规律 5 单选题例 1微居里等于 A Bq A 3 7x104B 3 7x107C 3 7x1010D 3 7x1012A 3 7x10 B 3 7x10 C 3 7x10 D 3 7x10 平均寿命是半衰期 C 倍 A 0 5 B 0 693 C 1 44 D 2 的单位或量纲为 B 的单位或量纲为 B A 时间 B 时间的倒数 C 长度 D 长度的倒数 多选题例 ABCDE 等手段不能改变放射性核素的衰变常数 ABCDE 等手段不能改变放射性核素的衰变常数 A 加压 B 加热 C 加电磁场 D 机械运动 E 化学反应 表征该放射性核素衰变的快慢的参数是 ACD 衰变常数射线能量平均寿命A 衰变常数 B 射线能量 C 平均寿命 D 半衰期 E 平均自由程 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 放射系 1 知识要点 知识要点 天然存在的钍系 铀系 锕系及人造镎系 地球年龄约为10亿年 即109年 目前还能存在于地球上的放射性核素 地球年龄约为10亿年 即109年 目前还能存在于地球上的放射性核素 都只能维系在三个处于长期平衡状态的放射系中 这些放射系的第一 个核素的半衰期都很长 和地球的年龄相近或比它更长 如钍系 4n 的 半衰期为1 41 1010a钍系从232Th开始经过连续10 如钍系 4n 的 半衰期为1 41 1010a 钍系从232Th开始 经过连续10 次衰变 最后到达稳定核素208Pb 由于的质量数 232 4 58 是4的 整倍数 故称4n系 铀系 4n 2 的 半衰期为4 47 109a 铀系由238U开始 经过14次连续 铀系 4n 2 的 半衰期为4 47 10 a 铀系由U开始 经过14次连续 衰变而到达稳定核素206Pb 该系的核素 其质量数皆为4n 2 故称 4n 2 系 锕 铀系 4n 3 的 其半衰期为7 04 108a 锕 铀系是从开始的 经过锕 铀系 的其半衰期为 锕 铀系是从开始的过 11次连续衰变 到达稳定核素207Pb 该系核素的质量数可表示为 4n 3系 虽然在三个放射系中的其他核素 在单独存在时 衰变都较快 但它 们维系在长期平衡体系内时都按第个核素的半衰期衰变因此可们维系在长期平衡体系内时 都按第一个核素的半衰期衰变 因此可 保存至今 在天然存在的放射系中 缺少了4n 1系 后来 由人工方法才发现了 这一放射系以其中半衰期最长的 镎 命名称为镎系 237Np的半 这一放射系 以其中半衰期最长的 镎 命名 称为镎系 237Np的半 衰期为 2 14 106a 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 放射系 2 放射系 单选题例 锕铀放射系又称为 D 系 A 4n B 4n 1 C 4n 2 D 4n 3 由人工方法发现的4n 1放射系称为镎系 其中半衰期 最长核素237Np的半衰期为 A 最长核素237Np的半衰期为 A A 2 14 106a B 7 04 108a C 4 47 109a D 1 41 1010a 多选题例 地球上的原生放射性核素都只能维系在处于长期平衡 状态的 ACD 放射系中 A锕 铀系B 镎系C 铀系D 钍系E 钚系A锕 铀系 B 镎系 C 铀系 D 钍系 E 钚系 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 放射规律的应用 1 知识要点知识要点放射源活度的确定确定人工放射性制备时间知识要点知识要点 放射源活度的确定 确定人工放射性制备时间 放射源活度的确定 A t N t N t M x NA A NA 6 022x1023mol 1 A是放射源物质的质量数 A 在人工制备放射源时 如果反应堆中的中子注量率或加速器中带电粒 子束流强是恒定的 则制备的人工放射性核素的产生率是恒定的 而 放射性核素同时又在衰变 因此它的数目变化率为N t P 1 e t P N 式中N为样品中被用于制备放射源的靶核的总数而且认P Nt 0 式中Nt为样品中被用于制备放射源的靶核的总数 而且认 为在辐照过程中保持恒定 0为靶核的热中子截面 为热中子的注 量率 人工生成的放射性核数呈指数增长要达到饱和值必须经过相当长 人工生成的放射性核数呈指数增长 要达到饱和值 必须经过相当长 的时间 需要半衰期的六七倍时间 即可得到放射性活度为的99 的 放射源 如果再延长时间 也只增加其中的1 而已 这是不合算的 单选题例 单选题例 辐照生产放射性核数一般只需要照射半衰期的 C 倍时间 即可 得到放射性活度为的99 的放射源 A 1 2 B 3 4 C 6 7 D 9 10 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 线其物作1 3 射线及其与物质相互作用 知识要点知识要点 知识要点知识要点 常用的核辐射类型及特征 常用的核辐射类型及特征 射线与物质相互作用 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 常用的核辐射类型及特征 1 常用的核辐射类型及特征 1 知识要点知识要点 射线及中子 辐射的定义是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在 辐射的定义是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在 其中传播的能量 如声辐射 热辐射 电磁辐射 粒子辐射等 的统称 物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射受激原子退激时发 物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射 受激原子退激时发 射的紫外线或X射线叫做原子辐射 不稳定的原子核发生衰变 时发射出的微观粒子叫做原子核辐射 简称核辐射 通常论及 的 辐射 概念是狭义的仅指高能电磁辐射和粒子辐射这的 辐射 概念是狭义的 仅指高能电磁辐射和粒子辐射 这 种狭义的 辐射 又称 射线 核辐射粒子就其荷电性质可以分为带电粒子和非带电粒子 就 其质量言以分为轻粒和重粒以不能的其质量而言 可以分为轻粒子和重粒子 以及处于不同能区的 电磁辐射 主要有 辐射 辐射 辐射和中子辐射等 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 常用的核辐射类型特征 常用的核辐射类型及特征 2 射线通常也称 粒子 它是氦的原子核 由两个质子和两 个中子组成核电荷数为 2质量为4个中子组成 核电荷数为 2 质量为4 粒子以符号42He表示 天然的 粒子来源于较重原子核的 自发衰变叫做 衰变自发衰变 叫做 衰变 衰变过程 AZX A 4Z 2Y 42He X Y分别为母核和子核 原子核发射出的 射线有两类 和 射线 射线就 原子核发射出的 射线有两类 和 射线 射线就 是通常的电子 带有一个单位的负电荷 以符号e或e 表示 负电子是稳定的 射线就是正电子 带有一个单位的 正电荷 以符号e 表示 两种电子静止质量相同 其质量 约为质子质量的1 1846 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 常用的核辐射类型及特征 3 粒子来源于原子核的 衰变衰变有三种类型 衰变 衰 粒子来源于原子核的 衰变 衰变有三种类型 衰变 衰 变和轨道电子俘获EC 衰变 衰变中发射的电子或正电子 的能量是连续的 从0到极大值E max都有 图1 7表示了 衰变中 发射电子能量分布对应某核素的电子的最大动能E是确定的发射电子能量分布 对应某核素的电子的最大动能E max是确定的 X射线和 射线都是一定能量范围的电磁辐射 又称光子辐射 光子 静止质量为0 不带任何电荷 单个光子的能量与辐射的频率 成正 比即 E hh为普朗克常数它的数值等于6 626 10 34J s 比 即 E h h为普朗克常数 它的数值等于6 626 10 34J s 每一个光子的能量都是确定的 任何光子在真空中的速度都是相同 的 即为光速C 3 108m s X射线和 射线的唯一区别是起源不同 从原子来说X射线来源于核 外电子的跃迁 而 射线来源于原子核本身高激发态向低激发态 或 基态 的跃迁或粒子的湮灭辐射 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 常用的核辐射类型及特征 4 常用的核辐射类型及特征 4 中子是原子核组成成份之一 它不带电荷 质量数为1 比质子略 重 自由中子是不稳定的 它可以自发地发生衰变 生成质子 电 子和反中微子 其半衰期为10 6分 中子的产生主要是通过核反应或原子核自发裂变 基本上有三种方 法 1 同位素中子源 2 加速器中子源 3 反应堆中子法同位素中子源 加速器中子源 反应堆中子 源 在用中子源产生中子时往往伴有 射线或X射线产生 有的可能比 较强 因此 在应用和防护上不仅要考虑中子 而且也要考虑 射较强 因此 在应用和防护上不仅要考虑中子 而且也要考虑 射 线或X射线 中子在核科学的发展中起过极其重要的作用 中子不带电 当用它 轰击原子核时容易进入原子核内部引起核反应 人们用核反应制造轰击原子核时容易进入原子核内部引起核反应 人们用核反应制造 出了许多新的核素 随着中子活化分析 中子测水分 中子测井探 矿 中子照相 中子辐射育种和中子治癌等技术广泛的应用 对中 子的需求越来越多 子的需求越来越多 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 常用的核辐射类型及特征 5 单选题例 单选题例 受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做 A A 原子辐射 B 原子核辐射 C 核辐射 D 热辐射 电子的静止质量约为质子质量的 A 电子的静止质量约为质子质量的 A A 1 1846 B 4倍 C 12倍 D 1846倍 射线是带有一个单位 A 电子 负电荷的负正电荷的负正电荷的正负电荷的正A负电荷的负 B正电荷的负 C 正电荷的正 D 负电荷的正 多选题例 常见核辐射包括 ABCD A 辐射 B 辐射 C 辐射 D 中子辐射 E 受激原子退激时发射的X射线 衰变包括 BCE 衰变包括 A 韧致辐射 B 衰变 C 衰变 D 光电效应 E 轨道电子俘获 产生中子的基本方法有 ABC 产生中子的基本方法有 ABC A 同位素中子源 B 加速器中子源 C 反应堆中子源 D 核磁共振 E 电加热 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 1 射线与物质相互作用 1 知识要点知识要点 带电粒子 射线 中子与物质相互作用 带电粒子通过物质时 同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能 带电粒子通过物质时 同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能 量的传递和交换 其中一种主要的作用是带电粒子直接使原子电离或 激发 非带电粒子则通过次级效应产生次带电粒子使原子电离或激发 能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射通常叫做电离辐射 能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射通常叫做电离辐射 带电粒子能量损失方式之一是电离损失 包括直接电离和原子激发 带电粒子与物质原子核外电子的非弹性碰撞 导致原子的电离或激发 是带电粒子通过物质时动能损失的主要方式我们把这种相互作用引是带电粒子通过物质时动能损失的主要方式 我们把这种相互作用引 起的能量损失称为电离损失 入射带电粒子在物质中穿过单位长度路程时由于电离 激发过程所损 失的能量叫做电离能量损失率从物质角度来说电离能量损失率也失的能量叫做电离能量损失率 从物质角度来说 电离能量损失率也 可叫做物质对带电粒子的阻止本领 由于这种阻止主要是电子引起的 所以又叫做电子阻止本领 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 2 射线与物质相互作用 2 由于带电入射粒子和靶原子核外电子之间库仑力作用 使电子受到吸 引或排斥 使入射粒子损失部分能量 而电子获得一部分能量 如果 传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚 那么这个电子就脱离 原子成为自由电子 而靶原子由于失去电子而变成带正电荷的正离子 这一过程称为电离电离 如果入射带电粒子传递给电子的能量较小 不足以使电子摆脱原子核 的束缚成为自由电子 只是使电子从低能级状态跃迁到高能级状态 原子处于激发态 这种过程叫原子的激发激发 处于激发态的原子是不稳定的 原子从激发态跃迁回到基态 这种过 程叫做原子退激 释放出来的能量以光子形式发射出来 这就是受激 原子的发光现象 原子发光现象 电离能量损失率随入射粒子速度增加而减小 呈平方反比关系 电离 能量损失率与入射粒子电荷数平方成正比 入射粒子电荷数越多 能 量损失率就越大 电离能量损失率与介质的原子序数和原子密度的乘量损失率就越大 电离能量损失率与介质的原子序数和原子密度的乘 积成正比 高原子序数和高密度物质具有较大的阻止本领 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 3 射线与物质相互作用 3 每产生一个离子对所需的平均能量叫做平均电离能 以W表示 不同 物质中的平均电离能是不同的 但不同能量的 粒子在同一物质中的 平均电离能近似为一常数平均电离能近似为一常数 带电粒子能量损失方式之二是辐射损失 由经典电磁理论可知 高速 运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电磁辐 射 通常称做轫致辐射 能量最小值为0 最大值为电子的最大动能 射 通常称做轫致辐射 能量最小值为0 最大值为电子的最大动能 X射线管和X光机产生的X射线就是轫致辐射 电子的轫致辐射能量损 失率比质子 粒子等大得多 例如在速度相同的条件下 质子的轫 致辐射比 电子要小18402 3 4 106倍 所以对重带电粒子的轫致辐射 能量损失般忽略不计由于轫致辐射损失与成正比因此在原子能量损失一般忽略不计 由于轫致辐射损失与成正比 因此 在原子 序数大的物质 如铅 Z 82 中 其轫致辐射能量损失比原子序数小 如 铝Z 13 的物质中大得多 一定能量的带电粒子在它入射方向所能穿透的最大距离叫做带电粒子 一定能量的带电粒子在它入射方向所能穿透的最大距离叫做带电粒子 在该物质中的射程 Range 入射粒子在物质中行经的实际轨迹的 长度称作路程 Path 对重带电粒子 如粒子 由于其质量大 与 物质原子的核外电子作用时 运动方向几乎不变 因此 其射程与路物质原子的核外子作用时动方向几乎不变因其射程与路 程相近 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 4 射线与物质作用 5 3MeV的 粒子在标准状态空气中的平均射程 3 84cm 同样能量的 粒子在生物肌肉组织中的射程仅为30 40 m 人体皮肤的角质层就 可把它挡住 因而绝大多数 辐射源不存在外照射危害问题 但是当 它进入体内时由于它的射程短和高的电离本领会造成集中在辐射它进入体内时 由于它的射程短和高的电离本领 会造成集中在辐射 源附近的损伤 所以要特别注意防止 粒子进入体内 对 粒子 其射程要大得多 当 粒子通过物质时 由于电离碰撞 轫 致辐射和散射等因素的影响其径迹十分曲折经历的路程远远大于致辐射和散射等因素的影响 其径迹十分曲折 经历的路程远远大于 通过物质层的厚度 加上 粒子具有从零到某一最高值的连续能量 所以 对应于粒子的最大能量仅存在相应于 粒子在该物质中的最大 射程原子核 衰变会有正电子产生 快速运动的正电子通过物质时 核 会 与负电子一样 同核外电子和原子核相互作用 产生电离损失 轫致 辐射损失和弹性散射 原子核 衰变会有正电子产生 快速运动的正电子通过物质时 与负 电子样同核外电子和原子核相互作用产生电离损失轫致辐射电子一样 同核外电子和原子核相互作用 产生电离损失 轫致辐射 损失和弹性散射 能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和 射程大体相同 但自由正电子是不稳定的 正电子与介质中的电子碰 撞会发生湮灭过程 e e 0 511MeV 0 511MeV 因此 快速撞会发生湮灭过程 e e 0 511MeV 0 511MeV 因此 快速 运动的正电子通过物质除了发生与电子相同的效应外 还会产生 0 511Me的 湮灭辐射 在防护上还要注意对 射线的防护 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 5 能量在几十和几十的 射线通过物质时主要有光电效应康普顿 能量在几十keV和几十MeV的 射线通过物质时主要有光电效应 康普顿 效应和电子对效应等三种作用过程 这三种效应的发生都具有一定的概 率 射线与物质作用的总截面 ph c p 当 光子通过物质时与物质原子中束缚电子发生作用光子把全部能 当 光子通过物质时 与物质原子中束缚电子发生作用 光子把全部能 量转移给某个束缚电子 使之发射出去 而光子本身消失了 这种过程 叫光电效应 光电效应中发射出来的电子叫光电子 在光电效应中入射光子能量的一部分用来克服被击中电子的结合能 在光电效应中 入射光子能量的部分用来克服被击中电子的结合能 另一部分转化为光电子动能 原子核反冲能量很小 可忽略不计 原子 中束缚得越紧的电子参与光电效应的概率也越大 因此 K壳层上打出 光电子的概率最大 L层次之 M N层更次之 如果入射光子能量超过 K层电子结合能大约80 的光电效应发生在K层电子上K层电子结合能 大约80 的光电效应发生在K层电子上 发生光电效应时 若从原子内壳层上打出电子 在此壳层上就留下空位 原子处于激发态 这种激发态是不稳定的 有两种退激方式 一种是外 壳层电子向内层跃迁填充空位发射特征X射线使原子恢复到较低能壳层电子向内层跃迁填充空位 发射特征X射线 使原子恢复到较低能 量状态 另一过程是原子的退激直接将能量传递给外壳层中某一电子 使它从原子中发射出来 这个电子叫做俄歇电子 因此 发射光电子的 同时 还伴随有特征X射线或俄歇电子产生 这些粒子将继续与物质作同时伴随有特征 射线或俄歇电子产粒子将继续与物质作 用 转移它们的能量 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 6 入射 光子同原子中外层电子发生碰撞 入射光子仅有一部分能 量转移给电子使它脱离原子成为反冲电子 而光子能量减小量转移给电子 使它脱离原子成为反冲电子 而光子能量减小 变成新光子 叫做散射光子 运动方向发生变化 这一过程叫康 普顿散射或效应 h 和h 分别为入射光子和散射光子的能量 为散射光子和入射光子间的夹角 称做散射角 为反冲电子的 反冲角 反冲电子具有一定动能 等于入射 光子和散射 子光子 能量之差 反冲电子在物质中会继续产生电离和激发等过程 对 物质发生作用和影响 散射光子有的可能从物质中逃走 有的留 在物质中再发生光电效应或康普顿效应最终部分被物质吸收在物质中再发生光电效应或康普顿效应 最终一部分被物质吸收 一部分逃逸出去 当一定能量的 光子进入物质时 光子在原子核库仑场作用下会转 化为一对正负电子这一现象称做电子对效应电子对效应电子对效应发生是化为一对正负电子 这一现象称做电子对效应电子对效应 电子对效应发生是 有条件的 在原子核库仑场中 只有当入射 光子的能量 1 02MeV 时才有可能 入射光子的能量首先用于转化为正负电子对的静止能 量 0 51MeV 0 51MeV 1 02MeV 剩下部分赋予正负电子的动 能 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 7 射线与物质相互作用 7 射线进入物质主要通过光电效应 康普顿效应和电子对效应损失其 能量 这些效应的发生使原来的 光子或者不复存在 或者改变了能 量成为新的光子 偏离了原来的入射方向 因此 我们可以说 入射 的 光子一旦同介质发生作用就从入射束中移去 只有没有同介质发 生任何作用的 光子才沿着原来的方向继续前进 入射的 光子束中由任何作用的 光子才沿着原来的方向续前射的 光子束中 于同介质作用而被移去的 光子称做介质对 光子的吸收 只有理想的 准直束才能满足这种要求 称为 窄束 射线穿物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数衰减称做线 射线穿物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数衰减 称做线 性吸收系数 其单位为cm 1 它表示 射线穿过单位厚度物质时发生相 互作用的概率 或被吸收的概率 它包含了光电效应 康普顿效应 和电子对效应总的贡献由于三种效应的作用概率都与入射光子的能和电子对效应总的贡献 由于三种效应的作用概率都与入射光子的能 量和作用物质的原子序数有关 所以线性吸收系数 值也随 光子能量 和介质原子序数Z而变化 光子能量增高 吸收系数 值减小 介质 原子序数高密度大的物质 线性吸收系数 也高 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 8 中子不带电 不能直接引起物质原子的电离或激发 但由于不受原子 核库仑场的作用 即使很低能量的中子也可深入到原子核内部 同原 子核作用发生弹性散射 非弹性散射或引起其它核反应 这些过程的 发生导致中子在物质中被慢化和被吸收 并产生一些次级粒子 例如 反冲质子 射线 粒子以及其它带电粒子等 这些粒子都具有一定 的能量 它们继续同物质发生各自相应的作用 最终使物质原子发生 电离和激发因此中子也是种电离辐射电离和激发 因此 中子也是一种电离辐射 中子与原子核的作用分为两类 中子的散射 中子与原子核发生弹性 散射与非弹性散射并产生反冲核 中子的俘获 中子被原子核俘获而 形成复合核 再蜕变而产生其它次级粒子 中子进入原子核形成 复合核 后 可能发射一个或多个光子 也可 能发射一个或多个粒子而回到基态 前者就称为 辐射俘获 而后能发射个或多个粒子而回到基态 前者就称为辐射俘获 而后 者则相应于各种中子核反应 有几种重原子核 如235U 俘获一个中子后会分裂为两个或三个较 轻的原子核 同时发出2 3个中子以及很大的能量 约200MeV 这轻的原子核 同时发出2 3个中子以及很大的能量 约200MeV 这 就是裂变反应 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 射线与物质相互作用 9 单选题例 单选题例 带电粒子通过物质时 与物质的主要的作用是 A A直接电离 B 化合反应 C 间接电离 D 光合作用 高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电 磁辐射称为 B A 电离辐射 B 轫致辐射 C 射线 D 激光 A 电离辐射 B 轫致辐射 C 射线 D 激光 即使很低能量也易深入到原子核内部被俘获而形成复合核并引起其他 核反应的粒子是 C A 光子 B 粒子 C 中子 D 粒子A 光子 B 粒子 C 中子 D 粒子 多选题例 带电粒子通过物质时 与物质的主要直接作用是 ABC A直接电离B 原子激发C 轫致辐射A直接电离 B 原子激发 C 轫致辐射 D 光合作用 E 光电效应 射线通过物质时 直接作用的物理现象主要包括 ABC A 光电效应 B 电子对效应 C 康普顿效应 D 特征X射线 E 俄歇电子 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 辐射探测的原和主要的辐射探测 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 1 知识要点知识要点 气体 闪烁 半导体探测器 利用辐射在气体 液体或固体中引起的电离 激发效应及 或其它物理 化学变化进行核辐射探测的器件称为辐射探 测器测器 辐射探测的基本过程 1 辐射粒子射入探测器的灵敏体 积 2 入射粒子通过电离激发或核反应等过程而在探积 2 入射粒子通过电离 激发或核反应等过程而在探 测器中沉积能量 3 探测器通过各种机制将沉积能量转 换成某种形式的输出信号 探测器按其探测介质类型及作用机制主要分为气体探测器 闪烁探测器和半导体探测器三种 核安全综合知识核安全综合知识 核安全综合知识核安全综合知识 辐射探