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核安全综合知识 注册核安全工程师考试复习2010年6月 核安全综合知识 第一章原子核物理基础考试要求熟悉原子结构的知识熟悉放射性的概念 衰变及其规律熟悉射线及其与物质的相互作用掌握核反应的类型了解核裂变及其裂变反应的知识 核安全综合知识 第一章的要求 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 3射线及其与物质相互作用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 1 1原子和原子核的基本性质知识要点 原子与原子核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结合能 核安全综合知识 原子和原子核 1 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 原子和原子核是物质结构的两个层次 核安全综合知识 原子和原子核 2 电子带负电荷 电子电荷的值为 e 1 60217733 10 19C 且电荷是量子化的 即任何电荷只能是e的整倍数 电子的质量为me 9 1093897 10 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 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 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 核安全综合知识 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 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 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 核安全综合知识 原子的壳层结构 1 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 原子的壳层结构 2 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 核安全综合知识 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 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 AK层1个 BK层2个 CL层8个 DM层10个 EM层18个 核安全综合知识 原子核的组成及其稳定性 1 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 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 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 87mSr 87Sr 核安全综合知识 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 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 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Z 20的轻核时 稳定核位于N Z的直线附近 Z为中等核时 稳定核位于N Z 1 4的位置 Z 90的重核 稳定核位于N Z 1 6的位置 在 稳定核素分布图上 相对于稳定曲线 中子数过多或偏少都是不稳定的 位于稳定曲线偏N增大的区域的核素是丰中子核素 易发生 衰变 位于稳定曲线偏Z增大的区域的核素是缺中子核素 易发生 衰变 核安全综合知识 原子核的组成及其稳定性 3 核安全综合知识 原子核的组成及其稳定性 4 由于库仑力是长程相互作用力 作用于核内的所有质子 而核力是短程力 只作用与相邻的核子 随Z A 的增加 稳定核的中子数比质子数越来越多 越来越偏离Z N的直线 当Z大到一定程度 稳定核素不复存在 当原子核的中子数或质子数为2 8 20 28 50 82和中子数为126时 原子核特别稳定 上述数目称为 幻数 核内中子或质子满足幻数条件的原子核称为 幻核 原子核的稳定性还与核内质子和中子的奇偶性有关 自然界存在的稳定核素共270多种 若包括半衰期109年以上的核素则为284种 其中偶偶 e e 核166种 偶奇 e o 核56种 奇偶 o e 核53种 奇奇 o o 核9种 核安全综合知识 原子核的组成及其稳定性 5 单选题例 天然存在的核素的个数为 B A280 B332 C1600 D2000 Z为90左右的重核 稳定核的中子和质子的比例约为 C A0 8 B1 0 C1 6 D1 8 丰中子 不稳定核素 易发生 A A 衰变 B 衰变 C轨道电子俘获 E光合作用多选题例 幻核的质子数或中子数为 ABCD A2 B8 C20 D28 E92 若半衰期109年以上的核素被认为是稳定核素 那么自然界存在的稳定核素中有 ABCD A偶偶 e e 核166种 B偶奇 e o 核56种 C奇偶 o e 核53种 D奇奇 o o 核9种 E半衰期109年以上的核素284种 核安全综合知识 原子核的大小 1 知识要点 核的核力半径 电荷半径 核物质密度最早研究原子核的大小是卢瑟福和查德威克 他们用质子或 粒子去轰击各种原子核 根据这一方法 发现轻原子核的的半径遵从如下的规律 R r0A1 3 r0 1 2fm 单位体积内的核子数称为原子核的密度 其值等于常数 表明只要核子结合成原子核 其密度都是相同的 这就形成核物质的概念 在每立厘米体积中竟有近3亿吨 2 3亿吨 的核物质 其后 出现了许多其他更精确的测量方法 如用中子衍射截面测量原子核的大小 核力半径 用高能电子散射测量原子核的大小及电荷形状因子 电荷分布半径 等等 并依据所采用的方法 分别给出电荷半径或核力半径 原子核半径R与A1 3成正比 而其比例常数r0的最近数据为 r0 1 2 0 3 fm 电荷分布半径 r0 1 4 0 1 fm 核力半径 核安全综合知识 原子核的大小 2 单选题例 核物质的密度约为 D t cm3 A3万 B3百万 C3千万 D3亿 原子核半径的范围约为 D A1 10mm B1 10 m C1 10nm D1 10fm多选题例 测量原子核电荷半径或核力半径的主要方法包括 ABCD A中子衍射 B高能电子散射 C 粒子散射 D质子散射 E紫外线成像 核安全综合知识 原子核的结合能 1 知识要点 质能联系定律 质量亏损 核的结合能与比结合能E mc2称为质能关系式 也就是质能联系定律 原子核的质量亏损为组成原子核的个质子和个中子的质量与该原子核的质量之差 从原子核的质量亏损的定义可以明确的看出 所有的核都存在质量亏损 即 m Z A 0 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 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 氘核将一分为两 飞出质子和中子 核安全综合知识 原子核的结合能 2 结合能 B Z A mc2比结合能 Z A B Z A A mc2 A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能量 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 核安全综合知识 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 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 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 原子核的结合能 4 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 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 1 2原子核的放射性知识要点 原子核的衰变与放射性核素放射性衰变的基本规律放射系放射规律的应用 核安全综合知识 原子核的衰变与放射性核素 1 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 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 核安全综合知识 原子核的衰变与放射性核素 2 a b 一些核素的衰变纲图 核安全综合知识 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散裂核多选题例 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 核安全综合知识 放射性衰变的基本规律 1 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 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 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 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 Ri i i i 核安全综合知识 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 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 放射性衰变的基本规律 4 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 GeneralConferenceonWeightsandMeasures 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J t N t 核安全综合知识 放射性衰变的基本规律 5 单选题例 1微居里等于 A Bq A3 7x104 B3 7x107 C3 7x1010 D3 7x1012平均寿命是半衰期 C 倍 A0 5 B0 693 C1 44 D2 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 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 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 放射系 1 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的半衰期为2 14 106a 核安全综合知识 放射系 2 单选题例 锕铀放射系又称为 D 系 A4n B4n 1 C4n 2 D4n 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 A2 14 106a B7 04 108a C4 47 109a D1 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 核安全综合知识 放射规律的应用 1 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 MxNA ANA 6 022x1023mol 1 A是放射源物质的质量数 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 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 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 A1 2 B3 4 C6 7 D9 10 核安全综合知识 1 3射线及其与物质相互作用知识要点 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 核安全综合知识 常用的核辐射类型及特征 1 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 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 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 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 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 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 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 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 核安全综合知识 常用的核辐射类型及特征 5 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 A1 1846 B4倍 C12倍 D1846倍 射线是带有一个单位 A 电子 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 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 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 射线与物质相互作用 1 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 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 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 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 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 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 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 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 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 其射程与路程相近 核安全综合知识 射线与物质相互作用 4 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 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 射线与物质相互作用 5 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 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 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用 转移它们的能量 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 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 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 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 这就是裂变反应 核安全综合知识 射线与物质相互作用 9 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 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 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 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 1 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 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 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 2 气体探测器 以气体为工作介质 由入射粒子在气体介质中产生的电离效应或核反应引起输出信号的探测器 入射带电粒子通过气体时 由于与气体分子中轨道电子的库仑作用而逐次损失能量 最后被阻止下来 同时使气体分子电离或激发 并在粒子通过的径迹上生成大量的由电子和正离子组成的离子对和激发分子 入射粒子直接产生的离子对称为初电离 初电离产生的高速电子 称电子 足以使气体产生的电离称为次电离 总和称为总电离 带电粒子在气体中产生一离子对所需的平均能量w称为电离能 对不同的气体 w大约在30eV上下 核安全综合知识 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 3 气体探测器的典型圆柱型结构如图所示 在中央阳极和外壳阴极加上正电压 沿入射粒子径迹产生的电子 离子对在外电场的作用下产生定向漂移 引起电极上发生感应电荷的变化 与此同时 在外回路上就流过电流信号 或流过负载电阻产生输出电压信号 当在两电极上所加电压不同时 就造成气体探测器的不同工作状态 当外加工作电压过低时 电子 离子对由于互相碰撞而发生复合 称为复合区 复合的程度与外加电压和离子对数的密度有关 一般不作为气体探测器的工作区域 当外加工作电压较高时 电子与正离子的复合可以忽略而进入饱和区 这时 产生的离子对数正比于入射粒子在灵敏体积损失的能量 工作于这种工作状态的探测器就是电离室 随着工作电压的升高 在中央阳极附近很小的区域内 电场强度足够强 发生气体放大或雪崩过程 在一定的工作电压下 气体放大倍数是一定的 此时 形成的总离子对数仍正比于入射粒子能量 相应的工作区域成为正比区 正比计数器就工作于这一区域 核安全综合知识 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 4 工作电压进一步提高就进入有限正比区 在探测器的灵敏体积内 积累了相当的由正离子组成的 空间电荷 在一定工作电压下不再保持常数 初电离小的入射粒子的可能会大一点 称为有限正比区 一般没有探测器工作于这一区域 随着工作电压的再一步提高 雪崩过程很快传播到整个阳极 而且 雪崩过程形成的正离子紧紧的包围了阳极丝 称为正离子鞘 由于正离子鞘的电荷极性与阳极电荷相同而起到电场减弱作用 当正离子鞘的总电荷量达到一定时 使雪崩过程终止 因此 最后的总离子对数与初电离无关 这时 入射粒子仅仅起到一个触发作用 输出脉冲信号的大小与入射粒子的类型和能量均无关 这就是G M区 仅作一个计数器用 上述过程可以用图形象的表示 图中纵坐标为产生离子对数 横坐标为外加电压 其中I为复合区 II为饱和区 III为正比区 IV为有限正比区 V为G M区 这条曲线揭示了气体探测器中由量变到质变的规律 核安全综合知识 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 5 闪烁探测器一般由闪烁体和光电倍增管组成 闪烁体是一种发光器件 当入射带电粒子使探测介质的原子电离 激发而退激时 可发出可见光光子 称为荧光光子 这样光的强度用肉眼是看不见的 必须借助于高灵敏的光电倍增管 PMT 才能探测到这些光信号 PMT的光阴极将收集到的荧光光子转变为光电子 光电子通过聚焦被光电倍增管的第一联极收集 并在其后的联极倍增形成一个相当大的脉动电子流 在输出回路上形成输出信号 比较理想的闪烁体应具有以下的性质 1 将带电粒子动能转变成荧光光子的效率高 即高的发光效率 2 入射带电粒子损耗的能量与产生的荧光光子数具有良好的线性关系 3 闪烁体介质对自身发射的光是透明的 即其发射谱与吸收谱不应该有明显的重迭 4 入射粒子产生的闪光持续时间 即闪烁体的发光衰减时间要尽量短 以便能产生快的输出信号 获得好的时间响应 5 合适的折射率和良好的加工性能 现在使用频率较高的闪烁体有两大类 一类是无机闪烁体 如 NaI Tl 这些材料的密度大 原子序数高 适合于探测射线和较高能量的射线 另一类为有机闪烁体 如塑料和有机液体闪烁体 主要用于 粒子和中子的探测 核安全综合知识 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 6 光电倍增管 PMT 是一种光电器件 主要由光阴极 聚焦极 打拿极 联极 和阳极组成 封于玻璃壳内并带有各电极引出 光电倍增管的产品很多 但主要要注意它的的光阴极的光谱响应与闪烁体的发射光谱相匹配 具有较高的阴极灵敏度和阳极灵敏度 较低的暗电流或噪声脉冲 良好的工艺和稳定性 半导体探测器的探测介质是半导体材料 入射带电粒子在探测介质内在通过电离损失损失能量的同时 在探测介质内形成电子 空穴对 在电子 空穴对在向电极的定向漂移过程中 在输出回路上形成输出信号 为保证电离生成的电子 空穴对能有效的收集 必须选用那些载流子 即电子或空穴 在半导体材料中寿命长的材料 以使载流子在探测介质中的漂移长度大于结区的宽度 因此 性能优异的半导体硅和锗就成为理想的半导体探测器的介质材料 在半导体材料中 形成一个电子 空穴对所需的能量仅为 即电离能 而气体探测器中形成一个电子 离子对为 对闪烁探测器而言 形成一个被光电倍增管第一打拿极的光电子则需 与气体和闪烁探测器相比 可获得最好的能量分辨率 核安全综合知识 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 7 单选题例 气体探测器的电离能w大约在 B eV上下 A3 B30 C300 D3000电离室工作在气体探测器的电子 正离子对特性曲线的 B 区 A复合 B饱和 C正比 DG M 多选题例 气体探测器粒子对数与外加电压的关系包括 ABCDE 区 A复合 B饱和 C正比 D有限正比 EG M比较理想的闪烁体应具有 ABCDE 性质 A高的发光效率 B合适的折射率 C发射谱与吸收谱不应该有明显的重迭 D入射粒子产生的闪光持续时间要尽量短 E入射带电粒子能损与产生的荧光光子数具有良好的线性关系 核安全综合知识 1 4原子核反应知识要点 核反应的一般描述核反应能及阈能核反应截面和产额 核安全综合知识 核反应的一般描述 1 知识要点 核反应道 核反应分类核反应是由以一定能量的入射粒子轰击靶核的方式引起的 入射粒子可以是质子 中子 光子 电子 各种介子以及原子核等 当入射粒子与核距离接近到fm时 两者之间的相互作用就会引起原子核的各种变化 因而 核反应是产生不稳定核的最重要的手段 核反应实际上研究两类问题 一是研究在能量 动量等守恒的前提下 核反应能否发生 二是研究参加反应的各粒子间的相互作用机制并进而研究核反应发生的概率的大小 核反应可表示为 a A b B或A a b B a A b和B分别代表入射粒子 靶核 出射轻粒子和剩余核 核安全综合知识 核反应的一般描述 2 当入射粒子能量比较高时 出射粒子的数目可能是两个或两个以上 所以核反应的一般表达式为 A a b1 b2 b3 B 一个粒子与一个原子核的反应或两个原子核的反应往往不止一种 而可能有好几种 其中每一种可能的反应过程称为一个反应道 反应前的过程称为入射道 反应后的过程称为出射道 一个入射道可以对应几个出射道 对核反应可以从各种不同的角度对其分类 如按入射粒子的能量 出射粒子和入射粒子的种类等等进行分类 核安全综合知识 核反应的一般描述 3 1 按出射粒子分类 对出射粒子和入射粒子相同的核反应 即 称为散射 它又可以分为弹性散射和非弹性散射 分别表示为 A a a A和A a a A 弹性散射过程中反应物与生成物相同 散射前后体系的总动能不变 只是动能分配发生变化 原子核的内部能量不变 散射前后核往往都处于基态 非弹性散射过程中反应物与生成物也相同 但散射前后体系的总动能不守恒 原子核的内部能量发生了变化 剩余核一般处于激发态 对出射粒子与入射粒子不同的核反应 即a不同于b 这时 剩余核不同于靶核 也就是一般意义上的核反应 这是我们讨论的重点 在这一类核反应中 当出射粒子为 射线时 我们把这类核反应称为辐射俘获 核安全综合知识 核反应的一般描述 4 2 按入射粒子分类 中子核反应 中子与核作用时 由于不存在库仑势垒 能量很低的慢中子就能引起核反应 其中最重要的是热中子辐射俘获 n 很多重要的人工放射性核素使用 n 反应制备的 常见中子核反应有 n p n 2n n f n 荷电粒子核反应 p xn p p p p2n p d 光核反应 xn p np 2p 电子核反应 3 按入射粒子的能量分类 低能 1GeV 核安全综合知识 核反应的一般描述 5 单选题例 核反应式A a b B中 b表示 B A入射粒子 B出射粒子 C剩余核 D靶核 n 属于 A 反应 A光核反应 B中子反应 C电子核反应 D非弹性散射 多选题例 通常核反应按 ABC 分类 A出射粒子 B入