第二章原子核辐射分析.ppt

1,第二章原子核辐射物理基础,2,本章要点,1、掌握：轫致辐射、核素、物理半衰期、放射性活度等原子核辐射物理的基本概念。2、掌握：带电粒子、与物质的相互作用。3、掌握：衰变的规律和放射性活度的校正。4、了解：衰变的类型和X射线产生的方式。,3,第一节原子结构与核素,一、原子结构二、X射线三、核素、同位素和同质异能素四、稳定性核素和放射性核素,4,一、原子结构,原子,原子核,核外电子,质子（proton，p）,中子（neutron，n）,与质子数相同，依据能量将电子分为不同壳层，K、L、M、N,核子(nucleon),原子核的质量以原子质量单位u(atomicmassunit)表示1u=1.660565510-27kg（12C原子质量的1/12）1p=1.0072765u，1n=1.008665u，1e=0.000548u,原子核内质子数目和中子数目之和即为原子核的质量数，用“A”表示。A=p+n,5,原子呈电中性,质子数目与原子序数相同，每个带1单位正电荷,中子不带电荷,原子核带正电荷,电子与质子数相同，每个带1单位负电荷,6,基态（groundstate）,激发态（excitedstate）,A,Am,99Tc,99mTc,7,二、X射线,1895年,德国物理学家伦琴(W.C.R0ntgen,1845-1923)发现:阴极射线管被包好，远距离一镀有铂氰酸钡的屏出现微弱荧光。显而易见的特点:它能穿过不透明物质.人类历史上第一次观察到了人手骨骼的影象。,X射线是一种比紫外线波长更短的电磁波，具有电磁辐射的一切特性。,第一张X光片,8,X射线是高能电子与物质相互作用而产生的，这种过程通常是在X射线管内或通过电子加速器进行。,阳极，是产生X射线的靶物质。阳极和阴极间加一直流高压V0，可使阴极发射的电子在很强的电场作用下获得能量加速，到达阳极与靶物质作用产生X射线。V0越高，电子加速获得能量越大，产生X射线的波长越短。,一般医用X射线波长为0.1nm（1A）左右。激发电压小于120KeV产生的X射线叫软X射线，激发电压大于120KeV产生的X射线叫硬X射线。,9,X射线光谱分为连续谱和线状谱两类。,高能电子到达阳极后，电子在靶物质的原子核的库仑场作用下，骤然减速，其部份或全部能量转化为电磁辐射，即产生连续谱的X射线，这种辐射称为轫致辐射（bremsstrahlung）。,对于某种靶物质，当入射电子的能量超过一定界限时，除发射连续谱的X射线外，还叠加一种线状谱，能量为35KeV电子与钼靶作用，在连续谱上叠加两条波长分别为0.07135nm和0.06326nm的线状X射线，K、K线。这种线状谱线称为特征X射线,钼的X线光谱,10,连续谱,辐射强度随波长连续变化，在一定的波长处有一最大值，超过最大值后，强度随波长减少而下降，波长有明显极限，极限波长与靶物质性质无关。加速电压V0越高，X射线极限波长min就越小，与极限波长min相对应的X射线能量等于电子在加速电场中所获得的全部能量。min=1239.810/V0（nm）,11,线状谱,线状谱的产生：核外电子分布于各个能级，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，则原子处于激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出特征X射线。,12,特征X射线频率,h普朗克常数，h=6.626210-34J.SEn、Ek分别是原子跃迁前后两量子态所具有的能量。,各种元素都有自己特定的X线谱，与电子的能量无关。,13,医用X线机球管多属高真空热阴极电子式，当高速电子撞击阳极靶面时，大约仅有1%左右的能量可转化为X射线，绝大部分能量转化为热能，使阳极靶面温度增高，故X射线球管不能长时间连续工作。,14,三、核素、同位素和同质异能素,质子数质量数能态例核素（Nuclide）相同相同相同AZX12553I简写125I同质异能素(Isomer)相同相同不同99mTC、99TC同位素（Isotope）相同不同不同1H、2H、3H,15,四、稳定性核素和放射性核素,核力（NuclearForee），特点：力程短（310-15m），力强：库仑力的102倍、万有引力1039倍，是交换力（介子），不受电荷数影响，易饱和（核子数越多，核力越弱）。P-P之间静电斥力，特点：长程力，与电荷数有关，作用于P-P之间，力为库仑力。当P：n=1:1-1.5时，核力与静电斥力维持平衡原子核处于稳定状态的核素-稳定性核素(stablenuclide),16,p与n不成比例,结构改变（衰变）,核内能量进行调整（能量释放）,新核的最低能量状态（跃迁）,自发的核内结构或能量的变化过程-核衰变（nucleardecay）,放射性核素（radionuclide）,伴有射线（radiation）,核子数过多,核力弱,丢弃部份核子,结构改变（衰变）,核子相互转化质子中子中子质子,17,第二节核衰变、核裂变与核聚变,一、原子核的质量亏损与结合能二、核衰变三、核裂变与核聚变,18,一、原子核的质量亏损与结合能,爱因斯坦根据相对论认为质量（m）和能量（E）的关系为：E=mc2（c为真空光速，c=2.99108m.s-1）原子能量用电子伏特（eV）表示，1eV=1.602210-19J一个原子质量单位（u）的静止质量可转化为931.5016MeV，一个电子静止质量可转化为0.511MeV。,19,原子核质量均小于核子的质量之和-质量亏损。用符号m（Z、A）表示原子核的结合能与核子数A之比-平均结合能，或称比结合能，用表示=某原子核结合能（E）/核子数（A）表示把质量数为A，质子数为Z的原子核打碎成自由核子时，平均对每个核子要做的功。它表示了原子核结合的松紧程度，大，表明原子核结合紧，稳定性好。小表明原子核结合松，稳定性差。,20,2)A=40120的中等质量的核，最大,3)当A120时，又下降，呈中间高，两头低形式，轻核和重核的较中等核低。,1)A82的核素，衰变后的核原子序数减2，质量数减4。,衰变,质子、中子比例不当，进行相互转换。特点：子核与母核质量数不变，仅只原子序数改变（相差1）。分为、+和电子俘获（ElectronCapture，E.C）三种形式。,跃迁,衰变后的子核处于高能的激发态，多余能量以电磁辐射形式释放后返回基态，该过程称为跃迁。,二、核衰变,22,衰变,核子数过多,核力弱,释放粒子,衰变反应式,规律：衰变后的核原子序数减2，质量数减4,例,23,1)衰变（-decay）,衰变,中子过多,中子转化为质子,释放负电子，粒子,例,质量数不变，质子数加1,24,2)+衰变（+decay）,衰变,中子不足,质子转化为中子,释放正电子，+粒子,质量数不变，质子数减1,例,25,1)电子俘获（ElectronCapture，E.C）,衰变,质子过多,俘获核外电子,质子转为中子,质量数不变，质子数减1,轨道出现空穴,26,跃迁与内转换,激发态,内转换现象,射线来源于核内能量释放，而X射线为核外电子跃迁过程中的能量释放。,27,（二）放射性核素衰变规律及其度量,1、衰变规律与半衰期,核衰变的核数目与核的总数成正比，并且随着时间的增长，遵循一定的规律减少。,为衰变常数（decayconstant），表征原子核发生衰变的速率。,28,放射性核素衰变规律：放射性核素衰变随时间增长而以负指数规律递减。,不同的放射性核素其衰变速率不一，值越大，衰变速率越快，不受外界影响。,29,物理半衰期（physicalhalflife，T1/2）放射性核素的原子核数目衰变到原来的一半所需要的时间。即：当N=N0/2时，t=T1/2,T1/2与的关系,30,生物半衰期（biologicalhalflife，Tb）,有效半衰期（effectivehalflife，Te）,生物体内放射性核素或标记化合物经由各种途径从生物体内排出一半所需的时间,生物体内的放射性核素或标记化合物由于自身的物理衰变和体内代谢作用导致减少一半所需的时间,31,2、放射性活度（radioactivity，A）,放射性活度（A）是指在一定的时间（dt）内处于特定能态的一定量的放射性核素发生自发衰变（dN）的期望值。,放射性活度的国际制单位为Bq，其表示每秒内有一次核衰变即：Bq=S-1,32,1Bq=1decay/s(Bq=Becquerel)旧单位为居里（Curie，Ci）1Ci=3.71010Bq=3.7104MBq(M=mega106)=3.710GBq(G=Giga109)=3.710-2TBq(T=Tera1012)=103mCi(millicurie)=106Ci(microcurie),33,3、放射性比度与放射性浓度,单位质量中所含的放射性活度称为比活度或比放射性。一般用Bq/g或Bq/moL为单位。,单位容物质中所含放射性活度称为放射性浓度，以Bq/ml或Bq/L为单位。,34,放射性活度校正,At为现在的核素放射性活度，A0为原来的（初始的）放射性活度，T1/2是该核素的物理半衰期，t为衰变间隔时间。,35,例,某单位购入放射性药品131碘化钠（Na131I）5ml，出厂时标称总放射性活度为3.7108Bq，4天后使用，使用时该药品的放射性浓度还有多少？（131I物理半衰期按8天计）,36,放射性核素的衰变总体上遵循负指数规律，但在衰变过程中，由于各个核互不关联，衰变是独立的随机事件。不同时刻衰变的核数不一，但在衰变总体期望值上下波动，属于离散型随机变量，服从一定概率分布，这就是衰变过程中的统计涨落特性，符合统计学中的泊松分布规律。,（三）衰变过程中的统计涨落特性,37,三、核裂变与核聚变,重核分裂成二个中等质量的原子核，同时释放中子和能量的过程称谓原子核裂变。核裂变分为自发裂变和诱发裂变。自发裂变自发裂变是原子核在没有入射粒子轰击的情况下自行发生的核裂变，是重核的一种特殊类型的核衰变。核越重，自发裂变的概率越大,（一）核裂变,38,A为靶核，a为入射粒子，C*为入射粒子与靶核组成的激发态复合核（即裂变核），X、Y为裂变碎片，n为裂变时释放的中子，Q为裂变能。,诱发裂变,诱发裂变以中子诱发裂变最重要。由于中子和靶核作用不受核的库仑势垒影响，能量很低的中子就可以进入靶核内，使核激发而发生裂变。,39,235U+n236U*X+Y+（1-3）n+200MeV,裂变最初形成两块初级碎片，中、质比较高，激发能大于核子平均结合能，在裂变发生后10-15S内直接发射中子。中子能谱分布范围从0至十几MeV。发射中子后的碎片称为次级碎片，其激发能小于核子的平均结合能不足以发射中子，能量以光子形式退激，退激后的碎片仍为丰中子核，将继续进行衰变，最后形成稳定核。,40,235铀核分裂,裂变产生的中子慢化后，可引起其他靶核发生裂变，产生第二代中子，再引起裂变产生第三代中子。裂变不断进行下去，这一系列的反应过程称为链式反应。,41,链式反应的必要条件是，必须使裂变过程中任何一代中子总数Ni大于或等于前一代的中子总数Ni-1，这两个数值之比称为中子的增殖系数，用K表示：,K1,中子增殖,发散,原子弹,42,氢-3核,氢-2核,中子,氦-4,+,+,+,能量,核聚变,（二）核聚变,二个轻核结合成较重的原子核同样能释放巨大的能量核聚变,43,由于氘、氚的原子核均带正电荷，要使它们聚合，必须要克服很强的库仑斥力，需要反应温度在108K以上，氘、氚原子形成物质的第四态-等离子态，才有可能会产生聚变反应，所以聚变反应也称为热核反应。,太阳发生核聚变反应，为地球提供了用之不竭的能量，此反应持续了几十亿年。,利用原子弹爆炸产生的高温高压将2H和3H聚变成4He，释放大量能量-氢弹。1967.6.17，中国第一颗氢弹试爆成功。氢弹为不可控核聚变,44,在地球上实现受控核聚变的约束方式,磁约束,惯性约束,磁约束,由封闭磁场组成的“容器”，来约束电离了的等离子体。这种容器又叫磁瓶或磁笼，它由磁力线组成，不怕高温。用磁场实现聚变的方法称为磁约束。,实现磁约束的方法主要为托卡马克装置。托卡马克是磁线圈圆环室的俄文缩写，又称环流器，我国在合肥建有托卡马克装置。,惯性约束聚变,最常见的是激光惯性约束，即用高强度的激光在极短时间内辐照靶板，产生聚变。此外还有电子束、重离子束等方案,但方案目前还仅限于理论,实践上还未获成功。,45,第三节射线与物质的相互作用,射线分带电粒子不带电粒子（如X、中子等）,46,带电粒子通过物质时，与物质的核外电子发生静电作用,带电粒子与物质的相互作用,1、电离与激发,结果,原子失去电子,正负离子对,电离(ionization),电子跃迁至外层,激发（excitation）,带电粒子在每厘米路径上产生的离子对数，即电离密度（ionizationdensity）来表示电离能力。与带电粒子的电荷数，运行速度和物质的密度有关。,47,反映射线通过物质时能量损失的另一物理量是传能线密度，也称线性能量传递（linearenergytransger，LET）。,定义:带电粒子在一种物质中穿行时单位长度路径上与电子碰撞粒子能量的损失，单位是MeV.cm-1与入射粒子的能量、吸收物质的原子密度和原子序数等因素有关。,LETLET,相同情况下：,48,带电粒子与原子核碰撞受原子核库仑场作用。,2、散射与吸收,结果,方向偏折和能量的改变,散射（scattering）,方向偏折、能量未改变,弹性散射(elasticscattering),由于各种作用的机