人类与核科学课件

核科学概论-人类生存发展与核科学,苏州大学放射医学与公共卫生学院许玉杰,NuclearScienceandHumanSubsistenceandDevelopment,1）电力系统11）高速公路2）汽车12）航天3）飞机13）因特网4）自来水14）成像技术5）电子技术15）家用电器6）无线电和电视16）保健设施7）农业机械化17）石油化工8）计算机18）激光和光纤9）电话10）空调制冷20）高性能材料,20世纪最伟大工程技术成就-20项,美国工程技术界评出,19）核技术,19）核技术：核能技术的社会影响虽然有争论，如核威慑，但核技术用于发电、医学诊断和治疗是无可争议的。核聚变是地球上未来取之不尽的清洁能源。,教学目的,1）学习和了解核科学基本知识，以及这些基本知识是如何转化为技术，转化为生产力，造福人类，并与人类生存发展息息相关的。2）正确认识和了解核科学技术对人类健康的危害和影响。3）了解核科学技术的社会性和人文性，主动推动科学技术发展，造福人类。,1.核科学技术与人类的生存发展密切相关。巨大无比的能量：核电核动力核武器等神秘莫测的射线：食品健康材料工农业生产生物医学等2.核技术使用不当或错误使用也会给人类带来危险、破坏、甚至是灾难。特别是由于长期的核讹诈政策和公众缺乏对核技术的了解，再加上新闻报道的渲染，造成了人们普遍的核恐惧心理，所谓谈“核”色变。,开设课程的初衷,3.面对这种矛盾情况，有必要在社会公众中进行核科学知识的普及，特别是对大学生公众群体。大学生群体对对核科学、核技术的认识和理解，将直接关系到我国核能、核技术的未来。4.为大学生提供一种能力对遇到的“核”问题，在知识上有一个基本的了解，知道它的利与弊，树立正确的科学观点，建立科学的工作程序，以便进行社会、经济和技术的综合分析发表见解，作出理智的判断和正确的选择。,基本观点,1）人类生存发展需要核科学技术,历史证明核技术能够满足人类生存发展的需求。2）核技术是一把高科技的“双刃剑”：有用；有害3）现代科学技术的发展使人类完全有能力安全的使用和发展核技术造福人类,而危险或不安全完全来自人类自己；危害和避免危害威胁与反威胁的斗争一直在进行着：人与技术人与人4）人类对自然界赋予原子核的威力不可能弃之不用，正义一定会战胜邪恶，和平利用核技术一定会使人类的明天更美好。,关于课程构思,人类生存：和平富足健康文明美好发展：持续发展基本问题：能源资源食品环境卫生保健材料安全知识探索,核能量核科学核射线,认识与提高,揭开了“核的神秘面纱”，了解核威慑力的根由。不再“谈核色变”或有好转。放射性是一把双刃剑,“未来的世界应该是驯服核、利用核的世界”。,第一章原子核与放射性,第一节原子与原子结构原子结构的多种模型汤姆逊模型卢瑟福模型波尔模型,物质matter,第二节原子核与原子核的基本性质,质子的发现1919年Rutherford用粒子轰击14N,发现了质子.核反应方程:14N+18O+p布拉凯特通过对粒子径迹的照片分析进一步证明,质子是由复合核分裂出来的,质子是原子核的组成部分.粒子轰击氮原子核实验实现了原子核的人工转变.,中子的发现,1920年Rutherford提出:由一个电子更紧密地与H核结合在一起,组成一个中性的双子.1930年Bothe完成了9Be+12C+n实验,但他认为产生的中性射线是射线.1932年Chadwick利用9Be+12C+n实验中所产生的中子轰击14N,测量到14N的最大反冲动能为1.2MeV.并根据F.以固定的衰变几率()衰变;(又称衰变常数)表征放射性强弱的量:活度(A)A=N活度单位:1贝克(Bq)=1d/s(SI)1居里(Ci)=3.71010d/s=3.71010Bq,Physics102:Lecture27,Slide42,DecayFunction,Physics102:Lecture27,Slide43,Insteadofbaseewecanusebase2:,Survival:,where,Thenwecanwrite,RadioactivityQuantitatively,No=100T1/2=5d,Time(days),0,20,40,60,80,100,0,5,10,15,半衰期(T1/2):放射性核素的数目减少至原来一半所需要的时间.,No=100T1/2=5d,U-235衰变链,第四节原子核反应,1.核反应概念：原子核受到外界带电或不带电的粒子轰击时，由于动量和能量的传递，原子核的组成或内部状态可以发生改变，产生新的原子核和粒子，此过程称为核反应。规律：质量数和电荷数守恒；能量守恒；动量守恒；14N+4He-17O+1H（p）+Q14N（4He，1H）17O,2.核反应类型反应过程和出射产物,弹性散射A（，）A非弹性散射A（，）A*一般核反应产生新核和新的出射粒子14N（n，p）14C,核反应举例,人类第一个核反应14N（4He，1H）17O第一个产生人工放射性核素的核反应27Al+30P+n30Si+e+超铀元素的发现与合成,第五节核辐射通过物质时的作用与效应,1.带电粒子与物质相互作用电离与激发辐射损失正电子湮灭辐射2.射线与物质相互作用光电效应康普顿效应电子对效应3.中子与物质相互作用散射俘获,带电粒子与物质的相互作用,带电粒子穿过物质时，主要通过电离、激发的方式损失能量，损失的能量转化为热能、轫致辐射等方式，若物质层足够厚，带电粒子最终停留在其中。,带电粒子通过物质,自由电子,正离子,+靶原子正离子+电子+4He+ArAr+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,PET显像,光子与物质的相互作用1,光电效应：光子与介质原子的内层电子相遇，把能量全部传递给该电子，电子从轨道上被击出，外层电子向内补充（跃迁），发生特征辐射的过程,光子与物质的相互作用2,康普顿散射：光子将部分能量转移给外层电子，使其击出，击出的电子称反冲电子，入射光子以其残余能量向另一方向散射，重复上述过程，直至能量耗尽或飞出阻挡物质,光子与物质的相互作用3,电子对效应：当光子能量大于1.02MeV时，在通过原子核附近时，受核电场影响而突然消失变成正、负2个电子。,光子与物质的相互作用4,不同能量光子与物质作用发生三种效应几率不同。低能光子，光电效应为主；能量达1MeV时，康普顿效应占优势；光子能量达1.02MeV时，出现电子对效应。,射线的吸收,I=I0e-xX为物质厚度I为吸收后的强度半吸收厚度(d1/2)=0.693/,中子通过物质,弹性散射非弹性散射核反应,第六节核辐射的量度及其单位,辐射,辐射:以粒子或电磁波形式传递的能量。粒子：中子n，质子p，、带电粒子等。电磁波：普通电磁波、X射线、射线。辐射之所以有健康危害,是因为其具有能量。大体上，能量越大，辐射的危害越大。,线、X射线不带电，统称光子。,0.010.1110100(纳米)1101001000（毫米）,0.010.11101001000（微米）,电子线,紫外线,X线,线,可见光线,红外线,微波,电波,电磁波长,电离与非电离辐射,电离辐射-能量能够引起原子电离的辐射(10eV)核辐射(n,p,d,T,e,X/,带电粒子等)都是电离辐射非电离辐射-能量不足以引起原子电离的辐射(10eV)紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波(电离:原子失去电子)放射性工作者主要关心电离辐射(核辐射),电离辐射源,天然辐射源,人工辐射源,宇宙射线,宇生放射性核素,宇宙射线,原生放射性核素,核恐怖,核爆,核技术应用,核设施,222Rn及其子体,核技术医学应用,放射性活度,活度：表征放射性核素衰变的量；活度的国际制单位是：贝可(Bq)，1Bq表示一秒钟衰变一次，曾用单位居里(Ci)，1Ci3.71010Bq；比活度：单位质量的活度；注意：活度仅表示原子核衰变的次数，不表示射线的能量，不能用于非同种核素的比较。,电离辐射是电磁辐射的组成部分，实际上也是能量的传递过程；电离辐射线在行径的过程中，如果遇上阻滞物质，其携带的能量就会传递给阻滞物质。,电离辐射剂量单位,吸收剂量：单位质量物质中辐射能的沉积。单位Gy，1Gy1J/kg；当量剂量：机体组织器官中被辐射权重修饰的吸收剂量。单位Sv；考虑射线的种类和能量有效剂量：经组织权重修饰的各组织器官当量剂量之和。单位Sv。考虑不同组织的敏感性,辐射权重因子,人体器官或组织的权重因子WT,第七节核科学的基本工具与测量,图1.7.2列出了核科学实验的基本构成单元加速器-准直器-靶物质-探测器-信号处理器-计算机,回旋加速器工作原理图,加速器的理论基础是拉摩尔定律,恒定磁场中粒子的运动角频率与粒子本身运动速度v无关。若粒子的质量为m，所带电荷为q，所具有的运动速度为v，运动方向垂直于磁感应强度为B的磁力线，粒子受到垂直于v和B的洛伦兹（Lorentz）力的作用，使粒子沿着曲率半径为r的轨道作圆周运动。E=mv2/2;=v/r=qB/m。见图2.12。在回旋加速器中，带电粒子经多次加速后，圆周轨道直径达到最大而接近D盒的边缘并具有最大的能量，在该点粒子被束流提取装置提取出。利用