核安全综合知识课件

核安全综合知识,注册核安全工程师考试复习2008年5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,第一章的考试要求：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了，即原子由原子核和核外电子组成的假设。核外电子的运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核成了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，但也是互相关联又泾渭分明的两个层次。,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=1.60217733x10-19C，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。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。原子核的限度只有几十飞米(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：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：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，这是微观世界的量子特性的一种表现。电子轨道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，在他的外面依次为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。出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，；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=|l1/2|。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层空位式发射的特征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=1.66054020.0000010 x10-27kg=931.494013MeV/c2。任何一个原子核都可以由符号AZXN表示，N是核内中子数，Z是核内质子数或电荷数，A是核内的核子数或核的质量数，X是该原子核对应的元素符号。事实上，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Z0。m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A)，其中m（Z,A）为电荷数为、质量数为的原子核的质量。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=mc20。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。=tN(t)dt/N0=1/=1.44T1/2平均寿命比半衰期长一点，是的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）由于历史的原因，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3.71010次核衰变定义为一个居里，即：1Ci=3.71010s-1更小的单位有毫居里(1mCi=10-3Ci)和微居里(1Ci=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应该指出，放射性活度仅仅是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。在实际工作中除放射性活度外，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。设时刻放射性样品中，某一放射性核素的原子核数为，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，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）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1.411010a；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=458，是4的整倍数，故称4n系。铀系(4n+2)的，半衰期为4.47109a；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7.04108a；锕-铀系是从235U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。Np的半衰期为2.14106a。,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23793Np的半衰期为(A)。A2.14106a,B7.04108a,C4.47109a,D1.411010a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=Nt0。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。主要的有辐射、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：AZXA-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6.62610-34Js。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(3108m/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。由于中子的发现，提出了原子核是由质子和中子组成的假说；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中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=3.4106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30-40m，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。通常以截面表示作用概率的大小。若以ph表示光电效应截面，c表示康普顿效应截面，p表示电子对效应截面，则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等等，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。从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，能够探测到的物理现象有（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+Ab+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,b1,b1,)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入射粒子，C入射粒子能量，D出射粒子的电荷，E靶核的稳定性典型的中子核反应有(ABCDE)A(n,p)，B(n,2n)，C(n,)，D(n,n)，E(n,),核安全综合知识,核反应能及其阈能(1)知识要点：反应能、核反应阈能核反应的反应能定义为反应前后系统动能的变化量。对核反应a+Ab+B，反应能Q=mc2，式中m为反应前后的质量亏损。同样，可以用相应粒子的原子质量表示反应能Q=(Ma+MA)c2-(Mb+MB)c2。反应能应等于反应前后体系总质量之差与光速的平方的乘积。对Q0的核反应称之为放能反应；对Q0的核反应称之为放能反应；对Q90，就可满足此条件。裂变碎片是很不稳定的原子核，一方面碎片处于较高的激发态，另一方面它们是远离稳定线的丰中子核而发射中子，所以自发裂变核又是一种很强的中子源。超钚元素的某些核素，如244Cm，249Bk，252Cf，255Fm等具有自发裂变的性质，尤其以252Cf最为突出。1g的252Cf体积甚至小于1cm3，而每秒可发射2.31x1013个中子。能发生自发裂变的核素不多，大量的裂变过程是诱发裂变，即当具有一定能量的某粒子轰击靶核时，形成的复合核发生裂变，其过程记为A(a,f1)f2或A(a,f)表示裂变。其中f1，f2代表二裂变的裂变碎片。当形成复合核时，复合核一般处于激发态，其激发能E*超过它的裂变位高垒高度Eb时，那么核裂变就会立即发生。诱发裂变中，中子诱发裂变是最重要的、也是研究最多的诱发裂变。由于中子与靶核没有库仑势垒，能量很低的中子就可进入核内使其激发而发生裂变。裂变过程又有中子发射，可能形成链式反应，这也是中子诱发裂变受到关注的原因。以235U(n,f)反应为例，热中子(即入射中子能量为0.0253eV)即可产生诱发裂变:n+235U236U*X+Y+n。,核安全综合知识,自发裂变与诱发裂变(3)复合核模型的基本思想与液滴模型相似，也是把原子核比作液滴。当入射粒子射入靶核后，它与周围核子发生强烈相互作用，经过多次碰撞，能量在核子之间传递，最后，达到了动态平衡。从而完成复合核的形成。复合核一般处于激发态，复合核的激发能由入射粒子的相对运动动能（即在质心系的动能）和入射粒子与靶核的结合能BaA之和,即：E*=mXTn/(mn+mA)+Bn,X。式中，BnX为中子与靶核的结合能，Tn仍为在