高等电离辐射防护教程 夏益华 3原子核及放射性

1、理学院 张慧娟UnitsPrefixSymbolMeaningTera-T1012Giga-G109Mega-M106Kilo-k103Deci-d10-1Centi-c10-2Milli-m10-3Micro-m10-6Nano-n10-9Pico-p10-12Symbols to knowp proton 1H nucleusn neutron particle of zero charge and A=1d deuteron 2H nucleusT triton 3H nucleus alpha particle 4He nucleuse- electron Electron from

2、atomic orbitals- negatron Negative electron emitted by the nucleus+ positron Positive electron emitted by the nucleus Gamma ray Electromagnetic energy (photon) emitted by the nucleusX X ray Electromagnetic energy emitted as a result of electron transitions in the atomic orbitals Neutrino（中微子） Emitte

3、d in -decay processes (2 types)Symbols for Particles and Radiation主要内容主要内容原子核放射性及放射性衰变原子核原子的结构核素原子的结合能原子的结构+核子核素(Nuclide)具有相同的质子数Z、相同的中子数N、处于相同的能量状态且寿命可测的一类原子称为核素。mNAZX核子数(质量数）原子序数若不是表示核反应式中的核素时，可省略中子数，可省略表示能态元素符号的核素表示238,146,9214623892ANZU238U， 铀-238同位素(isotope)同位素：质子数相同、中子数不同的两个或多个核素。氕）(011H211(,)

4、HD氘312(, )HT氚14123392U14323592U14623892U同中子异位素(isotone)同中子异位素:中子数相同、质子数不同的核素。508939Y509040Zr509141Nb同量异位素（isobar) 同量异位素:质量数相同、质子数不同的核素。173215P163216S8414056Ba8314057La同质异能素(isomer)同质异能素：处于不同的能量状态且其寿命可以用仪器测量的同一种原子核TcTcm9999和等、SbSbmm21124124等超额中子素(isodiaphere)等超额中子素：核中超额中子数(N-Z)相同的核素。163014Si173215P18

5、3416S193617Cl203818Ar镜像素(mirror nuclei)若两个核素的Z、N和A之间存在关系： Z1=N2, Z2 = N1,A1=A2 称这两个核素为镜像素 374473BeLi 和193920203919CaK 和元素周期表核素图核素图 核素图（2990）稳定核素：285（12C、14N、16O， ， 包括 31,t1/211011a; 7, t1/2:7.1108a4.81010a）;原生天然放射性核素：30（238U、40K、87Rb）；次生天然放射性核素：46（226Ra、234Th）；诱发天然放射性核素： 10（3H、14C）人工放射性核素：2500（60Co、

6、137Cs、237Np、99Tc）发射正电子或捕获电子发射射线发射粒子稳定线质量与能量的关系爱因斯坦的观点：质量，只是物质存在的形式之一；物质存在的另一种形式就是能量。能量和质量都是物质的一种属性。著名的爱因斯坦质能关系式(质能方程)：现在科学还无法将任何物质的全部质量变成能量来得于利用，否则人类的能量将用之不完。现在利用的现在利用的核能正是来自质量到能量的转换，核能正是来自质量到能量的转换，虽然只是某些物质的一点点质量转换，已经让人类受益匪浅。2mcE )(120cvmm原子质量单位单个原子核的质量很小，使用kg或g作单位不便于使用。在原子核物理中引入原子质量单位(Atomic mass u

7、nit, u)；规定1u等于一个12C原子质量的1/12。kgu272610660566. 11211099267. 11质量亏损(mass defect)m(Z,A)Zmp+(A-Z)mn;m(Z,A)=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) =ZMH+(A-Z)mn-M(Z,A)m(Z,A):质量亏损组成原子核的Z个质子和(A-Z)个中子的质量与原子核的质量m(Z,A)之差。如何计算16O的质量亏损？质量过剩(Mass excess)以原子质量单位表示的原子质量M(Z,A)与原子核的质量数A之差称为质量过剩。=M(Z,A)-A(12C)=0通常将换算为能量， 以MeV表示。原子核的结合能结合

8、能与质量亏损相对应的能量改变为结合能与原子核稳定性的关系由质子和中子形成某种原子核时所放出的能量，称为结合能，相反，如果要使原子核分裂为单个的质子和中子时，外界就必须供给与结合能等值的能量或作同样多的功。因此，结合能越大，原子核越稳定。结合能的大小反映了核的稳定程度。结合能的物理意义任何两互相吸引的物体，当它们的相对位置靠近时，总是要放出能量，核子之间的作用力是一种短程力，其作用范围约为210-15m。当两核子之间的距离达到这个数值时，就发生强吸引，并放出很大的能量。实验证明能量为0.025eV的中子数被H2O分子中的1H原子吸收时，生成2H，并放出2.224MeV的能量。与计算得到的2H核的

9、结合能相等。反之，若用能量为2.224MeV的光子照射2H核，它就可能被拆开，生成一个质子和中子。计算),(AZBXNnZpNAZ)()()()(),() 1()() 1(),()(),(1XnZAHZAAZMmZAMZAZMmZAMZAZmAZnHnHB(Z,A)=m(Z,A)c21u=931.5016MeV/c2例题氦原子核是由2个质子和2个中子组成，它的质量亏损如图。按照爱因斯坦的质能公式计算，氦核放出的结合能：MeV30.282McE核的总结合能由核子结合成原子核时放出的能量。核子数越多，原子核越大，总结合能也越大。平均结合能定义原子核的结合能除以质量数A所得的商，即物理意义 原子核拆

10、散成核子时，外界对每个核子所做功的最小平均值，或核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。原子核的平均结合能越高说明核子在核内结合得越紧。平均结合能（比结合能）AAZB),(用质量亏损计算 2H、40CA、197AU、252CF的结合能和比结合能.比结合能曲线比结合能曲线A25 随A的变化有明显起伏；质量数A=40120的中等核的平均结合能量高，而且几乎接近一个常数( 8.6MeV) 重核的平均结合能比中等核低，重核裂变时释放出很大的能量。比结合能曲线比结合能曲线u A奇-偶奇-奇 原子核中的质子-质子及中子-中子有配对的趋势NeCBeHe20101688442,NBLi14710563,

11、比结合能曲线比结合能曲线u 若将平均结合能小的核聚变成平均结合能大的核，会释放出很大的能量。u 重核的平均结合能比中等核低，重核裂变时释放出很大的能量。u 质量数A=40120的中等核的平均结合能量高人类可利用的结合能核能就有两种可能的方式：一种利用重核分裂成中等质量核过程中释放出的核能，即裂变能；而另一种利用轻核聚合成中等质量核过程中释放出的核能，即聚变能。裂变与聚变是大规模核能之源。偶-偶核比结合能更大4He的平均结合能是28.30/4=7.085兆电子伏，2H核的平均结合能为2.224/2=1.112MeV。2H核中只有一个p-n作用，在4He核中有一对p-p、一对n-n和四对p-n作用

12、，每一个核子均与其他核子作用pnpnpn偶-偶核比结合能更大42420821282172557812267196339292610145018013572373107,HeMgPb etcOMgFe etcLiFCu etcHLiBNVTaP（偶）-N（偶）核：165P（偶）-N（奇）核：55P（奇）-N（偶）核：50P（奇）-N（奇）核：6核子更乐意以成对的方式存在于原子核内对对280280种稳定核素的分析表明：种稳定核素的分析表明：放射性利用加速器或反应堆制成（医用）放射性及放射性衰变放射性衰变及其类型放射性射线及其特点放射性衰变基本规律放射性衰变核素：核素：具有特定的原子质量数、原子序数

13、和核能态的一类原子放射性核素：放射性核素：能自发地放射出各种射线的核素称为放射性核素。放射性核素自发地改变核结构形成的过程称为核核衰变衰变。由于过程中总伴有带电或不带电粒子放出，所以又称为放射性衰变放射性衰变。放射性衰变类型 放射性衰变按其放出粒子的性质可分为： 衰变衰变 - -衰变衰变 + +衰变衰变 电子俘获电子俘获 衰变衰变衰变衰变：衰变：放射性核素放出放射性核素放出粒子的核衰变。粒子的核衰变。粒子粒子是带两个正电荷的氦核。是带两个正电荷的氦核。 例如例如 2382389292U U + + 2342349090ThTh A AZ ZX X + + A-4 A-4 Z-2Z-2Y Y说明

14、：能发生 衰变的核素一般为质量数A209的重核；发生衰变后，子核比母核在元素周期表中位置前移两位；粒子以高速从核中飞出遇物质失去动能，捕捉两电子变为He原子；1. 粒子能量分立，子核可能是基态或激发态，激发态子核发出 射线回到基态；衰变能主要表现为粒子的动能，子核的动能很小；-衰变- -衰变衰变: : 放射性核素内一个中子转变为质子并放出放射性核素内一个中子转变为质子并放出粒粒子和中微子的核衰变。子和中微子的核衰变。 粒子是电子，电荷粒子是电子，电荷=-1=-1，质量，质量0 0 例如例如 2342349090Th Th 2342349191Pa + Pa + + + A AZ ZX X A

15、AZ+1Z+1Y + Y + + + 说明：-衰变的实质是原子核内中子转变成质子，同时放出一个电子和与电子相联系的反中微子。1.遵循位移定律： -衰变子核后移一位，eePn 011110+衰变+ +衰变衰变: : 放射性核素内一个质子转变为中子并放出放射性核素内一个质子转变为中子并放出+ +粒子和中微子的衰变。粒子和中微子的衰变。 + +是正电子，质量是正电子，质量0 0，电荷电荷=+1=+1，通式：通式： A AZ ZX X A AZ-1Z-1Y + Y + + + + + 说明：+衰变的实质是原子核内质子转变成中子，同时放出一个正电子和一个中微子1.遵循位移定律： +衰变子核前移一位；ee

16、nP 011011电子俘获 质子变成中子X射线电子俘获电子俘获：电子俘获：放射性核素的核俘获核外绕行的一个电放射性核素的核俘获核外绕行的一个电子，使核内一个质子变为中子并放出中微子的过程。子，使核内一个质子变为中子并放出中微子的过程。通式：通式： A AZ ZX + e X + e A AZ-1Z-1Y Y + + 说明：电子俘获(EC)的实质是原子核内质子转变成中子，同时放出一个正电子和一个中微子1.遵循位移定律：子核前移一位；衰变衰变衰变: :放射性核素从较高能态跃迁至较低能态时放放射性核素从较高能态跃迁至较低能态时放出一种波长很短的电磁辐射（高能出一种波长很短的电磁辐射（高能光子）的过程

17、。光子）的过程。因此因此衰变后子体核素的原子序数及质量数均无改衰变后子体核素的原子序数及质量数均无改变，但所处能态降低。变，但所处能态降低。说明： 射线是光子流1.是在衰变或衰变后形成新核时辐射出来的，属于同质异能跃迁。 XXAZAmZ放射性核衰变的结果衰变形式衰变形式放出射线放出射线 原子序数变化原子序数变化 原子质量数变化原子质量数变化 42He-2 -4-e-(负电子) +10+ e+(正电子) -10 h(光子) 00 Ec h(光子) -10放射性射线射线的种类：粒子辐射：射线，射线，宇宙射线、中子等的辐射电磁辐射：射线、X射线等的辐射发射正电子、质子、中子、等其它粒子。大气层中的宇

18、宙射线成分主要是质子、中子、介子、介子、电子等。几种放射性射线特点射线是一种带电粒子流，很容易引起电离。对人体内组织破坏能力较大。穿透能力差，在空气中的射程只有几厘米，只要一张纸或健康的皮肤就可以挡住。-射线也是一种高速带电粒子。穿透本领比射线大，但与x、射相比，-射线的射程短，很容易被铝箔、有机玻璃等材料吸收。X射线和射线两种射线性质大致相同，是不带电波长短的电磁波，因此把他们统称为光子。两者的穿透力极强，要特别注意外照射防护。放射性衰变基本规律单个原子核随机衰变大量原子核遵循以下规律：t时刻样品中有N个核，在dt时间内有dN个发生衰变NdtdN dtNdN 或或衰变常数）衰变常数）表征衰变快慢的常数（表征衰变快慢的常数（ 放射性衰变基本规律当t=0时，N=N0t时刻，每单位时间衰变的原子核数与该时刻原子核总数的比越大，衰变越快。半衰期：原子核衰变到N=N0/2所需的时间。teNN 0放射性衰变定律NdtdN 210021TeNN 693.02