放射性与辐射课件

1、放射性与辐射第一页，共六十九页。放射性与辐射19世纪末的三大发现：1.) 1895：伦琴（德） X射线 （ 1901 第一届诺贝尔物理奖）2. )1896：贝克勒尔（法） 铀放射性 1898：玛丽居里（法） 钋、镭3. )1897：汤姆孙 从阴极射线管 电子(dinz) 放射性衰变规律的研究（居里夫妇、卢瑟福） a, b, g 射线 氦，电子 光第二页，共六十九页。放射性与辐射物质的放射性物质的放射性 放射性：有许多核素都能自发地发射出各种射线的现象(xinxing)，或称辐射。本质：原子核的衰变过程结果：原子核放出射线，由一种元素转变成另一种元素。母体：衰变前的放射性同位素；子体：衰变过程中

2、产生的新同位素，又称放射成因同位素第三页，共六十九页。放射性与辐射放射性原子核：放射性原子核：能自发地放射出各种射线的核素称为放射性核素。射线的种类：射线的种类：粒子辐射：a射线，b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。大气层中的宇宙射线成分主要(zhyo)是质子、中子、介子、介子、电子等。第四页，共六十九页。放射性与辐射l射线的性质射线的性质： 铀、镭、钋等元素能放出一些射线，射线看不见，但能穿透光所不能穿透的物体（如黑纸）使照相底片(dpin)感光。，三种(sn zhn)射线在磁场中的分裂 第五页，共六十九页。放射性与辐射第六页，共六

3、十九页。放射性与辐射衰变衰变(shuibin)衰变衰变第七页，共六十九页。放射性与辐射衰变（衰变（Alpha）: 射线:氦核 的粒子流，质量(zhling)为氢原子质量(zhling)的四倍，带两个单位的正电荷 衰变通式： AZX A-4Z-2Y+ +Q AZX 母核母核 A-4Z-2Y 子核子核 出射粒子出射粒子 Q 能量能量例例：22688Ra 22286Rn + 42He（） （镭（镭 氡）氡）第八页，共六十九页。放射性与辐射+从母核中射出的4He原子核 a粒子(lz)得到大部分衰变能238U4He + 234Th放射性母核!第九页，共六十九页。放射性与辐射第十页，共六十九页。放射性与辐

4、射 - 衰变衰变(Beta-negatron)射线:高速(o s)飞行的电子流，称为 粒子 衰变通式：nP+-+Q+-AZX AZ+1Y+-+Q+- - ：负电子：负电子 n：中子：中子 P：质子：质子 - ：反中微子：反中微子例：3215P3216S+ 第十一页，共六十九页。放射性与辐射第十二页，共六十九页。放射性与辐射第十三页，共六十九页。说明：说明：-粒子实质是电子，质量为粒子实质是电子，质量为 0.000549u,带一个负电荷。带一个负电荷。-粒子比核的质量小几千倍粒子比核的质量小几千倍几十万倍，因此几十万倍，因此(ync)，-粒子粒子从原子核带走的能量很少。从原子核带走的能量很少。-

5、粒子的能谱是一个连续值，粒子的能谱是一个连续值，E-的值可以从的值可以从0最大值。最大值。E0是是-粒子的最大能量值，一般图表上给粒子的最大能量值，一般图表上给E-即是即是E0.第十四页，共六十九页。放射性与辐射第十五页，共六十九页。放射性与辐射 +衰变衰变(shuibin)(Beta-pasitron) Pn+Q+V AZXAZ-1Y+Q+V +:正电子正电子 ：中微子：中微子 第十六页，共六十九页。放射性与辐射第十七页，共六十九页。放射性与辐射+发生原因母核中子或质子(zhz)过多质子转变成中子，并且(bngqi)带走一个单位的正电荷中子转变成质子(zhz)，并且带走一个单位的负电荷+反中

6、微子中微子 三种子体分享裂变能因此电子具有连续能量第十八页，共六十九页。放射性与辐射l已知的具有b放射性的核素有一千多种，其中轻核和重核都可能放射出b射线。l由中子辐照稳定核素所产生的大多数放射性核素都具有b放射性，因此(ync)b辐射源通常可以用反应堆中子辐照得到。l单能电子可由电子加速器提供。第十九页，共六十九页。放射性与辐射 衰变衰变（Gamma ray decay）射线：波长比X射线更短的电磁即光子(gungz)流 衰变通式： AZXmAZX+ 例例 6027Co6028Ni+ b + 钴钴 11349In11349In+ 铟铟 第二十页，共六十九页。放射性与辐射+中微子g g光子第二

7、十一页，共六十九页。放射性与辐射g衰变特点：1、从原子核中发射出光子2、常常在 a 或 b 衰变后核子从激发态退激时核能级跃迁 时产生。3、产生的射线(shxin)能量离散，是单能的4、可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别5、 g光子的能量在几十keV到几MeV，放射性核素有两千 多种。第二十二页，共六十九页。放射性与辐射第二十三页，共六十九页。放射性与辐射 衰变衰变(shuibin)(shuibin)- - 衰变衰变(shuibin)(shuibin)+ + 衰变衰变(shuibin)(shuibin) g g 衰变衰变第二十四页，共六十九页。放射性与辐射电子电子(dinz)俘获（俘获（

8、Electeon Capture EC） 通式：通式： P+e-n+ AZX+e- AZ-1Y+Q+ 例：例：5526Fe+e-5525Mn第二十五页，共六十九页。放射性与辐射 质子变成中子X射线第二十六页，共六十九页。放射性与辐射第二十七页，共六十九页。放射性与辐射l注：lx和g射线都是电磁辐射，电荷都为0，静止质量为0，都具有波粒二象性，其本质是电磁场的携带者或者是电磁相互作用的传递者。l二者的根本区别在于来源不同：g射线是原子核结构(jigu)变化而发射出的辐射X射线是核外电子绕行轨道改变而发射出的辐射第二十八页，共六十九页。放射性与辐射衰变形式衰变形式 放出射线放出射线(shxin)

9、原子序数变化原子序数变化 原子质量数变原子质量数变化化 42He -2 -4 - e-(负电子负电子) +1 0 + e+(正电子正电子) -1 0 h(光子光子) 0 0 Ec h(光子光子) -1 03.放射性核衰变放射性核衰变(shuibin)的结果的结果第二十九页，共六十九页。放射性与辐射l衰变的反应式为l它表示在衰变中，放射性元素X的原子核放出一个粒子(lz)( )，蜕变成一种新元素Y，其原子核的质量数比原来元素的质量数减少4，而电荷数减少2，即在周期表中的位置移前两位。He42第三十页，共六十九页。放射性与辐射l衰变的反应式为ll它表示在衰变中，原子核放出(fn ch)一个粒子(

10、)时，新元素原子核的质量数不变，而电荷数增加1，即在周期表中的位置移后一位。e01第三十一页，共六十九页。放射性与辐射l放射性元素因衰变或衰变而引起元素原子序数变动的规则，称为位移定则。原子核进行 衰变时，核的能级发生变化，而核的组成(z chn)不发生变化，元素在周期表中的位置不变。第三十二页，共六十九页。放射性与辐射射线射线 径迹径迹射程射程 电比离度电比离度 LET 直线直线 气：气：2.4-11cm生物：生物：0.030.07mm 30000离子离子对对/cm 大大曲线曲线 气气:几十几十Cm几几m 60-100离子离子对对/Cm中中直直-曲线曲线 气气:几十几十m金属：几十金属：几十

11、cm几几m很少，很少，的的1% 小小1.几种几种(j zhn)射线的性质射线的性质4 各种各种( zhn)核射线的特点核射线的特点 第三十三页，共六十九页。放射性与辐射 射线射线 速度速度电荷电荷静止质量静止质量（amu） E（Mev） 能谱能谱 1/20C 24.0027 4-9 单值单值 1/3C 10.00549 0-最大最大 连续值连续值 C 00约等于核约等于核二能级单二能级单值之差值之差 单值单值 接上表：接上表：第三十四页，共六十九页。放射性与辐射第三十五页，共六十九页。放射性与辐射第三十六页，共六十九页。放射性与辐射多次衰变多次衰变(shuibin)：ABCS式中：式中：S：稳

12、定性核素，其余具放射性。：稳定性核素，其余具放射性。 例如：例如：23892u23490Th23491Pa23492u206Pb 铀铀 钍钍 镁镁 铅铅5 放射放射(fngsh)系系 (radioactive series)第三十七页，共六十九页。放射性与辐射 放射性核素衰变为另一种核素，此核素还要继续衰变，放射性核素衰变为另一种核素，此核素还要继续衰变，最后到达一种稳定的核素，形成放射系，也称级联衰变链。最后到达一种稳定的核素，形成放射系，也称级联衰变链。已知三天然已知三天然(tinrn)一人工。一人工。(4) 镎系：镎镎系：镎( )铋铋( ).A=4n+1,4n +1系。系。93237Np

13、83209Bi (3) 锕系：锕锕系：锕( )铅铅( ).A=4n+3,4n +3系。系。89227Ac82207Pb(2) 铀系：铀铀系：铀( ) 铅铅( ).A=4n+2,4n+2系。系。 92238U82206Pb(1) 钍系：钍钍系：钍( )铅铅( ).A=4n,4n系。系。 Th3239082208Pb5 放射放射(fngsh)系系 (radioactive series)第三十八页，共六十九页。放射性与辐射l中子(zhngz)辐射主要由核反应产生，而不是核衰变产生。l中子不带电，与物质相互作用与其他射线不同。第三十九页，共六十九页。放射性与辐射6.1 中子中子(zhngz)类型类型

14、 冷中子(zhngz)：En0.5ev 共振中子：En=1eV1keV中能中子：En：1Kev-0.5Mev快中子： En：0. 5Mev-10Mev超快中子：En：20Mev50Mev中子(zhngz) 第四十页，共六十九页。放射性与辐射l中于的质量略大于质子。l自由中子不稳定，它具有衰变的性质l 实验测得中子的半衰期T1/210.6min。与中子和物质相互作用过程的时间相比，这个时间是很长的。也就是说，中子在衰变之前就已经被原子核俘获了。所以(suy)通常可将它视为稳定粒子l中子的自旋为12，磁矩为一1.9228N 。第四十一页，共六十九页。放射性与辐射l中子与其他微观粒子一样，在适当条件

15、下会呈现出波动性质。中子波长与它的动能Tn及动量pn有以下(yxi)关系l当中子的速度vnc时，有第四十二页，共六十九页。放射性与辐射l中子与物质作用时，其波性是否明显，主要取决于它的波长和它所作用系统的相对大小(dxio)。热中子的波长与固体原子之间的距离相当，这种中子通过晶体时，其波性就很显著。快中子的波长与原子核大小同数量级，这种中子与物质作用时，对核作用过程来说，表现出一定的波性。但对原子作用过程来说其波性就可以忽略了。第四十三页，共六十九页。放射性与辐射l为了研究和利用中子，需要有产生中子的装置(zhungzh)。l获得中子的途径有两个：核反应和核裂变。l具体获得中子的方法大致分为三

16、类：利用放射性核素产生中子：l( ，n)型中子源；(,n)型中子源；自发裂变中子源第四十四页，共六十九页。放射性与辐射利用加速荷电粒子产生中子：l加速器中子源为了获得单能中子，通常用粒子加速器将p，d，等荷电粒子加速，然后用它们去轰击原子质量数比较低的靶核，产生(p,n)，(d,n)，(,n)反应。利用核反应堆获得中子：l裂变材料(如235U，239Pu等)在核反应堆中进行模式反应时放出大量(dling)中子，反应堆中子源的中子能量是连续的，从0.001eV至十几MeV都有。第四十五页，共六十九页。放射性与辐射l用核粒子轰击稳定的核素可以产生出人工的放射性核素。l激活或活化（反应(fnyng)

17、）通常把稳定的核素吸收一个中子后转变成放射性核素的过程称为把生成的放射性核素叫做活化产物。l感生放射性活化产物因为核内中子过剩还要进行衰变。活化产物衰变时产生的发射性称为感生放射性。 第四十六页，共六十九页。放射性与辐射l用中子轰击或照射稳定同位素 59Co（钴），则可产生放射性同位素 60Co。 60Co原子再进行衰变(shuibin)，同时发出射线，变成稳定同位素 60Ni（镍）原子。这个过程可写成： 59Co 60Co 60Ni 60Co是活化产物(chnw)，它们衰变产生的、 射线即为感生放射性。 第四十七页，共六十九页。放射性与辐射l反应堆一回路水中的稳定同位素16O（氧）吸收中子，

18、同时发射出质子，产生出放射性核素16N（氮）， 16N原子再进行衰变，并发出(fch)射线，变成稳定的16O原子，即： 16O 16N 16O 16N是活化(huhu)产物，它们衰变产生的、 射线即为感生放射性。 第四十八页，共六十九页。放射性与辐射第四十九页，共六十九页。放射性与辐射 1) 1) 指数衰减规律指数衰减规律 N = NN = N0 0e e- - t t （说明） N N0: 0: （t = 0t = 0）时放射性原子）时放射性原子 核的数目核的数目N: N: 经过经过t t时间后未发生衰变的放射性原子核时间后未发生衰变的放射性原子核数目数目 : :放射性原子核衰变常数放射性原

19、子核衰变常数 大小只与原子核本身性质大小只与原子核本身性质 有关有关(yugun)(yugun)，与外界条件无关，与外界条件无关; ; 数值越大衰变越快数值越大衰变越快N = NN = N0 0e e- - t t第五十页，共六十九页。放射性与辐射l说明:l 设在dt时间内，某放射源中的放射性原子核的数目因衰变而引起的变化量为dN ，它与原来的原子核数目N、衰变时间dt成正比。原子核数目随时间而减少，dN为负，即dN=-Ndt 衰变常数：为比例恒量，只与元素本身(bnshn)性质有关，与外界条件及核素本身(bnshn)的化学状态无关，反映原子核衰变的快慢程度第五十一页，共六十九页。放射性与辐射

20、积分，lnN=-t+C （C为积分常数）。设t=0时，原子核数目为N0，代入上式得C=lnN0，因此可得式表示，原子核的数目N是随时间t按指数规律减少的，表示t时刻(shk)还有多少原子核没有衰变。第五十二页，共六十九页。放射性与辐射放射性活度（放射性活度（radioactivity),简称活度简称活度 (activity)意义：表示核素特征(tzhng)的一个重要辐射量定义：在给定时刻，处于一给定能态的一定量的某种放射性核素在dt时间内发生自发核衰变和核跃迁数的期望值dN除以dt： A=dN/dt dN在时间间隔dt内该核素从该能态发生自发核跃迁数目的期望值。即单位时间内的核衰变数。2. 放

21、射性活度放射性活度第五十三页，共六十九页。放射性与辐射单位单位(dnwi)： 秒的倒数秒的倒数(S-1) SI单位专名：单位专名： 贝可勒尔贝可勒尔（Becquerel)，简称贝可贝可，符号: Bq，每秒一次核衰变，每秒一次核衰变，1Bq=1 s-12. 放射性活度放射性活度第五十四页，共六十九页。放射性与辐射l放射性活度减小规律(gul): （说明）式中，表示t时刻核素的放射性活度是多大。第五十五页，共六十九页。放射性与辐射l设在dt时间内发生核衰变的次数（即原子核减少的数目(shm)）为-dN（因dN为负值，故加一负号），按放射性活度定义，得lA0是t=0时的放射性活度。放射性活度A是随时

22、间t按指数规律而减小。第五十六页，共六十九页。放射性与辐射l放射性活度的专用(zhunyng)单位为居里(Curie)，简称居（C或Ci）:1居里(Ci)=3.71010/秒 (dps)1毫居(mCi)=10-3居 (Ci)1微居(Ci)=10-6居 (Ci)1纳居(nCi)=10-9居 (Ci)1皮居(pCi)=10-12居 (Ci)第五十七页，共六十九页。放射性与辐射国际(guj)单位制：贝可勒尔：简称贝可，符号:Bq，每秒一次核衰变1Bq=1 s-11Bq=2.710-11居里 第五十八页，共六十九页。放射性与辐射通常用放射性比活度放射性比活度及放射性浓度放射性浓度二参数表示表示各种物质

23、中的放射性核素含量。放射性比活度（放射性比活度（specific radioactivity) 定义：指单位(dnwi)质量所含的放射性活度，单位(dnwi)是Bq/g ，亦可用单位(dnwi)摩尔物质的放射性活度来描述放射性比活度，单位(dnwi)是Bq/mol ，简称比活度，用于固体意义：表示样品内放射性核素在其所属的物质全部原子中所占比例的一个参数。 第五十九页，共六十九页。放射性与辐射放射性浓度放射性浓度(radioactive concentration)定义(dngy)：单位体积溶液或气体内所含的放射性活度，单位是Bq/ml 。第六十页，共六十九页。放射性与辐射衰变常数（Decay

24、 constant）: 意义：单位时间(shjin)内每个核衰变的几率。 单位：秒-1 或 天-1例：32P =1/1782850秒-1=5.610-7秒-1 60Co =1/239364155秒-1=4.16910-9秒-1 越大，该核素越不稳定，因此，32P比60Co活跃些 NdtdN第六十一页，共六十九页。放射性与辐射半衰期半衰期半衰期半衰期T 母核数目衰变掉一半所需时间，或放射性活度减弱母核数目衰变掉一半所需时间，或放射性活度减弱一半所需时间。一半所需时间。T 也是放射性核素特征量，也表示放射性也是放射性核素特征量，也表示放射性随时间衰减随时间衰减(shui jin)的快慢。的快慢。

25、T ln.20693T与与 成反比成反比t=T时时,N=N0/2 1200NNTe半衰期差别很大，短的不到(b do)1s，长的达到1015y第六十二页，共六十九页。放射性与辐射第六十三页，共六十九页。放射性与辐射 是衰变常量是衰变常量(chngling)的倒数，是半衰期的的倒数，是半衰期的1.44倍倍。NTT012144ln.核的平均寿命核的平均寿命平均寿命 对于初始时刻的所有母核来说，寿命从零到无限(wxin)大都可能存在，所以它们的寿命之和为000000)(1NtdetNdtetNNtdttt第六十四页，共六十九页。放射性与辐射010%37eNNN经过相当于平均寿命t的时间，剩下(shn xi)的母核数目仅为原先的37%。第六十五页，共六十九页。放射性与辐射 衰变衰变(shuibin)常量常量 、半