核物理基础知识

1、核物理基础知识 核辐射的基本性质核辐射的基本性质1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276 +1 +1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.4865.4861010-4-4 1 1 e e 4.002794.00279 +2 +2 4 4He He 质质 量量 ( u )( u )电荷电荷（e)e)符号符号种类种类 第1页/共53页 核衰变 衰变衰变 原子核自发地放出原子核自发地放出粒子而发生的转变。粒子而发生的转变。 范围：范围： A140A140，T T49 MeV49 MeV，T T1/21/21010- -7 7s10s101515y

2、y 过程：QYXAZAZ42第2页/共53页 UP23692u24094第3页/共53页 能谱第4页/共53页衰变衰变 原子核自发地放出原子核自发地放出粒子粒子(e(e+ +，e e- -) )或俘获或俘获一一个轨道电子而发生的转变。个轨道电子而发生的转变。范围：范围：全周期表，全周期表，T T1/21/21010-7-7s10s101818y y，几，几MeVMeV过程：过程： - -： | |反中微子反中微子 + +： EC EC： YXAZAZ1YXAZAZ1YeXAZAZ1第5页/共53页第6页/共53页正电子发射断层扫描第7页/共53页E EC C的伴随过程的伴随过程 特征X射线：

3、莫塞莱关系： 欧歇电子LkxWWhvEBAZv第8页/共53页图.质子诱导激发X荧光分析的周期表72种元素。样品可以是固态、液态火薄膜。第9页/共53页 谱特点谱特点 连续分布连续分布 ， 对某种核素是对某种核素是确定的。确定的。 说明说明 ： 三个未知量仅二个约束方程，因而是可三个未知量仅二个约束方程，因而是可变的。变的。 max0TTTTT)cmm(mQRyx20pppRmaxT第10页/共53页 r r跃迁 处于激发态的核向较低能态或基态退激时放出r r射线的过程. . 射线性质 波长较短 ( (0.1 )0.1 )的电磁波。 并行过程 内转换，激发能交给壳层电子，使其发出。核衰变核反应

4、第11页/共53页E=h , =c / 电磁辐射谱第12页/共53页 1.21.2质能联系定理质能联系定理 爱因斯坦公式 质量与能量是物质同一属性的两个表象, ,具有质量为m m的物体, ,便具有由爱因斯坦公式确定的能量： E=mcE=mc2 2 式中，m m为物体的运动质量，m m0 0为物体的静止质量。20)/(1/cvmm第13页/共53页 质能变化联系质能变化联系 对爱因斯坦公式两边差分有： 更具体可写为: : 其中 是体系的广义质量亏损， 和 是体系变化前后的动能。2mcE2)(CMMEEEffiiiifffiMMMiEfE第14页/共53页能量单位电子伏-一个电子在真空中通过1V电

5、位差所获得的能量。一个电子的静止能量一个原子质量单位对应的能量JVCev1919106021892. 11106021892. 11MevKevev6310101MevcmEee511. 0106 . 1)103(101 . 91328312MevucEu5 .931106021892. 1/)1099792458. 2(106605655. 11322272第15页/共53页 应用举例应用举例2), 1(),()(CmAZmAZmQeYxQeHeH323MeV0177. 05 .931)016030. 3016049. 3(2) 1(), 1(),(CmmZAZMZmAZMeeYeX2),

6、1(),(CAZMAZMYX233)()()(CHeMHMQYX第16页/共53页1.3 1.3 核衰变的一般规律核衰变的一般规律推证 由 积分定解，有 N = N0e-tNddNtNNt 00, 0NNt第17页/共53页放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律1 1 指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目: 放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快。第18页/共53页放射性活度放射性活度 活度 单位时间发生衰变或跃迁的原子核个数。 定义: : 单位 国际：贝可勒尔

7、(Bq),1Bq(Bq),1Bq1 1次衰变/ /秒 专用: : 居里(Ci)(Ci)， 1Ci1Ci3.73.710101010BqBq 导出： 1Ci1Ci10103 3mCimCi10106 6CiCi 时刻的活度0000tAeAeNNdtdNAtt第19页/共53页有关常数有关常数q衰变常数q半衰期 核数目减少一半时所用时间 按定义: : , , 所以 单位时间一个核衰变的几率dtNdN/2/1T2/1Tt 2/1002/TeNNN/2ln2/ 1T第20页/共53页 质量与活度的关系质量与活度的关系 式中：ff核素丰度，一种核素在其所属的同位素中所占的原子百分数；MM核素的摩尔原子量

8、；N NA A阿伏加德罗常数。 比活度fafmTNmAaA2/1)2(ln)2ln/(2/1ANfMATm第21页/共53页1.4 1.4 电离辐射与物质的相互作用电离辐射与物质的相互作用辐射 非电离 能量低, ,不能使物质电离，如红外、微波等。 电离 能直接或间接使物质电离，如、等带电粒子和中子、光子等非带电粒子。 第22页/共53页带电粒子与物质的作用1.1.电离和激发 电离 入射粒子 核外电子 激发 电离 原电离 由入射粒子直接产生的。 次级电离 由原电离产生的电子( (100eV100eV）进一步产生的。 mPEtFP2/2第23页/共53页电离作用库仑作用+e-物质中原子被电离，在粒

9、子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子 自由电子+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ - + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He第24页/共53页比电离带电粒子在单位长度径迹上产生的离子对数。式中： 电离能量损失率; ; - -平均电离能； v v，z z粒子的速度和电荷数； N N，Z Z介质的原子数密度和原子序数。 NZzvwdxdESion221)/(iondxdE)/(w第25页/共53页不同射线电离密度示意图线 X线 线线细胞或生物大分子细胞或生物大分子第26页/共53页2.2.散射散射 受原子核的库仑场或原子的极

10、化场作用，粒子运动方向发生改变的现象。 brZ1ermvZ2e粒子的散射轨道第27页/共53页 散射现象粒子径迹基本是一条直线 电子径迹是折线第28页/共53页 3.3.轫致辐射轫致辐射 在原子核的库仑场作用下，带电粒子做加速运动时部分能量以连续电磁辐射形式放出的过程。能量损失率式中：m m、z z和EE入射粒子的质量，电荷数及能量；N N、ZZ介质原子数密度及原子序数。NEmZzdxdErad222第29页/共53页 讨论1)1)在同一介质，有：2)2) 在高原子序介质中易产生轫致辐射。3)3) 与电离损失正好相反，高能时，粒子的辐射损失上升。TTmzdxdEr当,/228224222210

11、6 . 74)105 . 5(2/aeaerarmmzdxdEdxdE2ZdxdErEdxdEr第30页/共53页 讨论 对粒子，有: 式中， E-MeV，对于铅，Z=82，仅当E=10Me时,轫致辐射损失才与电离损失相同。800)/()(ZEdxdEdxdEionrad第31页/共53页 4.4.切伦科夫辐射切伦科夫辐射 带电粒子在透明介质以微弱可见光的形式辐射能量的过程。 发生条件 i)i)均速 ， ii)vii)vccc/nc/n。 物理过程 辐射由极化偶极子退激化产生的辐射相干迭加而成。 在水中(n=1.33),(n=1.33), minmin =1/n=0.75,能发生切伦科夫辐射的

12、 射线最小能量为: :MeVcvcmTe26. 0) 1)75. 0 (11(511. 0) 1)/(11(222第32页/共53页 切伦科夫辐射第33页/共53页5.射程与吸收 核子的射程 在介质中沿运动方向所穿过的距离。在标准空气的平均射程: : , ,误差10%在其它介质：式中：AA介质原子的质量数;密度(gcm(gcm-3-3).).对于混合物：式中：W Wi i为第i i种元素原子重量含量百分数。 4/30318.0aER)73(MevE)(192 . 304cmRARnAAWAWA 2211第34页/共53页 粒子的最大射程 在介质中沿其入射方向所能达到的最大距离。对于铝有： 质量

13、厚度射程RmaxRmax与 线性射程的关系： RmaxRmax)(407. 0238. 1maxcmgERmMeVEMmev8 . 015. 0133. 0542. 0maxmERMeVEm8.0maxR第35页/共53页射线与物质的作用射线与物质的作用 光电效应光电效应 光子从原子中打出电子，本身消失的过程。 光电子的动能：),(MLKiwhTie第36页/共53页光电效应 作用机制 光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子壳层中某一电子，该电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子） A + X 射线原子自由电子受激原子第37页

14、/共53页 康普顿效应康普顿效应 光子被散射的效应。讨论：1)2)所以， Te0(Te)max。0,00eTEE时)21/()( ,180max0rereEcmET时康普顿电子谱第38页/共53页 电子对效应电子对效应 在核的库仑场作用下，光子转化为正负电子对的过程。 因为 所以 才能发生。22cmTTheeeMeVcmhe02. 122第39页/共53页光子与物质三种主要相互作用的相对重光子与物质三种主要相互作用的相对重要性要性第40页/共53页射线对物质的电离作用两步过程三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离

15、第第 2 2 步步次级作用次级作用第第 1 1 步步初级作用初级作用射线第41页/共53页射线的吸收射线的吸收 射线通过一定厚度介质，强度减弱的现象。 指数衰减规律 I(x)= I0 e-x 线性吸收系1）射线能量高 值小2） 原子序数高 值大能量能量（MeV) 铅（铅（Pb) cm-1 铝（铝（Al）cm-1 0.6 0.6 1.6 1.6 0.2 0.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.18 0.18 2.0 2.0 0.5 0.5 0.1 0.1第42页/共53页半吸收厚度(d1/2) 射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。 水

16、 水 泥 A l P b1 3 7C s 8 . 0 8 3 . 8 1 3 . 4 4 0 . 5 5 6 6 0C o 1 1 5 . 1 7 4 . 6 7 0 . 9 8 9物质层厚度I/I0半吸收厚度 单位cm第43页/共53页对物质电离作用的比较2 MeV 射程射程(m) (m) 离子对密度离子对密度/mm/mm 0.01 6000 0.01 6000 2-3 60 2-3 60 10 10 几个几个第44页/共53页 谱特点谱特点 连续分布连续分布 ， 对某种核素是对某种核素是确定的。确定的。 说明说明 ： 三个未知量仅二个约束方程，因而是可三个未知量仅二个约束方程，因而是可变的

17、。变的。 max0TTTTT)cmm(mQRyx20pppRmaxT第45页/共53页 1.21.2质能联系定理质能联系定理 爱因斯坦公式 质量与能量是物质同一属性的两个表象, ,具有质量为m m的物体, ,便具有由爱因斯坦公式确定的能量： E=mcE=mc2 2 式中，m m为物体的运动质量，m m0 0为物体的静止质量。20)/(1/cvmm第46页/共53页能量单位电子伏-一个电子在真空中通过1V电位差所获得的能量。一个电子的静止能量一个原子质量单位对应的能量JVCev1919106021892. 11106021892. 11MevKevev6310101MevcmEee511. 01

18、06 . 1)103(101 . 91328312MevucEu5 .931106021892. 1/)1099792458. 2(106605655. 11322272第47页/共53页有关常数有关常数q衰变常数q半衰期 核数目减少一半时所用时间 按定义: : , , 所以 单位时间一个核衰变的几率dtNdN/2/1T2/1Tt 2/1002/TeNNN/2ln2/ 1T第48页/共53页不同射线电离密度示意图线 X线 线线细胞或生物大分子细胞或生物大分子第49页/共53页5.射程与吸收 核子的射程 在介质中沿运动方向所穿过的距离。在标准空气的平均射程: : , ,误差10%在其它介质：式中：AA介质原子的质量数;密度(gcm(gcm-3-3)