06年4月环保上岗第一章电离辐射基础ppt课件

1、放射性根底知识 赵福祥 江苏省辐射环境监测管理站 2006年4月2006年江苏省核与辐射监督管理和监测技术人员上岗培训 原子核由中子和质子组成，中子不带电，质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子统称为核子，数目以A表示，A称为核子数或质量数，核中质子数记为Z，中子数记为N。常用如下方式表示一个原子核：实践上核素符号X和质子数Z具有独一、确定的关系，所以用符号AX足以表示一个特定的核素。 原子核的表示核子数质子数中子数元素符号 原子核由中子和质子组成，中子不带电，质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子统称为核子，

2、数目以A表示，A称为核子数或质量数，核中质子数记为Z，中子数记为N。常用如下方式表示一个原子核：实践上核素符号X和质子数Z具有独一、确定的关系 ，所以用符号X足以表示一个特定的核素。原子的表示原子序数化学符号1汤姆逊模型1903年，汤姆逊提出模型：原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子那么稀疏地嵌在球体中。同年，长冈半太郎以为正负电子不能够相互浸透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型构造。1原子构造模型3.原子构造进化表示图现代原子构造卢瑟福散射实验结论： 正电荷集中在原子的中心，即原子核； 线度为1012

3、cm量级，为原子的104量级； 质量为整个原子的99.9%以上；从此建立了原子的有核模型。 原子的电中性，要求： 原子核所带电量与核外电子电量相等， 核电荷与核外电子电荷符号相反。即：核电荷Ze，核外电子电荷Ze。中子、质子和电子的质量与电荷质量(u)电荷(e)中子0质子1电子1 原子核的大小P8 原子核的半径,根据丈量方法：核力半径和电荷分布半径。它们结果相近，均与 A1/3 成正比。电荷半径：核力半径： 重要结论： 原子核半径近似正比于A1/3，原子核体积近似正比于A。原子核的密度P8：代入：得：结论：原子核密度为常数，且非常大。原子的壳层构造 P2原子核核外电子又常称为轨道电子，把电子看

4、成沿一定的轨道运动 最接近核的一个壳层称为K层，在它外面依次为L壳层，M壳层，N壳层，O壳层等等。每个壳层最多可包容2n2个电子，以K壳层而言，最多可包容2个电子；L壳层最多可包容8个电子；M壳层为18个电子， 在正常形状下，电子先充溢较低的能级 P3遭到内在或外来要素的作用时，处在低能级的电子有能够被激发到较高的能级上称为激发过程；或电子被电离到原子的壳层之外称为电离过程。 特征X射线。图2-1 原子能级图和主要的 K系和L系特征X射线原子核物理常用术语P51).核素nuclide 具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子称为核素。 核子数、中子数、质子数和能态只需有一个不同，

5、就是不同的核素。 两种核素，A同，Z、N不同。两种核素，N同，A、Z不同。两种核素，Z同，A、N不同。两种核素，A、Z、N同，能态不同。 具有一样原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。(即Z一样，N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有根本一样化学性质。)表示方法:238U、U-238、铀-2382).同位素isotope和同位素丰度铀的二种同位素。氢的三种同位素； 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。99.985%、0.015%99.756%、0.039%、0.205%3).同中子异荷素isotone4).同量异位素isobar质量数A一样，质子数Z不同的核素。

6、中子数N一样，质子数Z不同的核素。也称为同中子素或同中异位素。5).同质异能素isomer 质子数 Z 和中子数 N 均一样，而能态不同的核素。 同质异能态：同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。激发态半衰期为2.81hr。图1-2 核素图部分 图1-3 稳定核素分布图稳定核素几乎全落在一条光滑曲线上或紧靠曲线的两侧，我们把这条曲线称为稳定曲线。 稳定曲线上方的核素为丰中子核素，易发生-衰变。位于稳定曲线下方的核素为缺中子核素，易发生+衰变原子核的结合能 质量和能量都是物质同时具有的两个属性，任何具有一定质量的物体必需与一定的能量相联络 E=mc2一个原子质量单位相联络的静止质量相应的能

7、量为 931.494013MeV图1-4 比结合能曲线获得能量：一是重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核，人们依托重核裂变的原理制造出原子反响堆与原子弹一是轻核聚变。依托轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探求的可控聚变反响。 五 、核衰变P11 1896年贝可勒尔(A.H.Becquerel)发现了铀的放射景象，这是人类第一次在实验室里察看到原子核景象。在磁场中研讨射线的性质时，证明它是由三种成分组成的。 一个成分在磁场中的偏转方向与带正电的离子流的偏转方向一样； 另一个成分与带负电的离子流的偏转方向一样； 第三个成分那么不发生任何偏转，继续沿着直线方向前进。 分别叫做射线、射线和射线。

8、 核衰变主要的类型: a, b, g衰变 辐射类型 电荷数/质量 穿透身手 a = 氦核 +2q/4mp 纸片 b = electron or positron q/me 或 +q/me 几毫米金属 g = 高能光子 无 几厘米铅 此外，还有中子发射、质子发射、裂变等衰变 原子核自发地放射出粒子而发生的转变，叫做衰变。经过衰变以后，原子核的质量数比母核减少4，原子序数减少2。 衰变特点 普通为重核普通能量小于7MeV半衰期极宽 二衰变 衰变：核电荷数改动而核子数不变的自发核衰变过程. 放射性核素普及整个元素周期表 衰变发射粒子能量在几十KeV几 MeV 衰变半衰期范围为，10-3s1024a

9、衰变根本特点： 衰变主要包括-衰变、+衰变和轨道电子俘获三种方式。Fermi 的 衰变实际(1934)： 中子和质子是核子的两个不同形状，它们之间的转变相当于两个量子态之间的跃迁，在跃迁过程中放出电子和中微子，它们事先并不存在于核内。 衰变的本质是核内一个中子变为质子， 和 EC的本质是一个质子变为中子，导致产生电子和中微子的是弱相互作用。：EC：2、衰变表达式：母核X 衰变为 子核Y、一个 电子 和一个反中微子. 核中一个中子变为了质子。3、衰变表达式：母核X 衰变为 子核Y、一个 正电子 和一个中微子. 核中一个质子变为了中子。4、EC(轨道电子俘获)表达式母核 俘获核外轨道上的一个电子，

10、使母核中的一个 质子 转变为一个中子， 同时放出一个中微子。K电子俘获最容易发生。EC衰变的后续过程：2.特征X射线1.俄歇电子三跃迁衰变：原子核从激发态经过发射光子或其他过程跃迁到较低能态的过程。该过程核电荷数不变、核子数不变。 跃迁发射粒子能量在几KeV十几 MeV 跃迁半衰期范围为，10-16s10-4s 跃迁的根本特点： 跃迁包括跃迁和内转换电子两种方式。跃迁(发射光子的过程光子的性质：静止质量 0能量（动质量）动量自旋（玻色子）六、原子核的衰变规律 P13在无外界影响下，原子核自发地发生转变的景象称为原子核的衰变，又叫放射性衰变。核衰变有多种方式，如衰变， 衰变，衰变，还有自发裂变及

11、发射中子、质子的蜕变过程。放射性衰变的根本规律 衰变是一个统计的过程大量的全同的放射性原子核会先后发生衰变，总的效果是随着时间的流逝，放射源中的原子核数目按一定的规律减少 实验发现: 加压、加热、加电磁场、机械运动等物理或化学手段不能改动指数衰减规律，也不能改动其衰变常数 。放射性衰变是由原子核内部运动规律所决议的。 单一放射性的指数衰减规律把一定量的氡射气单独存放大约4天之后氡射气的数量减少一半经过8天减少到原来的1/4经过12天减天1/8一个月后就不到原来的1/100假设以氡射气的数量的自然对数为纵坐标，以时间为横坐标作图 图1-6 222Rn的衰变规律图 设：t 时辰放射性原子核的数目为

12、N(t)，求解t t+dt 内发生的核衰变数目-dN(t)，它应该正比于N(t) 和时间间隔dt ，于是有： (1)、衰变常数分子表示：t 时辰单位时间内发生衰变的核数目，称为衰变率，记作t 时辰放射性原子核总数衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。放射性核素的特征量量纲为：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a一个原子核有几种衰变方式时：定义分支比： (2)、半衰期 半衰期：放射性核数衰变一半所需的时间，记为 。即：量纲为：t,如s，h，d，a(3)、平均寿命 平均寿命 总寿命 / 总核数在 tt+dt 时间内衰变的原子核数为：这些核的寿命均为 t，它们的总寿命为：因此，平均寿命

13、：而 t 能够的取值为 ：0所以，一切核的总寿命为：放射性的活度和单位一个放射源的强弱不仅取决于放射性原子核的数量的多少，还与这种核素的衰变常数有关 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 放射性活度的单位P17由于历史的缘由，曾采用居里Ci为单位。每秒钟有3.71010次核衰变定义为一个居里，即1Ci=3.71010/s有毫居里 (1mCi=10-3Ci) 微居里1Ci=10-6CiSI单位是秒的倒数s-1，叫贝可勒尔，简称贝可，符号Bq。1Bq等于放射性物质在1秒钟内有1个原子核发生衰变。其表达式如下： lBq=1次衰变秒 1Bq=1/s显见，1Ci=

14、3.71010Bq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。例如Cs有100个原子核发生衰变，放出 1.17MeV的电子有6个； 0.512MeV的电子有94个； 并伴随0.662MeV光子94个 共放出194个粒子。(4)、比活度 (Specific Activity)定义为：单位质量放射源的放射性活度。 比活度反映了放射源中放射性物质的纯度。即：单位为：Bq/g ，或 Bq/kg 递次衰变规律 许多放射性核素并非一次衰变就到达稳定，而是它们的子核仍有放射性，会接着衰变 直到衰变的子核为稳定核素为止，这样就产生了多代延续放射性衰变，称之为递次衰变或级

15、联衰变。递次衰变的表示：例如： 1.两次延续衰变规律A B C稳定初始条件：t = 0时，A 的数目为N10A 和 B 的衰变常数分别为 1 和 2B、C 的数目为0。 是单一放射性衰变，服从简单的指数规律。即：对于A：这样t时辰，A的数目的变化为：对于B：不断衰变为C (减少)：不断从A获得 (添加)：这样B的数目的变化为：B代入N1(t)等条件，解此微分方程， 可见，子体 B 的变化规律不仅与它本身的衰变常数 2 有关，而且还与母体 A 的衰变常数 1 有关，它的衰变规律不再是简单的指数规律。 曾经假设 C 是稳定的，那么它的变化仅由 B 的衰变决议，即：解此方程，得：对于C： 当t ，N

16、3(t) N10，母体A全部衰变成子体C。子体C是稳定的，不再发生衰变。两次延续衰变规律总结如下：A B C稳定放射性平衡P21暂时平衡 当母体A的半衰期不是很长，但比子体B半衰期还是要长，即 T1T2 如10h，1h长期平衡 当母体A的半衰期比子体的长得多，T1T2如10a，1h不成平衡的情况 当母体A的半衰期小于子体的半衰期，T1T2 如1h，10h)a子体活度曲线d子体单独存在时活度曲线b母体活度曲线c母子共同活度曲线etm医院“母牛延续衰变 P23 B.长期平衡P23 当母体A的半衰期较长，且比子体B的半衰期长得多时，即或 那么在察看时间内，看不出母体A放射性的变化；在相当长时间以后，

17、子体 B 的核数目和放射性活度到达饱和，并且子母体的放射性活度相等。这时建立的平衡叫长期平衡。a子体活度曲线d子体单独存在时活度曲线b母体活度曲线c母子共同活度曲线200如： 铀-镭平衡(或钍-镭平衡) 在丈量样品时，普通要求放射系处于平衡形状。 普通丈量的样品是不密封的，这时假设衰变系列中有处于气体形状的如各放射系中的氡射气，RaRn，它会逸出而使长期平衡破坏。为此要把样品密封起来达其半衰期的倍再进展丈量。222Rn的T1/2为3.8天 C.不成平衡逐代衰变 当母体A的半衰期比子体B的半衰期短时，即或 这时建立不起平衡，母体A按指数规律较快衰减；而子体B的数目从零逐渐添加，过极大值后较慢衰减

18、，当时间足够长时，子体B那么按本人的衰变常数2衰变。这种情况也称为逐代衰变。a 子体活度曲线d 子体单独存在时活度曲线b 母体活度曲线c 母子共同活度曲线tm 天然放射系 P25地球年龄为10亿年即109a 三个处于长期平衡形状的放射系这些放射系第一个核素的半衰期都很长 如钍系的Th，半衰期为1.411010a； 铀系的U，半衰期为4.47109a； 锕-铀系的U，其半衰期为7.04108a。三个放射系中的其他核素，衰变都较快 钍系4n系钍系从 开场，经过延续10次衰变，最后到达稳定核素是4的整数倍的质量数子体中半衰期最长为5.75a，所以钍系建立起长期平衡需求几十年时间。 铀系4n+2系铀系

19、从 开场，经过延续14次衰变，最后到达稳定核素是4的整数倍+2的质量数子体中半衰期最长为2.45105a，所以铀系建立起长期平衡需求几百万年时间。 锕系4n+3系锕系从 开场，经过延续11次衰变，最后到达稳定核素是4的整数倍+3的质量数子体中半衰期最长为3.28104a，所以锕系建立起长期平衡需求几十万年时间。 空缺4n+1系-发现镎系镎系从 开场，经过延续11次衰变，最后到达稳定核素是4的整数倍+1的质量数天然放射系中短少4n+1放射系，人工呵斥Np的半衰期为2.14106a。衰变规律的一些运用 P26 1995年5月，各为10mCi的放射性核素226Ra、Cs、60Co和125I，到200

20、5年5月经过10年时它们的活度是多少？分别占原来活度的百分比。At=A0e-t = A0e-0.693t/T 第二节 电离辐射源 P29 辐射主要包括: 1. 电离辐射通常称放射性 2. 电磁辐射非电离辐射人体遭到照射的辐射来源及其程度天然辐射是人类的主要辐射来源天然辐射宇宙射线宇生放射性核素原生放射性核素 普通场所： 天然本底为 2.3mSv/year, 多为内照射 (222Rn, 60%)一、天然本底照射宇宙射线引起的镞射1.宇宙射线的来源初级宇宙射线：质子85.9、粒子12.7%、重带电粒子(N,O,Ne,C,Si等核，1.4%)及少量电子。最高能量可达10GeV(1010eV)。 与大

21、气 核作用，生成次极宇宙射线。 在纬度高于45度的海平面，宇宙射线平均注量率1/cm2min。随高度变化，海平面为1，那么海拔2km为3，海拔12km为2030。次级宇宙射线：主要是中子、 介子， 介子、正负电子及高能 光子。在15 Km处完成转换。 对公众剂量有明显奉献的核素，14C、3H、22Na、7Be。以14C为例， 14C的生成过程： 次极宇宙射线中的热中子与大气中的N核发生核反响： 14C具有放射性， 14C与大气中作用构成经过生物作用和自然界的交换，分布于大气、海洋及生物界，总量达3000Mci。2.宇生放射性核素3.原生放射性核素： 以238U、232Th和235U为起始核素的

22、三个天然放射系，以及独立的长寿命放射性核素如40K等。 以40K为例，以 为主40K的天然丰度为0.0118%。在人体内的放射性活度约为： 正常本底地域天然辐射源致人体的年有效剂量江苏省天然辐射所致居民剂量 年有效剂量当量mSv 集体年有效剂量当量辐射类型 104人Sv 室 外 室 内 合 计陆地辐射 0.09 0.39 0.48 3.0宇宙射线 0.07 0.16 0.23 1.5天然贯穿辐射 0.16 0.55 0.71 4.5注:室内外居留因子取0.72/0.28，屏蔽因子取楼0.8/平0.9人工辐射源人工辐射源是用人工方法产生的辐射源。人工辐射源主要有核设备、核技术运用的辐射源和核实验

23、落下灰等。P32密封源的种类很多。按辐射的射线可分为源、源、源、低能光子源、中子源等。按放射源的几何外形可分为点源、线源、平面源、圆柱源、圆环源、针状源、棒状源等。按活度不确定度可分为检查源、任务源、参考源、规范源等。按用途可分为医疗用、工业照相探伤用、核仪表用、射线辐照用、放射性测井用、放射性丈量及仪表刻度用等等。反响堆消费放射性同位素P39 反响堆是一个强中子源，将样品置于反响堆辐照室或辐看管道内用中子辐照，利用(n，)、(n，)及(n，p)等反响，使样品中的稳定同位素变为放射性同位素。例如消费60Co放射性同位素时，将金属钴丝(或钴片、钴棒)装于不锈钢壳内，用氩弧焊密封。放入反响堆中照射

24、，由59Co(n，)60Co反响得到放射性同位素60Co。加速器消费放射性同位素P40 由加速器产生的具有一定能量的带电粒子，如质子、氘核和粒子轰击靶料，经过(p，n)、(d，n)、(d,2n)、(d, )、(d,p)和( ，n)等反响得到放射性同位素。例如用CS一30型盘旋加速器产生的26MeV质子轰击锌靶，由68Zn(p，2n)67Ga反响得到放射性同位素镓67Ga。 第三节电离辐射与物质的 相互作用 射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。 射线与物质相互作用是辐射探测的根底，也是认识微观世界的根本手段。 这里讨论的对象为致电离辐射。辐射能量大于10eV，即可使探测介

25、质的原子发生电离的能量。 辐射: 带电粒子辐射 非带电粒子辐射 射线与物质相互作用的分类带电粒子辐射不带电粒子辐射重带电粒子中子快电子X射线和 射线带电粒子经过物质时，在同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进展能量的传送和交换：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那么经过次级效应产生次带电粒子使原子电离或激发可以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 1 带电粒子与物质相互作用 载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种，其中前两种是主要的：(a) 电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程。 (b) 辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过

26、程。(c) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞(d) 带电粒子与核外电子弹性碰撞 1.1 带电粒子能量损失方式之一-电离损失 入射带电粒子与靶原子的核外电子经过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。 电离核外层电子抑制束缚成为自在电子，原子成为正离子。激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发形状，退激发光。 1.2 带电粒子能量损失方式之二-辐射损失 入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射轫致辐射(Bremsstrahlung)。它是X射线的一种，具有延续的能量分布。射程P45 射程(Range)的定义带电粒子沿入射方向所行

27、径的最大间隔，称为入射粒子在该物质中的射程R。入射粒子在物质中行径的实践轨迹的长度称作路程(Path)。 重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。P45对重带电粒子质量大，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。5.3MeV的粒子空气中射程3.84cm，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。 粒子的射程 由于电子容易物质原子的散射，其射程与途径相差甚远。延续能量分布，其射程不同于重带电粒子。但与 粒子最大能量 相应存在一个最大射程 。 因此，两个湮没光子的能量一样，各等于0.511MeV。 而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的。射线与 射线的本质电磁辐射特征射线：湮没辐射：核能级跃迁正电子湮没产生特征X射线：原子能级跃迁轫致辐射：带电粒子速度或运动方向改动产生2 射线与物质相互作用P45 射线与物质相互作用特点： 光子是经过次级效应与物质的原子或原子核外