安全综合知识第1章原子核物理基础

第一章原子核物理基础引在1895X1896年发现放射性、1897年发现电子，这三大发明揭开了近代物理的序幕，物质结构的研究开始进入微观领域。其中，18962050第一节原子和原子核的基本100多种元素了。e=1.60217733×10-me=9.1093897×10-子为例，其半径为1.6×10-8cm。铝金属的密度为ρ=2.7g/cm3。 13cm一、原子的壳层依次类推。通常用量子数n（n=1，2，3，…）代表壳层，并分别对应K壳层、L壳层、M壳层，…壳层。每个壳层最多可容纳2n2个电子，以K壳层而言，最多可容纳2个电子；L壳层最多可容纳8M18个电子，……。除了K层外，其它壳层又可分成若干的支壳层，支壳层的数目等于（2l+1）个，其中l=n-1，l是描述电子轨道的量子数。这Ll=n-1=13MN57通常用壳层符号及其右下标的罗马数字来表示支壳层。如LⅠ表示L壳层的第一个支壳层，MⅡ表示M壳层的第二个支壳层，并分别称为LⅠ壳层和MⅡ壳层。或者说负得最多。在K层以上，依次为LⅠ，LⅡ，LⅢ，MⅠ，MⅡ……但在外壳层有些的顺序子就需要外界做功。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1-1原子能级图和主要的KLX图1-1是原子能级的一个典型例子，从图中可以看到相应的K、L、M……能级及其支n、lj1-1n（=1、2、3、…）l（=0，1，2（n-1）相关的量子数，j与lj|l±1/2|n、l、jMn=3，l0,12l=0j1/2l=1j1/23/2l=2j3/25/2。因此，M5的形式释放一个光子。不同的元素的原子均有不同、特定的能量，通常称作特征X射线。二、原子核及其稳定1896年贝克勒尔（BecquerelAH）发现了铀的放射现象，这是人类第一次在1897年居里夫妇（CurieP＆CurieM）发现放射性元素钋和镭。1903年证实了α放射是正电荷的氦原子核，β射线是电子。1911年进而提出原子的核式模型。1932年查德威克（ChadwickJ）发现中子。海森堡（HeisenbergW）立刻提出原子核是由质子和中子AXNZ Z414He、816O、92238U，AX，为原子序数。只要元素符号X相同，不同质量数的元素在周期表中的位置上相同，就具有86208Ti，82208Pb是独立的两种核素，他们具有相同的质量数而原子核内含有不同的质子数3890Sr，3991Y是原子核内含有不同的质子数和相同的中子数的独立的两种核素；2760Co和17O、18O。它们的同位素丰度分别为99.756%、0.039%、0.205%。天然存在的核素可分为两大类：一类是稳定的核素，例如4020Ca、20983Bi等，其中自然存在的稳定核素约有280个；另一类是不稳定的核素，是指原子核会自发地转变成另一21080Po（发射α粒子、22288Ra（发射α粒子、β粒子、19879Au（发射β粒子E=mc2其中,物体的能量E以J为单位，物体的质量m以kg2.99792458×108m/s=3×108m/s（）由Z个质子和AZ记作Δ(A)Δ>0Δ=Δ。Z(,)为即ε(z,A)=的单位是1-2曲图1-2是核素的比结合能曲线对质量数作图，可得到比结合能曲线。从图1-2可见，8MeV结合能曲线两头低、中间高，换句话说，中等质量的核素的B/A比轻核、重核都大。放能量。从图1-4可以看出，有两个途径可以获得能量：一是重核裂变，即一个重核1-2A<3012C、16O、20Ne和24Mg等偶偶核，并且有N=Z，这表明对于轻核可能存在α粒子的第二节原子核的放射一、放射性衰变的基本规在大约4d之后氡射气的数量减少一半，经过8d减少到原来的1/412d减到1/8，一个月后就不到原来的1/100了，衰变情况如图1-6（a）所示。如果以氡射气的数量的自1-6（b，则可得到线性方程lnN(t)=-1-3222Rn律N(O)和N(tt=0t=t86222Rnλ为直线的斜率，是一个常N(t)=N(0)e-衰变、，而λ2,τ-dN(t)=式中-dNtt+dt间隔dt和t时刻的原子核数N（t，其比例系数正好是衰变常数λ。因此，λ可写成为λ=-除了λ外，还有一些其他物理量，比如半衰期T1/2，也可用于表征放射性衰变的快慢。h、d、a由此可见，T1/2与λT1/2T1/2越小则衰变越快。上式也表示半衰期T1/2与何时作为时间起点是无关的，从任何时间开始算起这种原子核的数目 1 N

(t)etd(t) τ=T1/2/0.693=1.44N(t=τ)=Ne-内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度，通常用A表示。

A(t)=λN(t)=λN0e- A(t)=A0e-A0=λN0是放射源的初始放射性活度。由上式可见，一个放射源的放射性活度也由于历史的原因，放射性活度曾采用居里（Ci）1Ci1g衰变的数目。1950年，为了统一起见，国际上共同规定：一个放射源每秒钟有3.7×1010更小的单位有毫居里（1mCi=10-3Ci）和微居里（1μCi=10-6Ci1975GeneralConferenceonWeightandMeasures)上，规定了放射性活度的SI单位叫Bq[贝克（勒尔）]。1Ci=3.7×101055137Cs[见图1-5（b）]，假如在某一时间间隔内有100个原子核发生衰变，但放出的粒子数却不止1001.17MeV60.512MeV940.662MeV94mBq/gJ(t)=二、放射地球的约为46亿年。经过了如此长的地质年代之后，那些半衰期比较短的核素，衡的放射系中。这些放射系的第一个核素的半衰期都很长，和地球的（46亿年）相近90232Th1.41×1010a92238U锕-铀系的92235U，其半衰期为7.04×108a。虽然在三个放射系中的其他核素，在单独存在衰变后，直到稳定核素为止。对于α42，在元素周期表中将可见，通过α衰变、β-衰变和γ衰变而形成的放射系，其中各个核间，质量数只能差490232Th1082208Pb铀系（4n+292238U1482206Pb。该系的核素，其质量数皆为4n+2，故称4n+2系。92235U1182207Pb。该系核素的质量数可表示为4n+3。半衰期最长的93237Np(镎)命名，称为镎系(4n+1系)。93237Np的半衰期为2.14×106a。第三节核辐射射线及其与物质相互一、常见的核辐射类型及其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的能量（如声热辐射；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1-1性类粒符电荷静止质u质稳氚稳氘α辐稳电稳稳中性粒γ000稳中n0α量数为4。粒子以符号αAXA4Y4HeAXA4Y Z

Zβ原子核发射出的β射线有两类：β-射线及β+β-就是通常的电子，带有一个单位的负电荷，以符号e-表示，负电子是稳定的。β+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，其质量约为质子的1/1846。1-4β中反射电子能量分布，对某核素的电子的最大动能Eβ,max是确定的。以32P而言，其Eβ,max=1.17MeV，β-14.3d，衰变过程如下32P32SeX射线和γ射线都是一定范围的电磁辐射，又称为光子。光子的静止质量为0，不带电荷。单个光子的能量与辐射的频率ν成正比，即E=hν，h为普朗克常数。每一个光子的能c（3×108m/s。Xγγ137Cs60Coβ-衰变后，子核处于高激发态能级，在向较低能态或基态跃迁时便发出γ光子。137Cs的γ射线能量为662KeV；60Co放出两个γ射线，其能量分别为1.17MeV和1.33MeV。4．定的，它可以自发地发生β-衰变，生成质子、电子和微子，半衰期为10.6分。素；②；③反应堆。和防护上不仅要考虑中子，而且也要考虑γ射线或X射线。二、射线与物质的相互作(1)①电离与激发。任何快速运动的带电粒子通过物质时，由于入射粒子和靶原子核外电②电离能量损失率。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本领。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本领。的离子对数目。例如，210Po的α粒子能量为5.3MeV，在空气中能量全部耗尽所产生的离子对数目为1.56×105个。的电磁辐射，通常称作轫致辐射，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。核辐射β粒子在通过介质时，由于受到原子核库仑场的最大能量为β粒子的最大动能，这一过程如图1-5所示。1-5的轫致辐射比电子要小（1840）2=3.4×106Z2成正比，因此，在原子序数大的物质（如铅，Z=82）乎不变，因此，其射程与路程相近。5.3MeV的α粒子在标准状态空气中的平均射程约3.84cm，同样的α粒子在生物肌肉组织中的射程仅为30～40μm，皮肤内的角质层就Emaxe++e-keVMeVγ射线通过物质时主要有光电效应、康普顿效应和电子大小。若以σph表示光电效应截面、σc表示康普顿效应截面、σp表示电子对效应，则γ射线1-6γ对无限小区间，dIx处的注量率Idx式中N为吸收物质的原子密度，即单位体积的原子数。与作用截面一样，线性吸收系射光子的能量和作用物质的原子序数有关，所以μ值也随γ光子能量hν和介质原子序数Z而能守恒。对于靶核为氢核且为对心碰撞时，氢核的动能TH=Tn，即中子把自己的动能全部子出射，而且会有γ射线发射。例如，中子与C原子核的非弹性散射会产生4.43MeV的γ235，时发出23个中子以及很大的能量（约200MeV，这就是裂变反应。第四节原子核10-15m一、核反应的一般描A(a,b)B，我们分别用a、A、bB代表靶核、入射粒子、出射轻粒子、30MeV40MeV63Cup+63Cu→62Cu+p+n(质子能量为Tp=30MeV)p+63Cu→61Cu+p+2n(质子能量为Tp=40MeV)这两个过程可以分别写成63Cu（p,pn）62Cu，63Cu（p,p2n）61Cu4He7Li 6Lid 26Lid7Li* 7Lip2

4He

6Li 7Be①对出射粒子和入射粒子相同的核反应，即a=b，称为散射。它又可以分为弹性散射原子核的能量不变，散射前后核往往都处于基态。12C*这类核反应称为俘获辐射。例如59Co（n，γ）60Co、197Au（p，γ）198Hg等反应。①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的，如常用的60Co源。再如，核反应堆中著名的裂变核素的增殖反应：（p,n（p,α（p,d（,p（p2n（d,n（d,p（d,α（d,2n（α，n（α，p（α，d（α，pn（α，2n重粒子引起的核反应，比α粒子重的离子称为重离子，如92238U（1022Ne，p3n）101256Md,96246Cm（612C，4n）102254No等。质量101号至107号元素的合是通过重也可以按入射粒子的能量来分类，入射粒子的能量，可以低到1eV以下，也可以高到几百GeV.在100MeV以下的，称低能核反应：100MeV～1GeV称中能核反应；在1GeV以上的，称为高能核反应。一般的原子核物理只涉及低能核反应。二、核反应a+A→b+Bma、mA、mbmB；相应的动能为Ta、TA、Tb和TB。由能量守恒定律得到：QTbTBTaTAQ(mm)c2(mm)c2 Q(MM)c2(M Q（以能量为单位Q>0称之为放能反应；对于Q<0称为吸能反应。三、核反应截面和产当一定能量的入射粒子轰击靶核A时，在满足守恒定则的条件下，都有可能按一定的能量不变