第1章放射性基本知识

核辐射测量方法授课专业核工程与核技术、核技术教学班号2011060201，0901课程代码

62113总学时

24+24学分

3.0

上课时间：20140220(第1周)—0509(第12周)上课地点：GA03，h1210(实验课)助课教师：刘易，余松科，王礼1核辐射测量方法第一章基础知识当前1页，总共63页。核辐射测量方法第一章基础知识2教材与参考文献汤彬,葛良全,方方,刘义保赖万昌,周四春《核辐射测量原理》,哈尔滨工程大学出版社，201108葛良全,周四春《核辐射测量方法》，成都理工大学，2007方方,唐红等《放射性勘探简明教程》成都地质学院，1992刘庆成等，《核科学概论》，哈尔滨工程大学出版社,2005章晔,华荣洲,石柏慎《放射性方法勘查》原子能出版社,1990成都地质学院三系《放射性勘探方法》原子能出版社，1978GFKnoll.RadiationDetectionandMeasurement.1989CECrouthamel,AppliiedGamma-RaySpectrometry,1970NuclearGeophysicsAppliedRadiationIsotopesJournalAppliedRadiationandIsotopesRadioactiveMethods.Geophysics当前2页，总共63页。《核辐射测量方法》章节安排（24学时）第一章放射性测量基本知识

（4学时）第二章射线与物质相互作用（4学时）第三章核辐射测量单位与辐射防护（2学时）

第四章带电粒子测量方法（4学时）第五章γ射线测量方法（4学时）第六章X射线测量方法（2学时）第七章核辐射测量的统计误差和数据处理（4学时）

3核辐射测量方法第一章基础知识当前3页，总共63页。第一章放射性测量基本知识1.原子与原子核2.核衰变3.放射性系列4.天然放射性核素谱5.放射性衰变基本规律6.多个放射性核素的衰变与积累7.中子辐射4核辐射测量方法第一章基础知识当前4页，总共63页。

自从1896年贝克勒尔发现天然放射性以来，核科学已经走过了百余年的历史。核科学的诞生及其发展不仅对自然科学本身起到了巨大的推动作用，而且对人类社会也产生了巨大的影响。核科学的发展历程当前5页，总共63页。放射性(radioactivity)这一名词首次首次被利用是MarieCurie。在1898,她首先用来描述能发出电离辐射(ionizingradiation)的物质的外部特征，进一步证明了电离辐射与电磁辐射的差别。放射性的最早研究者：伦琴（Roentgen);1895年，伦琴用阴极射线（电子束）在放电管壁上的作用产生x射线（x–ray)。首先发现放射性：1896年，贝可勒尔(Becquerel)发现铀矿石使胶卷暴光，称之为radiationactives。核科学的发展历程当前6页，总共63页。1898年，施密特发现钍（Th）具有与铀矿石相同的特征。1899年，卢瑟福（Rutherford）和欧文斯（Owens）发现射气（emanation)现象。1901年，Pierre和MarieCurie发现镭（Ra）之后又发现了钋（Po）。通过研究铀钍矿石的放射性，发现Ra比铀、钍具有更强的放射性，于是从沥青中提炼出镭。1903年，Becquerel和MarieCurie夫妇分别获得物理诺贝尔奖。1911年，MarieCurie获得化学NobelPrizeforisolatiingradium（Pierrediedin1906）。MarieCuriediedin1934attheageof67yearsasaresultofprolongedexposuretoradioactivityRa.7核辐射测量方法第一章基础知识当前7页，总共63页。

1911年，卢瑟福（Rutherford）用α射线轰击各种原子，观测到α射线发生偏折，从而确定了核结构，并提出了原子结构的行星模型，从而奠定了原子结构和原子核结构的研究基础。此后不久，玻尔提出了原子的壳结构和电子在原子中的运动规律，同时建立了描述微观世界的量子力学。

1919年，在卡文迪许实验室，实现了人工核蜕变核反应，它是用α粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下：

1932年，发现中子（neutron)。

1934年，人工放射性核素合成成功。8核辐射测量方法第一章基础知识当前8页，总共63页。第一章核辐射测量基础知识核辐射(nuclearradiation)

核的变换nuclidetransformation

来源粒子加速器particleacceleration宇宙射线cosmicrayfromouterspace

产生机理角度当前9页，总共63页。地-空界面上伽玛射线的来源人工放射性7.2%大气核试验核工业与核技术应用核医学诊断陆地放射性80.0%铀系列核素钍系列核素钾-40其它核素宇宙射线12.8%电离成份10.5%中子2.3%从空间分布角度当前10页，总共63页。一些核辐射的特征:TypeofparticlesymbolCharge(relative)ApproximaterestmassRestmassneutronn011.008982Protonp111.007593Deuterond122.014187Tritont133.01645Alphaparticleα244.002777positronβ+e+11/18400.000549Electronsorbetaparticleβ-e--11/18400.000549µmesonμ±1210/18400.115∏Π±1276/18400.152GammarayγneutrinoνFissionfragment2095《核辐射测量原理》p.3当前11页，总共63页。核辐射的分类

带电粒子辐射

快电子重带点粒子γrayxray电磁辐射中子非带电辐射当前12页，总共63页。1.原子和原子核13核辐射测量方法第一章基础知识当前13页，总共63页。电子正电荷汤姆生的原子模型

——“葡萄干面包”14核辐射测量方法第一章基础知识当前14页，总共63页。波尔的原子结构壳层模型15核辐射测量方法第一章基础知识当前15页，总共63页。电子原子核卢瑟福的原子“核式结构”模型16核辐射测量方法第一章基础知识当前16页，总共63页。原子与原子核的大小17核辐射测量方法第一章基础知识当前17页，总共63页。1.原子和原子核原子的结构：原子atom：原子核nucleus、电子electron原子核带正电、电子带负电（电荷是量子化的）原子是电中性的原子的大小：10-10米

能级基态激发态跃迁

当前18页，总共63页。1.原子和原子核

质子

proton、中子neutron

核内质子数（Z）、核外电子数、核的电荷数

原子序数

atomicnumber

中子数（N）N=A–ZA原子质量

元素:Z相同的原子

核素：具有特定质子数Z和中子数N的原子核。已发现超过2000种核素

同位素：相同Z,不同A（N不同）的核素。

同质异位素：相同A，不同N、Z的核素。

同质异能素：相同N、Z；不同能级的核素。原子核的结构：当前19页，总共63页。化学元素周期表当前20页，总共63页。1.原子和原子核质子：决定元素的种类，与中子共同决定原子的相对原子质量。中子：决定原子的种类，与质子共同决定原子的相对原子质量。电子：最外层电子数决定元素的化学性质。《核辐射测量方法》P.121核辐射测量方法第一章基础知识当前21页，总共63页。1.原子和原子核原子核的结构：

核半径nuclearradius1905汤姆逊原子核与原子半径相同

1911卢瑟福核半径10-12cm原子半径10-8cm

现代：10-15

米（飞米fm）核密度比原子大13个量级

1立方米核物质的质量高达1亿吨

当前22页，总共63页。1.原子和原子核核能质量亏损

massdefect

以氘为例中子质量=1.008665u

质子质量=1.007276u

两者之和=2.015941u

氘子质量=2.013552u

两者之差=0.002389u

结合能

bindingenergy核子结合成原子核时会放出能量

核能级nuclearlevel中子、质子运动状态《核辐射测量方法》P.2《核辐射测量原理》p.2即由1个质子和1个中子结合成氘原子核时，质量少了Δm，该减少的质量称为质量亏损。当前23页，总共63页。质量亏损与结合能科学家在研究原子核的质量时，发现由单个质子和中子结合成任何原子核时，都有质量亏损。这种现象可以用爱因斯坦的质能关系定律E=mc2(式中，E是原子核的总能量，m是原子核的总质量，c是光速)来解释。显然，如果某原子核的质量为m，则它具有的能量为E=mc2

，当它的质量改变了Δm时，则它具有的能量也将有相应的改变：ΔE=Δmc2。当单个质子和中子相距很近时，核子间强烈吸引作用，使一定数量的质子和中子结合成一个紧密的原子核，并向外释放能量。由于核子总能量的减少，按照质能关系定律，核子的总质量也将相应减少。这样，原子核的质量就比结合前的单个核子质量的总和要小，这就产生了质量亏损。当前24页，总共63页。质量亏损与结合能通常，原子的质量能够在实验中测定，而原子核的质量难以测定，为了计算的方便，往往采用原子的质量代替原子核的质量，用氢原子的质量代替质子质量，则质量亏损为：Δm=[ZmH+(A-Z)mP-mX]相应的结合能EB为：EB=Δmc2=[ZmH+(A-Z)mn-mX]c2在核物理中，能量单位常用eV、质量单位常用u来表示，根据1u＝1.66057×10-24g的关系，可按上式进行换算，得出1u质量所具有的能量为931MeV。如果将核子结合成原子核时所释放的能量称为结合能，并把原子核分成单个核子所要消耗的能量称为分离能，则结合能和分离能在数值上是相等的。原子核的结合能是和它的质量亏损相对应的，根据质能关系定律，从质量亏损可求出结合能。当前25页，总共63页。核能级示意图当前26页，总共63页。2.核衰变2.1放射性现象定义：原子核自发的发生核结构的变化，由一个元素的原子核转变为另一个元素的原子核，同时伴随放射出粒子或电磁辐射的现象。称为放射性衰变。放出的粒子：

α粒子、β粒子、γ辐射、碎片

不受物理的、化学的条件的影响是一个随机过程《核辐射测量方法》P.2当前27页，总共63页。2.2放射性衰变种类例1（1）衰变《核辐射测方法》P.63.825天当前28页，总共63页。2p2n90p144n铀-238（母核）钍-234（子核）氦-4(

粒子)衰变产物质子中子92p146n例2：U－238的衰变示意图铀原子的电子模型图HeThUHeYXAZAZ4223490238924242+®+®--29核辐射测量方法第一章基础知识当前29页，总共63页。α射线能谱的精细结构：

Bi-2125.48MeV0.016%5.6031.15.6220.155.7651.76.04769.96.08627.2Po-2128.78100.09.4920.00410.4220.00210.5430.018衰变当前30页，总共63页。衰变，由核电荷Z改变，而核子数不变。放出的β粒子betaparticle是高速运动的电子。分为：-衰变、+衰变、K俘获。（2）

衰变《核辐射测量原理》p.10《核辐射测方法》P.3当前31页，总共63页。-

衰变《核辐射测量原理》p.10放射性核素的原子核自发地放出-

粒子，而变成另一个核素的过程，称为-

衰变。30年

0.51MeV基态1.17MeV《核辐射测方法》P.7当前32页，总共63页。91p143n钍-234（母核）镤-234（子核）电子

e-

（

粒子）衰变产物质子中子90p144npn-1+1e-+1質量033核辐射测量方法第一章基础知识当前33页，总共63页。原子核内，一个质子转变成一个中子，放出一个正电子。《核辐射测方法》P.4+

衰变《核辐射测量原理》p.11当前34页，总共63页。K俘获

K-capture

电子俘获(EC)是β衰变的另一种形式，它是原子核俘获某一电子壳层的核外电子，使核发生跃迁的过程，又称轨道电子俘获。由于K壳层的电子离原子核最近，故俘获K壳层电子的几率最大，常称K俘获。《核辐射测量原理》p.11K俘获（电子俘获）《核辐射测方法》P.5n+®+MneFe55255526n+®+-YeXAZAZ1当前35页，总共63页。K俘获K-capture基态例：基态当前36页，总共63页。（3）γ跃迁

γ-transition在α衰变、β衰变过程中，伴随放出γ辐射gammaradiation例：基态↘↓γ0.059MeV,99.7%

β1.54MeV↘↘β0.31MeV0.3%↘↓γ

1.17MeV↓γ1.33MeV

基态《核辐射测方法》P.6当前37页，总共63页。

射线90p144n钍-234钍-23490p144n具有多余的能量衰变产物能量38核辐射测量方法第一章基础知识当前38页，总共63页。

铀系uraniumseriesU-238钍系thoriumseriesTh-232锕铀系actiniumuraniumseriesU-2353.天然放射性系列当前39页，总共63页。3.1放射性系列--铀系铀镤钍锕镭钫氡砹钋铋铅

9291908988878685848382

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当前40页，总共63页。3.1放射性系列--铀系

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92U91Pa90Th89Ac88Ra87Fr86Rn85At84Po83Bi82Pb81Tl当前41页，总共63页。3.2放射性系列—钍系

钍锕镭钫氡砹钋铋铅铊

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当前42页，总共63页。3.2放射性系列—钍系

钍锕镭钫氡砹钋铋铅铊

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当前43页，总共63页。3.3放射性系列—锕铀系铀镤钍锕镭钫氡砹钋铋铅铊

929190898887868584838281当前44页，总共63页。放射性系列

铀系uraniumseriesU-238A=4n+2钍系thoriumseriesTh-232A=4n锕铀系actiniumuraniumseriesU-235A=4n+3镎系neptuniumseriesNp-237A=4n+1

当前45页，总共63页。4天然放射性元素射线谱1.

铀系核素α射线γ射线

(MeV)几率能量(MeV)U-2384.1850.1870.048Th-2340.1480.093Ra-2264.7610.0120.184Rn-2225.4820.000640.51Po-2186.002--Pb-214--0.3770.3520.1890.295Bi-214--0.0522.2040.1631.7640.1661.1200.4710.609当前46页，总共63页。4天然放射性元素射线谱2.钍系核素α射线γ射线

(MeV)几率几率能量(MeV)Th-2323.9930.1970.06Ra-2245.6770.0300.241Rn-2206.282----Po-2166.774----Pb-2120.4700.239Bi-2126.0510.337Po-2128.7850.663Tl-2080.3372.6200.2930.583当前47页，总共63页。4天然放射性核素射线谱3.不成系列的天然放射性核素的射线谱

K-401.46MeVT=1.3×109aRb-87T=5.0×1010aSm-147T=1.06×1011a《核辐射测方法》

P.16当前48页，总共63页。5.放射性核素衰