原子核物理基础课件

1、辐射防护基础,放射医学研究所,原子核物理基础 原子和原子核的基本性质 放射性 射线与物质的相互作用 辐射剂量学基础 辐射剂量学简介 常用量及剂量学方法 工业用辐射的放射卫生防护,原子核物理基础,0 引言 1895年：X射线 (伦琴) 1896年：放射性 (贝克勒尔) 1897年：电子 (汤姆逊) 1898年：质子 (韦恩)；Po，Ra (居里夫妇) 1899年：a射线；b射线的证实 (e-) (卢瑟福) 1900年：g射线 (韦拉特) 1932年：中子 (查德威克),原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质 原子质量单位u ： 定义：12C原子质量的1/12 1u =1.660 540 2

2、0.000 001 010-27 kg =1.660 540 2 0.000 001 010-24 g =931.494 013MeV/c2,原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质 1897年：电子(e-) (汤姆逊，J.J.Thomson) 人类发现的第一个微观粒子 电子的基本性质： 带负电荷 e =1.602 177 3310-19 C (库伦) me =9.109 389 710-31 kg (千克) 1/1840u,原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质 1911年： 卢瑟福 a粒子散射实验 核式模型 原子：是由原子核和核外电子组成,原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质

3、电荷是量化的只能是e的整数倍 原子核带正电 原子核的电荷集中了原子的全部正电荷,图1.1 原子结构示意图,原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质 原子的壳层结构： 微观世界的量子特性的一种表现 K, L, M, N, O, (n=1, 2, 3, 4, 5, ) 每一壳层最多可容纳电子数：2n2 K壳层：2 L壳层：8 M壳层：18 ,图1.2 锌的原子壳层结构示意图,图1.3 氢和氦的原子壳层结构示意图,原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质 原子核：质子(p)+中子(n) mn=1.008 664 92u mp=1.007 276 46u,原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质

4、 原子核的表示： Z：质子数(电荷数、原子序数) 确定原子的化学性质、元素 N：核内中子数 A：核内核子数(质量数) A = N + Z 核素符号X与质量数Z具有唯一、确定的关系,原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质 原子核的表示： ,原子核物理基础,1 原子和原子核的基本性质 几个基本概念 核素(nuclide) 同位素(isotopes) 同质异能素(isomers),原子核物理基础,核素(nuclide) 在其核内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。 ：质量数相同，质子数不同； ：中子数相同，质子数不同； ：质子数、中子数相同，核能态不同,原子核物理基础,同位素

5、(isotopes) 具有相同原子序数但质量数不同的核素。 在化学周期表中处于同一位置，具有基本相同的化学性质 1H, 2H, 3H：氢(氕)，氘，氚 锰(Mn)、铍(Be)、氟(F)、铝(Al)等：天然条件下只存在一种核素，称为单一核素，而不能说它们只有一种同位素。,图1.4 氢的三种同位素,原子核物理基础,同质异能素(isomers) 寿命较长的激发态原子核称为基态原子核的同质异能素或同核异能素。 A和Z都相同，只是能量状态不同。 在元素符号左上角质量数A后加上字母m表示，这种核素的原子核一般处于较高能态，例如： 称为 的同质异能素，其半衰期为2.81h.,原子核物理基础,2 放射性 已经

6、发现的天然存在的和人工生产的核素约有2000多个，其中天然存在的核素约332个。 天然存在的核素可分为两大类： 稳定核素：如 等，自然存在的稳定核素约270个； 不稳定核素：其原子核会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射，又称为放射性原子核。如,原子核物理基础,2 放射性 核衰变：在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称为原子核的衰变。 核衰变有多种形式：衰变，衰变，衰变，以及自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。,图1.5 衰变纲图,原子核物理基础,2 放射性 a射线： a粒子，氦核， 2质子+2个中子 核电荷数为2 质量数为4 a衰变过程：,原子核物理基础,2

7、放射性 b射线： b-射线, b+射线 b-射线：电子，1个单位负电荷，e-，稳定 b+射线：正电子，1个单位正电荷， e+ b衰变：b-衰变, b+衰变, EC(轨道电子俘获) b-衰变和b+衰变：能量连续0Eb,max 对某核素的电子的最大动能Eb,max是确定的。,图1.6 b粒子能谱,原子核物理基础,2 放射性 b射线 例如，对32P： Eb,max=1.17MeV， b-半衰变：14.3d 衰变过程：,原子核物理基础,2 放射性 X和g射线：一定能量范围的电磁辐射，又称光子 静止质量为0 不带电荷 能量E=hn，h普朗克常数，n为射线频率 h=6.62610-34 Js,原子核物理基

8、础,2 放射性 X射线和g射线的起源不同： X射线核外电子的跃迁。 g射线原子核本身高激发态向低激发态(或基态)的跃迁或粒子的湮灭辐射。 常用g放射源137Cs和60Co都是由于母核发生b-衰变后，子核处于较高激发态能级，在向较低能态或基态跃迁时便发出g光子。 137Cs：0.662MeV； 60Co：1.17MeV和1.33MeV,原子核物理基础,2 放射性 中子 质量数为1 不带电荷 自由中子是不稳定的，可自发发生b-衰变，生成质子、电子和反中微子，半衰期为10.6min 常用中子源： 同位素中子源，加速器中子源，反应堆中子源,原子核物理基础,2 放射性 放射性衰变的基本规律,图1.7 2

9、22Rn的衰变规律图,原子核物理基础,2 放射性 放射性衰变的基本规律： 放射性衰变服从指数规律。 实验表明：任何放射性物质在单独存在时都服从相同的规律。指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变，如衰变、衰变、衰变(或跃迁)，而且对于同时存在分支的衰变过程，指数衰减规律也是适用的，这是一个普遍规律。,原子核物理基础,2 放射性 但对各种不同的核素来说，它们衰变的快慢又各不相同，这反映在它们的衰变常数l(或T1/2 , )各不相同，所以衰变常数又反映了它们的个性。 l衰变常数：单位时间内一个原子核发生衰变的概率。 T1/2半衰期：放射性核素衰变掉一半所需要的时间。 放射性指数衰减规律是一种统计规律，

10、它是由大量的全同原子核参与衰变而得到的；对于单个原子核的衰变，只能说它具有一定的衰变概率，而不能确切地确定它何时发生衰变。,原子核物理基础,2 放射性 放射性活度：一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。 SI单位：Bq 1Bq=1 s-1 1Ci(居里) =3.71010 s-1 =3.71010 s-1(Bq) =103 mCi(毫居) =106 mCi(微居),原子核物理基础,2 放射性 注意：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。 有些原子核在发生一次衰变时可能放出多个粒子，例如： ，假设在某一时间间隔内有100个原子核发生了衰变，但放出

11、的粒子数却不止100个：其中放出最大能量为1.17MeV的电子6个，最大能量为512keV的电子94个，并伴随有94个能量为622keV的光子，因此，总共放出了194个粒子。,原子核物理基础,2 放射性 天然放射系 地球的年龄约10亿年(109a)。 放射系的第一个核素的半衰期都很长，和地球的年龄相近或更长： ：1.411010a ：4.47 109a ：7.04 108a,原子核物理基础,2 放射性 天然放射系 主要通过a衰变、b-衰变和g衰变，经过一系列衰变，直到稳定核素。 a衰变：改变质量数4，电荷数2 b-衰变：质量数不变，电荷数增1 g衰变：质量数和电荷数都不变 因此，通过a、b-和

12、g形成的放射系，质量数只能差4的整数倍,原子核物理基础,2 放射性 天然放射系 钍系(4n系) 10次衰变 (稳定) 铀系(4n+2系) 14次衰变 (稳定) 锕系(4n+3系) 11次衰变 (稳定) 镎系(4n+1系)： ，2.14106a,原子核物理基础,3 射线与物质的相互作用 原子核辐射：不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子，简称核辐射。 核辐射粒子，按 荷电性质：带电粒子和非带电粒子； 质量：轻粒子和重粒子；,一些核辐射的静态性质,原子核物理基础,3 射线与物质的相互作用 带电粒子通过物质时，在同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的传递和交换：其中一种主要的作用是带电粒子直

13、接使原子电离或激发。 非带电粒子则通过次级效应产生次级带电粒子是原子电离或激发。 电离辐射：能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射。,3.1 带电粒子与物质的相互作用 (1) 带电粒子能量损失方式之一电离损失 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子之间库伦力作用，使电子受到吸引或排斥，使入射粒子损失部分能量，而电子获得一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚，那么这个电子就脱离原子成为自由电子；而靶原子由于失去一个电子而变成带一个正电荷的离子正离子，这一过程称为电离。 如果入射带电粒子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，

14、只是使电子从低能级状态跃迁到高能级状态(原子处于激发态)，这种过程称为原子的激发。 带电粒子与物质中核外电子的非弹性碰撞，导致原子的电离或激发，是带电粒子通过物质使动能损失的主要方式。这种相互作用引起的能量损失，称之为电离损失。,3.1 带电粒子与物质的相互作用 (2) 带电粒子能量损失方式之二辐射损失 高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电磁辐射韧致辐射，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射线就是韧致辐射。 核辐射粒子在通过介质时，由于受到原子核库伦场的作用，其运动速度大小和方向都发生了变化，表明有加速度存在，因此伴有韧致辐射的产生，最大能

15、量为粒子的最大动能。 电子的韧致辐射能量损失率比质子、粒子等大得多：例如，在速度相同的条件下，质子的韧致辐射比电子要小18402=3.4106倍。因此，对重带电粒子的韧致辐射能量损失一般忽略不计。 由于，韧致辐射损失与Z2成正比，因而，在原子序数大的物质(如铅，Z=82)中，其韧致辐射能量损失比原子序数小的物质(如铝，Z=13)大得多。,3.1 带电粒子与物质的相互作用 (3) 射程 一定能量的带电粒子在它入射方向所能穿透的最大距离叫做带电粒子在该物质中的射程。 对重带电粒子(如粒子)，由于其质量大，与物质原子的核外电子作用时，运动方向几乎不变。 对粒子来说，其射程就要大得多。当粒子通过物质时

16、，由于电离碰撞、韧致辐射和散射等因素的影响，其径迹十分曲折，经历的路程远远大于通过物质层的厚度。加之， 粒子具有从0到某一最高值的连续能量： 粒子最大能量Emax该物质中的最大射程Rmax,3.1 带电粒子与物质的相互作用 (4) 正电子湮灭辐射 原子核+衰变会有正电子产生，快速运动的正电子通过物质时，与负电子一样，同核外电子和原子核相互作用，产生电离损失、韧致辐射和弹性散射。 能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同。 但，自由正电子是不稳定的，它与介质中的电子发生湮灭过程： 因此，快速运动的正电子通过物质时除发生与电子相同的效应外，还会产生0.511MeV的湮灭辐射。,3.

17、2 射线与物质的相互作用 能量在几十keV和几十MeV的射线通过物质时主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应等三种作用过程。这三种效应的发生都具有一定的概率。 (1) 光电效应 当光子通过物质时，与物质中的束缚电子发生作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失了，这种过程叫光电效应。 发生光电效应时，若从原子内壳层上打出电子，形成空穴，因而原子处于激发态。这种激发态是不稳定的，它有两种退激方式：一种是外层电子向内层电子跃迁填充空穴，同时发射特征X射线，使原子恢复到较低能态；另一过程是原子的退激直接将能量传递给外壳中某一电子，使它从原子中发射出来俄歇电子。,3.2 射线

18、与物质的相互作用 (2) 康普顿效应 入射光子同原子中外层电子发生碰撞，入射光子仅有一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子；而光子能量减小，变成新的光子，叫做散射光子，运动方向发生了变化。 反冲电子具有一定的动能，它在物质中会继续产生电离和激发过程，对物质发生作用和影响； 散射光子有的可能从物质中逃走，有的留在物质中再发生光电效应或康普顿效应； 最终：一部分被物质吸收，一部分逃逸出去。,3.2 射线与物质的相互作用 (3) 电子对效应 当一定能量的光子进入物质时， 光子在原子核库伦场作用下会转化为一对正负电子，这一现象称为电子对效应。 电子对效应发生是有条件的：在原子核库伦场中，只有当入射光子的能量E 1.02MeV时才有可能。,原子核物理基础,表1.1 X和射线与物质相互作用的可能过程,3.3 中子与物质的相互作用 中子不带电，不能直接引起物质的电离或激发。但由于不受库伦场的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核内部，同原子核作用，