06年4月环保上岗第一章电离辐射基础

1、放射性基础知识,赵福祥 江苏省辐射环境监测管理站 2006年4月,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。常用如下形式表示一个原子核：,实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、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,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。常用如下形

2、式表示一个原子核：,实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、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，电子则稀疏地嵌在球体中。 同年，长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，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”结构。,1原子结构模型,3）.原子结构进化示意图,现代原子结构,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1012cm量级，为原子的104量级； 质量为整个原子的99

3、.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,原子核的大小（P8）,原子核的半径,根据测量方法：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。,原子的壳层结构 P2,原子核核外电子又常称为轨道电子，把电子看成沿一定的轨道运动 最靠近核的一个壳层称为K层，在它外面依次为L

4、壳层，M壳层，N壳层，O壳层等等。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8个电子；M壳层为18个电子，,在正常状态下，电子先充满较低的能级 （P3） 受到内在或外来因素的作用时，处在低能级的电子有可能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（P5）,1).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、质子数和能态只要有一个不同，就是不同的核素。,两种核素，A同，Z

5、、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。,具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。) 表示方法:238U、U-238、铀-238,2).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（isotone）,4).同量异位素（isobar）,质量数A相同，质子数Z不同的核素。,

6、中子数N相同，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 均相同，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须与一定的能量相联系 E=mc2 一个原子质量单位相

7、联系的静止质量相应的能量为 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，人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子弹 一是轻核聚变。依靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变反应。,五 、核衰变（P11）,1896年贝可勒尔(A.H.Becquerel)发现了铀的放射现象，这是人类第一次在实验室里观察到原子核现象。,在磁场中研究射线的性质时，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相同； 另一个成分与带负电的离子流的偏转方向相同； 第三个成分则不发生任何偏转，继续沿着直线方向

8、前进。 分别叫做射线、射线和射线。,核衰变主要的类型: a, b, g衰变,辐射类型 电荷数/质量 穿透本领 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,一般为重核 一般能量小于7MeV 半衰期极宽,（二）衰变,衰变：核电荷数改变而核子数不变的自发核衰变过程., 放射性核素遍及整个元素周期表, 衰变发射粒子能量在几十KeV几

9、MeV, 衰变半衰期范围为，10-3s1024a,衰变基本特点：, 衰变主要包括-衰变、+衰变和轨道电子俘获三种形式。,Fermi 的 衰变理论(1934)：,中子和质子是核子的两个不同状态，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

10、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，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：原子核从激发态通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, 跃迁的基本特点：, 跃迁包括跃迁和内转换电子两种形式。,跃迁(发射光子的过程）,光子的性质：,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现象称为原子核

11、的衰变，又叫放射性衰变。 核衰变有多种形式，如衰变， 衰变，衰变，还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。,放射性衰变的基本规律,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变指数衰减规律，也不能改变其衰变常数 。放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的。,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 如果以氡射气的数量的自然对数

12、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 时刻放射性原子核的数目为N(t)，,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 时刻单位时间内发生衰变的核数目，称为衰变率，记作,t 时刻放射性原子核总数,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 ,

13、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：,而 t 可能的取值为 ：0,所以，所有核的总寿命为：,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）,由于历史的原因，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=10-6Ci）,SI单位是秒的倒数

14、（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=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Cs137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

15、Bq/kg,递次衰变规律,许多放射性核素并非一次衰变就达到稳定，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，这样就产生了多代连续放射性衰变，称之为递次衰变或级联衰变。,递次衰变的表示：,例如：,1.两次连续衰变规律,A B C（稳定）,初始条件：,A 和 B 的衰变常数分别为 1 和 2,B、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时刻，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 (增加)：,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

16、 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。,已经假设 C 是稳定的，那么它的变化仅由 B 的衰变决定，即：,解此方程，得：,对于C：,当t ，N3(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。,两次连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

17、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,e,tm,医院“母牛”连续衰变 （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,则在观察时间内，看不出母体A放射性的变化；在相当长时间以后，子体 B 的核数目和放射性活度达到饱和，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),在测量样品时，一般要求放射系处于平衡状态。,一般测量的样品是不密封的，这时如果衰变系列中有处于气体状态的（如各放射系中的氡射气），RaRn，它会逸

18、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行测量。（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的数目从零逐步增加，过极大值后较慢衰减，当时间足够长时，子体B则按自己的衰变常数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） 三个处于长期平衡状态的放射系 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

19、，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 开始，经过连续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要几十年时间。,铀系（4n+2系）,铀系从 开始，经过连续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要几百万年时间。,锕系（4n+3系）,锕系从 开始，经过连续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

20、期平衡需要几十万年时间。,空缺（4n+1系）-发现镎系,镎系从 开始，经过连续11次衰变，最后到达稳定核素,是4的整数倍+1,的质量数,天然放射系中缺少4n+1放射系，人工造成,Np的半衰期为2.14106a。,衰变规律的一些应用 P26,1995年5月，各为10mCi的放射性核素226Ra、137Cs、60Co和125I，到2005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。 A（t）=A（0）e-t = A（0）e-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）,人体受到照射的辐射来源及其水

21、平,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,一般场所： 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，则海拔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

22、电子及高能 光子。在15 Km处完成转换。,对公众剂量有明显贡献的核素，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核发生核反应： 14C具有放射性， 14C与大气中作用形成 通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：,正常本底地区天然辐射源致人体的年有效剂量,江苏省天然辐射所致

23、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施、核技术应用的辐射源和核试验落下灰等。 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。 按放射源的几何形状可分为点源、线源、平面源、圆柱源、圆环源、针状源、棒状源等。 按活度

24、不确定度可分为检查源、工作源、参考源、标准源等。 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、放射性测量及仪表刻度用等等。,反应堆生产放射性同位素P39,反应堆是一个强中子源，将样品置于反应堆辐照室或辐照管道内用中子辐照，利用(n，)、(n，)及(n，p)等反应，使样品中的稳定同位素变为放射性同位素。例如生产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。放入反应堆中照射，由59Co(n，)60Co反应得到放射性同位素60Co。,加速器生产放射性同位素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，通过(

25、p，n)、(d，n)、(d,2n)、(d, )、(d,p)和( ，n)等反应得到放射性同位素。例如用CS一30型回旋加速器产生的26MeV质子轰击锌靶，由68Zn(p，2n)67Ga反应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基础，也是认识微观世界的基本手段。,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

26、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 非带电粒子则通过次级效应产生次带电粒子使原子电离或激发 能够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：,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通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。,电离核外层电子克服束缚成为自由电子，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状态，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

27、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，具有连续的能量分布。,射程P45,射程(Range)的定义带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，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际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，其射程与路径相差甚远。连续能量分布，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相同，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变产生,2 射线与物质相互作用P45,射线与物质相互作用特点：,光子是通过次级效应与物质的原子或原子核外电子作用,次级效应主要的方式有三种，即光电效