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1、Course on Nuclear Technology and its Application （核技术及应用课程） P.J. Cheng（程品晶） School of Nuclear Science and Technology Nanhua University（南华大学核科学技术学院）,第二章 核技术基础知识,第一节 现代原子结构 第二节 原子核的基本性质 第三节 放射性衰变 第四节 放射性衰变规律 第五节 核辐射与物质的相互作用 第六节 核辐射量度及其单位 第七节 核科学的基本工具与测量,第一节 现代原子结构,现代原子结构,核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素 核素是原子核

2、的一种统称,核素及符号表示,其它： 稳定核素和不稳定核素 稳定同位素和不稳定同位素 放射性核素和非放射性核素,定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。,同位素,实验发现:原子核内的质子+中子紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同). 稳定原子核基本上类似与球体 原子核的半径 R = r0A1/3 原子核半径常数 r0 = 1.2 10-15 m = 1.2 fm A 原子核的质量数 例如：238U 7.4 fm,1) 原子核的大小,第二节 原子核的基本性质,2) 原子核的质量,电子 me = 9.110-31 kg = 5.4810-4 u = 0.511 MeV/c2

3、质子 mp = 1.007276 u = 938.256 MeV/c2 中子 mn = 1.008665 u = 939.550 MeV/c2,原子核质量 = 原子质量 全部电子的质量 MN(Z,A) = Ma(Z,A) Z me 忽略了电子的结合能 （ eV 量级） 原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查) 原子核质量可以精确确定,3) 核物质密度,原子核中核子紧密挤在一起 根据 = M/V 计算 核物质密度 : 2.3 1014 g/cm3 1 cm3 核物质 2 亿吨重 !,黑 洞 1018 核物质 1014 中子星 109 白矮星 105 水 1,密度比较 g/cm3,天平为何倾斜?

4、,重,轻,4) 原子核结合能和原子核稳定性,质量亏损 氦原子核（ 4He）由2个质子 + 2个中子构成 2个质子质量 + 2 个中子质量 =原子核 4He 的质量 2 x 1.007276 + 2 x 1.008665 - 4.002603 M (4He) = 4.031882 - 4.002603 = - 0.029279 u,E(4He)= M (4He) C2 = 27.27 MeV 亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是 27.27 MeV,亏损的质量哪里去了?,质能关系 E = M C 2,原子核结合能,定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量原子核的结合能越大（质量亏损越大）

5、原子核越稳定,表: 比结合能 (原子核结合能/核子数),原子核平均结合能(比结合能 )曲线,1 各原子核中，每个 核子的平均结合能 随质量数而变化 6-9 MeV 2 中等重量的原子核 的比结合能较大,释放能量途径: 1）重核裂变 2）轻核聚合成原子核,重核裂变,轻核聚合,252Cf 自发裂变,中子引起 235U 裂变,H 原子核聚合 H 的燃烧,太阳能,释放能量举例,例：估算裂变释放的能量,n + 235U (236U) X + Y + E 假设裂变成质量相等的两块 质量数各约为118 235U 核子平均结合能 7.6 MeV 质量数为118的原子核平均结合能 8.6 MeV 两者平均结合能

6、差 1 MeV 230多个核子 总的 E = 200 MeV!,比较 : 裂变能 n + 235U X + Y+ E 200 MeV 化学能 C + O2 CO2 + E 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV,从母核中射出 的4He原子核,粒子得到大部分衰变能,238U4He + 234Th,放射性母核!,基本衰变衰变,第三节 放射性衰变,A200,衰变241Am 237Np,发生原因：母核中子或质子过多,质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷,中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷,基本衰变衰变,基本衰变衰变（动画）

7、,衰变3H 3He,正衰变11C 11B,电子俘获,电子俘获7Be 7Li,基本衰变衰变,基本衰变衰变,衰变特点： 1、从原子核中发射出光子 2、常常在 或 衰变后核子从激发态退 激时发生 3、产生的射线能量不连续 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别,衰变3He* 3He, 衰变,- 衰变,+ 衰变, 衰变,半衰期 (T1/2) 定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。,经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n,第四节 放射性衰变规律,半衰期,放射性衰变基本规律,1 指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核

8、的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 :放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快,N = N0e-t,第五节 核辐射与物质的相互作用,核辐射的基本性质,一 核辐射与物质的基本作用,。 。 。 。原子。, n,物 质：气体 液体 固体 包括人体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,二 带电粒子与物质的作用,自由电子,正离子, + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子,+,e-,+ -,

9、+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,库仑作用, 射线与射线电离效应比较, 射线 射线 径迹 粗 直 细 弯, 电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用 Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z1 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,实验结果,粒子径迹是一条直线 5.3 MeV粒子在空气中 的射程3.83 cm,电子径迹是折线,轫致辐射（bremsstrahlung ),原子核,高速带电粒子通过原

10、子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。,电磁辐射谱, 小 能量高,E=h , =c / ,大 能量低,三 射线与物质的作用,射线是波长很短能量高的电磁辐射 （ 10-11 米，keV，MeV），来自原子核衰变, 不带电， 静止质量 0 。,1 射线是什麽？,能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。,能量 E = h） 动量 p = h / c,2 射线对物质的电离作用 两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应 次级

11、电子使 物质原子电离,射线,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,光电效应,自由电子,作用机制 光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线,原子,受激原子,电子对效应 能量1.02 MeV 的射线 与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M + e+ + e- 1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV 基本条件： 射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量 M = E /C2,康普顿吴友训效应（Co

12、mpton-Wu effect),当 光子与物质原子中的一个电子发生弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5-1.0MeV时，该效应比较明。,正电子湮灭,正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %）,射线通过介质时由于同物质的作用,光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对射线的吸收。,I(x)= I0 e-x,厚 度

13、X,I0,四 射线的吸收,I,实验发现：射线强度随通过介质层厚度增加而 减小，服从指数衰减规律。,指数衰减规律,指数衰减因子 线性吸收系 1）射线能量高 值小 2） 原子序数高 值大,I(x)= I0 e-x,铅和铝吸收系数,射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用 重金属铅、水泥等， 构成很厚的防护墙。,半吸收厚度 单位：cm,物质层厚度,0 I / I,半吸收厚度(d1/2),对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m) 离子对密度/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个,1 MeV 的粒子穿透物质能力, 1 页 60页/本,铅,地 下 1-2 米深,铅室,n

14、,4580本,中子源,射线穿透物质能力, 射线穿透 人体皮肤情况,中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内 同原子核发生作用引起核反应,1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n + H n + p 第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O) 重水(2D2O),五 中子与物质的作用,n,H,n,n,p,电离,2） 中子核反应 例如( n,p)反应 n + 14N 14C + p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用,n,p 电离,14N,14C,人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重，可导致

15、严重伤害,1,2,电离辐射 直接或间接使介质发生电离 效应的带电或不带电的射线 或粒子 (能量 keV ) 、 x、 n、p、 裂变碎片 介子等 来 源 1)放射性物质 (人造 天然） 2)加速器 3)反应堆 4)宇宙射线 5)地球环境,电离辐射和非电离辐射,非电离辐射 紫外线、红外线、微波等 这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV 量级 移动电话 800-1800 MHz 0.01 eV (没有电离作用）,1 原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量，既可造福人类，也可能对环境和人类产生危害。 2 核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递 的过程；没有能量和动量传递就没有

16、作用。 3 通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会 对物体产生一系列的影响，人体也不例外。,小结,第六节 核辐射量度及其单位,1. 放射性活度（activity, A),定义：放射性核素在单位时间(dt)内 发生核衰变的数目(dN),A=dN/dt,单位： SI: Becquerel(Bq) 1Bq=1s-1 居里 1Ci=3.71010Bq,2. 吸收剂量（absorbed dose, D),定义： 授予单位物质(dm)（或被单位物质吸收） 的任何致电离辐射的平均能量（dE)。,单位： J/kg 1 J/kg =1Gy（戈瑞） 1 Gy = 100 rad（拉德）,吸收剂量1 戈瑞（1焦

17、耳/千克）时的能量效应,1）水温升高 （比热 4.2103J/千克度） 1 kg水物质吸收剂量 1 Gy 水温度上升 1/（4.2103）= 2.410-4 C,2）转化为物体的动能 m D= (1/2)m v2 运动速度 v = 1.4 m/s,3) 转化为物体的势能 m D = m g h 上升高度 h = 0.1 m,剂量实际上是单位物质吸收电离辐射能 大小的一种量度,定义： 组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积。,3. 当量剂量（equivalent dose, HT),单位：焦耳/千克 专用名称：Sievert, Sv（希沃特） 1 Sv = 1 J/

18、kg,辐射权重因子(Radiation weighting factor, WR),组织权重因子（tissue weighting factor，WT）,4.有效剂量（effective dose, E),定义： 各组织或器官的当量剂量（HT）与相应的组织权重因子（WT）的乘积的总和。,意义：定量评价随机效应的危险度,单位：Sv （希沃特）,例：某人骨表面接受0.3Sv的剂量当量，而另一个人骨表面受0.2Sv的照射，同时肝脏又受到0.1Sv的照射，哪个人危险更大些？,放射性活度(A) 吸收剂量(D) 剂量当量(H) 有效剂量（E）,吸收剂量(D) 1戈瑞 = 1焦耳/千克 1 Gy = 1 J

19、/kg,放射源 活度(A) 1贝克=1次核衰变/秒,剂量当量(H) 有效剂量（E） 1希沃特 = 1 焦耳/千克,三者意义和区别,任何物质,有机体,小结,剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。 不同种类、能量的核辐射，对生物体造成的辐射损伤不同。 辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行估算。,第六节 核科学的基本工具与测量,1 观测和研究事物的工具,工欲善其事,必先利其具。,望远镜 1608年荷兰出现 伽利略 发现全新宇宙景象：木星有卫星、月球上有山脉、太阳上黑子、金星有转动周期 。 支持哥白尼日心理论,显微镜 1650 年代 荷兰 列文虎克 制造出放大 200 倍显微镜

20、，看见了： 细菌、红血球、肌 肉的条纹结构、血液在毛细血管中流动等。 一滴久置的雨水中发现有250万个微生物在浮游。,1673 向英国皇家协会报告会员们不相信，认为是骗子，派人亲自登门观察，在事实面前承认是了不起的发现,英国国王和俄国彼得大帝拜访列文虎克并观看了神奇的显微镜。将人们注意力引向微小世界。, 放射源,2 卢瑟福“看”原子,探测器,光源：载能粒子束 观测物体：出射粒子 眼睛：探测器,背散射粒子,“看” 未知图形,1,2,卢瑟福用 粒子轰击金原 子，发现了原子核，看到了原子核的大小，建立了原子太阳系。 利用粒子束 轰击耙粒子，观测经过相互作用后出射粒子所载有的信息，可以推知耙粒子有关情

21、况。,探针粒子的波长应小于观测物体的尺度 即：物体越小，所需粒子的能量越高。,被看物体 大 小 探针粒子的 能 量 原 子 10-10 米 10 eV （电子） 高倍电子显微镜 原子核 10-14 米 107eV （ ） 卢瑟福实验 核 子 10-15 米 108eV （电子） 加速器 对撞机 夸 克 ？ 10-18 米 109eV （电子） 对撞机,看微观小物体对显微镜的要求,4 加速器显微镜,1.加速器 人工产生高能量 带电粒子束的机 器,2.反应堆： 可控裂变反应炉 （ 第 2 章 ）,4.辐射探测器 （荧光屏+ 眼睛） 感知放射性存在 传感放射性信号,5.电子学和计算机 放大 变换 传

22、输 控制 记录 分析核过程信息,核科学中的基本仪器和设备,3. 放射源,6. 其他,加速器在核科学中的地位,1.加速器是核科学最重要的工具之一，1932年前人们只是用天然的 粒子进行核反应，例如卢瑟福1919年发现第一个核反应。现在利用天然 粒子进行核反应早已成为历史。 2.现在加速器不仅可以提供更高能量的粒子，而且周期表中从 H - U 绝大多数元素粒子都可加速;1980年代后加速放射性粒子，6He 17N 等 3.对探索原子核起了关键作用，可以说，没有加速器不可能有今天的核物理，不可能有今天的核科学,不可能有核技术的广泛应用。,入射粒子与靶物质作用后产生的粒子或射线 探测和分析这些出射粒子

23、可获得核过程信息。,1 离子源,2 加速 聚焦,3 偏转,4 靶物质,加速器 人工方法产生高能量带电粒子束的机器,5 加速器基本结构和工作原理,基本要求和功能 1 提高带电粒子的能量 2 增加带电粒子束的强度 3 使粒子束同靶物质作用 4 带电粒子在真空管道中行进,产物,两种类型加速器,直线型,圆环型,高压直线加速器,离子源,电 场,靶物质,抽真空,探测器 做实验,能量 E = q V,+,世界上第一台高压倍压加速器 1932年,静电加速器,球形 电极,能 量 E = q V + E0,直流电源,靶物质,离子源,出射 粒子,北大4.5 MV 单级静电加速器,V,北大4.5 MV 单级静电加速器

24、,串列静电加速器,+V,-q1 加速负离子,+ q2 加速正离子,出射粒子能量 E = V qi + E0 若q1=1 e , q2 = n e 则 E = V ( n + 1 )e + E0 例如： V = 1.5 MV , n = 2, E0= 28 keV 则 E = ( 2 + 1 ) x 1.5 + 0.28 = 3.28 MeV,- q1 负离子,开关 磁铁,靶室,偏转 磁铁,负离子源,E0,高电位,E1 = q1 V,E1 = q2 V,低,低,电子剥离器,北大21.7 MV 串列静电加速器,北大26 M V 串列静电加速器,6 为什麽需要对撞？,EF （E入射）1/2 EF =

25、 2 E入射,固定靶,对撞束,有效能量 ( EF ):,假若入射粒子能量 E入射 增大100 倍 固定靶 10 倍（消耗于靶粒子反冲） 对撞束 200 倍 ！,对撞可以更多地提高粒子有效能量,E入射,E入射,E入射,E = M C2,更高能量的粒子用于探索粒子内部和产生新粒子,质量和能量是等价的，粒子载有的能量可以转化成质量，产生许多粒子。,高能电子 e+e- +- （20.51 MeV) （2105 MeV）,北京e+e- 对撞机 2 GeV + 2 GeV,世界上最大的对撞机（LHC 大强子对撞机),LHC: 周长 27 km , 地下 100 m 深隧道 投资：30-35 亿 U 参加人数 10000 时间 1995 -（2005）2007 12年,7 放射性测量,放大与 变换,记