核安全综合知识0115136.docx

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.第一章 原子核核物理基基础考试要求求：l 熟悉原子子结构的的知识（原原子、原原子核、同同位素）l 熟悉放射射性的概概念、原原子核衰衰变及其其规律（核核素图、半半衰期、放放射性活活度的单单位计算算和测量量）l 熟悉射线线（射线、射线、射线、XX射线、中中子等）及及其与物物质的相相互作用用。l 掌握核反反应的类类型l 了解核裂裂变及裂裂变反应应的知识识思考题1. 原子的核核式模型型的假设设是卢瑟瑟福根据据什么实实验而提提出的？其假设设的结论论是什么么？2. 原子

2、核是是由哪两两种粒子子组成的的？核素素用（AA,Z）XX（N）来来表示，符符号中的的A、ZZ、N各各代表什什么量？3. 原子与原原子核的的尺度大大小为什什么量级级？原子子核的半半径R与与原子核核的质量量数A有有什么关关系？4. 什么是原原子核的的结合能能B(ZZ,A)？它是是如何定定义的？5. 什么是原原子核的的比结合合能？为为什么说说图1-4中的的比结合合能曲线线揭示了了原子核核裂变和和聚变能能的基本本原理？6. 放射性衰衰变服从从指数规规律，试试说明式式中衰变变常数的的物理意意义。还还常用哪哪些参数数来描述述衰变过过程的快快慢，它它们的关关系是什什么？7. 什么是放放射源的的放射性性活度，

3、常常用什么么单位来来度量？Bq和和Ci有有什么关关系？8. 根据表11-1列列出常见见的辐射射，分析析哪些是是带电粒粒子？哪哪些是不不带电粒粒子？9. X射线（或或射线）的的等电磁磁辐射与与物质相相互作用用与带电电粒子与与物质作作用的作作用机制制有何不不同？射线与与物质相相互作用用过程有有哪几种种？10. 窄束射射线（或或X射线线）的吸吸收服从从什么规规律？线线性吸收收系数的物理理含义是是什么？其量纲纲是什么么？11. 在探测辐辐射中广广泛使用用的有哪哪几类探探测器？12. 什么是核核反应的的反应道道？一种种入射粒粒子与某某一种核核的反应应道仅仅仅只有一一个吗？13. 如何区分分放能核核反应和

4、和吸能核核反应？对吸能能核反应应如何求求核反应应阈能？14. 发生自发发裂变的的条件是是什么？裂变能能的定义义是什么么？15. 由中子引引起的诱诱发裂变变中如何何区分易易裂变核核素和非非易裂变变核素？16. 指出链式式裂变过过程中瞬瞬发裂变变中子和和缓发裂裂变中子子对反应应堆控制制的作用用？本章小节节l 本章重点点为论述述原子核核物理中中的基本本内容，本本章分为为了个小小节论述述：l 第一节介介绍了原原子与原原子核的的结构，对对原子的的核外电电子的壳壳层模型型作了简简单描述述，解释释了电子子能级的的跃迁和和特征XX射线的的形成机机制。对对原子核核的组成成及其稳稳定性、原原子核的的大小、原原子核

5、的的结构能能作了较较为深入入的讨论论。并对对质能联联系定律律，即爱爱因斯埋埋关系式式作了必必要的论论述。l 第二节讲讲解了原原子核的的放射性性，重点点放在放放射性核核素的指指数衰变变规律的的论述，对对常用的的衰变常常数、半半衰期和和平均寿寿命的概概念作了了说明。对对放射性性活度的的概念及及其单位位的定义义进行了了讨论，并并对指数数衰变规规律的最最基本应应用实例例作了解解严。l 第三节对对最常用用的辐射射如射线、射线、XX射线和和射线及及中子作作了介绍绍，重点点放在它它们与物物质的相相互作用用。对探探测原理理上作了了介绍，这这对全面面理解核核安全是是十分重重要的。l 第四节对对核反应应的分类类进

6、行了了讨论，论论述核反反应中反反应道、核核反应能能及阈能能、核反反应的截截面和产产额等最最基本的的概念。为为此，应应用了质质心坐标标系和实实验室坐坐标系统统的概念念。l 第五节介介绍了核核裂变反反应的知知识，讲讲解了自自发裂变变和诱发发裂变的的物理机机制，重重点放在在后者。裂裂变过程程是当前前核能利利用的最最重要的的途径，也也是当前前形成核核安全问问题的主主要来源源，因此此，对核核裂变的的产物，对对废物的的处理都都需要给给予特殊殊的关注注。引言l 18955年发现现X射线线、18896年年发现放放射性、118977年发现现电子，这这三大发发明揭开开了近代代物理的的序幕，物物质结构构的研究究开始

7、进进入微观观领域。l 其中，118966年法国国科学家家贝克勒勒尔发现现天然放放射性射射线，成成为人类类第一次次观察到到核变化化的情况况，通常常人们把把这一重重大发现现看成是是原子核核物理的的开端，到到20世世纪500年代就就逐步形形成了研研究物质质结构的的三个分分支学科科，即原原子物理理、原子子核物理理和粒子子物理。三三者各有有独立的的研究领领域和对对象，但但又紧密密关联。原子和原原子核的的基本性性质l 世界万物物是由原原子、分分子构成成，每一一种原子子对应一一种化学学元素。l 到目前为为止，包包括人工工制造的的不稳定定元素，人人们已经经知道了了一百多多种元素素了。l 19111年卢瑟瑟福根

8、据据粒子的的散射实实验提出出了原子子的核式式模型假假设，即即原子是是由原子子核和核核外电子子所组成成；l 原子物理理学（核核外电子子的运动动构成了了原子物物理的主主要内容容）l 原子核物物理学（主主要研究究对象为为原子核核）l 电子是由由英国科科学家汤汤姆逊于于18997年发发现的，也也是人类类发现的的第一个个微观粒粒子。l 电子带负负电荷，电电子电荷荷的值为为e=11.60021777333E-119C，且且电荷是是量子化化的，即即任何电电荷只是是e的整整数倍；电子的的质量为为me=9.1109338977E-331kgg；l 原子核带带正电荷荷，原子子核的电电荷集中中了原子子的全部部正电荷

9、荷；l 原子的大大小是由由核外运运动的电电子所占占的空间间范围来来表征的的，原子子可以设设想为电电子以原原子核为为中心的的，在距距核非常常远的若若干轨道道上运行行；原子子的大小小半径为为10EE-8ccm的量量级；l 原子核的的质量远远远超过过核外电电子的总总质量，因因此，原原子的质质量中心心和原子子核的质质量中心心非常接接近；l 原子核的的线度只只有几十十飞米（11fm=10EE-3mm=100E-115cmm），而而密度高高达100E8tt/cmm3。l 物质的许许多化学学及物理理性质、光光谱特性性基本上上只与核核外电子子有关；而放射射现象则则主要归归因于原原子核。一 原子子的壳层层结构l

10、 原子核核核外电子子又常称称为轨道道电子，把把电子看看成沿一一定的轨轨道运行行。电子子在核外外各轨道道呈一定定的概率率分布，但但在一定定的轨道道上的概概率分布布上的概概率分布布较大而而已。l 原子的轨轨道电子子离核的的距离是是不能任任意取值值的，这这也是微微观世界界的量子子特性的的一种表表现。电电子轨道道按照一一定的规规律形成成彼此分分离的壳壳层。KK层、LL层、MM层、NN层、OO层等，通通常用量量子数nn（n=1，22，3，）代表壳层，并分别对应K层、L层、M层，每个壳层最多可容纳2n2个电子。l 除了K层层外，其其它壳层层又可分分成若干干的支壳壳层，支支壳层的的数目等等于（22l+11）

11、个，其其中l=n-11，l是是描述电电子轨道道的量子子数。通通常用壳壳层符号号及其右右下标的的罗马数数字来表表示支壳壳层。如如L表示LL壳层的的第一个个支壳层层，可称称为壳层层L和M壳层。l 处于不同同壳层的的电子具具有不同同的位能能，通常常用能级级图来表表示其大大小。离离壳层越越近其能能级越低低。l 能级的能能量大小小就等于于该壳层层的结合合能。能能合能是是负值，通通常以KKeV为为单位，KK壳层电电子的结结合能的的绝对值值最大。l 用三个最最子数nn、l和和j来描描述不同同的能级级，其中中n（=1、22、3、）和l（=0，1，2，）是与电子轨道运动相关的量子数，而j是与电子的自旋运动相关的

12、量子数，j与l的关系是j为l1/2。量子数nlj的不同组合区别不同的支壳层。每个支壳层最多可容纳2j+1个电子。l 在正常状状态下，电电子先充充满较低低的能级级，但当当原子受受到内在在原因或或外来因因素作用用时，外外在低能能级的电电子有可可能被激激发到较较高的能能级上（称称为激发发过程）；或电子子被电离离到原子子的壳层层之外（称称为电离离过程）。l 在上述情情况下，在在原来的的低能级级上会留留下一个个空位，更更高能级级上的电电子就跃跃迁到这这个空位位，相应应放出此此两能级级之差的的能量，一一般这部部分能量量主要以以电磁辐辐射的形形式释放放一个光光子。当当发生内内层电子子跃迁（如如K层出出现一个

13、个空位，LL层电子子跃迁到到K层），此此时光子子能量较较高或者者说其电电磁辐射射的频率率较高），而而且不同同元素的的原子均均有不同同、特定定的能量量，所以以又通常常称作特特征X射射线。l 特征X射射线的能能量（或或相应波波长）满满足下面面公式：Ex=hc/=E11-E22(h为为普朗克克常数值值为6.626607555E-34JJsl 特征X射射线根据据其产生生的情况况可以分分为K系系、L系系、M系系特征XX射线，每每系都含含有若干干能量不不同的XX射线。KK系特征征X射线线是由KK壳层之之外壳层层的电子子跃迁到到K壳层层空位时时发射的的特征XX射线。l 并不是所所有较高高的能级级的电子子都可

14、以以向较低低的能级级跃迁，而而需要满满足一定定的选择择定则。二 原子子核的组组成及其其稳定性性l 18977年居里里夫妇发发现放射射性元素素钋和镭镭；l 19033年卢瑟瑟福证实实了放射是是正电荷荷的氦原原子核，射线是电子；1911年进而提出原子的核式模型；l 19322年查德德威克发发现中子子，海森森堡立刻刻提出原原子核是是由质子子和中子子组成的的假设。1 原子子核的组组成及其其表示l 中子和质质子的质质量相关关很小，它它们的质质量分别别为mnn=1.0088664492uu；mpp=1.0077276646uu；l 这里u为为原子质质量单位位，19960年年国际上上规定把把C-112原子子

15、质量的的1/112定义义为原子子质量单单位，用用u表示示，1uu=1.660054002E-27kkg=9931.49440133MeVV/c22；l 中子为中中性粒子子，质子子为带有有单位正正电荷的的粒子。任任何一个个原子核核都可由由符号右右下标NN表示核核内中子子数，左左下标ZZ表示质质子数或或称电荷荷数，左左上标AA（A=N+ZZ）为核核内的核核子数，又又称为质质量数。核核素符号号X与质质子数ZZ具有唯唯一、确确定的关关系。l 可简写为为AX，它它已足以以代表一一个特定定的核素素，只要要元素符符号X相相同，不不同质量量数的元元素在周周期表中中的位置置上相同同，质子子数也相相同，它它们具有

16、有相同的的化学性性质；l 核素（nnucllidee）：在在其核内内具有一一定数目目的中子子和质子子以及特特定能态态的一种种原子核核或原子子；l 同位素（iisottopees）：具有相相同原子子序数但但质量数数不同的的核素称称为某元元素的同同位素；它们具具有基本本相同的的化学性性质；l 同位素丰丰度：某某元素中中各同位位素天然然含量的的原子数数百分比比；l 同质异能能素（iisommerss）：寿寿命较长长的激发发态原子子核称为为基态原原子核的的同质异异能素或或同核异异能素，它它们的AA和Z均均相同，只只是能量量状态不不同，一一般在元元素符号号的左上上角质量量数A后后加上字字母m表表示，这这

17、种核素素的原子子核一般般处于较较高能态态。同质质异能素素所处的的能态又又称为同同质异能能态，它它与一般般的激发发态在本本质上并并无区别别，只是是半衰期期即寿命命较长而而已。2 原子子核的稳稳定性及及核素图图l 根据原子子核的稳稳定性，可可以把核核素分为为稳定的的核素和和不稳定定的放射射性核素素。原子子核的稳稳定性与与核内质质子数和和中子数数之间的的比例存存在着密密切的关关系。l 核素图：图中每每一格代代表一个个特定的的核素；黑色或或公平合合理有斜斜线条的的核素为为稳定核核素，格格中百分分数为该该核素的的丰度；白底的的核素为为不稳定定的放射射性核素素，格中中-+表示该该核素的的衰变方方式，箭箭头

18、指向向为衰变变后的原原子核，时时间表示示半衰期期的值；l 在现代的的核素图图上既包包括天然然存在的的3322个核素素（其中中2800多个是是稳定核核素），也也包括了了自19934年年以来人人工制造造的16600多多个放射射性核素素，一共共约20000个个核素；l 稳定核核素图：横坐标标为质子子数，纵纵坐标为为中子数数N（同同位素、同同中子异异荷素、同同量异位位素）；稳定核核素几乎乎落在一一条光滑滑曲线上上或紧靠靠曲线的的两侧，这这条曲线线称为稳定曲曲线；对对于轻核核稳定曲曲线与直直线N=Z重合合，当NN、Z增增大到一一定数值值之后，稳稳定性逐逐渐赂NNZ的的方向偏偏离；在在Z小于于20时时核素

19、的的N与ZZ之比约约为1；在Z为为中等数数值时约约为1.4；ZZ等于990左右右时约为为1.66；l 位于稳定定曲线上上方的核核素为丰丰中子核核素，易易发生-衰变；位于稳稳定曲线线下方的的核素为为缺中子子核素，易易发生+衰变。l 由于库仑仑力是长长程相互互作用力力，它能能作用于于核内的的所有质质子，正正比于AA(A-1)；而核力力是短程程力，只只作用于于相邻的的核子，正正比于AA。随着着Z的增增加，AA也随之之增加，库库仑相互互作用的的影响增增长得比比核力快快，要使使原子核核保持稳稳定，必必须靠中中子数的的较大增增长来减减弱库仑仑力的排排斥作用用，因此此，随着着Z(AA)的增增长，稳稳定核素素

20、的中子子数比质质子数越越来越多多，越来来越大地地偏离ZZ=A直直线。不不过当ZZ大到一一定程度度，稳定定核就不不复存在在，稳定定核素区区慢慢就就终止了了。l 在19666年左左右，理理论预告告在远离离稳定曲曲线的ZZ=1114附近近，存在在一个超超重稳定定元素岛岛；l 原子核的的稳定性性还与核核内质子子数和中中子数的的奇偶性性有关，自自然界存存在的稳稳定核素素共2770多种种，若包包括半衰衰期1009年以上上的核素素则为2284种种，其中中：偶偶偶（e-e）核核：1666种；偶奇（ee-o）核核：566种；奇奇偶（oo-e）核核：533种；奇奇奇（oo-o）核核：9l 根据核内内质子数数和中子

21、子数的奇奇偶性，可可以看出出：偶偶偶核是最最稳定的的，稳定定核最多多；其次次是偶奇奇核和奇奇偶核；而奇奇奇核最不不稳定，稳稳定核素素最少；l 当原子核核的中子子数或质质子数均均为2、88、200、288、500、822和中子子数为1126时时，原子子核特别别稳定。把把上述数数目称为为幻数。三 原子子核的大大小l 一个原子子的线度度约为110E-8cmm，若想想象原子子核近似似于球形形，则就就有原子子核半径径的概念念；l 历史上最最早研究究原子核核大小的的是卢瑟瑟福和查查德威克克，他们们用质子子或粒子去去轰击各各种原子子核；l 轻原子核核的半径径遵从如如下的规规律：RR=r00A1/33,r0=

22、1.20ffml 其它更精精确的测测量方法法：中子子衍射截截面法、高高能电子子散射法法等等l 原子核半半径R与与A1/3成正正比，而而其比例例常数rr0的最最近数据据为：电电荷半径径R=（11.2000.330）AA1/33fm，核核力半径径R=（11.4000.110）AA1/33fm。l 原子核的的密度-单位体体积内的的核子数数为：为为2.884E88t/ccm3。四 原子子术核的的结合能能：1 质能能联系定定律l 质量和能能量都是是物质同同时具有有的两个个属性，任任何一个个具有一一定质量量的物体体必须与与一定的的能量相相联系；l 质量和能能量的相相互关系系为：EE=mcc2，其中中物体的

23、的能量EE以J为为单位，物物体的质质量m以以kg为为单位；l 它表示任任何具有有mkgg质量的的物体一一定具有有J的能能量；如如果在运运动过程程中能量量发生变变化质量量一定随随着发生生相应变变化；l 根据相对对论的观观点，物物体质量量的大小小随着物物体运行行状态的的变化而而变化，若若物体静静止时的的质量为为m0，m=m0/(11-(vv/c)2)1/22，当vv03 原子子核的结结合能l 核子结合合成原子子核时会会释放出出能量，这这个能量量称之为为结合能能；l 一个中子子和一个个质子组组成氘核核时会释释放出22.2225MeeV，这这就是氘氘的结合合能；l 当有能量量为2.2255MeVV的光

24、子子照射氘氘核时，其其将一分分为二，飞飞出质子子和中子子；l 在化学和和原子物物理中，任任何两个个物体结结合在一一起，都都会释放放一部分分能量；4 比结结合能l 原子核的的结合能能B(ZZ,A)除以质质量数AA所得到到的商，称称为平均均结合能能或称为为比结合合能(z,A)= B(Z,AA)/AA，其单单位是MMeV/Nu，NNu代表表核子。l 比结合能能的物理理意义为为原子核核拆散成成自由核核子时外外界是对对每个核核子所做做的最小小的平均均功或表表示核子子结合成成原子核核时平均均一个核核子所释释放的能能量；l 表征原原子核结结合的松松紧程度度，其值值大核结结合紧，稳稳定性高高；其值值小核结结合

25、松，稳稳定性差差；l 比结合能能曲线（与与核素图图一起是是原子核核物理学学中最重重要的两两张图）两两头低、中中间高，在在开始时时有些起起伏，逐逐渐光滑滑达到极极大值（约约8MeeV），然然后又缓缓慢变小小；l 当结合能能小的核核变成结结合能大大的核，即即当结合合能比较较松的核核变到结结合得紧紧的核，就就会释放放能量；l 有两个途途径可以以获得能能量：一一是重核核裂变（原原子反应应堆和原原子弹），二二是轻核核聚变（氢氢弹和可可控聚变变反应）；l 所谓原子子能主要要是指原原子核结结合能发发生变化化时释放放的能量量；l 当A330时曲曲线在趋趋势是上上升的同同时有明明显的起起伏，峰峰的位置置都位于于

26、A为为4的整整数倍的的地方如如He-4、CC-122、O-16、NNe-220和MMg-224等偶偶偶核，并并且有NN=Z，这这表明对对于轻核核可能存存在粒子的的集团结结构。原子核的的放射性性l 已经发现现的天然然存在的的和人工工生产的的核素约约有20000个个，其中中天然存存在的核核素约有有3322个，其其余皆为为人工制制造的；l 天然存在在的核素素可分为为两大类类：一类类是稳定定的核素素，自然然存在的的稳定核核素约为为2700个；另另一类是是不稳定定的核素素（放射射性原子子核）；l 在无外界界影响下下，原子子核自发发地发生生转变的的现象称称为原子子核的衰衰变，核核衰变有有多种形形式如衰变衰

27、变衰变还还有自发发裂变及及发射中中子、质质子的蜕蜕变过程程；l 衰变纲图图：一 放射射性衰变变的基本本规律l 衰变是一一个统计计的过程程，不能能预测某某个原子子核在某某个时刻刻将发生生衰变；大量的的全同的的放射性性原子核核会先后后发生衰衰变，总总的效果果是随着着时间的的流逝，放放射源中中的原子子核数目目按一定定的规律律减少。1、单一一放射性性的指数数衰减规规律l N(t)=N(0)ee-tl 指数衰减减规律不不仅适用用于单一一放射性性衰变，如如衰变衰变衰变（或或跃迁）而而且对于于同时存存在分支支衰变的的衰变过过程，其其也是适适用的；l 对各种不不同的核核素它们们衰变的的快慢又又各不相相同，这这

28、反映在在它们的的衰变常常数(T11/2,)各不不相同，所所以衰变变常数又又反映了了它们的的个性；l 对于单个个原子核核的衰变变只能说说它具有有一定的的衰变概概率，而而不能确确切地确确定它何何时发生生衰变；l 放射性衰衰变是由由原子核核内部运运动规律律所决定定的，用用加压、加加热、加加电磁场场、机械械运行等等物理或或化学手手段不能能改变指指数衰减减规律，也也不能改改变其衰衰变常数数。2、衰变变常数、半半衰期和和平均寿寿命l -dN(t)/N(tt)表示示一个原原子核的的衰变概概率，是单位位时间内内一个原原子核发发生衰变变的概率率，其单单位为时时间的倒倒数；l 衰变常数数表征放放射性核核素衰变变的

29、快慢慢，越大衰衰变越快快，反之之衰变越越慢；l 如果一种种核素同同时有几几种衰变变模式，则则这核素素的总衰衰变常数数是各个个分支衰衰变常数数之和即即=il 于是可以以定义分分支比RRi为Ri=i /；l 放射性核核素的半半衰期：放射性性核素衰衰变一半半所需要要的时间间；lnn2/0.6933/l 平均寿命命：是指指所有原原子核寿寿命的平平均值；其比半半衰期长长一点，是是半衰期期的1.44倍倍；放射射性核素素经过时时间以后剩剩下的核核素数目目约为原原来的337%。3、放射射性的活活度和单单位l 一个放射射源的强强弱不仅仅取决于于放射性性原子核核的数量量的多少少，还与与这种核核素的衰衰变常数数有关

30、；l 放射源的的强弱用用单位时时间内发发生衰变变的原子子核数来来衡量；l 一个放射射源在单单位时间间内发生生衰变的的原子核核数称为为它的放放射性活活度，通通常用AA表示；l A(t)=A00 e-t；这里里A0 =N0是放射射源的初初始放射射性活度度l 单位：11Ci=3.77E100/s=3.77E100Bql 放射性活活度仅仅仅是指单单位时间间内原子子核衰变变的数目目，而不不是指在在衰变过过程中放放射出的的粒子数数目；有有些原子子核在发发生一次次衰变时时可能放放出多个个粒子。l 比放射性性活度或或比活度度：单位位位质量量放射源源的放射射性活度度即a=A/mml 衡量一个个放射源源或放射射性

31、榈的的放射性性的强弱弱的物理理量，除除放射性性活度外外，还常常用“衰变率率”这一概概念；l 放射性活活度和衰衰变率具具有相同同的物理理意义和和相同的的单位，是是同一物物理量的的两种表表述。前前者多用用于给出出放射源源或放射射性样品品的放射射性活度度，而后后者常作作为描述述衰变过过程的物物理量。二、放射射系l 目前还能能存在于于地球上上的放射射性核素素都中只只能维系系在三个个处于长长期平衡衡的放射射系中。这这些放射射系的第第一个核核素的半半衰期都都很长，和和地球的的年龄（446亿年年）相近近或比它它更长，如如钍系的的Th(2322,900)，半半衰期为为1.441E110，铀铀系的UU(2338

32、,992)半半衰期为为4.447E99，锕-铀系的的U(2235,92)其半衰衰期为77.044E8。l 这三个放放射系的的核素主主要是通通过衰变变而衰变变，经过过一系列列这些衰衰变后直直到稳定定核素为为止。l 通过衰变变而形成成的放射射系，其其中各个个核素之之间质量量数只能能差4的的整数倍倍。1、钍系系（4nn系）l 从Th(2322,900)开始始经过连连续100次衰变变最后到到达稳定定核素PPb(2208,82)2、铀系系（4nn+2系系）l 从U(2238,92)开始经经14次次衰变而而到达稳稳定核素素Pb(2066,822)3、锕-铀系（44n+33系）l 从U(2235,92)开始

33、经经过111次衰变变到达稳稳定核素素Pb(2077,822)l 在天然存存在的放放射系中中缺少44n+11系，后后来人工工方法才才发现了了这一放放射系，以以其中半半衰期最最长的NNp(2237,93)（半衰衰期为22.144E6aa）命名名，称为为镎系(4n+1系)。三 放射射规律的的一些应应用1、确定定放射源源的活度度2、确定定放射性性活度和和制备时时间l 反应堆内内生产某某个核素素：照射射时间为为t0时时，靶物物质中生生成的放放射性核核素N(t)=P(11-e-t0)/l 上式表明明生成的的放射性性核素呈呈指数增增长，要要达到饱饱和值必必须经过过相当长长的时间间；l 要得到放放射性活活度为

34、JJ0的999%的放放射源需需要半衰衰期的六六七倍时时间；l 如果再延延长时间间也只不不是增加加其中的的1%而而已。第三节 射线及及其与物物质相互互作用一 常见见的核辐辐射类型型及其特特征l 辐射：以以波或粒粒子的形形式向周周围空间间或物质质发射并并在其中中传播的的能量 （如声声辐射、热热辐射、电电磁辐射射、粒子子辐射等等）的统统称；n 热辐射：物体受受热向周周围介质质发射热热量；n 原子辐射射：受激激原子退退激时发发射的紫紫外线或或X射线线；n 原子核辐辐射：不不稳定的的原子核核发生衰衰变时发发射出的的微观粒粒子，简简称核辐辐射；n 通常论及及的辐射射概念是是狭义的的，仅指指高能电电磁辐射射

35、和粒子子辐射；l 核辐射粒粒子就其其荷电性性质可分分为带电电粒子和和非带电电粒子；l 核辐射粒粒子就其其质量而而言可分分为轻粒粒子和重重粒子；以及处处于不同同能区的的电磁辐辐射；l 重带电粒粒子(pp、d、tt、)电子子(-、+)中性性粒子(、n)，其其中t和和n是不不稳定的的；1 射射线l 通常也称称为粒子，它它是氦的的原子核核，由两两个质子子和两个个中子组组成；l 天然的粒子来来源于较较重原子子核的自自发衰变变，叫做做衰变；2 射射线l 原子核发发射出的的射线有有两类：-射线及及+射线；l -就是是通常的的电子，带带有一个个单位的的负电荷荷，以符符号e-表示，负负电子是是稳定的的；l +是

36、正正电子，带带有一个个单位的的正电荷荷，以符符号e+表示l 两种电子子静止质质量相同同，其质质量约为为质子的的1/118466；l 粒子来来源于原原子的衰变，有有三种类类型：-衰变、+衰变和和轨道电电子俘获获；l -衰变变、+衰变中中发射的的电子的的能量是是连续的的，从00到极大大值E,maax都有有；3 XX射线和和射线l X射线和和射线都都是一定定范围的的电磁辐辐射，又又称为光光子。l 光子的静静止质量量为0，不不带电荷荷；l 单个光子子的能量量与辐射射的频率率成正比比，即EE=h，h为为普朗克克常数；l X射线和和射线起起源不同同，前者者来自核核外电子子的跃迁迁，后都都来源于于原子核核本

37、身高高激发态态向低激激发态（或或基态的的跃迁或或粒子的的湮灭辐辐射；4 中子子l 中子是原原子核组组成成分分之一，它它不带电电荷，质质量数为为1，比比质子略略重；l 自由中子子是不稳稳定的，它它可以自自发地发发生-衰变，生生成质子子、电子子和反中中微子，半半衰期为为10.6分；l 中子主要要通过核核反应或或原子核核自发裂裂变而产产生的，常常用的中中子源基基本上有有三种：同位素素中子源源、加速速器中子子源和反反应堆中中子源；l 在用中子子源产生生中子时时往往伴伴有射线或或X射线线产生，有有的可能能比较强强。因此此，在应应用和防防护上不不仅要考考虑中子子，而且且也要考考虑射线或或X射线线。二 射线

38、线与物质质的相互互作用l 电离辐射射：能够够直接或或间接引引起介质质原子电电离或激激发的核核辐射；l 带电粒子子通过物物质时在在同物质质原子中中的电子子和原子子核发生生碰撞进进行能量量的传递递和交换换，其中中一种主主要作用用是带电电粒子直直接使原原子电离离或激发发；l 非带电粒粒子则通通过次级级效应产产生次级级带电粒粒子使原原子电离离或激发发；1 带电电粒子与与物质相相互作用用(1) 带电粒粒子能量量损失方方式之一一电离离损失l 电离与激激发：n 任何快速速运动的的带电粒粒子通过过物质时时由于入入射粒子子和靶原原子核外外电子之之间库仑仑力作用用，使电电子受到到吸引或或排斥，使使入射粒粒子损失失

39、部分能能量，而而电子获获得一部部分能量量；n 最终结果果分为两两种：电电离（电电子成为为自由电电子）和和激发；n 原子退激激，受激激原子的的发光现现象l 电离能量量损失率率n 电离损失失：带电电粒子与与物质原原子中核核外电子子的非弹弹性碰撞撞，导致致原子的的电离或或激发，是是带电粒粒子通过过物质时时动能损损失的主主要方式式。把这这种相互互作用引引起的能能量损失失称为电电离损失失；n 电离能量量损失率率：入射射带电粒粒子在物物质中穿穿过单位位长度路路程时由由于电离离、激发发过程所所损失的的能量；n 从物质角角度来说说，电离离能量损损失率也也可叫做做物质对对带电粒粒子的阻阻止本领领；用SSe表示示

40、；n 电离能量量损失率率随入射射粒子速速度增加加而减小小，呈平平方反比比关系；n 电离能量量损失率率随入射射粒子电电荷数平平方成正正比；n 电离能量量损失率率与原子子序数和和原子密密度的乘乘积成正正比，高高原子序序数和高高密度物物质具有有较大的的阻止本本领；l 平均电离离能：n 平均电离离能：每每产生一一个离子子对所需需要的平平均能量量；以WW表示。n 不同物质质中的平平均电离离能是不不同的；n 但不同能能量的粒子在在同一物物质中的的平均电电离能近近似为一一个常数数（如在在空气中中的W值值为355eV）；（2）带带电粒子子能量损损失方式式之二辐射射损失l 轫致辐射射：高速速运动的的带电粒粒子受

41、到到突然加加速或减减速会发发射出具具有连续续能量的的电磁辐辐射；l 轫致辐射射其能量量最小值值为0，最最大值为为电子的的最大动动能；l X射线管管和X光光机产生生的X射射线就是是轫致辐辐射；l 辐射能量量损失率率的关系系：n 正比：入入射带电电粒子的的电荷数数的平方方和能量量；吸收收物质的的原子序序数平方方和原子子密度；n 反比：入入射带电电粒子质质量平方方成反比比。（3）射射程l 一定能量量的带电电粒子在在它入射射方向所所能穿透透的最大大距离叫叫做带电电粒子在在该物质质的射程程；l 入射粒子子在物质质中行经经的实际际轨迹的的长度称称作路程程；l 对重带电电粒子由由于其质质量大、与与物质原原子

42、的核核外电子子作用时时运行方方向几乎乎不变，因因此其射射程与路路程相近近；l 5.3MMeV的的粒子在在标准状状态空气气中的平平均射程程约3.84ccm，在在生物肌肌肉组织织中的射射程仅为为3040m；l 粒子通通过物质质量由于于电离碰碰撞、轫轫致辐射射和散射射等因素素的影响响，其径径迹十分分曲折，经经历的路路程远远远大于通通过物质质层的厚厚度；l 粒子在在该物质质中的最最大射程程Rmaax是与与粒子的的最大能能量Emmax相相对应。（4）正正电子湮湮灭辐射射l 原子核+衰变会会产生正正电子，快快速运行行的正电电子通过过物质时时与负电电子一样样同核外外电子和和原子核核相互作作用，产产生电离离损

43、失、轫轫致辐射射和弹性性散射；l 能量相同同的正电电子和负负电子在在物质中中的能量量损失和和射程大大体相同同；l 自由电子子是不稳稳定的，正正电子与与介质中中的电子子会发生生湮灭，l 快速运行行的正电电子通过过物质除除了发生生与电子子相同的的效应外外，还会会产生00.5111MeeV的湮灭辐辐射；在在防护上上还要注注意对射线的的防护；2 射射线与物物质相互互作用l 能量在几几十keeV至几几十MeeV的射线通通过物质质时主要要有光电电效应、康康普顿效效应和电电子对效效应三种种作用过过程；l 这三种效效应的发发生都具具有一定定的概率率，通常常以截面面表示作作用概率率的大小小；l 以phh表示光光

44、电效应应截面、c表示康普顿效应截面、p表示电子对效应；l 射线与与物质作作用的总总截面=ph+c+p（1） 光电效效应l 光电效应应：当光子通通过物质质时，与与物质原原子中束束缚的电电子发生生作用，光光子把全全部能量量转移给给某个束束缚电子子，使之之发射出出去，而而光子本本身消失失了，这这种过程程叫光电电效应；l 在光电效效应中，入入射光子子能量hh其中一一部分用用来克服服被击中中电子的的结合能能；另一一部分转转化为光光电子动动能；原原子核反反冲能量量很小，可可以忽略略不计；l 原子中束束缚得越越紧的电电子参与与光电效效应的概概率也发发挥大，因因此K壳壳层打出出光电子子的概率率最大、LL层次之

45、之、M层层、N层层更次之之；（如如果入射射光子的的能量超超过K层层电子结结合能，大大约800%的光光电效应应应发生生在K层层电子上上；l 发生光电电效应时时若从原原子内壳壳层上打打出电子子，在此此壳层就就留下空空位，原原子处于于激发态态，这种种激发态态是不稳稳定的，有有两种退退激方式式：n 发射特征征X射线线；n 发射俄歇歇电子；n 这些粒子子将继续续与物质质作用转转移它们们的能量量；（2）康康普顿效效应l 入射光光子同原原子中外外层电子子发生碰碰撞，入入射光子子仅有一一部分能能量转移移给电子子，使它它脱离原原子成为为反冲电电子；而而光子能能量减小小变成新新光子，叫叫做散射射光子，运运动方向向发生变变化，这这一过程程称为康康普顿效效应；l 几个概念念：入射射光子、散散射光子子、散射射角、反反冲解；l 反冲电子子具有一一定动能能，等于于入射光子和和散射光光子能量量之差EEe=hhv-hhv；l 散射光子子能量随随散射角角不同而而变化，因因而反冲冲电子能能量也呈呈一定分分布；l 反冲电子子在物质质中会继继续产生生电离和和激发等等过程，对对物质发发生作用用和影响响；