注册核安全工程师考前培训课件综合第章(隶校)

辐射防护与环境保护研究窒1/132核安全综合知识原子核物理基础2013年7月6日第一章清华大学工程物理系辐射防护与环境保护研究室桂立明[e-mail]010-83186149/13671145451辐射防护与环境保护研究窒2/132注册核安全工程师执业资格考试大纲（2013年版）第二部分《核安全综合知识》科目考试大纲考试目的：通过本科目考试，检验参加考试人员对核物理、核能与核技术应用、辐射防护以及安全文化等方面知识的了解、熟悉或掌握的程度，使参加考试人员从总体上把握注册核安全工程师所需要的知识，并能利用这些知识解决实际问题。本科目是从事核安全审评、核安全监督、民用核设施操纵与运行、核质量保证、辐射防护、辐射环境监测和其它与核安全密切相关工作人员必备的知识。考试内容：一（第一章）原子核物理基础原子和原子核的基本性质、原子核的放射性、射线及其与物质相互作用和核反应。了解辐射防护与环境保护研究窒3/132目录引言第一节原子和原子核的基本性质第二节原子核的放射性第三节核辐射射线及其与物质相互作用第四节原子核反应辐射防护与环境保护研究窒4/132引言在1895年、1896年和1897年，相继发现了X射线、放射性和电子，这三大发现揭开了近代物理的序幕，物质结构的研究开始进入微观领域。其中，1896年法国科学家贝克勒尔（BecquerelA.H）发现的天然放射性现象是人类第一次观察到核变化的情况，通常人们把这一重大发现看成是核物理的开端。20世纪50年代，逐步形成了研究物质结构的三个分支学科，即原子物理、原子核物理和粒子物理，这三者各有独立的研究领域和对象，但又紧密关联。本章重点论述原子核物理这一领域。引言辐射防护与环境保护研究窒5/132随着核能和核技术应用的发展，它们给人类带来巨大收益的同时，也给人类的生存和发展带来一定的负面影响，同时放射性及由此产生的各种辐射也成为人们关注的问题。为趋利避害，使核能和核技术更好地为人类服务，核安全便成为一个独立的学科而存在。核安全涉及的知识领域十分广泛，其中，对原子、原子核的基本性质的了解，对核衰变、核反应和核裂变的了解，是其重要的一个方面。在本章中，首先介绍有关原子核物理的基础知识。引言辐射防护与环境保护研究窒6/132第一节原子和原子核的基本性质一、原子的壳层结构二、原子核及其稳定性第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒7/132第一节原子和原子核的基本性质万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。目前，人们已知一百二十种元素。第一节原子和原子核的基本性质…………………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒8/132………………………………………………………………………第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒9/132原子核的大小电子带负电荷，电子电荷的值为：e=1.60217733x10-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。电子的质量为me=9.1093897x10-31kg。原子核带正电荷，集中了原子的全部正电荷。原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征，原子可以设想为电子在以原子核为中心的、距核非常远的若干轨道上运行。原子的大小半径约为10-8cm的量级。原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。原子核的尺度只有几十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度高达108t.cm-3。物质的许多化学性质及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要与原子核有关。第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒10/132第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒11/132NobelPrizein19031896年法国科学家贝克勒尔(A.H.Becquerel)发现天然放射性现象，人类历史上第一次在实验室观察到核变化。这一重大发现是原子核物理的开端。放射性现象第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒12/1321898,卢瑟福（Rutherford）在“贝可勒尔射线”中发现了α、β粒子,后来证实了α射线是氦原子核，β射线是电子。1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出原子由原子核和核外电子组成的假设。1908年获诺贝尔奖。原子的组成第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒13/132题例单选题例：（只有一个答案是正确的）♣原子物理学的主要内容是（A）。A核外电子的运动,B原子核的裂变，C原子核的衰变，D原子核中核子间的运动。♣原子核半径的范围约为(D)A1-10mm,B1-10μm,C1-10nm,D1-10fm多选题例：（有多个答案可能正确，错一个为全错）原子由原子核和核外电子组成，其中(ABCDE)A电子带负电荷，B原子核集中了原子的全部正电荷，C原子的大小半径约为10-8cm的量级，D原子核的质量远超过核外电子的总质量，E原子核的尺度只有几十飞米。第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒14/132原子模型核子中子质子电子+++一、原子的壳层结构第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒15/132第一节原子和原子核的基本性质………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒16/132第一节原子和原子核的基本性质……………………………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒17/132第一节原子和原子核的基本性质…………………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒18/132原子的核外电子称为轨道电子。原子的轨道电子离核的距离是不能取任意值的，按照一定的规律形成彼此分离的壳层。最靠近核的一个壳层称为K层，在它的外面依次为L、M、N、O壳层等，以此类推。通常用量子数n(n=1,2,3…)代表壳层，并分别对应K、L、M、N、O，…壳层。每个壳层可容纳2n2个电子。除了K层以外，其他壳层又可分成(2l+1，l=n-1)个支壳层，l是描述电子轨道的量子数。处于不同壳层的电子具有不同的位能，当电子从无穷远处移动到靠近原子核的位置时是电场力作功，K层的能级最低。能级的能量大小就等于该壳层电子的结合能，要使该壳层电子脱离核的束缚成为自由电子所需做的功。结合能是负值，通常以KeV为单位，K壳层电子的结合能的绝对值最大。原子的壳层第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒19/132第一节原子和原子核的基本性质………………………………………………………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒20/132辐射防护与环境保护研究窒21/132原子结构及电子壳层第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒22/132题例单选题例：原子的核外电子称为（B）。A自由电子B轨道电子C俄歇电子D康普顿电子多选题例：电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层，其中各层最多可容纳的电子数分别是(BCE)。AK层1个BK层2个CL层8个DM层10个EM层18个第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒23/132二、原子核及其稳定性第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒24/1321.原子核的组成及其表示方法第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒25/132右下角N表示核内中子数；左下角Z表示质子数或称电荷数；左上角A（A=N+Z）称为核内的核子数，又称质量数。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。原子核的表示方法ZANX核子数质子数中子数元素符号例如：为三个核素，可表示为781315376129537512853,,IIIIII131129128,,核素是指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。第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒26/132同位素实际上就是Z相同而A不同的各核素的总称。同位素是指元素周期表中处于同一个位置，它们具有相同的化学性质。例如（氕）、（氘）、（氚）。H11K同位素H21H31H、11H、21H；31KKH11它们都在第一号位置，所以记作1H，由于质量数不同，在左上角表示，简写成1H、2H、3H。氕原子核内仅有一个质子即氢氘原子核内有一个质子一个中子氚原子核内有一个质子二个中子第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒27/1321932,查德威克（Chadwick）发现中子1935年获诺贝尔奖。海森堡提出原子核由质子和中子组成的假设。中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒28/132第一节原子和原子核的基本性质…………………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒29/132常用术语（1）核素（nuclide）核素是指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。例如：和是独立的两种核素，它们有相同的质量数但原子核内含有不同的质子数；和是原子核内含有不同的质子数和相同的中子数的独立的两种核素；和是独立的两种核素，它们的原子核内含有相同的质子数和中子数，但核所处的能态是不同的。Ti20886Pb20882mCo6027Co6027Sr9038Y9139第一节原子和原子核的基本性质…………………………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒30/132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。Tl20886Pb20882两种核素，A同，Z、N不同。Sr9038Y9139两种核素，N同，A、Z不同。60Co58Co两种核素，Z同，A、N不同。60Co60mCo两种核素，A、Z、N同，能态不同。NAZX6126CC126CC12第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒31/132第一节原子和原子核的基本性质…………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒32/132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。同位素丰度16O17O18O99.756%、0.039%、0.205%11H21H99.985%、0.015%23592U23892U0.724%、99.276%第一节原子和原子核的基本性质………………辐射防护与环境保护研究窒33/132原子核的稳定性第一节原子和原子核的基本性质………………………………………………………………………辐射防护与环境保护研究窒34/13211H21H99.985%、0.015%放射性同位素其中，稳定同位素为：H3而为放射性同位素，具有β放射性，放出最大能量为～18KeV的β射线，其半衰期。它的产生是宇宙射线与空气中的N和O发生核反应，称为宇生放射性。H,H,H312111氢的三种同位素具有相同的化学性质，但其放射性却不同。aT3.1221H、21H；31第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒35/132稳定性同位素和放射性同位素根据原子核的稳定性，可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在密切的关系。由于极大多数元素都具有同位素，虽然现在世界上只发现了近120种元素，但其同位素已发现了2000多种，即2000多种核素。同位素的种类如此繁多，按不同的分类标准有不同的分类方法。若按原子核的稳定性来划分，则可以分为稳定的同位素和不稳定的同位素，不稳定的同位素又叫做放射性同位素。第一节原子和原子核的基本性质辐射防护与环境保护研究窒36/132人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素，而是在反应堆或加速器所生成。同位素技术中应用最广泛的放射源---钴源（60Co）就是在反应堆中生成。将金属钴，即59Co，其丰度100％，放在反应堆孔道内，利用中子照射59Co，发生如下核反应：工业