原子核与放射性

原子核与放射性信息工程学院数理教研室原子与原子结构1932海森堡1964夸克1990年代轻子12夸克36媒介子13希格斯粒子1合计62其中2个粒子尚未发现：引力子和希格斯粒子。1.现代原子核的组成n(udd)P(uud)原子核与原子核的基本性质质子中子核素及符号表示核素：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的一种统称核素表示符号核素质子数中子数质量数符号氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C名称质子数中子数质量数举例同位素相同不同不同1H2H3H同中子素不同相同不同2H3He同量素不同不同相同3H3He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最常用的两个术语：核素和同位素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10-15m=1.2fmA原子核的质量数例如：238U7.4fm原子核的大小R原子核的质量电子me=9.1×10-31kg=5.48×10-4u=0.511MeV/c2质子mp=1.007276u=938.256MeV/c2中子mn=1.008665u=939.550MeV/c2原子核质量=原子质量—全部电子的质量MN(Z,A)=Ma(Z,A)—Zme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1014g/cm31cm3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?重轻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2x1.007276+2x1.008665-4.002603ΔM(4He)=4.031882-4.002603=-0.029279uΔE(4He)=ΔM(4He)C2=27.27MeV亏损的质量转化为能量氦原子核的结合能是27.27MeV亏损的质量哪里去了?质能关系E=MC2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）原子核越稳定比结合能(原子核结合能/核子数)核素比结合能MeV核素比结合能MeV核素比结合能MeV2H1.11212C7.68235U7.593He2.57316O7.98238U7.574He7.0756Fe8.79最大6Li5.33107Ag8.557Li5.61208Pb7.87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118235U核子平均结合能7.6MeV质量数为118的原子核平均结合能8.6MeV两者平均结合能差1MeV230多个核子总的E=200MeV比较:裂变能n+235UX+Y+E200MeV化学能C+O2CO2+E4ev汽油与氧的爆炸，一个分子释放40-50eVTNT爆炸自身释放能量，每个分子30eV放射性衰变及其表示什麽是核辐射不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子，有的带电有的不带电。αβγ中子质子裂变碎片等1）亚原子粒子(原子大小～10-10m）α射线氦原子核（4He）2.2x10-15mβ射线电子(e)经典电子半径2.8x10-15mγ射线光子(电磁辐射）0质子和中子1-2x10-15m原子核Au(金）7x10-15m带电和不带电不稳定原子核衰变XY+b+ΔE母核子核发射射线衰变能量载能（几十keV—MeV量级或更高）226Raα衰变发射α射线的能量4.785MeV放射性衰变的三种基本类型：衰变衰变衰变母核子核发射射线衰变能量226Ra→222Rn+4He+4.78MeV(Z,A)(Z-2,A-4)(2,4)(88,226)(86,222)(2,4)衰变能在反冲核与α粒子间按动量能量守恒分配原子核变化发射的载能的亚原子粒子——放射性粒子。1）α衰变α(4He)2）-衰变母核子核-射线衰变能量14C→14N+0e+(Z,A)(6,14)(7,14)(-1,0)(0,0)负电子反中微子原子核N/Z比值稳定性12C6/6=1稳定14C8/6=1.33不稳定发生β-衰变的原因：原子核中中子数太多14C原子核中的中子发生β-衰变，产生一个质子，一个负电子和一个反中微子中子β-衰变：n→p+e-+pn3）衰变光子是什麽？射线就是高能量的光子：几百keV-MeV量级衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃迁，在这个过程中发射射线，原子核能态降低。射线是高能量的电磁辐射——光子137Cs137Ba*（激发态）母核-衰变衰变137Ba+射线（661.7keV）子核（基态）（0.0）α衰变β-衰变β+衰变衰变放射性衰变基本规律指数衰减规律N=N0e-tN0:（t=0）时放射性原子核的数目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半衰期(T1/2)定义：一定量的某种放射性原子核，其中有一半发生了衰变所经过的时间。时间t(T1/2)012345n放射性原子核数目N0N0/2N0/4N0/16N0/32N0/64N0/2n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1/2nN=N0e-t由半衰期定义t=T1/2，N=N0/2代入计算得到T1/2=ln2/T1/2=0.693/和T1/2两者有一一对应关系理论研究中多用衰变常数实际应用中一般用半衰期半衰期与衰变常数的关系核辐射通过物质时的作用和效应一核辐射与物质的基本作用二带电粒子通过物质三γ射线通过物质四γ射线的吸收五中子与物质的作用核辐射量度及其单位1放射性活度（A）2吸收剂量(D)3剂量当量（H）核辐射的基本性质1.0086650n中子1.007276+1p质子005.486×10-4±1e±β4.00279+24Heα质量(u)电荷（e)符号种类核辐射与物质的基本作用。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。原子。。。αβγn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电离效应带电粒子通过物质自由电子正离子α+靶原子→正离子+电子+α4He+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-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用α射线与β射线电离效应比较α射线β射线径迹粗直细弯α电离作用强电离作用严重产生离子对数目多电离作用Z1Z2/v2Z1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α粒子径迹是一条直线5.3MeVα粒子在空气中的射程3.83cm电子径迹是折线γ射线通过物质1γ射线是什麽2γ射线的电离作用3轫致辐射4正电子湮灭•γ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γ衰变,不带电，静止质量为0γ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。γ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电子使物质原子电离γ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。γ+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≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子M＋γ→M+e++e-→γ1+γ21.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ1.02MeV能量转化成质量M=E/C23轫致辐射电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管特征:x射线能量连续0–EMax(电子能量)电视机高压15kV电子束能量15keVx射线能量0-15keV应注意玻璃含有40KUTh产生机制原子核4正电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。e++e-→γ+γme++me-=0.511+0.511MeV质量转化为能量转化效率(100%）γ射线通过介质时由于同物质的作用,γ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γ射线的吸收。I(x)=I0e-μx厚度XI0γ射线的吸收I实验发现：γ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μ指数衰减因子线性吸收系1）γ射线能量高μ值小2）原子序数高μ值大I(x)=I0e-μx能量（MeV)铅（Pb)cm-1铝（Al）cm-10.61.60.21.00.80.182.00.50.1铅和铝吸收系数水水泥AlPb137Cs8.083.813.440.55660Co115.174.670.989γ射线强度减弱1/2所通过物质层的厚度γ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0I/I•半吸收厚度(d1/2)电离过程直接直接间接径迹直线折线直线比电离很大稀疏稀稀拉拉穿透能力很弱中很强αβγ对物质电离作用的比较2MeV射程(m)离子对密度/mmα0.016000β2-360γ10几个1MeV的粒子穿透物质能力α1页β60页/本铅地下1-2米深铅室γn4580本中子源αβγ射线穿透物质能力αβγ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)中子与物质的作用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np电离14N14C•人体有大量H和N原子中子对人体电离效应严重伤害也严重12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)α、β、γ、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800-1800MHz﹤0.01eV(没有电离作用）核辐射量度及其单位1放射性活度（A）定义：样品中放射性原子核在单位时内发生衰变的原子核数目。单位：1贝可=1次核衰变/秒1Bq=1次核衰变/秒2吸收剂量(D)定义：单位质量受照射物质所吸收的平均电离辐射能单位：1戈瑞=1焦耳/千克1Gy=1J/kg3剂量当量（H）意义：表示电离辐射引起生物效应的大小H=QDQ电离辐射的品质因数生物放大效应D吸收剂量（戈瑞）量度单位：1希沃特=1焦耳/千克1Sv=1J/kg严重25α射线严重25质子离子有2氚的β射线严重25中子1βe±（﹥30keV)1X(﹥30keV)放大效应Q因子电离辐射类型电离辐射的品质因数Q数值放射性活度(A)吸收剂量(D)剂量当量(H)吸收剂量(D)1戈瑞=1焦耳/千克1Gy=1J/kg放射源活度(A)1贝克=1次核衰变/秒剂量当量(H)H=QD1希沃特=1焦耳/千克三者意义和区别任何物质有机体1核辐射同物质作用，仅当把能量和动量传递给物质才发生；没有能量和动量传递就没有作用。2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。3剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。4不同种类的核辐射给出相同的能量时，可能会对物体造成不同的