辐射防护基础知识――放射性与辐射

第二章辐射防护基础知识（二）一、放射性与辐射19世纪末的三大发现：1.)1895：伦琴（德）—X射线（1901第一届诺贝尔物理奖）2.)1896：贝克勒尔（法）—铀放射性1898：玛丽·居里（法）—钋、镭3.)1897：汤姆孙从阴极射线管—电子放射性衰变规律的研究（居里夫妇、卢瑟福）a,b,g射线氦，电子光1放射性物质的放射性放射性：有许多核素都能自发地发射出各种射线的现象，或称辐射。本质：原子核的衰变过程结果：原子核放出射线，由一种元素转变成另一种元素。母体：衰变前的放射性同位素；子体：衰变过程中产生的新同位素，又称放射成因同位素1.放射性1.放射性放射性原子核：能自发地放射出各种射线的核素称为放射性核素。射线的种类：粒子辐射：a射线，b射线，宇宙射线、中子等的辐射电磁辐射：γ射线、X射线等的辐射发射正电子、质子、中子、等其它粒子。大气层中的宇宙射线成分主要是质子、中子、介子、介子、电子等。1.放射性射线的性质：铀、镭、钋等元素能放出一些射线，射线看不见，但能穿透光所不能穿透的物体（如黑纸）使照相底片感光。α，β，γ三种射线在磁场中的分裂世界上第一张X光照片1.放射性2.核衰变类型α衰变b衰变γ衰变1)α衰变（Alpha）:α射线:氦核的粒子流，质量为氢原子质量的四倍，带两个单位的正电荷衰变通式：AZX→A-4Z-2Y+α+QAZX→母核A-4Z-2Y→子核α→出射粒子Q→能量例：22688Ra→22286Rn+42He（α）（镭→氡）He422.核衰变类型+++++++++从母核中射出的4He原子核a粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!!a衰变2.核衰变类型a衰变——241Am237Np2.核衰变类型2)β-衰变(Beta-negatron)β射线:高速飞行的电子流，称为β粒子衰变通式：n→P+β-+Q+ν-AZX→AZ+1Y+β-+Q+ν-β-：负电子n：中子P：质子ν-：反中微子例：3215P→3216S+β2.核衰变类型基本衰变——b衰变（动画）2.核衰变类型b衰变——3H3He2.核衰变类型说明：i.β-粒子实质是电子，质量为0.000549u,带一个负电荷。ii.β-粒子比核的质量小几千倍→几十万倍，因此，β-粒子从原子核带走的能量很少。iii.β-粒子的能谱是一个连续值，Eβ-的值可以从0→最大值。iv.E0是β-粒子的最大能量值，一般图表上给Eβ-即是E0.2.核衰变类型3)β+衰变(Beta-pasitron)P→n+β++Q+VAZX→AZ-1Y+β++Q+Vβ+:正电子ν：中微子2.核衰变类型正b衰变——11C11B2.核衰变类型+++++++++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+反中微子－中微子三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能量b衰变2.核衰变类型2.核衰变类型已知的具有b放射性的核素有一千多种，其中轻核和重核都可能放射出b射线。由中子辐照稳定核素所产生的大多数放射性核素都具有b放射性，因此b辐射源通常可以用反应堆中子辐照得到。单能电子可由电子加速器提供。4)γ衰变（Gammaraydecay）γ射线：波长比X射线更短的电磁即光子流衰变通式：AZXm→AZX+γ例6027Co→6028Ni+b+γ+γ钴11349In→11349In+γ铟2.核衰变类型+++++++++－中微子g光子2.核衰变类型g衰变特点：1、从原子核中发射出光子2、常常在a或b衰变后核子从激发态退激时核能级跃迁时产生。3、产生的射线能量离散，是单能的4、可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别5、g光子的能量在几十keV到几MeV，放射性核素有两千多种。2.核衰变类型g衰变——3He3He2.核衰变类型α衰变β-衰变β+衰变g衰变5)电子俘获（ElecteonCaptureEC）通式：P+e-→n+νAZX+e-→AZ-1Y+Q+ν例：5526Fe+e-→5525Mn2.核衰变类型质子变成中子X射线电子俘获2.核衰变类型电子俘获——7Be7Li2.核衰变类型2.核衰变类型注：x和g射线都是电磁辐射，电荷都为0，静止质量为0，都具有波粒二象性，其本质是电磁场的携带者或者是电磁相互作用的传递者。二者的根本区别在于来源不同：–g射线是原子核结构变化而发射出的辐射–X射线是核外电子绕行轨道改变而发射出的辐射衰变形式放出射线原子序数变化原子质量数变化α42He-2-4β-e-(负电子)+10β+e+(正电子)-10γhν(光子)00Echν(光子)-103.放射性核衰变的结果位移定则α衰变的反应式为它表示在α衰变中，放射性元素X的原子核放出一个α粒子()，蜕变成一种新元素Y，其原子核的质量数比原来元素的质量数减少4，而电荷数减少2，即在周期表中的位置移前两位。HeYXAZAZ4242He42β衰变的反应式为它表示在β衰变中，原子核放出一个β粒子()时，新元素原子核的质量数不变，而电荷数增加1，即在周期表中的位置移后一位。eYXAZAZ011e01放射性元素因α衰变或β衰变而引起元素原子序数变动的规则，称为位移定则。原子核进行衰变时，核的能级发生变化，而核的组成不发生变化，元素在周期表中的位置不变。射线径迹射程电比离度LETα直线气：2.4-11cm生物：0.03—0.07mm30000离子对/cm大β曲线气:几十Cm—几m60-100离子对/Cm中γ直-曲线气:几十m金属：几十cm—几m很少，β的1%小1.几种射线的性质4各种核射线的特点射线速度电荷静止质量（amu）E（Mev）能谱α1/20C24.00274-9单值β1/3C10.005490-最大连续值γ∽C00约等于核二能级单值之差单值接上表：多次衰变：A→B→C……S式中：S：稳定性核素，其余具放射性。例如：23892u→23490Th→23491Pa→23492u……206Pb铀钍镁铅5放射系(radioactiveseries)放射性核素衰变为另一种核素，此核素还要继续衰变，最后到达一种稳定的核素，形成放射系，也称级联衰变链。已知三天然一人工。(4)镎系：镎()→铋().A=4n+1,4n+1系。93237Np83209Bi(3)锕系：锕()→铅().A=4n+3,4n+3系。89227Ac82207Pb(2)铀系：铀()→铅().A=4n+2,4n+2系。92238U82206Pb(1)钍系：钍()→铅().A=4n,4n系。Th3239082208Pb5放射系(radioactiveseries)6中子辐射中子辐射主要由核反应产生，而不是核衰变产生。中子不带电，与物质相互作用与其他射线不同。6.1中子类型冷中子：En0.025ev慢中子热中子：En=0.025ev过热中子：En0.5ev共振中子：En=1eV—1keV中能中子：En：1Kev-0.5Mev快中子：En：0.5Mev-10Mev超快中子：En：20Mev—50Mev中子6.2中子的性质①中于的质量略大于质子。②自由中子不稳定，它具有β衰变的性质实验测得中子的半衰期T1/2＝10.6min。与中子和物质相互作用过程的时间相比，这个时间是很长的。也就是说，中子在衰变之前就已经被原子核俘获了。所以通常可将它视为稳定粒子③中子的自旋为1／2，磁矩为一1.9228μN。bpn6.2中子的性质④中子与其他微观粒子一样，在适当条件下会呈现出波动性质。中子波长λ与它的动能Tn及动量pn有以下关系当中子的速度vnc时，有nphnnTmh26.2中子的性质中子与物质作用时，其波性是否明显，主要取决于它的波长和它所作用系统的相对大小。–热中子的波长与固体原子之间的距离相当，这种中子通过晶体时，其波性就很显著。–快中子的波长与原子核大小同数量级，这种中子与物质作用时，对核作用过程来说，表现出一定的波性。但对原子作用过程来说其波性就可以忽略了。6.3中子源为了研究和利用中子，需要有产生中子的装置。获得中子的途径有两个：–核反应和核裂变。具体获得中子的方法大致分为三类：–利用放射性核素产生中子：(α，n)型中子源；(γ,n)型中子源；自发裂变中子源6.3中子源–利用加速荷电粒子产生中子：加速器中子源——为了获得单能中子，通常用粒子加速器将p，d，α等荷电粒子加速，然后用它们去轰击原子质量数比较低的靶核，产生(p,n)，(d,n)，(α,n)反应。–利用核反应堆获得中子：裂变材料(如235U，239Pu等)在核反应堆中进行模式反应时放出大量中子，反应堆中子源的中子能量是连续的，从0.001eV至十几MeV都有。7感生放射性用核粒子轰击稳定的核素可以产生出人工的放射性核素。激活或活化（反应）——–通常把稳定的核素吸收一个中子后转变成放射性核素的过程称为–把生成的放射性核素叫做活化产物。感生放射性——–活化产物因为核内中子过剩还要进行β衰变。–活化产物衰变时产生的发射性称为感生放射性。7感生放射性用中子轰击或照射稳定同位素59Co（钴），则可产生放射性同位素60Co。60Co原子再进行β衰变，同时发出γ射线，变成稳定同位素60Ni（镍）原子。这个过程可写成：59Co＋ｎ－→60Co＋γ－→60Ni＋β＋γ60Co是活化产物，它们衰变产生的β、γ射线即为感生放射性。7感生放射性反应堆一回路水中的稳定同位素16O（氧）吸收中子，同时发射出质子，产生出放射性核素16N（氮），16N原子再进行β衰变，并发出γ射线，变成稳定的16O16O＋ｎ－→16N＋Ｐ－→16O＋β＋γ16N是活化产物，它们衰变产生的β、γ射线即为感生放射性。二、原子核的衰变规律和放射性活度1.原子核衰变的基本规律1)指数衰减规律N=N0e-t（说明）N0:（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-t1.原子核衰变的基本规律说明:设在dt时间内，某放射源中的放射性原子核的数目因衰变而引起的变化量为dN，它与原来的原子核数目N、衰变时间dt成正比。原子核数目随时间而减少，dN为负，即dN=-λNdt衰变常数：λ为比例恒量，只与元素本身性质有关，与外界条件及核素本身的化学状态无关，反映原子核衰变的快慢程度1.原子核衰变的基本规律积分，lnN=-λt+C（C为积分常数）。设t=0时，原子核数目为N0，代入上式得C=lnN0，因此可得式表示，原子核的数目N是随时间t按指数规律减少的，表示t时刻还有多少原子核没有衰变。0lnNNteNN0放射性活度（radioactivity),简称活度(activity)意义：表示核素特征的一个重要辐射量定义：在给定时刻，处于一给定能态的一定量的某种放射性核素在dt时间内发生自发核衰变和核跃迁数的期望值dN除以dt：A=dN/dtdN——在时间间隔dt内该核素从该能态发生自发核跃迁数目的期望值。即单位时间内的核衰变数。2.放射性活度单位：秒的倒数(S-1)SI单位专名：贝可勒尔（Becquerel)，简称贝可，符号:Bq，每秒一次核衰变，1Bq=1s-12.放射性活度2.放射性活度放射性活度减小规律:（说明）式中，表示t时刻核素的放射性活度是多大。teAA000NA2.放射性活度设在dt时间内发生核衰变的次数（即原子核减少的数目）为-dN（因dN为负值，故加一负号），按放射性活度定义，得A0是t=0时的放射性活度。放射性活度A是随时间t按指数规律而减小。)(00tteNNeNdtdNA3.放射性活度单位放射性活度的专用单位为居里(Curie)，简称居（C或Ci）:1居里(Ci)=3.7×1010/秒(dps)1毫居(mCi)=10-3居(Ci)1微居(μCi)=10-6居(C