放射性基础知识1

放射性辐射防护RADIATIONANDPROTECTION放射性基础知识1、原子核的组成2、核衰变或核蜕变3、解放射性衰变规律4、放射性的应用医疗照射问题X照射CTSPECTPETMRI放疗BNCTCTCT（electroniccomputerX-raytomographytechnique）电子计算机X射线断层扫描技术SPECT单光子发射计算机断层成像术(Single-PhotonEmissionComputedTomography，SPECT)和是对从病人体内发射的γ射线成像，故统称发射型计算机断层成像术(EmissionComputedTomography，ECT)。通过静脉注射放射性药物标记的化合物，观察此化合物在体内的分布情况，来判断脏器的功能情况及疾病的特征。其特点是能较高特异性地显示脏器或病变的血流、功能和代谢的改变，有利于疾病的早期诊断及特异性诊断。PET正电子发射型计算机断层显像（PositronEmissionComputedTomography），是核医学领域比较先进的临床检查影像技术。MRIMRI（MagneticResonanceImaging）也就是磁共振成像利用人体组织中氢原子核（质子）在磁场中受到射频脉冲的激励而发生核磁共振现象，产生磁共振信号，经过电子计算机处理，重建出人体某一层面的图像的成像技术。又称核磁共振成像术。英文简称MRI。放疗加速器（感应加速器、回旋加速器、直线加速器）近距离后装治疗机伽马刀BNCT硼中子俘获治疗（BoronNeutronCaptureTherapy,简称BNCT）通过在肿瘤细胞内的原子核反应来摧毁癌细胞原子模型核子中子质子电子+++一、原子核的组成原子核的组成1组成：质子和中子kgC27121066.1ofmass12110073.1PM0087.1nM00055.0eM原子核由中子和质子组成，中子不带电，质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子统称为核子，数目以A表示，A称为核子数或质量数，核中质子数记为Z，中子数记为N。常用如下形式表示一个原子核：ZANX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。II.原子核的表示ZANX核子数A质子数Z中子数N元素符号X1、核素（nuclide）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称为核素。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。NAZX1266C126C12CTl20886Pb20882两种核素，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。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。具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。)2、同位素（isotope）和同位素丰度23592U23892U铀的二种同位素。11H21H31H氢的三种同位素；16O17O18O99.756%、0.039%、0.205%11H21H99.985%、0.015%3、同中子异荷素（isotone）4、同量异位素（isobar）质量数A相同，质子数Z不同的核素。中子数N相同，质子数Z不同的核素。121H231He6148C8168O也称为同中子素或同中异位素。1840Ar1940K4095Zr4195Nb5、同质异能素（isomer）质子数Z和中子数N均相同，而能态不同的核素。8738Sr同质异能态：同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。8738mSr激发态半衰期为2.81h。8738mSr2maE2mbE2mcE！Totalenergy1质量亏损三.原子核结合能enPZmMmZAZmMC12600055.06120087.16120073.16M1.0FromE=mc22cME28271031066.11.0MeVJ1.931049.111MeV931E1例1求自由核子相对碳原子核的质量亏损例：某核电站每年发电约为1010度(=3.61016J)。若这些能量全部由静态质量转换而成，求每年耗损的核材料?解：kg.cEm402~4×109kgcoal原子核结合能2、原子核结合能自由状态的单个核子结合成原子核时所释放出来的能量，（或原子核分解成单个自由核子所需要的能量）称为原子核的结合能。2cME三.原子核结合能3、原子核的稳定性-平均结合能04080120160200240A8642MeVAEfusionfissionAveragebindingenergy+++++4、原子核的能级H21H31He42n10B105B115C126+C136C146原子核的放射性1896年，Becquerel（获1903年诺贝尔物理奖）在铀矿物中发现射线。分别叫做、、射线。1、射线是氦核，带正电荷，贯穿本领小；2、射线是高速电子流，带负电，贯穿本领较大；3、射线是波长很短的电磁波，贯穿本领大。在磁场中发现，射线有三种成份：一种在磁场中偏转，与带正电荷离子流相同；一种在磁场中偏转，与带负电荷离子流相同；一种在磁场中不偏转。(1852～1908)放射性现象与原子核的衰变密切相关。原子核的衰变：在没有外界影响的情况下，原子核自发地发射粒子并发生改变的现象。能自发地发射各种射线的核素称为放射性核素，也称为不稳定核素。放射性现象是由原子核的变化引起的，与核外电子状态的改变关系很小。原子核自发地发射各种射线的现象，称为放射性。原子核衰变的主要方式衰变衰变(包括－衰变、＋衰变和电子俘获EC)衰变(或跃迁)(包括内转换IC)重核的自发裂变等•原子核衰变的表示衰变纲图同位素表137Cs核素衰变纲图57Co核素衰变纲图核衰变或核蜕变2、核辐射的种类射线种类粒子组成电荷(单位电荷)质量(u)速度(km/s)能量MeVα42He+24~几万4~10βe-1-11/1840~20万0.01~2.5γ光子0静质量=0~30万(真空)0.01~3α、β、γ蜕变92238Uα（24He）+90234Th蜕变产物的确定用位移定律确定，即：蜕变前后总质量数和总电荷数不变。例如1α蜕变：原子核放出α粒子而发生蜕变的现象叫做α蜕变。一般只有质量数大于200的重金属才发生α蜕变。QHeYXAZAZ4242+++++++++4Henucleusemittedparticlegetsthemostdecayenergy238U4He+234ThParentnucleus衰变——238U234Thβ衰变β-衰变原子核内质子相对缺少时，一个中子转变为一个质子，同时从核内释放出的电子的过程。QveYXAZAZ1eHn011110eHn011110β蜕变：原子核放出β粒子而发生蜕变的现象叫做β蜕变。2RaB（82214Pb）β（-10e）+RaC（83214Bi）说明：核内本应无电子怎么会放出电子？这是因为β蜕变的实质是核内中子发生了如下变化：01n11p+-10e+00ν00ν为中微子，其质量比电子小得多。中微子与物质的相互作用很弱，故很难探测。广义的β蜕变还包括β+蜕变与K俘获（天然放射性核素中很少遇到），后者实质是核内质子发生如下的变化：11p+-10e00ν+01nβ衰变β+衰变原子核内中子相对缺少时，一个质子转变为一个中子，同时从核内释放出的正电子(positron)的过程。QveYXAZAZ1eNeNa0122102211衰变——22Na22Neβ衰变电子俘获原子核从核外俘获一个轨道电子，使核内一个质子转变为一个中子的衰变过程，简称EC衰变(orbitalelectroncapture)。QYeXAZAZ1Xray电子俘获AprotonchangestoneutronElectron+++++++++photon衰变)140.0(996992/1MeVETcTchTm射线特点：1、光子是从原子核中发射的；2、常常伴随在、衰变之后；3、单能；4、射线的能量与原子核相关。衰变——3He3He衰变内转换有时原子核发生γ跃迁时不发射γ光子，而是把多余的能量交给核外绕行的电子（主要是K层电子），使它脱离原子核的束缚而放射出来，这种现象称为内转换（internalconversion），电子的能量是固定的，近似于γ光子的能量。)140.0(996992/1MeVETcTchTm内转换——137Cs137Ba•注意：γ跃迁只改变核的状态，不改变核的组成，故又称同质异能跃迁，用符号：I.T.表示。•4、每一次蜕变放出的粒子情况有以下三种：1）、一次蜕变放出某种粒子一个。例如238U每发生一次蜕变就放出能量为4.18MeV的α粒子一个。2）、分支蜕变。每次蜕变或放出这种或放出那种粒子一个，各占一定的比例，用百分数表示。如RaC每次蜕变有99.96%的几率放出β粒子，有0.04%几率放出α粒子。又如：226Ra每次蜕变有94.3%的几率放出4.793MeV的α粒子，有5.7%的几率放出4.612MeV的α粒子。3）、一次蜕变放出好几个光子。例如，常用的钴源的蜕变。大量实验表明，核反应过程遵守以下几个守恒定律：(1)电荷守恒反应前后的总电荷数不变。5、核反应中的守恒定律（以A(a,b)B反应为例来说明。）即：bBAaZZZZ(2)质量数守恒反应前后的总质量数不变。即：bBAaAAAA(3)能量守恒反应前后体系的总能量(静止能量和动能之和)不变。即：22()()()()aAaABbbBmmcTTmmcTT(4)动量守恒反应前后体系的总动量不变。即：bBAaPPPP2.1放射性衰变的基本规律放射性衰变是一个统计过程。不能预测某一原子核的衰变时刻，但可以统计得到放射源中总的放射性原子核数目的减少规律；具体到每个放射性原子核的衰变来说，就是服从一定规律进行衰变的一个随机事件，可以用衰变概率表示。1、放射性的指数衰减规律222Rn的衰变曲线实验发现，放射性核素放出一个粒子，变成，而的数目每4天减少一半。Rn22286Po21884Rn22286由统计性，以放射源总体考虑衰减规律：设：t时刻放射性原子核的数目为N(t)，teNtN0求解t～t+dt内发生的核衰变数目-dN(t)，它应该正比于N(t)和时间间隔dt，dttNtdN于是有：0lnlnNttNtNdttdN/)((1)、衰变常数分子表示：t时刻单位时间内发生衰变的核数目，称为衰变率，记作tJt时刻放射性原子核总数衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。2、放射性核素的特征量量纲为：[t]-1,如1/s，1/h，1/d，1/ab.当一个原子核有几种衰变方式时：iia.衰变率：)(])0([)(tNdteNddttdNtJt定义分支比：/iiR(2)、半衰期T1/2半衰期：放射性核数衰变一半所需的时间，记为T1/2。即：)0(2102121NeNTNT2121Te693.02ln21T量纲为：[t],如s，h，d，a(3)、平均寿命平均寿命＝总寿命/总核数dttNtdN在t~t+dt时间内衰变的原子核数为：这些核的寿命均为t，它们的总寿命为：dttNt)0(N因此，平均寿命：1)0(/)0(NN212144.12lnTT而t可能的取值为：0～所以，所有核的总寿命为：)0()0()(00