辐射防护基础知识

1内蒙古自治区辐射环境监督站刘桂芳2009年11月辐射防护基础知识21896年，法国科学家亨利贝可勒尔（H.Becquerel）发现，从铀的化合物中自发地发射出穿透力很强的不可见射线，它能穿透纸而使里面的照相底片感光。这一发现改变了原子是物质不可分割的最小单位的认识。从此，自然科学从原子时代进入了原子核时代。第一章原子核结构及其衰变3第一节原子核结构及有关的一些常用术语原子是保持元素化学性质的最小粒子，1911年卢瑟福（R.C.RUtherford）根据α粒子的散射实验提出了原子的核式模型的假设,即原子是由原子核和核外电子所组成。原子中央是带正电的原子核，电子在核外围绕核运动。由于电子质量很小（me=9.1093897×10-31kg），所以原子的质量基本上集中于原子核(原子核的重量是电子的1846倍)。原子是电中性的。一、原子核结构简介4现代原子结构原子核中子质子电子(电子云)+++原子的直径约为10-10米。原子核在中心约原子直径的1/10000。原子的质量几乎全集中在原子核上电子的质量仅为质子质量的1/1840。一个电子所带的电荷为1.6×10-19库仑（C），定义为单位电荷。5二、有关原子核的一些术语这一术语在核辐射防护中经常用到，它是指核内具有一定数目的中子和质子，并处于同一能态的一类原子。核素用符号AZX表示，其中X代表元素符号，A为质量数，Z为核电荷数。1、核素：6ZANX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ZANX核子数质子数中子数元素符号原子质量单位等于一个碳－12核素原子质量的1/12，记为u。1u=1.6605655×10-27kg。质子和中子质量几乎一样，分别为：mp=1.00727644umn=1.00866522uHHH312111,,7原子核物理常用术语及意义核子数、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。8核素一般分为放射性核素和稳定核素。锶-90，钚-239等具有放射性的核素称为放射性核素。碳-12，氧-16等非放射性的核素称为稳定核素。到目前，包括人工制造的不稳定元素，人们已经知道有100多种元素。9同位素是指原子核内具有相同的质子数和不同的中子数的那些核素。同位是指该同位素的各核素在元素周期表中处于同一个位置,它们具有基本相同的化学性质。2、同位素和同位素丰度：10如：铀-238、铀-235与铀-234等均为铀元素的同位素,而氢的同位素包括了11H（氕）、21H（氘）、31H（氚）三种核素。某些元素，例如锰、铍、氟、铝等在天然条件下,只存在一种核素,称为单一核素而不能说它们只有一种同位素。核素和同位素是两个不同的术语，切勿混为一谈。11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。例如天然存在氧的同位素有三种核素:16O17O18O,其天然含量的百分比即同位素的丰度分别为99.756%,0.039%,0.205%。天然铀的同位素有两种，238U和235U，其天然同位素的丰度分别为99.276%和0.724%。氢的同位素有三种11H21H31H，其丰度分别为11H99.985%,21H为0.015%,31H在天然中不存在。12是指那些具有相同的质量数A和原子序数Z，但处在不同能态的核素。一般在元素符号的左上角质量数A后加上字母m表示，如锑-124，锑-124m1;锝-99，锝-99m等。3、同质异能素：131896年，法国科学家亨利贝可勒尔（H•Becquerel）发现用黑纸包的铀盐仍可以使照相底片感光，实验结果说明铀盐可以放射出能透过黑纸的射线，由此发现了天然放射性。第二节放射性及原子核衰变的主要类型一、放射性14在磁场中研究这种射线的性质时，证明它是由三种成分组成的。其中一个成分在磁场中的偏转方向与带正电的离子流的偏转方向相同；另一个成分与带负电的离子流的偏转方向相同；第三个成分则不发生任何偏转，继续沿着直线方向前进。这三种射线分别叫做α射线、β射线和γ射线。1516（1）α射线是高速运动的氦原子核（又称α粒子）组成的，所以它在磁场中的偏转方向与正离子流相同。它的电离作用大，贯穿本领小。它在空气中的射程只有几个厘米。（2）β射线是高速运动的电子流，它的电离作用较小，贯穿本领较大,在空气中的射程因其能量的不同而有较大差异，一般为几米至十几米。（3）γ射线是波长很短的电磁波，所以在磁场中不发生偏转。它具有间接电离作用，贯穿本领很大,在空气中的射程通常为几百米。进一步的研究证明：17现在知道，有许多天然的和人工生产的核素都能自发地发射各种射线。有的发射α射线，有的发射β射线，有的发射γ射线，有的在发射α射线或β射线的同时也发射γ射线，有的三种射线均发射。铀发射的射线就是由三种不同成分的射线组成，即α、β和γ射线。此外，原子核还有发射正电子、质子、中子、重离子等其它粒子以及自发裂变的情况。18由于原子核自发的变化而放射出各种射线的现象，称为原子核的放射性。能自发地放射各种射线的核素，叫放射性核素。实验证明，对放射性核素加温、加压或加电磁场，都不能抑制或显著改变其放射性。除了原子核的放射性，现在已被广泛应用的还有射线装置，它们主要有X射线机、粒子加速器、中子发生器等。19二、原子核衰变类型在原子核的衰变中，发生衰变的原子核叫母核，衰变后所产生的核叫子核。放射性原子核的衰变主要有三种类型，它们分别叫做α衰变、β衰变和γ跃迁。20A1．α衰变原子核自发地放射出α粒子而转变成另外一种原子核的过程，叫做α衰变。经过α衰变以后，子核的质量数比母核减少4，原子序数减少2，其衰变式如下：ZX→Z-2Y+a其中：X为母核，Y为子核，A为质量数，Z为原子序数。α射线实际上就是带两个正电荷的氦-4原子核，它们在磁场中只有轻微的偏转。22688Ra（母体核素）→22286Ra（子体核素）+α+Q（衰变能）YXAZAZ42YXAZAZ42YXAZAZ42A-4212．β衰变原子核由于自发地放射出β粒子而转变成另外一种原子核的过程称为β衰变。β+射线是一束高速电子流，它们在磁场中有较大的偏转。原子核的β-衰变有三种形式。它们是β+衰变、β-衰变和电子俘获，其表达式分别为：22ZX→Z-1Y+β+AAZX→Z+1Y+β-AAZX+e-→Z-1YAA23电子俘获也是β衰变的一种形式。所谓电子俘获，是原子核俘获核外某一壳层电子，该壳层少了一个电子，出现一个空位。这时处于能态较高的电子就会跃迁到该壳层填补这个空位，多余的能量以特征X射线形式放出。21482Pb（母体核素）→21483Bi（子体核素）+β-(电子，有时也写为e)+v(反中微子)+Q243．γ跃迁γ跃迁主要包括同质异能跃迁和内转换。原子核发生α或β衰变时，所产生的子核常常处于较高的能态—核激发态，激发态是不稳定的，它要直接退激或者级联退激到基态，而当子核从激发态跃迁到能量较低的激发态或基态时，就会放出γ射线。这一过程叫做γ跃迁，也叫γ衰变。γ射线通常是在原子核进行α衰变或β衰变中伴随发射出来的。原子核激发态存在时间很短（一般约10-11-10-13s），因而可以认为γ射线与α、β射线同时放出。25γ射线是光子流，其波长很短，也可以说γ射线是波长很短的电磁波，由于它们不带电，所以在磁场中不发生偏转。放出γ射线的原子核其质量数、电荷数均保持不变，只是能量状态发生了变化，故又称这种过程为：“同质异能跃迁”。例如常用γ放射源137Cs和60Co都是由于母核发生β-衰变后，子核处于较高激发态能级，在向较低能态或基态跃迁时便发出光子。137Cs的γ射线能量为662Kev；60Co放出两个γ射线，其能量分别为1.17Mev和1.33Mev。26内转换是指处于激发态的原子核把激发能给予核外电子，结果使该电子从壳层发射出来，原子核从激发态回到基态。内转换也是γ跃迁的一种，因为这种跃迁不放出光子，所以又称这种跃迁为“无辐射跃迁”。电子由于内转换被发射出去，外层电子填补空位仍可能发射特征X射线。除了以上的三种衰变方式以外，原子核还可能发生其它的衰变，如正电子衰变，自发裂变等，但我们日常遇到的基本上就是这样三种衰变，其它的衰变方式很少碰到。27第三节放射性衰变规律一、放射性衰变规律原子核发生衰变时，母核由于不断生成子核，因此随着时间t的增加，母核数目将不断减少。通过大量的测量得出，任何一种放射性核素衰变都遵从下面的指数衰变规律：N=N0*e-λtNo为起始时刻（t=0）放射性原子核的数目。N为t时刻放射性原子核的数目。28以222Ｒn（常称氡射气）的α衰变为例，把一定量的氡射气单独存放，实验发现，在大约4天之后氡射气的数量减少一半，经过8天减少到原来的1/4，经过12天减到1/8，一个月后就不到原来的1/100了。衰变情况见图a，如果以氡射气的数量的自然对数为纵坐标，以时间为横坐标作图，见图b，则可得到线性方程。222Rn的衰变规律图图a图b30当同一类核素的许多放射性原子核放在一起时，我们不能预测某个原子核在某个时刻将发生衰变。实际上，衰变是一个统计的过程，大量的放射性原子核会先后发生衰变，总的效果是随着时间的流逝，放射源中的原子核数目按一定的规律减少。31二、衰变常数、半衰期x1．衰变常数上式中常数λ称之为衰变常数，是表征原子核发生衰变或发生同质异能跃迁几率的一个常数，量纲是时间的倒数（s-1，min-1，d-1，a-1）。显然，λ的大小决定了放射性核素衰变的快慢，λ越大，衰变越快；λ越小，衰变越慢。λ反映原子核本身的特性，不同的放射性核素，衰变常数λ不同，λ既不随外界条件如温度、压力、电磁场以及核素的化学状态等条件而变化，也与这种核素如何形成的或何时形成的都无关。322．半衰期表征放射性核素自发核跃迁的另一参数是半衰期，它是指某种特定能态的放射性核素因发生自发核跃迁而减少到原来原子核数一半所需的时间。用T1/2表示，量纲：年（a）、天（d）、小时（h）、分（min）和秒（s）。不同的放射性核素T1/2的差别可能很大，如：238U：T1/2=45×108a，镭衰变产生的氡-222（室内监测项目），T1/2=3.825d。33T1/2与λ的关系：T1/2=ln2/λ=0.693/λ，可见T1/2与λ成反比关系，即T1/2愈长，衰变常数就愈小；T1/2愈短,λ愈大。如23892U的λ=4.883×10-18s-1,22286Rn的λ=2.096×10-6S-1。指数衰减规律在核辐射防护、放射性同位素的应用和生产等方面，都有重要用途。从放射性衰变的指数规律，可知某一放射性核素，当经过n个T1/2以后，则尚未衰变掉的核数仅为原来核数的（1/2）n，从而可以知道该放射性核素的现存量。如出厂活度为100mci钴-60放射源，其半衰期为5.27年，经过若干年后的现存活度为：3.2年后:65.65mci;5.27年后:50mci;10.6年后:25mci;15.27年后:13.43mci。343．放射性活度及其单位衰变规律N=N0*e-λt，所描述的是放射性核的数目随时间的衰减，由于测量放射性核素的数目很不方便，而且往往没有必要，我们所感兴趣的又便于测量的是：在单位时间内有多少核发生了衰变的数目。35单位时间内某种原子核衰变的数目，叫做该放射性物质的放射性活度，通常用A表示。放射性活度和放射性核数目具有同样的指数衰减规律，即：A=λN=λ*N0*e-λt=A0*e-λt，式中，A0=λ*N0是放射源的初始放射性活度。由于历史的原因,放射性活度曾采用居里（Ci）为单位。开始1Ci定义为lg的镭每秒钟衰变的数目。361950年，为了统一起见，国际上共同规定：一个放射源每秒钟有3.7×1010次核衰变定义为一个居里，即：1Ci=3.7×1010/s在1975年国际计量大会上，规定了放射