辐射安全基础知识(内容)教材

《辐射安全基础知识(内容)教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《辐射安全基础知识(内容)教材（138页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、目 录,1 原子与原子核 2 电离辐射场与放射性 3 电离辐射与物质的相互作用 辐射防护及其量与单位,1 原子与原子核 “原子”源自希腊文，意思是“不可分割的”。按照现代的观点，原子仅作为物质结构的一个层次。研究原子的组成、组成物的运动规律及其相互作用的规律，其表征量为物质的物理、化学性质和光谱特性。 “原子核”则是研究物质结构的另一个更深的层次，研究原子核的组成、性质、核力、核模型、核的蜕变及核能的利用等，其表征为原子核的放射性。,实际上元素符号X和原子序数Z具有唯一、确定的关系，所以用符号X足以表示一个特定的核素。,元素的表示,原子序数,化学符号,每一个原子隶属于某一种元素，例如： 原子属

2、于氢元素，在元素周期表中为1号元素，一般表示为 ； 元素的原子量是该元素各原子的原子质量的加权平均值。对 ：A=1.008u,地球上三分之一的智慧,(1) 电子的发现 J.J.汤姆逊1897年，利用阴极射线管发现电子，成为人类向原子世界进军的里程碑。 电子电荷为基本电荷： 电子质量：为氢原子质量的1/1837，即,1.1 原子结构模型,(2) 原子的汤姆逊模型 由于原子呈电中性，及气体原子的电离现象，1903年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：原子是一个半径大约为10-8 厘米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。,(3)原子的核式模型,1

3、8711937,1908年诺贝尔化学奖,1909年卢瑟福散射试验，1911年提出原子的核式模型。,卢瑟福散射实验结论： 正电荷集中在原子的中心，即原子核； 线度为1012 10-13 cm量级，为原子的104 量级； 质量为整个原子的99.9%以上； 从此建立了原子的有核模型。,原子的电中性，要求： 原子核所带电量与核外电子电量相等， 核电荷与核外电子电荷符号相反。 即：核电荷Ze，核外电子电荷Ze。,现代原子结构,中子发现后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出：原子核由质子和中子组成，并得到实验支持。中子和质子统称为核子。 中子不带电。质子带正电，电量为e。电荷数为 的原子核含有 个

4、质子。,19011976,因量子力学方面贡献，获1932年诺贝尔物理奖。,1.2 原子核的组成,1932年查德威克(J. Chadwick)发现中子。(据此获1935年诺贝尔物理学奖),235U原子核裂变模型,光量子,1kg TNT爆炸释能： 4.2106 焦耳(J) 1kg 235U全部裂变释能： 8.2 1013 焦耳(J) 其威力约为2万吨TNT(相当于TNT的2 106 倍) E : (W/MA) NA200MeV= (1000/235) 6.023 1023 200 = 5.126 1026 MeV (1MeV=1.6 10-13 J) = 8.2 1013 J 1kg 3T完全燃烧

5、(聚变)释能： 7.38 1014 焦耳(J) 其威力约为18万吨 TNT(相当于TNT的1.8108 倍),235U原子核裂变的释能计算,图1.6-1 核燃料循环示意图,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,例如：,为三个核素，可 表示为,1.3 原子核物理常用术语及意义,(1) 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。,两种核素，A同，Z、N不同。,两种核素，N同，A、Z不同。,两种核素，Z同，A、N不同。,两种核素，

6、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,铀的二种同位素。,氢的三种同位素；,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,0.724%、99.276%,99.985%、0.015%,(3) 稳定核素和放射性同位素,其中，稳定同位素为：,而 为放射性同位素，具有 放射性，放出最大能量为18keV的 射线，其半衰期 。 它的产生是宇宙射线与空气中的N和O发

7、生核反应，称为宇生放射性。,氢的三种同位素具有相同的化学性质，但其放射性却不同。,(4) 核素和核素图 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着密切的关系。 我们可以把核素排 在一张所谓核素图上。 核素图共包含2000 个核素,其中天然存在 332个核素(280为稳定 核素),人工放射性 核素1600多个。,(5) 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（ ）就是在反应堆中生成。 将金属钴，即 ，其丰度 ， 放在反应堆孔道内，利用中子照

8、射 ，发生如下核反应： 工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源（ ），其活度达几十万至百万居里（ ）。,电离辐射场与放射性 2.1 电离辐射和非电离辐射,电离 从原子、分子或其他束缚态中释放出电子的过程（Ionization） 电离辐射 能够引起电离的带电粒子和不带电粒子（ionizing radiation） 原子释放一个价电子需要能量 425eV 将能量大于10eV的光子视为电离辐射； 而将能量小于10eV的光子称为非电离辐射。,直接电离辐射和间接电离辐射,直接电离辐射 快带电粒子穿过物质时，通过库伦相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。这种通过初级过程引起电离的粒子称为直接电离辐

9、射。 间接电离辐射 不带电粒子（例如光子和中子）穿过物质时，首先将能量转移给带电粒子，随后这些次级快带电粒子再沉积能量和引起电离。这种通过次级过程引起电离的不带电粒子称为间接电离辐射。,2.2 放射性-原子核的蜕变 1896年，Becquerel（获1903年诺贝尔物理奖）在铀盐中发现放射性。 原子核的蜕变包括原子核的衰变、核反应和核裂变等过程，在这些过程中均会产生放射性。 重点阐述核衰变过程。 所谓核衰变就是不稳定的原子核自发的发射粒子而蜕变为新的子核。,2.2.1 核衰变主要的类型: a, b, g衰变,Type of Radiation Charge/Mass Penetration a

10、 粒子（氦核） +2q/4mp 空气（几cm） b 电子或正电子 q/me or +q/me 几 mm铝片 g 光子 no charge 几mmcm铅,此外，还有中子发射、质子发射、裂变等,衰变,衰变,衰变（丰中子核发生）,衰变（欠中子核）,轨道电子俘获（欠中子核）,跃迁：高激发态到低激发态或基态的跃迁。,2.2.2 a, b, g衰变的过程：,(1) 衰变 Alpha decay, 重原子核：A 170 典型例子：U-235、Pu-239 原子核能级：基态、激发态,射线的产生模型,衰变模型示意图,(2) 衰变 Beta decay, ：中微子(neutrino)/(antineutrino)

11、反中微子,-衰变,+衰变,E-俘获,+衰变,-衰变模型,+衰变模型,粒子能量分布,Wmean =1/3 Wmax,电子俘获, 电子俘获是质子转变为中子的第 二种可能性 被俘获的内层电子在内层轨道上 留下的空缺将被外层电子填充， 因此，电子俘获过程伴随有特征 X射线。,电子俘获模型,光量子,(3) 辐射 Gamma radiation, 处于激发态的原子核通过发射电磁辐 射释放激发能 通过量子跃迁使核能级到达较低的能 级，释放的辐射呈分离的能谱分布 内转换过程：激发能转移给轨道电子， 轨道电子接受的动能为：,射线产生模型,光量子, 辐射放射性核素特性,(4)质子射线的产生模型,1919年卢瑟福实

12、验 人类第一次观测到人为核转变过程,(5)中子射线的产生模型,光量子,2.3 放射性衰变基本规律,由于微观世界的统计性，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。,2.3.1 单一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3.825天减少一半。,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)，,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

13、隔dt ，,于是有：,N(t) = N(0) e -t,(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,t 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。,2.3.2 放射性核素的特征量,量纲为：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a,b. 当一个原子核有几种衰变方式时：,a. 衰变率：,定义分支比：,(2) 放射性半衰期 T1/2,放射性半衰期：放射性核数衰变一半所需的时间，记为 T1/2 。,即：,量纲为：t,如s，h，d，a,放射性核素的半衰期示意图,光量子,(1) 放射性活度 (Activity),即：,定义：,则：,定义：一

14、个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示，表征放射源的强弱。,2.4 放射性活度及其单位,放射源发出放射性粒子的多少，不仅与核衰变数有关，而且和核衰变的具体情况直接相关。一般情况，核衰变数不等于发出粒子数。,射线强度：单位时间内放出某种射线的个数。,(2) 放射性活度单位,常用单位居里(Ci)：,法定计量单位为贝可(Bq)：,较小的单位还有毫居(mCi)和微居(Ci),射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子，又称辐射。,射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。,本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能

15、量。,3 电离辐射与物质相互作用,射线与物质相互作用的分类,(1) 带电粒子能量损失方式之一-电离损失,入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。,电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。,激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。,3.1 带电粒子与物质相互作用,粒子与物质的作用：电离,粒子与物质作用：激发,（2）带电粒子能量损失方式之二-辐射损失,入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射轫致辐射(Bremsstrahlung)。它是X射线的一种，具有连续的能量分布。,轫致辐射过程图示,（3）能量损失率-入射带电粒子在物质中经过单位路程上损失的能量，又称阻止本领 其中 为电离损失率； 为辐射损失率。, 电离损失率 式中 为入射带电粒子的电荷数和速度； 为靶物质原子的原子序数和单位体积中包含的原子数。 主要关系： ； 可见，对电子而言，在相近能量下，其速度远大于重带电粒子，所以，电子是弱电离粒子。对1MeV的粒子和电子的比电离密度分别为6.4104 离子对/cm和 45 离子对/cm（对标准状态空气而言）。,对电子而言，能量损失率是两种能量损失率之