核安全综合知识 第一章 原子核物理基础

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1、核安全综合知识注册核安全工程师考试培训 2010年8月核安全综合知识第一章 原子核物理基础 l 考试要求 l 熟悉原子结构的知识 l 熟悉放射性的概念、衰变及其规律 l 熟悉射线及其与物质的相互作用 l 掌握核反应的类型 l 了解核裂变及其裂变反应的知识 核安全综合知识第一章的考试要求： l 复习内容 1.1 原子和原子核的基本性质 1.2 原子核的放射性 1.3 射线及其与物质相互作用 1.4 原子核反应 1.5 核裂变及核能的利用核安全综合知识1.1 原子和原子核的基本性质知识要点： 原子与原子核 原子的壳层结构 原子核的组成及其稳定性 原子核的大小 原子核的结合能核安全综合知识l 原子和

2、原子核（1） 知识要点：原子、原子核、同位素 1896年法国科学家贝克勒尔(A. H. Becquerel)发现天 然放射性现象，人类第一次观察到核变化，这一重大发现 是原子核物理的开端。 万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学 元素。目前，人们已知一百多种元素。 1911年卢瑟福根据粒子的散射实验提出了，即原子 由原子核和核外电子组成的假设。核外电子的运动构成了 原子物理学的主要内容，而原子核成了原子核物理学的主 要研究对象。原子和原子核是物质结构的两个层次，但也 是互相关联又泾渭分明的两个层次。 核安全综合知识l 原子和原子核（2）电子带负电荷，电子电荷的值为：e=1.602177

3、33x10-19C， 且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。电子的 质量为me=9.1093897x10-31kg。原子核带正电荷，集中了原 子的全部正电荷。 原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表 征，原子可以设想为电子在以原子核为中心的、距核非常 远的若干轨道上运行。原子的大小半径约为10-8cm的量级 。 原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量 中心与原子核的质量中心非常接近。原子核的线度只有几 十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度高达108t.cm-3 。 物质的许多化学性质及物理性质、光谱特性基本上只 与核外电子有关；而放射现象则主要与原子核

4、有关 。 核安全综合知识l 原子和原子核（3）单选题例： 原子物理学的主要内容是（A）。 A核外电子的运动, B 原子核的裂变， C 原子核的衰变，D 原子核中核子间的运动 。 多选题例： 原子由原子核和核外电子组成，其中(ABCDE)。 A 电子带负电荷， B 原子核集中了原子的全部正电荷， C 原子的大小半径约为10-8cm的量级， D 原子核的质量远超过核外电子的总质量， E 原子核的限度只有几十飞米。核安全综合知识l 原子的壳层结构（1） 知识要点：原子的壳层、能级、跃迁 原子的核外电子称为轨道电子。原子的轨道电子离核的距离 是不能取任意值的，这是微观世界的量子特性的一种表现。电子 轨

5、道按照一定的规律形成彼此分离的壳层。 最靠近核的一个壳层称为K层，在他的外面依次为L、M、N、 O壳层等，以此类推。通常用量子数n(n=1,2,3)代表壳层，并分 别对应K、L、M、N、O，壳层。每个壳层可容纳2n2个电子。 除了K层以外，其他壳层又可分成(2l+1，l=n-1)个支壳层，l是描述 电子轨道的量子数。 出于不同壳层的电子具有不同的位能，当电子从无穷远处移 动到靠近原子核的位置时是电场力作功，K层的能级最低。能级的 能量大小就等于该壳层电子的结合能，要使该壳层电子脱离核的 束缚成为自由电子所需做的功。结合能是负值，通常以KeV为单位 ，K壳层电子的结合能的绝对值最大。 核安全综合

6、知识l 原子的壳层结构（2） 用n，l，j三个量子数来描述不同的能级。其中n=1，2，3， ；l=0，1，2，(n-1)是与电子的轨道运动相关的量子数，而j是 与电子的自旋运动相关的量子数，j与l的关系是j=|l1/2|。n，l，j三 个量子数的不同组合区别轨道电子不同的支壳层。每个支壳层最 多可容纳(2j+1)个电子 。 在正常情况下，电子先充满较低能级，但当原子受到内在原 因或外来因素的作用时，低能级的电子可以被激发到高能级上（ 称激发过程），或电子被电离到原子的壳层之外（称电离过程） ，高能级电子就会跃迁到低能级上留下的空位上，并以电磁辐射 的形式释放一个光子 。 发生内层电子跃迁时，发

7、射的光子能量较高，而且不同元素 的原子均有不同特定的能量，所以通常又称作特征X射线，其能量 计算公式为：EX=hc/=E1-E2，式中h=6.6260755x10-34J.s；光速 c=2.997925x108m/s；E1和E2分别是跃迁前后两个能级的能量 。 K系特征线是由K壳层之外的电子跃迁到K层空位式发射的特 征X射线，同样还有L系、M系特征X射线等，跃迁还需要满足特定 的选择定则 。 核安全综合知识l 原子的壳层结构（3）单选题例： 原子的核外电子称为（B）。 A 自由电子，B 轨道电子， C 俄歇电子，D 康普顿电子 。 多选题例： 电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层，其中 各

8、层最多可容纳的电子数分别是(BCE)。 A K层1个， B K层2个， C L层8个， D M层10个， E M层18个。核安全综合知识l 原子核的组成及其稳定性（1） 知识要点：核的组成、核素/同位素/同质异能素、核的稳定性 1932年查德威克发现中子，海森堡提出原子核由质子和中子组 成的假设 。中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。 中子和质子的质量相差甚微，它们的质量分别为： mn=1.00866492u，mp=1.00727646u，u为原子质量单位。1960年国际上 规定把碳-12(12C)原子质量的1/12定义为原子质量单位，用u表示，1u=1.66054020.000001

9、0x10-27kg=931.494013MeV/c2 。 任何一个原子核都可以由符号AZXN表示，N是核内中子数，Z是 核内质子数或电荷数，A是核内的核子数或核的质量数，X是该原子 核对应的元素符号。事实上，只要元素符号X确定后，该元素的电 荷数就已经确定，所以符号AX足以表示一个特定的核。 中子数和质子数都相同的原子核称为一种核素。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。16O,17O,18O的天然 丰度比是：99.756%、0.039%、0.205%。寿命较长的激发态原子 核称为基态原子核的同质异能素或同核异能素。同质异能素所处的 能态又称同质异能态，如：87mSr，87S

10、r。 核安全综合知识l 原子核的组成及其稳定性（2） 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 在密切的关系。 核素图必须是一个含有N-Z数的两维图。在现代核素图上，既 包括了天然存在的332个核素(其中280多个是稳定核素)，也包括了 自1934年以来人工制造的1600多个放射性核素，一共约2000个核 素。 在稳定核素分布图上，相同中子数N的核素是同中异荷素；在 N和Z轴截距相等的直线上的核素是同量异位素。在Z0。 m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) ，其中 m（Z,A）为电 荷数为、质量数为的原子核

11、的质量 。 既然原子核的质量亏损m（Z,A）0 ，由质能关系式， 那么相应能量的减少就是 E=mc2 0 。这表明核子结合 成原子核时，会释放出能量，这个能量称之为结合能。 一个中子和一个质子组成氘核时，会释放一部分能量 2.225MeV, 这就是氘的结合能。它已为精确的实验测量所证 明。实验还证实了它的逆过程：当有能量为2.225MeV的光 子照射氘核时, 氘核将一分为两, 飞出质子和中子。 核安全综合知识l原子核的结合能（2）结合能: B(Z,A)= mc2 比结合能:(Z,A)= B(Z,A)/A= mc2/A 比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子 时，外界对每个核子所做的最小的平均

12、功，或者说 ，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释 放的能量。比结合能表征了原子核结合的松紧程度。比结 合能大，原子核结合紧，稳定性高；比结合能小， 结合松，稳定性差。核安全综合知识l 原子核的结合能（3）当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松 的核变到结合得紧的核，就会释放能量。从比结合能曲线可以看出,有两个途径可以获得能量：l 重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核；l 轻核聚变，即两个轻核融合为一个较重质量的核。人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子 弹， 依靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变 反应。所谓原子能，主要是指原子核结合能发生变化时释放

13、的 能量。 核安全综合知识l原子核的结合能（4）核安全综合知识l 原子核的结合能（5）单选题例：l 一个质子和一个中子结合成氘原子核时，会（B）的 能量。A 吸收2.225MeV，B 释放出2.225MeV，C 吸收14.1MeV，释放出17.6MeVl 在原子核的质量亏损算式中，m(Z, A)为的原子核的（ B）。A 核子数，B 核质量, C 中子数，D 原子序数l 组成氘核的质子和中子质量之和（C）氘核的质量。A小于, B 等于，C 大于，D 等于两个l E=mc2称为(A)定律。A 质能联系, B 万有引力，C 宇称守恒，D 库仑 多选题例：原子能是指原子核结合能发生变化时释放的能量，原

14、子能利 用的实例有（ABC）。A 核反应堆，B 原子弹，C 氢弹，D 激光器，E 氢气复合器核安全综合知识1.2 原子核的放射性知识要点： 原子核的衰变与放射性核素 放射性衰变的基本规律 放射系 放射规律的应用核安全综合知识l 原子核的衰变与放射性核素（1） 知识要点：放射性核素、核衰变、衰变纲图 不稳定核素是指其原子核会自发地转变成另一种原子核 或另一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射，它又称为放射 性原子核 。 在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称为原 子核的衰变，核衰变有多种形式，如衰变，衰变，衰变 ，还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。不稳定原子 核会自发地发生衰变。 可以根

15、据衰变纲图和同位素表提供的资料，选取有用的 数据。衰变纲图中粗实横划线的态代表原子核基态，细实横 划线的态代表原子核的激发态，箭头向左表示原子序数减少 ，向右表示增加。箭头线上标示了放射粒子的类型及其动能 或者动能最大值，图中百分数代表该种衰变所占的比例（又 叫分支比）。 核安全综合知识l原子核的衰变与放射性核素（2）(a)(b)一些核素的衰变纲图核安全综合知识l原子核的衰变与放射性核素（3）单选题例：l在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现 象称原子 核的（A）A 衰变 ，B 诱发裂变 ，C 聚变，D 散裂。l会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并 伴随发射一些粒子或碎片的原子核是(B)

16、A 散射靶核，B放射性原子核，C 裂变核，D 散裂核多选题例：原子核衰变有多种形式，如（ABCDE）。A 衰变，B 衰变，C 衰变，D 自发裂变, E 发射质子的蜕变 核安全综合知识l 放射性衰变的基本规律（1） 知识要点：指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活 度 实验表明，任何放射性物质在单独存在时都服从相同的指数衰减 规律。指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变，而且对于同时存在 分支衰变的过程，指数衰减规律也是适用的，这是一个普遍的规律。指数衰减规律: N(t)=N0e-t 对各种不同的核素来说，它们衰变的快慢又各不相同，这反映在 它们的衰变常数（或半衰期/平均寿命）各不相同，所以衰变常数又 反映了它们的个性。 应该指出，放射性指数衰减规律是一种统计规