核辐射物理学基础知识

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1、,核辐射物理学,核物理基础知识,一、 物质的组成 二、 原子核的组成 三、原子核的稳定性 四、衰变及衰变规律 五、放射性 六、相关概念 半衰期 、衰变常数、放射性活度、 单位意义,物质的组成： 分子和原子 原子的组成： 原子核、核外电子 原子核分类： 稳定性原子核 不稳定性原子核,一 物质的组成,放射性： 不稳定的原子核通过自发转变为另一种原子核的过程-衰变。 在这种转变过程中，常伴随着带电粒子和射线发射出来，其本身变成另一种核素，该过程称放射性衰变，这种现象称放射性现象，这类物质称放射性物质。 衰变过程与物质所处的物理和化学状态无关。,衰变的种类： 根据在衰变过程中放出射线的种类可将衰变分为

2、： 衰变 衰变 衰变,衰变： 放射性原子核自发地放射出粒子而变为另一种原子核的过程称为衰变,从母核中射出 的4He原子核,粒子得到大部分衰变能,238U4He + 234Th,放射性母核!,二、衰变（beta decay） 当一个原子核电荷数改变1，而质量数保持不变时，这种核衰变叫衰变。 1、-衰变 2、+衰变 3、轨道电子俘获 EC,1、-衰变 -衰变是指从核内放射出一个-粒子的过程。这里子核的质量数与母核质量数相同，只是生成的子核增加了一个质子。所以，原子序数增加1，即在元素周期表中后移一位（右移法则）。由原子核发射的粒子叫做-粒子。,对-射线进行荷质比的测量可以断定它就是高速运动的电子流

3、，被物质阻止后就成为自由电子，和其它一般的电子没有什么差别。,2、 +衰变 +衰变是指从核内放射出一+粒子的过程。这里子核的质量数与母核质量数相同，只是生成的子核增加了一个中子。所以，原子序数减少1，即在元素周期表中前移一位。由原子核发射的叫做+粒子。可用下式表示：,+射线实际上就是高速运动的正电子流。正电子是一种质量和电子质量相等带有一个单位正电荷的粒子。,3、轨道电子俘获 EC 它是原子核俘获核外某一层电子，使核发生跃迁的过程。由于K壳层电子离原子核最近，故俘获K壳层电子(常称K俘获)的几率最大。电子俘获过程同样也可以看做是核内一个质子转变为一个中子并放出中微子的过程。,三、衰变 不稳定原

4、子核从高激发态向低激发态或基态跃迁，称为跃迁。跃迁可发射光子，也可以发射内转换电子。跃迁常常伴随着、衰变发生。因此，光子的能量对应于能级差，也就是说是具有分立的、不连续的值。常见的光子能量在keV-10MeV量级。 光子有很强的贯穿本领。它是波长很短的电磁波，波长小于10nm。,跃迁有两种方式： 1）放出射线。波长极短（1以下）的电磁辐射。 2）内转换即：原子核把激发能直接交给核外电子， 使电子离开原子的过程。,放射性核素的衰变规律 一、衰变规律 原子核是一个量子体系，核衰变是一个量子跃迁过程。 对一个特定的放射性核，其衰变的精确时间是无法预测的； 但对足够多的放射性核的集合，其衰变规律是确定

5、的，并服从量子力学的统计规律。,1、指数规律 放射性核素的衰变与周围环境的温度、压力和温度等无关，它遵循指数衰减规律。即每秒内衰变的原子数与现存的放射性原子数量呈比例。例如，某种放射性核素最初共有No个原子，经过时间t以后，只剩下N个，则N和No之间的关系为 N（t)=Noe-t 其中，为衰变常数，表示各核素衰变的相对速度，即每秒衰变的核数为原有放射性核数的几分之几。,代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率 半衰期（half life）放射性原子核数因衰变而减少到原来的一半所需要的时间称为半衰期（T1/2）。,t = T1/2 时，N=1/2 N0 N0 /2 = N0e- t T1/2=L

6、n2/ =0.693/ ,不同核素的T1/2值差别很大，例如232Th的半衰期为1.391010年，而212PO的半衰期只有3.010-7秒。 几种常用放射性核素的半衰期是： 24Na的T1/2 15.6小时 131I的T1/2 8.1天； 32P 的T1/2 14.3天 59Fe的T1/2 47.1天； 60Co的T1/2 5.3年 3H的T1/2 12.4年； 14C 的T1/2 5720年 238U T1/2 4.5109a,放射性活度（Activity） 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数为该物质的放射性活度，用A标记。 A= N = N0 e - t = A0 e - t 放射

7、性活度单位 1977年，国际辐射单位和测量委员会（ICRU）规定活度的国际单位制单位为贝可勒尔，简称贝克（Bq）。 其定义为 1贝可1衰变秒-1 （1Bq1s-1） 它表示每秒钟有一次核衰变。 专用单位：居里（Ci） 1居里3.71010 贝克 （1mCi10-3Ci）,X 射线,X射线的发现 X射线的产生 X射线的本质 X射线的能谱 X射线的应用,“偶然”的大发现X射线 1895年10月，德国波恩的物理学教授伦琴，在实验室内装起了阴极射线管，开始研究阴极射线。有一包用黑纸包着的照相底片全部感了光。11月8日晚上，他把阴极射线管用厚的黑纸包了起来，在黑夜却看见一块涂有铂氰酸钡的荧光屏发出绿光。

8、他把手伸到荧光屏和阴极射线管之间，看见了自己的手骨骼。,当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线。 条件： （1）电子-灯丝 （2）加速-高压 （3）靶面-阳极 （4）真空,X射线的产生,X射线的本质,X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同，仅是波长不同而已，具有波粒二像性。 波动性 粒子性,1906年，英国物理学家巴克拉显示了X射线的偏振现象，首次用实验证明了X射线的波动性。1912年，德国物理学家冯劳厄提出设想，认为X射线是波长很短的电磁波，晶体中各原子有规则的排列可以使X射线发生衍射。冯劳厄的建议很快为实验所证实，从而有力地证明了X射线的波动性，并首次测量了X射线的波长。,

9、波动性,X射线波长的度量单位常用埃（）表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为： 1nm=10 X射线的波长范围： 0.01100 硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。 软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析。,波动性,粒子性,X射线在与物质相互作用时交换能量。发生光电效应；康普顿效应；电子对效应等。 表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的能量和动量。 X射线的频率、波长以及其光子的能量E、动量P之间存在如下关系： 式中h普朗克常数，等于6.625 J.s; c光速,X 射线是一种高能

10、光子 穿透性很强。,X射线能谱,由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型： (1)连续X射线； (2)特征X射线；,特征谱,连续谱,连续X射线,具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。,连续光谱的X射线是高能电子与阳极靶的原子碰撞时，做减速运动损失自己的能量，其中部分以X光子的形式辐射出来形成的。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大的，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。这种X射线称为轫致辐射。,特征X射线,特征X射线是一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不

11、同的材料有不同的特征光谱。,X射线的应用,医学（X射线透视、照相、CT、X刀） 生命科学（三维结构、电离辐射生物效应） 天文学(X射线天文学、黑洞） 工业（探伤、光刻技术 ),1901 伦琴 (Roentgen) 发现X射线(1895) 1914 劳厄（Laue） 晶体的X射线衍射 1915 布拉格父子 (Bragg) 分析晶体结构 1917 巴克拉 (Barkla) 发现元素的标识X射线 1924 塞格巴恩 (Siegbahn ) X射线光谱学 1927 康普顿(Compton等六人) 康普顿效应 1936 德拜 (Debye) 化学 1946 马勒 (Muller) 医学 1964 霍奇金

12、 (Hodgkin) 化学 1979 柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield） 医学 1981 塞格巴恩(Siegbahn) 物理,同X射线有关的诺贝尔学奖,射线与物质相互作用, 射线与物质的相互作用，实质上就是射线的能量传递过程，包括两个相互联系的方面。一方面是射线对物质的作用，如引起物质的电离激发等；另一方面是物质对射线的作用，如引起射线减速、散射、吸收等。 常见的是带电粒子、中子和射线与物质的相互作用。它们与物质的相互作用时的机制是不同的。,射线分类 1.由电子组成（射线，电子线） 2.重带电粒子组成（射线、质子射线等） 3.中性粒子组成（中子射线） 4.光子组成（射线

13、、X射线）,一、带电粒子与靶物质原子作用方式 1.与核外电子发生非弹性碰撞 2.与核原子核发生非弹性碰撞 3.与核原子核发生弹性碰撞 4.与核外电子发生弹性碰撞 5.穿过原子核的库仑势垒发生核反应,二、电离和激发 1.电离（ionization） 入射带电粒子 非弹 核外电子 摆脱 自由电子 电离 2.激发（excitation） 入射带电粒子 非弹 核外电子 跃迁 激发态 激发（退激） 3.初级电离与次级电离,高能带电粒子穿入物质时，将自身的部分能量传递给壳层电子、使其逸出成为自由电子，形成正离子和电子组成的离子对，这种过程称直接电离（或初级电离）。直接电离出的高能电子称电子，它能进一步引起

14、物质原子电离，称次级电离。通常，次级电离占总电离的60%80%。,如果带电粒子传递给壳层电子的能量不足以克服原子核的束缚(小于结合能时)，则只能使电子从低能态跃迁到高能态，使原子处于激发态，此过程称为激发。处于激发态的原子不稳定，会放出特征X射线而跃迁到较低的能态或基态。,三、粒子的吸收和射程 1.吸收 2.射程,带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射方向穿过的最大直线距离，称为该入射粒子在物质中的射程（range）。 射程与路径不同； 射程与能量有关，同一吸收物质,粒子在空气中的射程只有几厘米，在生物组织中的射程只有几十到几百微米，可见粒子的穿透能力很弱，它很容易被吸收，一张纸或生物组织的表

15、皮就可以阻挡住粒子。因此粒子的外照射防护问题很容易解决，但粒子的电离本领特别大，一旦发射体进入体内，则危害比较大。,1、电子的电离损失 与粒子相比，在相同能量情况下，电子的速度比粒子大得多，因而电离损失率比粒子小的多。与此相反电子在物质中的穿透本领却要比同能量的粒子大很多。,四、 电子与物质的相互作用,2、电子的辐射损失,是电子与物质原子的原子核的发生非弹性碰撞时产生的一种能量损失。,五、射线与物质的相互作用,射线与物质的相互作用主要有下列三种类型： 光电效应、康普顿效应 、电子对效应,射线与物质相互作用趋于一次碰撞中损失掉大部分能量或失全部能量。 射线通过物质时由于本身不带电荷，不能使物质直接电离和激发，次级电子，引起次级电离和激发。由于X射线实际上是由高速电子引起的 一种韧致辐射，与物质的相互作用和射线相同。,低能,1.022MeV以上,1MeV优势,1.照射量 2.比释动能 3.吸收剂量 4.当量剂量 5.有效剂量,辐射剂量学基本量,电离是电离辐射的特点，照射量就是根据光子对空气的电离能力来度量光子辐射场的 一个物理量。 1962年国际辐射单位和测量委员会（ ICRU）第10号出版物正式把照射量作为x（）射线的度量，其单位为伦琴（R）。,一、照射量和照射量率,1.照射量和照射量率,（1）照射量定义：X