放射性基础及检测方法-2010

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1、放射性基础知识 及检测方法,厦门市建筑工程检测中心有限公司,主要内容,原子结构与放射性 放射性物理基础 核辐射度量及单位 放射性检测,第一部分 原子结构与放射性,物质世界是由什麽组成的？ 是什麽把它们组合在一起？,1）“原子”概念的提出,朴素的认识论： 世界万物由 水 空气 土 火等构成,古希腊时代: 思辩性古代原子论 万物由原子构成,原子是物质世界的共同基础， 不能再分割。,2） 1803道耳顿化学原子论,原子是保持元素化学性质的基本粒子-科学概念,伦琴发现X射线,1895年，德国物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了X射线 它不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新

2、的希望。 伦琴因此成为1901年第一个诺贝尔物理学奖得主,世界上第一张X光照片,贝克勒尔发现放射性,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生证明发射这种射线是铀原子自身的作用。 放射性的发现，引起人们对原子核内部的研究的深入。“进入原子内部”和“分裂原子”成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。 贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获1903年诺贝尔物理学奖。,贝克勒尔与 居里夫妇,1898年，物理学家居里夫人在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中，先发现了一种新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她将其名命为“钋”。 居里夫妇又花了4年时间，发现了镭，并在极端艰苦的

3、条件下，从几吨沥清铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭，后又测出其原子量为225，其发出的射线比铀强200多万倍。 居里夫人因此获1911年诺贝尔化学奖。,更强的放射性钋、镭,居里夫妇,卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型： 一种是极易吸收的，他称之为射线； 另一种有较强的穿透能力，他称之为射线。 后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线射线。 由于组成射线的粒子带有巨大能量和动量，就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。,卢瑟福发现射线,电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的，阴极射线究竟是什么？物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置，证实

4、了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的。,他还指出电子是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离子的千分之一 。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成部分。,汤姆逊发现电子,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10-10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。 同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。

5、,汤姆逊的原子结构模型,卢瑟福的原子结构模型,1911年，卢瑟福借助于粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径10-15米的范围内，而原子半径却有1010米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明长冈半太郎的“土星型模型”比汤姆逊的“葡萄干面包模型”更接近于物理真实。,原子结构模型演化示意图,1932年，物理学家查德威克发现了其质量同质子相当的中性粒子，这正是1920年卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子，即中子。他因此获1935年诺贝尔物理学奖。,查德威克发现中子,中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工控制原子核提供了有效手段

6、。它可以说是打开原子核奥秘的“钥匙“，在开发原子能的伟大事业中大显身手。,探索原子核奥妙的钥匙中子,由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想“炮弹“。,现代原子结构,现代原子结构,1933年，狄拉克关于正电子存在的预言被证实，安德森因此获1936年诺贝尔物理学奖。 1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，他们因此获1959年物理奖。 1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。 莱因斯等利用大型反应堆，在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获1995年物理学奖。到1968年，人

7、们才探测到了来自太阳的中微子。 1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中找到了1934年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获1949年物理奖，鲍威尔获1950年物理奖。,基本粒子,公元前4世纪 德寞克利特,1803 道尔顿,1911 卢瑟福,1932海森堡,？,人类认识物质“基本砖块”历程,电子,2000 多年,9 0 多 年,200,1990年代 “基本砖块” 轻子 12 夸克 36 媒介子 13 希格斯粒子 1 合计 62 其中 2个粒子尚未发现：引力子和希格斯粒子。,1964夸克,第二部分 放射性物理基础,核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素 核素是原子

8、核的一种统称,核素及符号表示,原子核结合能,定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量 原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定,表: 比结合能 (原子核结合能/核子数),天平为何倾斜?,重,轻,原子核结合能和原子核稳定性,质量亏损 氦原子核（ 4He）由2个质子 + 2个中子构成 2个质子质量 + 2 个中子质量 =原子核 4He 的质量 2 x 1.007276 + 2 x 1.008665 - 4.002603 M (4He) = 4.031882 - 4.002603 = 0.029279 u,E(4He)= M (4He) C2 = 27.27 MeV 亏损的质量转化为能量

9、氦原子核的结合能是 27.27 MeV,亏损的质量哪里去了?,质能关系 E = M C 2,252Cf 自发裂变,中子引起 235U 裂变,H 原子核聚合 H 的燃烧,太阳能,释放能量举例,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!,基本衰变衰变,放射性衰变及衰变规律,衰变241Am 237Np,发生原因：母核中子或质子过多,质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷,中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷,基本衰变衰变,基本衰变衰变（动画）,衰变3H 3He,正衰变11C 11B,电子俘获,电子俘获7Be 7Li,基本衰变衰变,基本衰

10、变衰变,衰变特点： 1、从原子核中发射出光子 2、常常在 或 衰变后核子从激发态退 激时发生 3、产生的射线能量不连续 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别,衰变3He 3He, 衰变,- 衰变,+ 衰变, 衰变,半衰期 (T1/2) 定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。,经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n,放射性衰变规律,半衰期,放射性同位素的半衰期,Ra-226变为Rn-222的半衰期约为1600年,半衰期,Rn-222的半衰期为3.82d,核辐射的基本性质,核辐射与物质的相互作用,核辐射与物质的基本作用,。 。 。 。原子。

11、, n,物 质：气体 液体 固体 包括人体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,1 带电粒子与物质的作用,自由电子,正离子, + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子,+,e-,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,库仑作用,射线是波长很短能量高的电磁辐射

12、 （ 10-11 米，keV，MeV），来自原子核衰变, 不带电， 静止质量 0 。,2、中性粒子（ 射线）的电离作用,能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。,能量 E = h） 动量 p = h / c,电磁辐射谱, 小 能量高,E=h , =c / ,大 能量低,2 射线对物质的电离作用 两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应 次级电子使 物质原子电离,射线,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,光电效应,自由电子,作用机制 光子同(整个)原子作用把自己的全部能量

13、传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线,原子,受激原子,电子对效应 能量1.02 MeV 的射线 与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M + e+ + e- 1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV 基本条件： 射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量 M = E /C2,对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m) 离子对密度/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个,1 MeV 的粒子穿透物质能力, 1 页 60页/本

14、,铅,地 下 1-2 米深,铅室,n,4580本,中子源,射线穿透物质能力, 射线穿透 人体皮肤情况,4种天然放射性核素的主要辐射特征,辐射特征,第三部分 核辐射度量及单位,1. 放射性活度（activity, A),定义：放射性核素在单位时间(dt)内 发生核衰变的数目(dN),A=dN/dt,单位： SI: Becquerel(Bq) 1Bq=1s-1 居里 1Ci=3.71010Bq,2. 吸收剂量（absorbed dose, D),定义： 授予单位物质(dm)（或被单位物质吸收） 的任何致电离辐射的平均能量（dE)。,单位： J/kg 1 J/kg =1Gy（戈瑞） 1 Gy = 1

15、00 rad（拉德）,吸收剂量1 戈瑞（1焦耳/千克）时的能量效应,1）水温升高 （比热 4.2103J/千克度） 1 kg水物质吸收剂量 1 Gy 水温度上升 1/（4.2103）= 2.410-4 C,2）转化为物体的动能 m D= (1/2)m v2 运动速度 v = 1.4 m/s,3) 转化为物体的势能 m D = m g h 上升高度 h = 0.1 m,剂量实际上是单位物质吸收电离辐射能 大小的一种量度,定义： 组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积。,3. 当量剂量（equivalent dose, HT),单位：焦耳/千克 专用名称：Sievert, Sv（希沃特） 1 Sv = 1 J/kg,辐射权重因子 (Radiation weighting factor, WR),4.有效剂量（effective dose, E),定义： 各组织或器官的当量剂量（HT）与相应的组织权重因子（WT）的乘积的总和。,意义：定量评价随机效应的危险度,单位：S