核物理基础知识

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1、核基础知识：一、电磁辐射（Electromagnetic Radiation ）电磁辐射：带净电荷的粒子被加速时，所发出的辐射称为电磁辐射（又称为电磁 波）。电磁辐射：能量以电磁波形式从辐射源发射到空间的现象。电磁频谱中射频部分是指：频率约由3千赫（KHZ）至300吉赫（GHZ）的辐射。包括 形形色色的电磁辐射，从极低频的电磁辐射至极高频的电磁辐射。两者之间还有 无线电波、微波、红外线、可见光和紫外光等。电磁辐射有近区场和远区场之分， 它是按一个波长的距离来划分的。近区场的电磁场强度远大于远区场，因此是监 测和防护的重点。电磁污染：分为天然电磁辐射和人为电磁辐射两种。大自然引起的如雷、电一类的

2、电磁辐射属于天然电磁辐射类，而人为电磁辐射污 染则主要包括脉冲放电、工频交变磁场、微波、射频电磁辐射等。电磁辐射危害人体的机理，电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和 累积效应等。1、热效应：人体70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体 升温，从而影响到体内器官的正常工作。2、非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的， 一旦受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏，人体也 会遭受损伤。3、累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我 修复之前，再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永 久

3、性病态，危及生命。电磁辐射作用:（1）医学应用：微波理疗活血，治疗肿瘤等（2）传递信息：通信、广播、电视等（3）目标探测：雷达、导航、遥感等（4）感应加热：电磁炉、高频淬火、高频熔炼、高频焊接、高频切割等（5）介质加热：微波炉、微波干燥机、塑料热合机等（6）军事应用：电子战、电磁武器等电磁辐射防护规定具体标准如下：职业照射：在每天8小时工作期间内，任意连续6分钟按全身平均的比吸收率 （SAR）小于 0.1W/kg。公众照射：在一天24小时内，任意连续6分钟按全身平均的比吸收率（SAR）应 小于 0.02W/kg。二、电离辐射（放射性辐射）电离辐射：一切能引起物质电离的辐射总称。其种类很多，高速

4、带电粒子有a粒 子、P粒子、质子，中子，各种粒子束，宇宙射线，等等。不带电粒子有种子以 及X射线、y射线。电离辐射中的y射线，X射线，本质是能量非常高的电磁 波，有很强的致电离能力。而我们通常说的电磁波一般情况下没有致电离能力或 致电离能力非常弱。a射线：是一种带电粒子流，由于带电，它所到之处很容易引起电离。a射线有 很强的电离本领，这种性质既可利用。也带来一定破坏处，对人体内组织破坏能 力较大。由于其质量较大，穿透能力差，在空气中的射程只有及厘米，只要一张 纸或健康的皮肤就能挡住。P射线：也是一种高速带电粒子，其电离本领比a射线小得多，但穿透本领比a 射线大，但与X、Y射线比6射线的射程短，

5、很容易被铝箔、有机玻璃等材料吸 收。X射线、Y射线：二者性质大致相同，是不带电波长短的电磁波，因此把他们统 称为光子。两者的穿透力极强，要特别注意意外照射防护。电离辐射各种射线有四个共同特点：a. 有一定的穿透能力；b. 人的五官不能感知，只有专门的仪器才能探测到；c. 照射到某些特殊物质上能发出可见的荧光；d. 透过物质时能产生电离作用。电离辐射的来源：放射性核素（包括天然的和人工生产的）、核反应装置，如反 应堆、对撞机、加速器、核聚变装置等等、用于医学诊断和治疗的X射线机。 辐射对人的危害：高能电磁辐射毫无疑问，将对人造成危害；而粒子辐射的情况 要复杂一些；阿尔法辐射和贝塔辐射本身都非常弱

6、，穿透力很差，一般不能直接 对人体造成危害，但可以产生电离辐射；但快中子毫无疑问将对人造成非常大的 威胁。电离辐射产生的二次辐射本身也并不很强，但容易形成带若放射性的空气， 被人吸入后产生较大威胁，关键是电离辐射往往在放射源关闭后仍能存在一定时 间，且容易被忽视。三、X射线（或丫射线）等电磁辐射与物质相互作用及带电粒子与物质的作用机 制X射线和Y射线：都是一定能量范围的电磁辐射，又称光子。光子静止质量为0， 不带任何电荷。X射线和y射线的唯一区别是起源不同。从原子来说，X射线来 源于核外电子的跃迁，而Y射线来源于原子核本身高激发态（或基态）的跃迁或 粒子的湮灭辐射。辐射可以分为带电粒子辐射和非

7、带电粒子辐射。其中带电粒子 通过物质时，在物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的传递和交换：其 中一种主要的作用是带电粒子直接使原子电离或激发。而非带电粒子则通过次级 效应产生次带电粒子使原子电离或激发。能够直接或间接引起介质原子电离或激 发的核辐射通常叫做电离辐射。带电粒子与物质的相互作用：（1）带电粒子能量损失方式之一一电离损失；（2） 带电粒子能量损失方式之二一辐射损失；另外，正电子除以上两类损失外，还会 产生正电子湮灭辐射。快速运动的正电子通过物质除了发生与电子相同的效应 外，还会产生0.511Mev的Y湮灭辐射，在防护上还要注意Y射线的防护。Y射线与物质相互作用有以下几种基本的次

8、级效应：光电效应：当Y光子通 过物质时，与物质原子中束缚电子发生作用，光子把全部能量转移给某个束缚电 子，使之发射出去，这种过程叫光电效应；发生光电效应后，原子内层轨道形成 空轨道，外层轨道电子很快填充到空轨道，从而释放出特征X射线或俄歇电子。 光电效应发生的几率与入射光子的能量以及介质原子序数有关，当光子的能量 等于或略高于轨道电子的结合能时，发生光电效应的概率最大，光电效应发生的 几率随原子序数的增高明显增大。康普顿效应：入射丫光子同原子中外层电 子发生碰撞，入射光子仅有一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子； 而光子能量减少，变成新光子，叫做散射光子，运动方向发生变化，这一过程称

9、 为康普顿效应；康普顿效应发生的几率与光子的能量和介质的密度有关，当g 光子的能量为5001000keV时，康普顿效应比较明显；介质的密度越高，康普 顿效应越明显。电子对效应：当一定能量的Y光子进入物质时，Y光子在原子 核库仑场作用下会转变为一对正负电子，这一现象称做电子对效应；电子对生成 的几率大约与原子序数的平方成正比。射线的吸收。Y射线通过物质时，由 于光电效应、康普顿效应和电子对生成而损失能量，并逐渐被物质吸收。物质对 Y光子阻挡能力用半值厚度(half value layer)表示，半值厚度即使Y光子活度 减弱一半所需要的物质厚度。半值厚度与入射光子能量和介质密度有关，入射光 子能量

10、越低，介质密度越大则半值厚度越小，即物质对射线的阻挡作用越强。故 g射线常用密度大的物质进行防护。电离作用:当带电粒子(a、B粒子)通过物质时，和物质原子的核外电子发生 静电作用，使电子脱离原子轨道形成一个带负电荷的自由电子，失去核外电子的 原子带有正电荷，与自由电子形成一离子对。这一过程称为电离(ionization) 带电粒子电离能力的大小可用带电粒子在单位路径上形成离子对的数目表示，称 为电离密度(ionization density)或比电离。电离密度与带电粒子的电量、速度 以及物质密度有关，带电粒子的电量越大，其与物质原子核外电子发生静电作用 越强，电离密度越大；带电粒子的速度越慢，

11、其与核外电子作用的时间越长，电 离密度越大。激发作用:当带电粒子(a、B粒子)通过物质时，和物质原子的核外电子发生 静电作用，使核外电子获得能量，由能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，使 整个原子处于能量较高的激发态，称为激发(excitation)。激发的原子不稳定， 退激后可释放出光子或热量。散射作用:带电粒子与物质的原子核碰撞而改变运动方向和/或能量的过程称为 散射(scattering)。仅运动方向改变而能量不变者称为弹性散射。运动方向和能 量都发生变化者称为非弹性散射。散射作用强弱与带电粒子的质量有关，带电粒 子的质量越大，散射作用越弱，a粒子散射一般不明显，B粒子散射较为明显。 韧

12、致辐射：带电粒子受到物质原子核电场的作用，运动方向和速度都发生变化， 能量减低，多余的能量以X射线的形式辐射出来，称为韧致辐射 (bremsstrahlung)。韧致辐射实际上是一种非弹性散射。韧致辐射释放的能量与 介质的原子序数的平方成正比，与带电粒子的质量成反比，并且随带电粒子的能 量增大而增大。a粒子质量大，一般能量较低，韧致辐射作用非常小，可以忽略。 B粒子的韧致辐射在空气和水中很小，但在原子序数较大介质中不可忽略，因此， 在放射防护中，屏蔽B射线应使用原子序数较小的物质，例如塑料、有机玻璃、 铝等。湮灭辐射:B+衰变产生的正电子可在介质中运行一定距离，能量耗尽时和物质中 的自由电子结

13、合，两个电子的静止质量(相当于1022keV的能量)转化为两个方 向相反、能量各为511keV的g光子而自身消失，叫做湮灭辐射(annihilation radiation)。吸收作用:带电粒子通过物质时，与物质相互作用，能量不断损失，当射线能量 耗尽后，带电粒子就停留在物质中，射线则不再存在，称为吸收(absorption)。 射线被吸收前在物质中所行经的路程称为射程(range)。射线的射程与射线的种 类、射线能量、介质密度有关，B射线比a射线射程长。射线能量越高射程越长， 介质密度越大射程越短，对射线吸收作用越强。四、原子核基础知识原子核物理：是研究原子核(atomic nucleus)

14、的特性、结构及其相互转变的学科。 原子核的核子之间存在着很强的引力，称为核力，核力使原子核中的核子结合在 一起，同时，原子核中又存在质子间的静电排斥力等不稳定因素，原子的稳定性 由核子之间的核力产生的稳定效应和质子之间的静电排斥力等不稳定效应的相 对大小决定,与核子数目及质子与中子的比例有关。核素：质子数、中子数均相同，并处于同一能量状态的原子，称为一种核素(nuclide)。核素用.二:表示，X为元素符号、Z为质子数、A为质量数，质量数 即质子数与中子数(N)之和。常简写为AX，如果核素处于激发态，则在右上角 加m。稳定核素：原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素。放射性核素：原子核处于

15、不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定 的核素，称为放射性核素(radionuclide)。同位素(isotope):质子数相同，但中子数不同的核素，它们在元素周期表中占 据相同的位置。同质异能素(isomer):具有相同的质子数和中子数，处于不同核能态的核素互称 为同质异能素。基态的原子和激发态的原子。核衰变(nuclear decay):放射性核素由于核内结构或能级调整，自发地释放出 一种或一种以上的射线并转化为另一种核素的过程。核衰变方式:a衰变:释放出a射线的衰变方式称为a衰变(adecay)。a衰变发生于原子序 数 82的核素。B-衰变：释放出b-射线的衰变方式称为b-衰变

16、(b- decay)。b-衰变发生于富中 子核素，实质上是原子核的一个中子转化为质子。b+衰变：释放出b+粒子的衰变方式称为b +衰变(b+ decay) b +粒子即带 一个单位正电荷、质量与电子相同的粒子，也叫正电子(positron)。b +衰变发 生于贫中子核素，实质上是原子核的一个质子转化为中子。电子俘获(electron capture):原子核从核外俘获一个轨道电子。电子俘获也 发生在贫中子核素，由于核内中子相对不足而从核外内层的电子轨道上俘获一个 电子，使其一个质子转化为中子。Y衰变：原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时，放出g射线的衰 变过程称为g衰变。发生g衰变(g decay)时，原子核的激发能也可以直接传递 给核外的内层电子，使之脱离轨道成为自由电子，这一过程称为内转换(internal c