核安全综合知识01

第一章原子核物理基础考试要求：熟悉原子结构的知识（原子、原子核、同位素）熟悉放射性的概念、原子核衰变及其规律（核素图、半衰期、放射性活度的单位计算和测量）熟悉射线（α射线、β射线、γ射线、X射线、中子等）及其与物质的相互作用。掌握核反应的类型了解核裂变及裂变反应的知识思考题1.原子的核式模型的假设是卢瑟福根据什么实验而提出的？其假设的结论是什么？2.原子核是由哪两种粒子组成的？核素用（A,Z）X（N）来表示，符号中的A、Z、N各代表什么量？3.原子与原子核的尺度大小为什么量级？原子核的半径R与原子核的质量数A有什么关系？4.什么是原子核的结合能B(Z,A)？它是如何定义的？5.什么是原子核的比结合能？为什么说图1-4中的比结合能曲线揭示了原子核裂变和聚变能的基本原理？6.放射性衰变服从指数规律，试说明式中衰变常数的物理意义。还常用哪些参数来描述衰变过程的快慢，它们的关系是什么？7.什么是放射源的放射性活度，常用什么单位来度量？Bq和Ci有什么关系？8.根据表1-1列出常见的辐射，分析哪些是带电粒子？哪些是不带电粒子？9.X射线（或γ射线）的等电磁辐射与物质相互作用与带电粒子与物质作用的作用机制有何不同？γ射线与物质相互作用过程有哪几种？10.窄束γ射线（或X射线）的吸收服从什么规律？线性吸收系数μ的物理含义是什么？其量纲是什么？11.在探测辐射中广泛使用的有哪几类探测器？12.什么是核反应的反应道？一种入射粒子与某一种核的反应道仅仅只有一个吗？13.如何区分放能核反应和吸能核反应？对吸能核反应如何求核反应阈能？14.发生自发裂变的条件是什么？裂变能的定义是什么？15.由中子引起的诱发裂变中如何区分易裂变核素和非易裂变核素？16.指出链式裂变过程中瞬发裂变中子和缓发裂变中子对反应堆控制的作用？本章小节本章重点为论述原子核物理中的基本内容，本章分为了个小节论述：第一节介绍了原子与原子核的结构，对原子的核外电子的壳层模型作了简单描述，解释了电子能级的跃迁和特征X射线的形成机制。对原子核的组成及其稳定性、原子核的大小、原子核的结构能作了较为深入的讨论。并对质能联系定律，即爱因斯埋关系式作了必要的论述。第二节讲解了原子核的放射性，重点放在放射性核素的指数衰变规律的论述，对常用的衰变常数、半衰期和平均寿命的概念作了说明。对放射性活度的概念及其单位的定义进行了讨论，并对指数衰变规律的最基本应用实例作了解严。第三节对最常用的辐射如α射线、β射线、X射线和γ射线及中子作了介绍，重点放在它们与物质的相互作用。对探测原理上作了介绍，这对全面理解核安全是十分重要的。第四节对核反应的分类进行了讨论，论述核反应中反应道、核反应能及阈能、核反应的截面和产额等最基本的概念。为此，应用了质心坐标系和实验室坐标系统的概念。第五节介绍了核裂变反应的知识，讲解了自发裂变和诱发裂变的物理机制，重点放在后者。裂变过程是当前核能利用的最重要的途径，也是当前形成核安全问题的主要来源，因此，对核裂变的产物，对废物的处理都需要给予特殊的关注。引言1895年发现X射线、1896年发现放射性、1897年发现电子，这三大发明揭开了近代物理的序幕，物质结构的研究开始进入微观领域。其中，1896年法国科学家贝克勒尔发现天然放射性射线，成为人类第一次观察到核变化的情况，通常人们把这一重大发现看成是原子核物理的开端，到20世纪50年代就逐步形成了研究物质结构的三个分支学科，即原子物理、原子核物理和粒子物理。三者各有独立的研究领域和对象，但又紧密关联。原子和原子核的基本性质世界万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。到目前为止，包括人工制造的不稳定元素，人们已经知道了一百多种元素了。1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出了原子的核式模型假设，即原子是由原子核和核外电子所组成；原子物理学（核外电子的运动构成了原子物理的主要内容）原子核物理学（主要研究对象为原子核）电子是由英国科学家汤姆逊于1897年发现的，也是人类发现的第一个微观粒子。电子带负电荷，电子电荷的值为e=1.60217733E-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只是e的整数倍；电子的质量为me=9.1093897E-31kg；原子核带正电荷，原子核的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的，原子可以设想为电子以原子核为中心的，在距核非常远的若干轨道上运行；原子的大小半径为10E-8cm的量级；原子核的质量远远超过核外电子的总质量，因此，原子的质量中心和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=10E-3m=10E-15cm），而密度高达10E8t/cm3。物质的许多化学及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要归因于原子核。一原子的壳层结构原子核核外电子又常称为轨道电子，把电子看成沿一定的轨道运行。电子在核外各轨道呈一定的概率分布，但在一定的轨道上的概率分布上的概率分布较大而已。原子的轨道电子离核的距离是不能任意取值的，这也是微观世界的量子特性的一种表现。电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层。K层、L层、M层、N层、O层等，通常用量子数n（n=1，2，3，…）代表壳层，并分别对应K层、L层、M层…，每个壳层最多可容纳2n2个电子。除了K层外，其它壳层又可分成若干的支壳层，支壳层的数目等于（2l+1）个，其中l=n-1，l是描述电子轨道的量子数。通常用壳层符号及其右下标的罗马数字来表示支壳层。如LⅠ表示L壳层的第一个支壳层，可称为壳层LⅠ和MⅡ壳层。处于不同壳层的电子具有不同的位能，通常用能级图来表示其大小。离壳层越近其能级越低。能级的能量大小就等于该壳层的结合能。能合能是负值，通常以KeV为单位，K壳层电子的结合能的绝对值最大。用三个最子数n、l和j来描述不同的能级，其中n（=1、2、3、…）和l（=0，1，2，…）是与电子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为l±1/2。量子数nlj的不同组合区别不同的支壳层。每个支壳层最多可容纳2j+1个电子。在正常状态下，电子先充满较低的能级，但当原子受到内在原因或外来因素作用时，外在低能级的电子有可能被激发到较高的能级上（称为激发过程）；或电子被电离到原子的壳层之外（称为电离过程）。在上述情况下，在原来的低能级上会留下一个空位，更高能级上的电子就跃迁到这个空位，相应放出此两能级之差的能量，一般这部分能量主要以电磁辐射的形式释放一个光子。当发生内层电子跃迁（如K层出现一个空位，L层电子跃迁到K层），此时光子能量较高或者说其电磁辐射的频率较高），而且不同元素的原子均有不同、特定的能量，所以又通常称作特征X射线。特征X射线的能量（或相应波长）满足下面公式：Ex=hc/λ=E1-E2(h为普朗克常数值为6.6260755E-34Js特征X射线根据其产生的情况可以分为K系、L系、M系特征X射线，每系都含有若干能量不同的X射线。K系特征X射线是由K壳层之外壳层的电子跃迁到K壳层空位时发射的特征X射线。并不是所有较高的能级的电子都可以向较低的能级跃迁，而需要满足一定的选择定则。二原子核的组成及其稳定性1897年居里夫妇发现放射性元素钋和镭；1903年卢瑟福证实了α放射是正电荷的氦原子核，β射线是电子；1911年进而提出原子的核式模型；1932年查德威克发现中子，海森堡立刻提出原子核是由质子和中子组成的假设。1原子核的组成及其表示中子和质子的质量相关很小，它们的质量分别为mn=1.00866492u；mp=1.00727646u；这里u为原子质量单位，1960年国际上规定把C-12原子质量的1/12定义为原子质量单位，用u表示，1u=1.6605402E-27kg=931.494013MeV/c2；中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。任何一个原子核都可由符号NAZX右下标N表示核内中子数，左下标Z表示质子数或称电荷数，左上标A（A=N+Z）为核内的核子数，又称为质量数。核素符号X与质子数Z具有唯一、确定的关系。可简写为AX，它已足以代表一个特定的核素，只要元素符号X相同，不同质量数的元素在周期表中的位置上相同，质子数也相同，它们具有相同的化学性质；核素（nuclide）：在其核内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；同位素（isotopes）：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；它们具有基本相同的化学性质；同位素丰度：某元素中各同位素天然含量的原子数百分比；同质异能素（isomers）：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，它们的A和Z均相同，只是能量状态不同，一般在元素符号的左上角质量数A后加上字母m表示，这种核素的原子核一般处于较高能态。同质异能素所处的能态又称为同质异能态，它与一般的激发态在本质上并无区别，只是半衰期即寿命较长而已。2原子核的稳定性及核素图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。核素图：图中每一格代表一个特定的核素；黑色或公平合理有斜线条的核素为稳定核素，格中百分数为该核素的丰度；白底的核素为不稳定的放射性核素，格中αβ-β+表示该核素的衰变方式，箭头指向为衰变后的原子核，时间表示半衰期的值；在现代的核素图上既包括天然存在的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；β稳定核素图：横坐标为质子数，纵坐标为中子数N（同位素、同中子异荷素、同量异位素）；稳定核素几乎落在一条光滑曲线上或紧靠曲线的两侧，这条曲线称为β稳定曲线；对于轻核稳定曲线与直线N=Z重合，当N、Z增大到一定数值之后，稳定性逐渐赂NZ的方向偏离；在Z小于20时核素的N与Z之比约为1；在Z为中等数值时约为1.4；Z等于90左右时约为1.6；位于稳定曲线上方的核素为丰中子核素，易发生β-衰变；位于稳定曲线下方的核素为缺中子核素，易发生β+衰变。由于库仑力是长程相互作用力，它能作用于核内的所有质子，正比于A(A-1)；而核力是短程力，只作用于相邻的核子，正比于A。随着Z的增加，A也随之增加，库仑相互作用的影响增长得比核力快，要使原子核保持稳定，必须靠中子数的较大增长来减弱库仑力的排斥作用，因此，随着Z(A)的增长，稳定核素的中子数比质子数越来越多，越来越大地偏离Z=A直线。不过当Z大到一定程度，稳定核就不复存在，稳定核素区慢慢就终止了。在1966年左右，理论预告在远离β稳定曲线的Z=114附近，存在一个超重稳定元素岛；原子核的稳定性还与核内质子数和中子数的奇偶性有关，自然界存在的稳定核素共270多种，若包括半衰期109年以上的核素则为284种，其中：偶偶（e-e）核：166种；偶奇（e-o）核：56种；奇偶（o-e）核：53种；奇奇（o-o）核：9根据核内质子数和中子数的奇偶性，可以看出：偶偶核是最稳定的，稳定核最多；其次是偶奇核和奇偶核；而奇奇核最不稳定，稳定核素最少；当原子核的中子数或质子数均为2、8、20、28、50、82和中子数为126时，原子核特别稳定。把上述数目称为幻数。三原子核的大小一个原子的线度约为10E-8cm，若想象原子核近似于球形，则就有原子核半径的概念；历史上最早研究原子核大小的是卢瑟福和查德威克，他们用质子或α粒子去轰击各种原子核；轻原子核的半径遵从如下的规律：R=r0A1/3,r0=1.20fm其它更精确的测量方法：中子衍射截面法、高能电子散射法等等原子核半径R与A1/3成正比，而其比例常数r0的最近数据为：电荷半径R=（1.20±0.30）A1/3fm，核力半径R=（1.40±0.10）A1/3fm。原子核的密度-单位体积内的核子数为：为2.84E8t/cm3。四原子术核的结合能：1质能联系定律质量和能量都