第一章核科学基础

1第一章原子核物理基础1.1核衰变1.1.1衰变类型在目前已知的约两千多种同位素中，大多数都是人工制造出来的，天然同位素约有333种，其中283种是稳定的，50种是不稳定的。而人工制造出来的，都是不稳定的。所谓不稳定，即指这些核素要进行自发衰变，放出α、β±或γ射线。不稳定核素有转变为稳定核素的趋势。大量实验表明，原子核的稳定性取决于核内的中子数和质子数之比。中子数比质子数多许多或少许多的核，是不稳定的。衰变的定义：不稳定的原子核放出某种粒子后，转变为另一种核素的现象，称为衰变。原子核从较高能态回到较低能态的过程，也是一种衰变现象。衰变是不稳定核素的固有属性，不稳定核素也称为放射性核素。最常见的衰变类型有：α衰变、β衰变、γ衰变。1.1.2α衰变原子核自发地放出α粒子而发生的转变，称为α衰变。例如：23892U23490Th＋42He＋γ伴随着发射γ射线。1.1.3β衰变原子核自发地放出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变，称为β衰变。β粒子是β+粒子和β-粒子的统称。β+粒子是正电子，β-粒子是负电子。两者的质量相等，电荷大小也相等，但电荷符号相反。β衰变有三种情况：1．β-衰变AZXAZ＋1Y＋β-＋v~v~称为反中微子（anti-neutino），它是中性粒子，质量不大于电子静止质量的1/8500。β-衰变是原子核内中子转化为质子的结果。（核内有过量的中子）天然放射性核素的β衰变大多数是β-衰变。2．β＋衰变AZXAZ－1Y＋β＋＋vv称为中微子（neutino），它是v~的反粒子。β＋衰变实质是原子核内质子转化为中子。（核内有过量的质子）只有某些人工射性核素的才能发生β＋衰变。3．轨道电子俘获AZX＋eAZ－1Y＋v实质是核内一个质子转化为一个中子。因K层电子离核最近，因此k层电子被俘获的几率比其它壳层电子都大，所以这一过程常称为k俘获。总结：无论是哪种β衰变，其实质是核内中子－质子间的相互转化。在发生β衰变过程中，也伴随着发射γ射线。1.1.4γ衰变原子核通过发射γ光子，从激发能态(excitedstate)回到较低能态的过程，称为γ衰变。(基态groundstate)原子核在发生α衰变或β衰变时，原子核多处于激发态，因此，在发生α衰变或β衰变的过程中，常2常伴随着γ射线。1.2辐射与射线辐射是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播能量的统称。例如，物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做原子辐射；不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。1.2.1α射线α粒子是氦的原子核，由两个质子和两个中子组成；核电荷数为+2，原子质量数为4。α粒子以符号42He表示。α粒子流称为α射线。α粒子是一种氦核，但氦核不一定是α粒子。1.2.2β射线高速电子流称为β射线。原子核发射出的β射线有两类：射线。β－射线就是通常的电子流，带有一个单位的负电荷。β＋射线就是正电子流，带有一个单位的正电荷。1.2.3X和γ射线X射线和γ射线都是一定能量范围内的电磁辐射，又称光子。光子静止质量为0，不带电荷。单个光子的能量与辐射的频率v成正比，即E＝hv，h为普朗克常数。X射线和γ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γ射线来源于原子核本身由较高能态向较低能态的跃迁或粒子的湮灭辐射。1.2.4中子中子不带电，质量数为1。用带电粒子(如α粒子)或γ光子轰击原子核，当发生核反应时，可以产生中子。自由中子的半衰期约为12min。衰变后形成质子、电子和中微子，即n→p+e-+ν。根据中子的能量不同，可以粗略地分成热中子、慢中子、快中子等。快中子能量最大,一般大于10OkeV；慢中子的能量一般小于1keV。热中子能量很小，通常与所在介质处于热平衡状态，热中子的平均能量约为0.025eV。1.3中子核反应中子不带电，它和原子核作用时，不存在库仑斥力，可以穿过核外电子层直接与核作用。按入射中子的能量与靶核的性质，中子与核可以发生如下一种或几种反应。1.3.1弹性散射(elasticscatter)中子与靶核碰撞过程中，动能、动量守恒，靶核的能级状态没有改变。相当于两个弹性小球的碰撞。碰撞后，中子的能量和运动方向均有改变。中子的弹性散射更容易发生在与轻核的碰撞过程中。弹性散射是反应堆中，特别是由热中子反应堆中的一种主要中子核反应类型。热中子反应堆中主要是由热中子引发裂变。从快中子到热中子的过程主要是依靠与轻核的弹性碰撞而损失能量。1.3.2非弹性散射(inelasticscatter)类似于弹性散射，但是靶核的能级状态有所升高。碰撞后，中子的能量和运动方向均有所改变，并伴随着靶核的γ衰变。高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射。1.3.3中子俘获反应(neutroncapture)靶核俘获中子放出γ射线的反应。靶核的能级状态升高，因此通常伴随着β、γ衰变。这类反应在反应堆中通常相当于损失中子。反应堆中一般情况下不希望看到中子损失。但是，有时就要利用某些吸收中子能力很强的材料来实现反应堆的控制。另外，可转换材料的靶核吸收中子后转化为易裂变材料，从而为人工制造易裂变材料提供了途径：238U＋n→239U→239Np→239Pu3232Th＋n→233Th→233Pa→233U1.3.4放出带电粒子的反应中子与靶核作用，生成一个新核并放出质子或α粒子等带电粒子的反应。这种反应对反应堆也很重要。例如：压水堆一回路系统中的冷却济水，流经堆芯时，水中的16O、17O等核吸收中子放出一个质子，发生16O(n，p)16N、17O(n，p)17N等反应，这些反应生成的核并不稳定，要发生放射性衰变，是一回路水的放射性剂量一个主要来源。1.3.5放出几个中子的反应高能中子轰击靶核，有时可以产生两个或多个中子。这种反应在压水堆中较少发生。1.3.6裂变反应1．概念中子撞击靶核，被靶核俘获之后，靶核变成了两个碎片（其他物质的原子核），同时释放出2－3个中子和能量的核反应。并非所有的物质与中子作用都可以发生裂变。自然界中存在的物质只有235U与中子作用可以发生裂变反应。人工制造的易裂变材料包括233U、239Pu、241Pu等。通过比较裂变临界能(Ecr)与靶核吸收一个中子所释放的结合能(Eb)来认定易裂变核素(如235U)与可裂变核素(如238U)。2．裂变能量每次裂变释放的能量约为200~210MeV，主要靠裂变碎片(fissionfragment)以动能的形式载带(~85%)。其他15％都是通过各种射线载带的。n、β、γ所载带的能量基本都可以得到利用。3．裂变释放的中子(fissionneutron)每次裂变平均释放出2～3个中子。释放出的中子为快中子，平均能量约为2MeV。绝大部分中子是伴随着裂变而瞬时释放的，称为瞬发中子(promptneutrons)。很少一部分中子是裂变后延时释放出来的，称为缓发中子(delayedneutrons)。缓发中子的份额虽然不到1％，但它使反应堆的控制成为可能。反应堆若维持临界状态稳定地运行，每次裂变释放的中子，应有一个中子去引发下一次裂变。233U在热堆中有优势，239Pu则更有利于快中子增殖堆。4．裂变产物(fissionproduct)裂变产物有很多种。裂变产物原子核在达到稳定状态之前，都伴随着β、γ衰变，释放衰变热(decayheat)。反应堆停堆以后，与裂变直接相关的能量释放停止了，但裂变产物的衰变热继续存在。反应堆停堆后衰变热的冷却是反应堆安全最为棘手的问题。1.4中子核反应的数学描述一般情况下，某种物质的原子核与中子发生核反应不仅限于一种可能。如，235U即可发生裂变反应，也可发生俘获反应。氢核既可发生弹性散射，也可发生中子俘获反应。反应率：单位时间、单位体积内发生某种核反应的次数，是反应堆工程中最为关心的一个物理量。1.4.1截面(crosssection)上面我们列举了几种重要的中子核反应，但这些反应发生的概率有多大呢？必须进行定量的研究和描述。核反应截面就是定量描述中子与原子核发生反应的概率的物理量。中子核反应的截面有微观截面和宏观截面之分，重要的是微观截面。1.4.2微观截面(microscopiccrosssection)某种材料的微观截面是该材料的固有特性，相当于“物性”。微观截面是表示中子与单个靶核发生相互作用的概率大小的一种度量,实际上是中子与原子核发生某种核反应之概率的一种描述。微观截面一般由实验测得。它的量纲是面积。通常采用“靶”作为微观截面的单位，1靶＝10224cm。41.4.3宏观截面(macroscopiccrosssection)前已述，微观截面描述的是中子与单个原子核发生相互作用的几率，但工程实践上要处理的是中子与大量原子核发生反应的问题。所以又引入一个新的物理量：宏观截面，符号为Σ。宏观截面的定义是：Σ＝N即核密度与该核的微观截面的乘积。核密度可用下式计算，它是单位体积中该核的数目：0NAN其中是物质的密度，A是原子质量数，Ｎ0是阿佛加德罗常数。从宏观截面的定义可知，它是中子与单位体积中所有原子核发生相互作用的概率的一种度量。宏观截面的量纲是长度的倒数。常用1／cm为单位。1.5中子源在研究核材料的性质或测量核截面的许多实验中都要用到中子源，反应堆启动时也需要外加中子源。1．产生中子源的方法由于中子很容易被原子核俘获，并且它本身又是β－放射性的，所以在自然界中无法存储自由中子。为了获得中子，就只有利用核反应。产生中子源的方法：(α，n)反应、（γ，n）反应、反应堆裂变以及利用加速器产生。2．(α，n)反应利用226Ra、210Po或222Rn等核放出的α粒子，轰击Be、Li、F或B等元素，即可产生1MeV到13MeV能量的中子。9Be＋4He——12C＋1n常见的是Ra-Be源。由于226Ra的半衰期是1620年，所以Ra-Be源相当稳定。Po-Be源，常用于反应堆初期的启动。3．（γ，n）反应利用9Be或2H核的（γ，n）光中子反应，也可以产生中子。9Be＋γ——8Be＋1n2H＋γ——1p＋1n4．利用加速器产生利用加速器产生的氘核、质子轰击氘核、氚核、7Li、9Be以及12C等靶核，产生中子。5.利用反应堆裂变裂变反应堆所产生的中子本身就是一个很好的中子源。1.6射线与物质相互作用从上述讨论可见，带电粒子通过物质时，在同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。非带电粒子则通过次级效应产生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。电离辐射同物质的作用过程以及所产生的效应不仅是核科学本身深入发展和核技术广泛应用的基础，也是人们采取有效措施防护核辐射，避免危害人体的基本依据。1.6.1α射线与物质相互作用(1)电离和激发任何高速运动的带电粒子通过物质时，由于入射粒子和靶原子核外电子之间存在库仑力的作用，使电子受到吸引或排斥，使入射粒子损失部分能量，而电子获得一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子核的束缚，那么这个电子就脱离原子成为自由电子；而靶原子由于失去一个电子而变成带一个单位正电荷的离子，这一过程称为电离。α粒子对原子的电离可以表示如下：A→A＋＋e－电离过程产生的自由电子，有的具有相当高的动能，可继续与物质中其它靶原子发生相互作用，进一步产生电离。如果入射带电粒子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，只是使电子从低能级状态跃迁到高能级状态(原子处于激发态)，这种过程叫原子的激发。5处于激发态的原子是不稳定的；原子从激发态跃迁回到基态，这种过程叫做原子退激，释放出来的能量以光子形式发射出来，这就是受激原子的发光现象。1.6.2β射线与物质相互作用β射线带有一个单位的电荷(±1)，因此，同其它带电粒子一样，它通过物质时能够使物质的原子发生电离和激发；由于电子质量很小，通常能量下其速度很高，它通过物质时会产生一些新现象：例如，轫