第一章核辐射基本知识08

第一章：核辐射的基本知识第一节放射性现象放射性现象对于我们早已不陌生，岩石里、食物内、空气中，到处都存在放射性。放射性现象就是不稳定的核素自发地放出粒子或γ射线，或在轨道电子俘获后放出X射线，或产生自发裂变的过程。我们知道，原子由原子核和其外围绕的电子组成，原子核由质子及中子组成，质子与电子的数目相等，使原子呈中性。通常用AZX表示核素，X为元素的化学符号；A为质量数，等于质子和中子质量的总和，Z为原子序数，等于质子的数目。例如氢有三个核素：氢、氖、氖，分别记作11H，21H，31H，它们是同位素。同位素是质子数相同，而中子数不相同的核素。从构成万物的一百多种元素来看，已经发现了2000多种核素，其中280多种核素是稳定的。在不稳定的核素中有60多种是天然放射性核素，其中主要在Z＞83的元素里，而余下的为人工放射性核素。天然放射性核素发生核衰变时，会放出α、β、γ射线，人工放射性核素还可以辐射出质子或中子等。天然放射性核素自发地衰变，一般不受温度、压力的影响，并且按指数规律变化，若某时刻t时的放射性原子核数目为N（t）,则其与初始N0时具有的放射性原子核数目N。之间有下面的关系：N（t）=N0e-λt（1-1）λ称为衰变常数，和原子核的性质有关，不同的原子核有不同的λ，衰变常数的物理意义是单位时间内一个原子核发生衰变的概率。它反映的是衰变的速度，λ愈大，则衰变率愈大，衰变速度愈快。通常用半衰期T1/2来表示衰变的速度或元素的寿命。半衰期就是放射性元素原有的原子衰变一半所需要的时间。例如238U的半衰期T1/2=4．51*109a,从若原有1000万个原子，则经过4．51*109a后将剩下一半，约500万个，再经过4．51*109a又剩下一半．约为250万个；而不是经过一个半衰期剩下了一半，再经过一个半衰期的时间另一半就衰变完了。实际上，历时10个半衰期，原有的原子还剩下于分之一左右。半衰期和衰变常数有下面的简单关系：T1/2=ln2/λ（1-2）各种放射性核素的半衰期差别很大，例如氡的三个放射性同位素：222Rn（氡）、220Rn（钍射气）、219Rn（锕射气）虽然同为惰性气体，但半衰期差别很大，分别为3．825d，55．6s和3．96s，利用半衰期的差别就可以把它们区分开来。虽然不同放射性核素的半衰期或衰变常数为一确定数值，基本上不随化学或物理状态而改变。但是在放射性测量时我们将会发现，测量条件虽未变化，而所得结果并不完全一样，即放射源每单位时间内发生衰变的原子数目是不相同的，时多时少，有起有伏。例如第一次读数为每分钟100次衰变，条件完全相同，第二次读数可能为每分钟97次衰变，第三次读数却为每分钟108次衰变，……，前后读数相差不少，这是其他许多测量（长度测量、重量测量等）中未见到过的，这种现象称为放射性衰变的统计涨落。出现这种现象的原因在于放射性原子核的衰变是自动发生的，哪一个原子核发生衰变是带有偶然性的，谁先衰变，谁后衰变无法确定。因此，对一具有大量原子的放射源，在某一时刻会有较多的原子核衰变，而另一时刻则有较少的原子核衰变，这样便使观测结果有了起伏涨落。实验及理论均已证明，放射性测量的数据虽有涨落，但比较集中地在某一个范围内波动。例如进行了1000次观测，平均值N=400，数据出现在N士√N范围内的数占68．3％，即有683次数据出现在400士20范围内（380～420之间），而超过N士√N这个范围的数据占31．7％，即约有317次的结果不在380～420这个范围内。出现在N士2√N范围内的概率是95．5％；出现在N士3√N范围内的概率是99．7％。人工放射性探测与天然放射性测量一样，都具有放射性统计涨落现象，并符合上述规律。第二节：射线与物质的相互作用§2.1α射线和物质的相互作用为了便于掌握放射性测量仪器的工作原理，下面按照不同类型的射线介绍射线和物质相互作用的有关知识。α射线是由α粒子组成的。α粒子就是快速运动的氦核，它是一个稳定的原子核，α粒子是在不稳定原子核发生α衰变时放射出来的。天然放射性核素衰变时放射出的α粒子的动能约在4～10MeV之间。α粒子质量较大，所以它的速度比光速低很多，能量为10MeV的α粒子，其运动速度约为光速的1/10。由一定的放射性核素辐射出来的α粒子能量是一定的，如：214Po(RaC’)辐射出的α粒子能量为7．68MeV，212Po(ThC’’)放出的粒α子能量为10．54MeV。在同时还辐射出γ射线时，一般辐射出不止一种能量的粒α子，226Ra衰变时伴有γ辐射，它的α粒子有两种能量，一种是4．78MeV（占94．3％），另一种是4．59MeV。不同核素放出的α粒子在能量（或称能谱）方面的这种差异可以用来区分不同的放射性核素。α粒子通过物质时主要是与介质中原子的轨道（束缚）电子相互作用。带电的α粒子与束缚电子作弹性碰撞，两者之间的电磁相互作用使束缚电子得到加速而离开轨道变成自由电子，引起电离。如果束缚电子获得的能量还不够大，未能变成自由电子，而只是激发到更高能级上去，便是激发作用。α粒子通过物质时，能量主要消耗在使物质电离和激发上。我们正是根据粒α子电离或激发介质的原子产生的效应来探测α粒子有关特性的。因为α粒子能量很大，而在每一次碰撞中损失的能量相对是很小的，所以原子对α粒子的散射作用很小，a粒子在空气中的轨迹近似直线，仅在其末端，因α粒子速度变小，运动轨迹才稍有弯曲。α粒子能量不断消耗于电离和激发上，最终耗尽动能，粒子就停下来，在捕获了两个电子后，变成通常的氮原子。α粒子在物质中穿透的距离称为射程，它随α粒子能量及介质不同而异。α粒子能量在4～7MeV范围内时，α粒子在空气中的射程R。可用下式求出：R空=0.309E3/2（1-3）式中R空为α粒子在空气中的射程，单位：cm；E为α粒于的能量，单位：MeV。α粒子的射程很短，而且与α粒子的能量有关，在空气中一般约为几厘米。天然放射性核素辐射出的能量最大的α粒子（E。=10．54MeV）在空气中的射程也不过是11．5cmα粒子通过其他介质时射程就更短了，用一张纸就足以挡住α粒子。在塑料中α粒子的射程约为lmm。§2.2β射线及其与物质的相互作用β射线是由β粒子束组成的。β粒子为带一个负电荷（或正电荷）的高速运动（可以接近光速）的电子。带正电的β寿命很短，其他性质均与带负电荷的p粒子相同，仅所带电荷符号相反而已。放射性核素衰β变时放出的粒β子能量一般低于15MeV，并且β粒子的能量都是连续的，可在很大的范围内变化，这是和α粒子很不相同的一点。β粒子质量轻，体积小，所以它和物质相互作用的特点与α粒子有所不同。β粒子通过物质时除有电离、激发作用外，还有弹性散射和韧致辐射等现象。带电粒子通过物质时，因受原子核库仑电场的相互作用而改变运动方向的现象称为散射。β粒子很轻，散射作用很明显，而且会发生多次散射，β粒子散射后运动方向发生改变，甚至可能发生与原来前进方向相反的称为反散射的运动。因此β粒子的实际路径比它能穿透的射程一般要大1～4倍。当β粒子被物质所阻止突然降低速度时，有一部分动能将转变为能量连续的电磁辐射，称为轫致辐射。这种轫致辐射损耗随电子能量增加而增加。例如动能为10MeV的β粒子，在铅（Z为82）中，电离损耗与轫致辐射损耗基本相等。能量越大，轫致辐射的损耗也越大。因为β粒子的质量与电子质量相等，β粒子在电离碰撞过程中每次传递给轨道电子的能量涨落很大，再加上轫致辐射损耗，所以即使粒β子的能量是单一的，它在同一物质中的路径差别也很大，又因散射现象，β粒子的路径就更不会相等，射程的涨落一般达到10％～15％。就214Bi（RaC）放出的β射线而言，它的β粒子最大能量为3．17MeV，在空气中的最大射程约为12m，在铝中的射程约为0．6cm。和α粒子相比β粒子的穿透能力还是强得多，因此，探测β射线和探测α射线有许多不同的地方,应予注意。§2.3γ射线及其与物质的相互作用γ射线和X射线都是一种电磁波，是一种光子，它们的差别仅在于产生的方式不同。γ射线通常是伴随α射线和β射线一起产生的，是原子核从激发态跃迁至基态时放出的电磁辐射。X射线是原子内层轨道电子退激过程或高能电子的韧致辐射所发出的电磁辐射。因为它们是电磁波，所以和光有相同的传播速度，不过γ射线和X射线波长较短，频率较高。就光子而言，它没有静止质量。光子的能量E=hV,全部是动能,h是普朗克常数，V为频率，γ光子的能量较可见光的光子能量大得多，波长比可见光短得多，天然放射性核素发生γ衰变时辐射出的γ射线的能量约在几十keV到几MeV之间。一定的核素放出的γ射线能量是一定的。如137Cs放出的γ射线能量为0．661MeV，60Co放出的γ射线能量为1．17MeV和1．33MeV。以后要讨论的γ能谱测量正是根据γ射线能量的差异来区分不同放射性核素的。γ射线是不带电的辐射，它通过介质时能量的损失方式不同于前述α粒子或β粒子。后二者主要是通过与原子的轨道电子的库仑场作用，使原子电离或激发，逐渐损耗其能量的。y射线是与原子或电子作用，产生出电子来，并将能量交给这些电子，称为次级电子，再由次级电子引起物质的电离或激发，这样γ射线可以通过间接的关系加以探测。γ射线通过物质时，主要有三种相互作用。（一）光电效应光子与原子相碰撞时，把全部能量交给一个轨道电子，使它脱离原子运动，光子本身整个被吸收，这种作用放出的电子称为光电子，这一效应称为光电效应。图1．1(a）示意地表示了光电效应的过程。γ射线本身虽不能引起介质的电离或激发，但产生的光电子将引起物质的电离和激发，借此可对γ射线加以探测。图1．1γ射线通过物质时的三种效应示意图（a）光电效应；(b）康普顿效应；(c）形成电子对效应。能量为hν(Eb＞hν＞mC2,Eb为轨道电子的结合能，mC2=0.51MeV)的γ光子通过介质发生光电效应的概率τ可用下面经验公式表示：τ∝NZ5(hν)-3.5(1-4)式中，N为单位体积中的原子数；Z为原子序数。从式（1-41）中可以看出光电效应和原子序数有密切的关系，原子序数愈大愈明显，探测γ射线用的闪烁计数器等选用原子序数大的材料做闪烁体，就是充分利用这一特性。从式（1-4）还可以看出，当能量增加时，光电效应将明显降低。例如，能量为0．5MeV的γ射线通过铅时，光电效应十分明显，而当能量增至2MeV时，光电效应就不十分明显。产生光电效应后的原子会处于激发态，多余的能量可使外层电子从原子中逃出，发射出的这个电子称为俄歇电子；也可以使外层电子跃迁到内层，充填电子空缺，多余的能量以X射线释出。由于每种元素辐射出的X射线能量是一定的，故名特征X射线，也叫X荧光。（二）康普顿效应当γ光子能量增加后，光电效应逐渐减弱，康普顿散射成为γ光子能量损失的主要方式。在这一过程中，光子和原子中的一个电子发生非弹性碰撞。碰撞之后光子将一部分能量传给电子，使电子从原子空间中以一定的方向射出，称为康普顿电子；光子能量减少，并以一定的方向散射出去。若碰撞前光子能量为hν，碰撞后光子能量为hν‘，则hν≥hν‘。图l．1（B）示意地绘出了这一过程。康普顿电子又称反冲电子，它将引起物质电离或激发，为我们所探测。γ射线通过介质发生康普顿散射的概率σ也与光子能量hν及介质原子序数Z有关，当hν＞mC2，则σ∝（NZ/hν）[ln(2hν/mC2+1/2)](1-5)可见γ光子能量减弱时，康普顿散射效应上升；介质原子序数及密度大时，康普顿效应增加。（三）形成电子对效应当γ光子能量大于1．02MeV时，它和物质作用有另一新的现象。光子在原子核库仑场作用下转化成一个电子和一个正电子，即形成一个正负电子对，而原来的γ光子整个不见了。图1．3(C）示意地表示这一过程的情形。γ光子通过介质发生形成电子对效应的概率χ有下面的关系:χ∝NZ2(hν-2mC2)(1-6)可见，发生形成电子对效应的概率也与人射射线的能量及介质原子序数有关。hν大,Z大则产生形成电子对效应的概率增加。正电子和β粒子性质相似，会引起物质的电离和激发，因其带有正电荷，当其损失能