2核辐射基础知识-1a.

核辐射基础知识上海交通大学王德忠教授2020/1/122/67辐射的含义由电磁波或机械波，或大量的微粒子(如质子，α粒子等)由发射体出发，在空间或媒质中向各个方向的传播过程，也可指波动能量或大量微粒子本身。电磁辐射是一种物理现象，是指“能量以电磁波形式由源发射到空间的现象”。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。2020/1/123/67电磁辐射2020/1/124/67核辐射核辐射是指在各种核衰变及核跃迁中从原子核中释放出来的辐射，包括：α、β、γ辐射和中子辐射等。从核辐射的探测与测量来说，还包括质子、X射线和其它重带电粒子。核衰变核跃迁2020/1/125/67原子核基础2020/1/126/67原子组成原子是元素的最小单元原子由原子核和核外电子组成原子核为原子的中心，原子的质量基本集中于此原子核由质子和中子组成，统称为核子质子带一个正电荷，中子不带电质子与中子质量相当核外电子带一个负电荷，质量极小质子数与核外电子数相同2020/1/127/67核素表示AZNXX：元素符号734Li元素符号X与Z具有唯一的确定关系，Z可省略，N＝A－Z也可省略。AX7LiZ：核电荷数N：中子数A：核子数（A＝Z＋N）2020/1/128/67元素周期表截止2014年，已发现118种元素，94种为天然元素，其余24种为人工制造元素1869年，俄国科学家门捷列夫（DmitriMendeleev）首创现代元素周期表元素周期表是以元素的原子序数排列，最小的排行最先。表中一横行称为一个周期，一直行称为一个族周期对应着元素原子的电子排布，显示出该原子的已装填电子层数目同一族的元素有着相似的化学性质2020/1/129/67元素周期表2020/1/1210/67原子质量原子质量用原子质量单位（amu-atomicmassunit）衡量质子和中子的质量为阿伏加德罗常数NA=6.0221023一定质量某元素的原子数1227211amu1.660540210kg12931.494MeV/cC原子质量1.007277pMamu1.008665nMamuAmNNA2020/1/1211/67一些原子的质量原子名称原子质量/u原子名称原子质量/u1H1.0078257Li7.0160052H2.01410212C12.0000003H3.01605016O15.9949154He4.002603235U235.0439446Li6.015123238U238.050816质量数=质子数+中子数=核子数2020/1/1212/67核外电子电子围绕原子核以椭圆和圆形的轨道旋转，这些轨道组成一系列壳层，称为能级或量子级。轨道(壳层)的直径自内向外用字母(K、L、M、N、O、P、Q)或量子数(1、2、3、4、5、6、7)表示。88Sr的原子结构图每个能级中电子数目的最大限值，Ne=2n2，n为壳层的量子数位于不同壳层的电子具有不同的势能，K层能级最低能级的能量大小等于该壳层电子的结合能2020/1/1213/67核外电子正常状态，电子先充满较低的能级原子受到作用，低能级电子有可能被激发到较高能级，或被电离到壳层之外。此时，原能级上会留下空位，高能级的电子会跃迁到该空位，释放两能极之差的能量，主要以电磁辐射的形式释放光子。不同元素的原子均有不同、特定的能量，因此释放出的光子又称为特征X射线，其波长满足：12XhEEE2020/1/1214/67原子核原子核接近球形，其半径（核半径）为其中r0为原子核半径常数，(1.2±0.3)×10-15m，A为原子核的质量数原子核的质量：原子核的质量就等于原子质量减去原子中所有电子的质量原子核密度代入r0=1.2×10-15m1/30RrA3303443NAAVrR832.8410/Ntcm2020/1/1215/67原子核四种相互作用强相互作用•其作用机制是核子间相互交换介子而产生的，实际上是夸克团体之间的相互作用，强度排第一位电磁相互作用•带电荷粒子或具有磁矩粒子通过电磁场传递着相互之间的作用弱相互作用•原子核的β衰变是弱相互作用现象，凡是涉及中微子的反应都是弱相互作用过程。仅在微观尺度上起作用，其力程最短（大约10-18m），强度排第三位引力相互作用•万有引力，乃任何有质体（即有质量之物）之间的相互吸引力2020/1/1216/67强相互作用——核力原子核的半径约为10-15m,只相当原子半径的万分之一。在这么小的空间里带正电的质子与质子间的库仑斥力是很大，万有引力太小，只有库仑力的10-36。而通常原子核是稳定的,于是核内还应有另一种力把各种核子紧紧拉在一起,此力称为核力。核力mpmp库仑力库仑力万有引力万有引力核力2020/1/1217/67核力核力不同于万有引力和电磁作用•核力是短程力。约在10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力,距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力。•核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。•核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。斥力引力2020/1/1218/67结合能由于核子间存在着强大的核力，所以核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化分解：γ为光子，其能量≥2.2MeV，反应才能发生结合：由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必须吸收一定的能量。反之，根据能量守恒，核子结合成原子核时，也会放出同样多的能量。这个能量叫做原子核的结合能211110HHn112101HnH2020/1/1219/67结合能XAZpnAMZMAZMM2EMc2020/1/1220/67结合能,,/ZABZAA2020/1/1221/67同位素核素：泛指各种元素的各种原子核素的化学性质，由核外电子的数目及结构决定，与原子核没有直接关系。但其存在Z相同，A不同的核素，由于其在元素周期表中的位置，成为同位素。同位素丰度：某元素中各同位素天然含量的原子数百分比。H有三种同位素：1H(氕)，2H(D,氘)，3H(T,氚)自然界中1H和2H的丰度分别为99.9852%及0.0148%，3H通过核反应制备O有八种，U有15种同位素AZX2020/1/1222/67核素同质异位素：不同的Z值，相同的A值的核素。同中异位素：中子数N相同、质子数Z不同的核素。也称为同中子素，同中异荷素。同量异位素：质量数A相同，质子数Z不同的核素。同质异能素：中子数N、质子数Z均相同，而能量状态不同的核素。211H321He1468C1688O4018Ar4019K9540Zr9541Nb8738mSr8738Sr4018Ar4020Ca5424Cr5426Fe2020/1/1223/67放射性某些元素的原子通过核衰变自发地放出α或β射线(有时还放出γ射线)的性质，称为放射性。按原子核是否稳定，可把核素分为稳定性核素和放射性核素两类。核素最短存在时间10-16s一种元素的原子核自发地放出某种射线而转变成别种元素的原子核的现象，称作放射性衰变。目前已发现的100多种元素中，约有2600多种核素。天然同位素约有333种，其中约有283种是稳定的，属于81种元素，50种同位素是不稳定的，而人工制造出来的，则都不稳定2020/1/1224/67放射性同位素有些核素是稳定的，如：1H，2H，12C，133Cs，…等。有些核素是不稳定的，如：3H，14C，137Cs，210Po，252Cf，…等。用核素图、核素表描述核素性质。不稳定的核素衰变、衰变衰变、自发裂变稳定的核素2020/1/1225/67核素图天然同位素：333种：283种稳定，50种不稳定人工同位素：2000多种不稳定核素名称、A、Z、N、稳定性、同位素丰度、衰变方式、半衰期，…2020/1/1226/67208Pb：Z=82，N/Z=1.54N=Z同量异位素同中异位素同位素同位素同中异荷素同量异位素稳定核素分布线：A较小时，N/Z~1；A较大时，N/Z1。例如：Z为中等数值时，N/Z~1.4,Z~90时，N/Z~1.6。2020/1/1227/67稳定核素核力是短程力，只作用于相邻的核子，正比于A库仑力是长程力，作用于所有质子，正比于A(A-1)Z增加，A增加，库仑力的增长比核力快，必须依靠中子数的较大增长来减弱库仑力的排斥作用随着Z的增加，稳定核素的中子数比质子数越来越多，因此越来越偏离Z=A直线Z增加到一定程度，稳定核素不复存在2020/1/1228/67自然界中稳定核素的分类ZN名称稳定核素数目ee偶偶核166eo偶奇核56oe奇偶核53oo奇奇核9还发现，Z＝2，8，20，28，50，82N＝2，8，20，28，50，82，126原子核特别稳定，这是数字称为“幻数”magicnumber2020/1/1229/67放射性衰变在磁场中发现，射线有三种成份：•一种在磁场中偏转，与正电荷相同；•一种在磁场中偏转，与负电荷相同；•一种在磁场中不偏转。分别叫做、、射线。射线是氦核，带正电荷，贯穿本领小；射线是高速电子流，带负电，贯穿本领较大；射线是波长很短的电磁波，贯穿本领大。2020/1/1230/67放射性衰变衰变：原子核衰变发射出一个粒子时，原子序数减少2，质量数减少4衰变：原子核自发地发射电子或正电子或俘获一个轨道电子而发生的变化。4422AAZZXXHe1AAZZXXe1AAZZXXe–衰变+衰变2020/1/1231/67轨道电子俘获（EC）：原子核自发地从核外轨道上俘获一个电子而发生的变化。衰变：处于激发态的原子核自发地向基态跃迁，也称为跃迁，在跃迁中通常放出射线。衰变是原子核内部能量状态发生变化，不会导致核素发生变化。因此衰变的子核与母核的质量数和电荷数都不会发生改变。1AAZZXeX2020/1/1232/67衰变纲图270.9d5727CoEC0.18%EC99.8%7/25/25/23/21/2014.41136.47706.4105726Fe()稳定QEC=836.60.6keV一组横线代表一种核素最下方的横线代表该核素的基态箭头表示衰变，箭头上的文字说明该种衰变的种类，能量和分支比，箭头向左代表失去正电荷的衰变，向右代表得到正电荷的衰变，向下代表γ衰变横线上方的文字说明核素在该状态下的一些：自旋宇称、相对于基态的激发能、半衰期等2020/1/1233/67单一放射性的衰变规律对于单个原子核，发生衰变的时刻不确定大量同类原子核在某一小段时间间隔内发生衰变的百分比是确定的实验表明，所有的放射性物质都遵循着一种普遍的衰变规律222Rn的衰变图2020/1/1234/67单一放射性的衰变规律设起始时间t=0时，初始的总放射性核为N(0)，到t时刻时未衰变的核还有N(t)个，则某一定时间间隔dt的衰变率和当时所存在的原子核数N成正比衰变规律可以用指数衰减描述指数衰减规律是各种放射性原子核单独存在时都遵守的普遍规律。()(0)tNtNe2020/1/1235/67衰变常数衰变规律的微分形式的物理意义：在时间t附近单位时间内原子核发生衰变的几率。无论α衰变或β±衰变，相应的λ都是一个确定常数，并且只与核本身的特性有关，与影响核外电子性质的化学、物理条件如温度、压力、电磁场等因素皆无关()/()dNtNtdt2020/1/1236/67衰变常数一种核素同时具有几种不同的衰变模式，每一种衰变模式都有相应的衰变常数i。核素总的衰变常数为各分支衰变常数i之和，分支比Ri为各分支衰变的相对强度iiiiiiNtARANt2020/1/1237/67半衰期半衰期T1/2通过衰变，放射性原子核数目衰减到原来数目一半所需的时间。