辐射防护基础知识2011

《辐射安全与防护》基础知识培训郑州大学物理工程学院赵书俊2011年4月《辐射安全与防护》了解原子核物理基础熟悉放射性的概念、衰变及其规律熟悉射线与物质的相互作用了解辐射探测方法熟悉辐射剂量与生物效应掌握辐射防护基础原子核物理基础知识要点：•原子与原子核•原子核的组成及其稳定性•原子核的大小•原子核的结合能辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子和原子核（1）知识要点：原子、原子核、同位素•1896年法国科学家贝克勒尔(A.H.Becquerel)发现天然放射性现象，人类第一次观察到核变化，这一重大发现是原子核物理的开端。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子和原子核（2）知识要点：原子、原子核、同位素•万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。目前，人们已知一百多种元素。现代化学的元素周期律是1869年俄国科学家门捷列夫(DmitriMendeleev)首创的，他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一行，就是元素周期表的雏形。1913年英国科学家莫色勒利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序数越大，X射线的频率就越高，因此他认为核的正电荷决定了元素的化学性质，并把元素依照核内正电荷(即质子数或原子序)排列，经过多年修订后才成为当代的周期表。在周期表中，元素是以元素的原子序排列，最小的排行最先。表中一横行称为一个周期，一列称为一个族。辐射安全与防护—原子核物理基础辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子和原子核（3）知识要点：原子、原子核、同位素1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出了，即原子由原子核和核外电子组成的假设。核外电子的运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核成了原子核物理学的主要研究对象。原子和原子核是物质结构的两个层次，但也是互相关联又泾渭分明的两个层次。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子和原子核（3）知识要点：原子、原子核、同位素卢瑟福α粒子的散射实验辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子和原子核（4）•电子带负电荷，电子电荷的值为：e=1.60217733x10-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。电子的质量为me=9.1093897x10-31kg。原子核带正电荷，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，原子可以设想为电子在以原子核为中心的、距核非常远的若干轨道上运行。原子的大小半径约为10-8cm的量级。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子和原子核（5）•原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量中心与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=10-15m=10-13cm)，而密度高达108t.cm-3。•物质的许多化学性质及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要与原子核有关。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子和原子核（5）辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的组成及其稳定性（1）知识要点：核的组成、核素/同位素/同质异能素、核的稳定性•1932年查德威克发现中子，海森堡提出原子核由质子和中子组成的假设。中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。•中子和质子的质量相差甚微，它们的质量分别为：mn=1.00866492u，mp=1.00727646u，u为原子质量单位。1960年国际上规定把碳-12(12C)原子质量的1/12定义为原子质量单位，用u表示，1u=1.6605402±0.0000010x10-27kg=931.494013MeV/c2。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的组成及其稳定性（2）知识要点：核的组成、核素/同位素/同质异能素、核的稳定性•任何一个原子核都可以由符号AZXN表示，N是核内中子数，Z是核内质子数或电荷数，A是核内的核子数或核的质量数，X是该原子核对应的元素符号。事实上，只要元素符号X确定后，该元素的电荷数就已经确定，所以符号AX足以表示一个特定的核。•中子数和质子数都相同的原子核称为一种核素。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。16O,17O,18O的天然丰度比是：99.756%、0.039%、0.205%。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。同质异能素所处的能态又称同质异能态，如：87mSr，87Sr。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的组成及其稳定性（3）•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密切的关系。•核素图必须是一个含有N-Z数的两维图。在现代核素图上，既包括了天然存在的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。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核的符号：原子核由中子和质子组成，中子不带电，质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子统称为核子，数目以A表示，A称为核子数或质量数，核中质子数记为Z，中子数记为N。常用如下形式表示一个原子核：ZANX质量数A质子数Z中子数N元素符号X原子核的质量数：A称为原子核的质量数，A=Z+N原子序数：原子核内的质子数Z又称为原子序数，它决定了该核素在元素周期表里的位置原子的几种表示方法：ZXN例如：92U143ZX例如：92UAX例如：235UX-A例如：U-235AA235235辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的组成及其稳定性（4）•在β稳定核素分布图上，相同中子数N的核素是同中异荷素；在N和Z轴截距相等的直线上的核素是同量异位素。在Z20的轻核时，稳定核位于N=Z的直线附近;Z为中等核时，稳定核位于N/Z~1.4的位置；Z~90的重核，稳定核位于N/Z~1.6的位置。•在β稳定核素分布图上，相对于稳定曲线而言，中子数过多或偏少都是不稳定的。位于稳定曲线偏N增大的区域的核素是丰中子核素，易发生β-衰变，位于稳定曲线偏Z增大的区域的核素是缺中子核素，易发生β+衰变。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的组成及其稳定性（5）辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的大小（1）知识要点：核的核力半径、电荷半径、核物质密度•最早研究原子核的大小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。根据这一方法，发现轻原子核的的半径遵从如下的规律：R=r0A1/3，r0=1.2fm。•单位体积内的核子数称为原子核的密度，其值等于常数,表明只要核子结合成原子核,其密度都是相同的，这就形成核物质的概念。在每立厘米体积中竟有近3亿吨(2.3亿吨）的核物质。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的大小（2）知识要点：核的核力半径、电荷半径、核物质密度•其后，出现了许多其他更精确的测量方法。如用中子衍射截面测量原子核的大小（核力半径）；用高能电子散射测量原子核的大小及电荷形状因子（电荷分布半径）等等。并依据所采用的方法，分别给出电荷半径或核力半径。•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:r0=（1.2±0.3）fm，电荷分布半径；r0=（1.4±0.1）fm，核力半径。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的结合能（1）知识要点：质能联系定律、质量亏损、核的结合能与比结合能•E=mc2称为质能关系式，也就是质能联系定律。•原子核的质量亏损为组成原子核的Z个质子和(A-Z)个中子的质量与该原子核的质量之差。从原子核的质量亏损的定义可以明确的看出，所有的核都存在质量亏损，即⊿m（Z,A）0。•⊿m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A)，其中m（Z,A）为电荷数为Z、质量数为A的原子核的质量。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的结合能（2）知识要点：质能联系定律、质量亏损、核的结合能与比结合能•既然原子核的质量亏损⊿m（Z,A）0，由质能关系式，那么相应能量的减少就是⊿E=⊿mc20。这表明核子结合成原子核时，会释放出能量，这个能量称之为结合能。•一个中子和一个质子组成氘核时，会释放一部分能量2.225MeV,这就是氘的结合能。它已为精确的实验测量所证明。实验还证实了它的逆过程：当有能量为2.225MeV的光子照射氘核时,氘核将一分为二,飞出质子和中子。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的结合能（3）•结合能:B(Z,A)=⊿mc2•比结合能:ε(Z,A)=B(Z,A)/A=⊿mc2/A•比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子所做的最小的平均功，或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。•比结合能表征了原子核结合的松紧程度。比结合能大，原子核结合紧，稳定性高；比结合能小，结合松，稳定性差。辐射安全与防护—原子核物理基础原子核物理基础原子核的结合能（4）•当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松的核变到结合得紧的核，就会释放能量。•从比结合能曲线可以看出,有两个途径可以获得能量：重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核；轻核聚变，即两个轻核融合为一个较重质量的核。•人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子弹，依靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变反应。•所谓原子能，主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量。辐射安全与防护—原子核物理基础裂变聚变8.797.071.112比结合能曲线辐射安全与防护—原子核物理基础反应堆和原子弹简图辐射安全与防护—原子核物理基础放射性的概念、衰变及其规律知识要点：•原子核的衰变与放射性核素•放射性衰变的基本规律•放射规律的应用辐射安全与防护—原子核的放射性及规律原子核的衰变与放射性核素（1）知识要点：放射性核素、核衰变•不稳定核素是指其原子核会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射，它又称为放射性原子核。•在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称为原子核的衰变，核衰变有多种形式，如α衰变，β衰变，γ衰变，还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。不稳定原子核会自发地发生衰变。辐射安全与防护—原子核的放射性及规律辐射安全与防护—原子核的放射性及规律核辐射的基本性质1.0086650n中子1.007276+1p质子005.486×10-4±1e±β4.00279+24Heα质量(u)电荷（e)符号种类αβ辐射安全与防护—原子核的放射性及规律放射性衰变的基本规律（1）知识要点：指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活度•实验表明，任何放射性物质在单独存在时都服从相同的指数衰减规律。指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变，而且对于同时存在分支衰变的过程，指数衰减规律也是适用的，这是一个普遍的规律。指数衰减规律:N(t)=N0e-λt•对各种不同的核素来说，它们衰变的快慢又各不相同，这反映在它们的衰变常数λ（或半衰期/平均寿命）各不相同，所以衰变常数又反映了它们的个性。辐射安全与防护—原子核的放射性及规律放射性衰变的基本规律（2）知识要点：指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活度•应该指出，放射性指数衰减规律是一种统计规律，它是由大量的全同原子核参与衰变而得到的。对于单个原子核的衰变，只能说它具有一定的衰变概率λ，而不能确切地确定它何时发生衰变。•实验发现，用加压、加热、加电磁场、机械运动等物理或化学手段不能改变指数衰减规律，也不能改变其衰变常数。这表明，放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的辐射安全与防护—原子核的放射性及规律放射性衰变的基本规律（3）•衰变常数λ是单位时间内（单一放射性物质）一个原子核发生衰变的概率，其单位为时间的倒数：s-1，min-1，h-1，d-1，a-1等。•衰变