核物理基础知识

1TEL:[phone]E-mail:[e-mail]辐射剂量学谢腾飞2011.03南华大学核科学技术学院教授2原子核与放射性的物理基础1.原子与原子核的组成2.放射性粒子产生的原因3.质量亏损4.衰变规律5.射线与物质作用的机制6.射线减弱规律3自然界存在的一切物质，都是由不同的元素组成。元素的基本单位是原子。原子表征量为物质的物理、化学性质和光谱特性。原子核由质子和中子组成，质子和中子通称为核子。其表征为原子核的放射性。2.1原子与原子核4现代原子结构原子核中子质子电子(电子云)+++原子的直径约为10-10米。原子核在中心约原子直径的1/10000。原子的质量几乎全集中在原子核上电子的质量仅为质子质量的1/1840。一个电子所带的电荷为1.6×10-19库仑（C），定义为单位电荷。5ZANX实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、确定的关系，所以用符号AX足以表示一个特定的核素原子核的表示ZANX核子数质子数中子数元素符号原子质量单位等于一个碳－12核素原子质量的1/12，记为u。1u=1.6605655×10-27kg。质子和中子质量几乎一样，分别为：mp=1.00727644umn=1.00866522uHH,H,3121116原子核的大小原子核的半径310ArRAArRV3033434原子核半径近似正比于A1/3，原子核体积近似正比于A。ro为原子核半径常数（1.2×10-13cm），A为原子核的质量数原子核的体积7原子核的密度（单位体积的核子数）：338303/10433/4cmrRAVAngmN241066.1314/1066.1cmgnmNN可见，原子核密度为常数，且非常大。一个核子的质量则核物质的密度：8原子核物理常用术语及意义1).核素（nuclide）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称为核素。核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同，就是不同的核素。Tl20886Pb20882两种核素，A同，Z、N不同。Sr9038Y9139两种核素，N同，A、Z不同。60Co58Co两种核素，Z同，A、N不同。60Co60mCo两种核素，A、Z、N同，能态不同。9某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。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。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。)2).同位素（Isotope）和同位素丰度23592U23892U铀的二种同位素。11H21H31H氢的三种同位素；16O17O18O99.756%、0.039%、0.205%11H21H99.985%、0.015%23592U23892U0.724%、99.276%1011H21H99.985%、0.015%3).稳定核素和放射性同位素其中，稳定同位素为：而3H为放射性同位素，具有β放射性，放出最大能量约为18KeV的β射线，其半衰期12.3年。氢的三种同位素具有相同的化学性质，但其放射性却不同。11H21H31H11人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素，而是在反应堆或加速器所生成。广泛的放射源---钴源（60Co）就是在反应堆中生成。将金属钴，即59Co，其丰度100%，放在反应堆孔道内，利用中子照射59Co，发生如下核反应：工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源（60Co），其活度达几十万至百万居里（Ci）。ConCo6059,4).人工放射性核素12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。我们可以把核素排在一张所谓核素图上。核素图共包含2000个核素,其中天然存在332个核素(280为稳定核素),人工放射性核素1600多个。5).核素和核素图13质量亏损所有的核都存在质量亏损，即原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和的，少的那部分质量称为质量亏损(MassDefect)。表示为AZm,AZmmZAZmAZmnp,,0,AZm原子核结合能的概念14氘是氢的同位素，氘()由一个中子和一个质子所组成。中子的质量：质子的质量：而氘核的质量：可见，氘核的质量小于组成它的质子和中子质量之和，两者之差为umn0086651.ump0072761.ummpn0159412.um014102221.,ummmmpn001839.02,12,1原子核结合能的概念21H15既然△m0，则相应的能量就减少，表明当若干质子和中子结合成一个核时，将释放一部分能量，这个能量称为叫结合能。222,,cAZmcmZAcZmAZBnp222,1,1,cAZMcmZAcZMAZBn以原子质量M表示，一般手册都为给出原子质量，得到：2,,cAZmAZBeZmAZmAZM,,原子核结合能的概念16比结合能及比结合能曲线比结合能（平均结合能）：AAZBAZ,,单位是MeV/Nu，Nu代表核子。比结合能的物理意义：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，核结合紧，稳定性高；比结合能小，核结合松，稳定性差。17比结合能曲线：裂变聚变8.797.071.11218原子核的放射性191896年，Becquerel（获1903年诺贝尔物理奖）在铀盐中发现放射性。原子核的蜕变包括原子核的衰变、核反应和核裂变等过程，在这些过程中均会产生放射性。放射性---原子核的蜕变20核衰变主要的类型:a,b,衰变TypeofRadiationCharge/MassPenetrationa粒子（氦核）+2q/4mp空气（~几cm）b电子或正电子–q/meor+q/me几mm铝片光子nocharge几mm~cm铅21衰变（丰中子核发生）衰变a衰变bb衰变（欠中子核）b轨道电子俘获（欠中子核）跃迁：高激发态到低激发态或基态的跃迁。a,b,衰变的过程：QHeYXAZAZ4242QveYXAZAZ1QveYXAZAZ1QYeXAZAZ122+++++++++从母核中射出的4He原子核a粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!!基本衰变——a衰变放射性衰变及衰变规律23+++++++++发生原因：母核中子或质子过多质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷+反中微子－中微子三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能量基本衰变——b衰变24－中微子+++++++++光子基本衰变——衰变25a,b,衰变的实例)785.4(422228622688MeVEHeRnRaaQeSP32163215QeCN136137QMneFe55255526)140.0(996992/1MeVETcTchTm26核素的衰变纲图(《常用放射性核素衰变数据和纲图》)27核素的衰变纲图28核素的衰变纲图2960Co级联γ辐射30放射性核素的衰变规律31222Rn的衰变曲线实验发现，放射性核素放出一个a粒子，变成，而的数目大约每4天减少一半。Rn22286Po21884Rn22286放射性核素的衰变规律32它应该正比于N(t)和时间间隔dt，由统计性，以放射源总体考虑衰减规律：设：t时刻放射性原子核的数目为N(t)，teNtN0求解t～t+dt内发生的核衰变数目-dN(t)，dttNtdN于是有：放射性核素的衰变规律33tNdttdN/)(1.衰变常数分子表示：t时刻单位时间内发生衰变的核数目，称为衰变率tJt时刻放射性原子核总数衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。放射性核素的特征量量纲为：[t]-1,如1/s，1/h，1/d，1/a34b.当一个原子核有几种衰变方式时：iia.衰变率：)(])0([)(tNdteNddttdNtJt定义分支比：/iiR352.半衰期半衰期：放射性核数衰变一半所需的时间，记为。即：)0(2102121NeNTNT2121Te693.02ln21T量纲为：[t],如s，h，d，a21T363.平均寿命平均寿命＝总寿命/总核数1212144.12lnTT平均寿命是指某种放射性核素其平均生存的时间平均寿命用τ表示，τ与λ、T1/2的关系：1)()0(10tdttNN371.放射性活度(Activity)即：)()()(00tNeNdteNddttdNAtt定义：00NA则：teAA0活度定义：一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示，表征放射源的强弱。放射性活度及其单位382.活度单位常用单位居里(Ci)：法定计量单位为贝可(Bq)：秒次核衰变/1Bq1Bq107.3Ci11039)(稳定衰变方式，半衰期衰变方式，半衰期NBA)(206824.138,2108401.5,2108321,210821064.1,214844稳定PbPoBiPbPoddasabba例如：递次衰变规律401）两次连续衰变规律初始条件：t=0时，A的数目为N10，B的数目为0A和B的衰变常数分别为1和2C的数目为0。是单一放射性衰变，服从简单的指数规律。dttNtdN)()(111teNtN1101)(即：对于A：这样t时刻，A的数目的变化为：稳定CBA2141对于B：不断衰变为C(减少)：dttN)(22不断从A获得(增加)：dttN)(11这样B的数目的变化为：dttNdttNtdN)()()(22112B代入N1(t)等条件，解此微分方程，)()(21121102tteeNtN可见，子体B的变化规律不仅与它本身的衰变常数2有关，而且还与母体A的衰变常数1有关，它的衰变规律不再是简单的指数规律。42已经假设C是稳定的，那么它的变化仅由B的衰变决定，即：dttNtdN)()(223解此方程，得：)1(1)1(1)(21211221103tteeNtN对于C：当t，N3(t)N10，母体A全部衰变成子体C。子体C是稳定的，不再发生衰变。43两次连续衰变规律总结如下：teNtN1101)()()(21121102tteeNtN)1(1)1(1)(21211221103tteeNtN稳定CBA2144对于n代连续放射性衰变过程，其中第1到第n代核素具有放射性，而第n+1代核素为稳定核素。设初始条件为：101)0(NN0)0(mN1n,n,,3,2m各衰变常数为：n,,,21用同样的方法可以求出第n个核素随时间的变化规律：)(121稳定nnAAAA)()(212110tnttnnecececNtN2）多次连续衰变规律45)())((113121211nnc)())((223211212nnc)())((121121nnnnnncnccc,21，，其中，系数为：在连续放射性衰变中，母体衰变是单一放射性衰变，服从指数衰减规律；其余各代子体的衰变规律不再是简