放射性同位素与射线装置基础培训1

放射性基础知识山东省环保学校与培训中心张文革2013.1.8济南放射性同位素与射线装置安全和防护培训主要内容：•放射性基础知识•辐射量和单位•放射性同位素与射线装置应用关于放射性•“放射性”因其看不见、摸不着、听不到且对人的身体有害，人们常称其为“无形的杀手”。•“放射性”是一柄“双刃剑”，既有优点又有缺点。放射性同位素与射线装置在国民经济各个行业和人们日常生活中的应用是其它技术无法替代的，为人类造福。但是，如果对放射源管理和防护不当，会对工作人员身体健康造成危害，甚至造成环境的放射性污染。•放射性是自然界存在的一种自然现象。有些物质的原子核不稳定，会自发地发生某些变化，这些不稳定的原子核在发生变化的同时会发射各种各样的射线，这种现象就是人们常说的放射性。第一部分放射性基础知识•原子和原子核的基本性质•放射性•放射性核素的衰变•放射性强弱的表示----放射性活度•辐射源•辐射危害•所有的物质都是由分子构成的•分子是由原子构成的组成元素的基本单位•原子是由原子核和电子构成的•原子核由质子和中子构成的，构成原子核的质子和中子统称为核子。1.原子和原子核的基本性质原子的核式结构•1911年英国物理学家欧内斯特·卢瑟福指导他的助手做了一个用钍“弹”轰击金箔1/50000英寸的实验：大部分α粒子会畅通无阻地穿过金箔，少数的发生偏转，极少数的被弹了回来。原子的核式结构：原子核位于原子的中心，带正电荷，几乎集中了原子的全部质量；带负电的电子沿一定的轨道绕原子核旋转。原子核所带的正电荷等于核外的电子数，整个原子呈电中性。1897年英国科学家汤姆孙发现了电子。原子核的结构模型原子核•原子的半径：R约为10-10m•原子核的半径：约为10-14～10-15m原子核的体积只相当于整个原子体积的万亿分之一。•原子的质量：1u=12C原子质量х1/12=1.6605655х10-27kg●原子核的密度2.84×108t/cm3即在每立方厘米体积中有近3亿吨的物质•电子：带有一个单位的负电荷，e=-1.6×10-19Cme=9.1×10-31kg(me=5.5×10-4u)•质子：带有一个单位的正电荷，e=+1.6×10-19Cmp=1.6726×10-27kg(mp=1.00727u)•中子：是不带电的中性粒子mn=1.6749×10-27kg(mn=1.00867u)元素及符号表示1.元素：质子数相同的原子称为一种元素。原子核中质子的个数称为原子序数，原子包含的质子数决定了由此原子构成的物质的性质，一种元素代表了一种物质。2.符号表示：通常用一个符号来表示一种元素，如氢元素用H表示。元素符号既表示了元素的名字，同时又隐含地表示了原子序数。到目前为止，包括人工制造的不稳定元素，有110多种元素。原子序数相同的原子具有相同的化学性质，但原子核的性质由质子数与中子数共同决定的。核素及符号表示1.核素：是指在其原子核内具有一定数目的质子和中子以及特定能态的一种原子核或原子。根据原子核的稳定性，核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。2.符号表示：X，X－核素代号Z－原子序数A－质量数A=Z+N(中子数)如：H、He、C等。在实际应用中，有时只标记核素的质量数，如14C、C-14、碳-14AZ1142146核素质子数中子数质量数符号氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C3.同核异能素激发态原子核称为基态原子核的同核异能素，它们的A和Z均相同只是核能量状态不同。符号表示：如99mTc锝称为99Tc的同核异能素。99mTc表示该核素的原子核处于激发态。注意：99Tc和99mTc是两种独立的核素。同位素1.同位素：同位素是原子序数Z相同而质量数A不相同的各核素的总称。同位是指各核素在元素周期表中处于同一个位置，它们具有相同的化学性质，但各原子核的物理性质不同。2.自然界中许多元素具有同位素，如：天然存在的氢同位素有3种：1H(氕99.985％)、2H(重氢、氘0.015％)、3H(超重氢、氚）核素丰度：在同位素中各核素天然含量的百分比。天然存在的氧同位素有3种：16O(99.756％)17O(0.039％)、18O(0.205％)。•2.1放射性的发现•2.1.1伦琴发现X射线－1895年伦琴：德国物理学家。1894年任维尔茨堡大学校长，1900年任慕尼黑大学物理学教授和物理研究所主任。伦琴于1901年荣获全世界首次颁发的诺贝尔物理学奖。1923年2月10日在慕尼黑逝世，终年78岁。2.放射性X射线的发现：1895年冬，伦琴在德国维尔茨堡大学的实验室里做阴极射线管辉光实验。伦琴用高压电场轰击阴极射线管内的两个金属电极，把电子从金属原子中打出来，此即“阴极射线”。11月8日晚，为了更好地观察管子的发光现象，他用黑色硬纸板将管子周围严实地挡住，不让光线漏出来。当他关掉室内电灯时，突然发现1米以外的一条凳子上的一块涂有亚铂氰化钡磷光材料的纸板发出了绿色的荧光。只要管子通电就发光，断电荧光就消失。更令他惊讶的是，将这张涂有磷光物质的纸板拿到隔壁去，会有同样的现象。这种不知名的射线能够穿透轻物质，但金属和人的骨骼等重物质则可以挡住它的去路。伦琴认为，这不是阴极射线，而是一种新射线，因为阴极射线不可能有这样强的穿透本领。伦琴夫人的手骸骨X射线照片经过反复的研究，在对自己的发现确信无疑后，伦琴于1895年12月28日向维尔茨堡医学协会提交了《一种新的射线：初步报告》的论文，阐明了产生这种射线的方法和它的穿透性质，并正式命名它为“X射线”。由于X射线的发现，使伦琴成为世界上第一位荣获诺贝尔物理奖的人。伦琴把金钱看得很淡薄，他拒绝了有关专利权，他把得到的奖金也捐赠给维尔茨堡大学。X射线的本质X射线又叫伦琴射线，是一种波长比紫外线还短的电磁波，类似于光的辐射。伦琴用高压电场轰击阴极射线管内的两个金属电极，当接通阴极灯丝电源后，灯丝加热，发射热电子。在阳极和阴极间的电场加速下，高速电子流轰击阳极靶物质产生X射线。电磁波谱X射线的产生过程：一种是高速电子在靶物质的原子核附近经过时，受靶核的强库仑场作用突然受阻，而损失部分或全部的能量，转换成具有连续能谱的X射线。一种是高速电子轰击靶物质时，靶原子内壳层电子被激发和电离，当外壳层电子进入内层轨道填补空位，放出具有确定能量的特定X射线。伦琴的实验室X射线装置2.1.2贝克勒尔发现放射性－1896年亨利·贝克勒尔：法国物理学家。他一直从事铀盐的研究，1880年，他制备出一种导致发现放射性的铀和钾的复合硫酸盐－硫酸铀酰钾。同居里夫妇一起荣获了1903年度诺贝尔物理奖。放射性的发现：贝克勒尔在听伦琴发现X射线的报告时，引起了他的联想：“荧光物质在普通光照下也会发出X射线吗？”他用硫酸铀酰钾这种荧光物质做了实验：让阳光曝晒硫酸铀酰钾,在铀盐晶体下放一张用黑纸包好的照相底片，并剪了一块带花样的金属片放在底片上，发现底片上留下了黑白分明的金属片图案。他继续重复做实验，这时遇上了阴天，他将准备好的样品放进抽屉里，想等晴天后立即用阳光曝晒，可是天气连阴了好几天。使他感到意外的是，冲洗出来的底片出现了清晰的花纹。他又做了实验，把样品放入不透光的黑箱里长达15天，出现了同样的结果。经过反复实验，贝克勒尔得出一个崭新的结论：铀能放出一种新的射线，这种射线后来被称为铀射线或贝克勒尔射线。这就是具有重要意义的放射性的发现。2.1.3居里夫妇发现新的放射性元素1897～1906年，居里夫人与其丈夫、法国物理学家皮埃尔·居里对放射现象进行了长达10年的开拓性研究。他们确定：除了铀可以发出看不见的射线外，钍也可以发出看不见的射线。1898年，居里夫妇发现了一种新的具有放射性的元素，它的放射性比铀强400倍，为了纪念居里夫人当时被俄国侵占的祖国波兰，她把这种新的元素命名为“钋”。居里夫人在对沥青铀矿进行检测时，发现其放射强度确实如贝克勒尔所说，比铀强许多倍。居里夫妇在巴黎市立理化学校找到一个不避风雨的废弃厂棚，用奥地利政府免费赠送的棕色沥青铀矿残渣倒进大锅，加上化学药品和水煮沸，用铁棒连续地搅动几小时。1898～1902年，居里夫妇经过4年的艰苦努力，终于从几十吨沥青铀矿中提炼出0.1g新的放射性元素镭的氯化物晶体，发现了镭。镭的放射性强度是铀的250万倍。居里夫妇荣获了1903年度诺贝尔物理奖。•1906年皮埃尔·居里逝世后，居里夫人继续进行放射性元素的研究。1911年，由于钋和镭的发现、镭的分离及其化合物的研究，又荣获本年度的诺贝尔化学奖，成为两次获得诺贝尔奖的第一人。并且是至今获得这种殊荣的唯一女性。•正是由于居里夫人的忘我献身精神、严格的科学态度，和她的巨大的成就而受到世界科学技术界的广泛的崇敬，因而放射性活度的单位命名为居里。1934年，法国核物理学家约里奥-居里夫妇用钋的α射线轰击铝箔，发现当α源移去后，铝箔有放射性；其强度也随时间按指数规律下降。这种放射性是由α粒子打在铝-27上发出一个中子而形成磷-30，磷-30不稳定，又放射出正电子而形成的。实际上，他们已经发现了一种新的放射性物质磷-30.首次发现人工放射性同位素Al+HeP+n271342301510PSi+e301401这是世界上首次发现的人工放射性现象和首次合成的人工放射性同位素。约里奥-居里夫妇因此而荣获了1935年度诺贝尔化学奖。至今，人们已经通过粒子轰击原子核制得了一千多种自然界不存在的人工放射性同位素。30152.2放射性2.2.1放射性所谓的放射性是指原子核自发地放射出射线的现象。这些原子核处于不稳定状态，在其发生核转变的过程中，自发地放出由粒子或光子组成的射线，并辐射出原子核里的过剩能量，同时本身转变成另一种核素或成为原来核素的较低能态，常见的射线有α、β、γ射线。其所放出的粒子或光子，会对周围介质或机体产生电离作用，造成放射性污染或危害。2.2.2放射性核素原子核的稳定性核内质子数和中子数之间的比例（1）轻元素Z20：不稳定核素中部元素20Z83：稳定核素多重元素Z83：不稳定核素（2）偶偶核最稳定，奇奇核最不稳定。（3）随着核内质子数和中子数的增加表现出周期性变化。当质子数或中子数为2、8、20、28、50、82、126时特别稳定。放射性核素:是一类不稳定的核素，能自发地转变为其他原子核或自发地发生核能态变化，同时放射出射线的核素，称为放射性核素。目前已发现的放射性核素近2500种。Z83分类：分为天然的和人工的2种，其中天然的有60多种，绝大多数为人工放射性核素。基本特性：1.它们都是不稳定的，从其原子核中不断地、自发地放出射线，而变成另一种核素。即核衰变。放出的射线有α射线、β射线、γ射线。2.每种放射性核素核衰变的速度、放出射线的种类、能量是其固有的核性质，与外界条件无关。3.放射性核素放出的射线遇到物质会产生一定的效应，使这种物质发生变化。遇到不同的物质产生的效应不同。如：使一些物质的分子产生电离，产生荧光或使胶片感光，射线遇到植物、动物和人时，会引起生理变化。2.2.3α、β、γ射线1.α、β、γ射线的发现•1898年，在剑桥大学卡文迪许实验室工作的新西兰青年物理学家卢瑟福开始投入放射性的研究工作。他用强磁场使铀射线偏转，发现射线分为方向相反的两股，这表明它至少包含有两种不同的射线，一种非常容易被吸收，称为α射线；另一种具有较强的穿透力，称为β射线。•贝克勒尔1899年发现β射线在磁场中偏转的方向与阴级射线相同。居里夫人证明它带负电。•1900年贝克勒尔测定了它的荷质比，确认β射线就是电子流。•1900年法国人维拉德观察到，镭除了上面两种射线之外，还存在着第三种射线，它不受磁场的影响，与Ｘ射线非常类似。卢瑟福并于1914年确定了它是一种波长比Ｘ射线更短的电磁波。•为了揭示α射线的本质，卢瑟福作了多年的努力。1902年，他用强磁场使射线发生的偏转，证明了α射线是带正电荷的粒子流。1906年他测定了α粒子的荷质比，证明它的数量级与氢或氦离子相同，但当时的实验精度还不