放射性基本知識

放射性輻射防護(hù)適用環(huán)境工程專業(yè)1.放射性根本知識1、了解原子核的組成2、核衰變或核蛻變3、了解放射性衰變規(guī)律補(bǔ)充2.原子核的組成1組成：質(zhì)子和中子中子的質(zhì)量約為1u，質(zhì)子的質(zhì)量也為1u1u=1.66×10-24g=12C原子質(zhì)量的1/12實(shí)際上中子的質(zhì)量為1.0087u質(zhì)子的質(zhì)量也為1.0078u。2核素的概念有一定原子序數(shù)和一定核質(zhì)量數(shù)和能態(tài)的同類原子叫做一種核素。如：23892U、23592U3同位素原子序數(shù)相同、質(zhì)量數(shù)不同的原子稱為同位素。如：23892U、23592U3.核衰變或核蛻變1、核衰變或核蛻變的概念：原子核自發(fā)地發(fā)生變化，同時(shí)放射出α、β、γ等核輻射的現(xiàn)象。注意：上述反響是在核內(nèi)進(jìn)行的，核衰變或蛻變只取決于原子核的本性自發(fā)進(jìn)行。當(dāng)然在特殊情況下，例如當(dāng)溫度高達(dá)幾百萬度時(shí)，對核蛻變有顯著影響；同時(shí)，人為地使原子核發(fā)生反響也是可能的，例如：用高能的粒子轟擊原子核也可引起核的變化〔這類變化叫核反響〕如：226Ra222Rn+α4.核衰變或核蛻變2、核輻射的種類射線種類粒子組成電荷(單位電荷)質(zhì)量(u)速度(km/s)能量MeVα42He+24~幾萬4~10βe-1-11/1840~20萬0.01~2.5γ光子0靜質(zhì)量=0~30萬(真空)0.01~35.α、β、γ蛻變92238Uα〔24He〕+90234Th蛻變產(chǎn)物確實(shí)定用位移定律確定，即：蛻變前后總質(zhì)量數(shù)和總電荷數(shù)不變。例如1α蛻變：原子核放出α粒子而發(fā)生蛻變的現(xiàn)象叫做α蛻變。一般只有質(zhì)量數(shù)大于200的重金屬才發(fā)生α蛻變。6.2β蛻變：原子核放出β粒子而發(fā)生蛻變的現(xiàn)象叫做β蛻變。RaB〔82214Pb〕β〔-10e〕+RaC〔83214Bi〕說明：核內(nèi)本應(yīng)無電子怎么會放出電子？這是因?yàn)棣峦懽兊膶?shí)質(zhì)是核內(nèi)中子發(fā)生了如下變化：7.01n11p+-10e+00ν00ν為中微子，其質(zhì)量比電子小得多。中微子與物質(zhì)的相互作用很弱，故很難探測。廣義的β蛻變還包括β+蛻變與K俘獲〔天然放射性核素中很少遇到〕，后者實(shí)質(zhì)是核內(nèi)質(zhì)子發(fā)生如下的變化：11p+-10e00ν+01n8.3、γ蛻變又稱γ躍遷，發(fā)生αβ蛻變的原子核有時(shí)處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的原子核將過剩的能量以光子或其他形式放出。同時(shí)原子核從高能態(tài)向低能態(tài)過渡。這種現(xiàn)象叫γ躍遷。放出的光子叫γ射線。9.如：226Ra蛻變?yōu)?22Rn時(shí)伴隨發(fā)生γ躍遷如以下圖所示：10.注意：γ躍遷只改變核的狀態(tài)，不改變核的組成，故又稱同質(zhì)異能躍遷，用符號：I.T.表示。4、每一次蛻變放出的粒子情況有以下三種：1〕、一次蛻變放出某種粒子一個(gè)。例如238U每發(fā)生一次蛻變就放出能量為4.18MeV的α粒子一個(gè)。2〕、分支蛻變。每次蛻變或放出這種或放出那種粒子一個(gè)，各占一定的比例，用百分?jǐn)?shù)表示。如RaC每次蛻變有99.96%的幾率放出β粒子，有0.04%幾率放出α粒子。又如：226Ra每次蛻變有94.3%的幾率放出4.793MeV的α粒子，有5.7%的幾率放出4.612MeV的α粒子。3〕、一次蛻變放出好幾個(gè)光子。11.例如，常用的鈷源的蛻變。12.天然放射性核素與放射系1.三個(gè)放射系1〕.鈾系238U4n+22〕、錒鈾系235U4n+33〕、釷系230Th4n1〕這三個(gè)放射系衰變的末代子體為穩(wěn)定的鉛。2〕都有一代子體為氡，即222Rn〔習(xí)慣稱鐳射氣，用Rn表示〕、220Rn〔習(xí)慣稱釷射氣，用Tn表示〕、210Rn〔習(xí)慣稱錒射氣，用An表示〕特點(diǎn)13.14.15.16.超鈾元素transuraniurm

elements

又稱鈾后元素

原子序數(shù)在鈾〔原子序數(shù)為92〕以后的所有元素。又稱鈾后元素。1944年，美國G.T.西博格提出的錒系理論認(rèn)為，在錒之后存在一個(gè)類似于鑭系元素的錒系元素。在這一理論指導(dǎo)下，相繼發(fā)現(xiàn)了钚之后的新元素，他借助元素周期律和錒系理論，預(yù)言了錒系后元素的性質(zhì)。超鈾元素已通過人工核反響發(fā)現(xiàn)，后來又在自然界找到其中的個(gè)別核素，如在氟碳鈰鑭礦中發(fā)現(xiàn)钚244，在鈾礦中發(fā)現(xiàn)钚239和镎237。人工制得的已有镎、镅、鋦、锫、锎、锿、鐨、鍆、锘、鐒、104、105、106、107、108和109號元素。

17.

超鈾元素的核性質(zhì)具有以下特點(diǎn)：①超鈾元素的所有核素都是放射性的，以不同方式衰變。②隨著原子序數(shù)的增加，超鈾元素最長壽命的同位素的半衰期越來越短。③一些超鈾核素以自發(fā)裂變方式衰變，這種現(xiàn)象是超鈾核素所獨(dú)有的。18.超鈾元素的制備方法有：①反響堆輻照。是獲得可稱量超鈾元素的方法。②帶電粒子核反響。這類反響生成的新元素的數(shù)量雖然是不可稱量的，但對發(fā)現(xiàn)新的超鈾元素起著重要作用，對今后合成更重的超鈾元素也是最有希望的方法。③熱核爆炸。19.超鈾元素的應(yīng)用有：①核燃料。反響堆能大量生產(chǎn)钚239，作為快中子增殖堆的核燃料。②能源。利用它們在衰變過程釋放的熱或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為電能，同位素電池用于心臟起搏器、人造器官、航海浮標(biāo)、海底電纜等。③放射源。主要利用它們衰變時(shí)放出的α粒子、γ射線和中子，用于活化分析、中子照相、中子衍射、煙霧探測器預(yù)報(bào)火警等。20.放射性衰變規(guī)律1、衰變率與放射性物質(zhì)的量的關(guān)系1〕衰變率：單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子核的數(shù)目，單位為1/s，在國際單位制中用貝可〔勒爾〕Beequerel，用Bq表示。過去慣用單位為居里Ci，1Ci=3.7×10101/s衰變率又稱放射性活度或活度，習(xí)慣上稱放射性強(qiáng)度或放射性。21.2〕、衰變的根本規(guī)律：放射性核素在某時(shí)刻的衰變率等于該核素的衰變常數(shù)和該核素原子核數(shù)目的乘積。即：A=λNA——衰變率，1/sλ——衰變常數(shù)，1/s〔與一般的物理化學(xué)條件無關(guān)，僅由核素的種類決定。N——該時(shí)刻的原子核數(shù)目。例如：計(jì)算2.22×10-14g222Rn的衰變率有多大？N=2.22×10-14/222×6.02×1023=6.02×107A=λN=2×10-6×6.02×107=1.2×1021/s22.3〕、有關(guān)衰變規(guī)律的一些概念問題a、λ的物理意義：表示一個(gè)核在單位時(shí)間內(nèi)衰變的幾率。例如：λRn=2×10-6，就意味著每秒鐘內(nèi)每一個(gè)氡核內(nèi)發(fā)生衰變的幾率為五十萬分之一。b、衰變是一件隨機(jī)事件〔或統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象〕c、由于衰變率與放射性核素的原子數(shù)成正比，可以用衰變率〔活度〕表示放射性核素的多少。注意：其他的一些單位：1愛曼=10-10Ci/L=3700Bq/m31WL=1.3×105MeV/L=2.8×10-5J/m323.放射性物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化1、獨(dú)立衰變的情況

ABt=0N0

t=tNt=t+dtN-dNA=-dN/dt=λN解微分方程：-dN/N=λdt-lnN/N0=λtN=N0e-λt24.2、半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系1/2N0=N0e-λT1/2即1/2=e-λT1/2ln2=λT1/2T1/2=ln2/λ=0.693/λ3、平均壽命τ=1/λ=0.693/T1/225.4、連續(xù)衰變的情況在連續(xù)衰變情況下，A核的衰變?nèi)匀皇仟?dú)立衰變，因?yàn)锳核的子體〔B核〕的衰變與否對A核的衰變是沒有影響的，問題是在于B核的數(shù)量變化規(guī)律如何？B核未與A核別離。它不是獨(dú)立衰變，所以其數(shù)量變化既取決于自身的衰變又取決于A核的衰變，前者使它的數(shù)量隨時(shí)間減少，后者使它的數(shù)量隨時(shí)間增加，所以B核數(shù)量隨時(shí)間變化的速率等于B的衰變速率AB減去A的衰變速率AA。即：26.即：-dNB/dt=AB–AA-dNB/dt=λBNB–λANA由于A核為獨(dú)立衰變，即-dNA/dt=λNANA=NA0e-λAt或AA=AA0e-λAt

27.所以，-dNB/dt=λBNB–λANA0e-λAt解微分方程，得28.討論：1〕A的半衰期相對于所考慮的時(shí)間間隔是很長，B的半衰期比A的半衰期短得多時(shí)：相當(dāng)于：λA很小，λA＜＜λB，此時(shí)，λAt≈0AA=AA0e-λAt≈AA0e-0=AA029.從上式可見，B的衰變率是隨時(shí)間的增長而增大，最后趨于一個(gè)恒定的飽和值，建立了長期平衡。見以下圖30.平衡原理圖31.能長期平衡的條件：1、母體的半衰期長于子體的半衰期。

TA

＞TB特點(diǎn)：放射性衰變平衡后:子體的衰變率等于母體的衰變率。

AB=AA32.長期平衡應(yīng)用意義：226Ra的半衰期是1602年，它的子體222Rn的半衰期是3.82天，符合長期平衡條件設(shè)一個(gè)擴(kuò)散器內(nèi)裝鐳標(biāo)準(zhǔn)源，含226Ra2×10-10g，將擴(kuò)散器內(nèi)原來的222Rn除去，這樣擴(kuò)散器內(nèi)的222Rn濃度逐漸升高，約經(jīng)過25天后，222Rn的強(qiáng)度接近了飽和值，等于母體226Ra的強(qiáng)度值〔2×10-10×3.7×10-10=7.4次/秒〕。這也是我們測226Ra的原理。33.利用長期平衡估算物質(zhì)的量：如礦石中鈾238U與226Ra平衡時(shí)有AU=ARa即λUNU=λRaNRaNRa/NU=λU/λRa=T1/2Ra/T1/2U=3.58×10-734.35.思考題：當(dāng)一個(gè)已被淋浸過的鈾礦石。用鈾含量來估算Ra時(shí)，結(jié)果時(shí)偏高還是偏低？當(dāng)用Ra含量，估算鈾含量時(shí)，結(jié)果時(shí)偏高還是偏低？36.衰變鏈：37.輻射的危害38.放射性對人體的危害在大劑量的照射下，放射性對人體和動物存在著某種損害作用。如在400rad的照射下，受照射的人有5%死亡；假設(shè)照射650rad，那么人100%死亡。照射劑量在150rad以下，死亡率為零，但并非無損害作用，住往需經(jīng)20年以后，一些病癥才會表現(xiàn)出來。放射性也能損傷遺傳物質(zhì)，主要在于引起基因突變和染色體畸變，使一代甚至幾代受害。39.40.核能知識

1.鈾的同位素鈾是自然界中原子序數(shù)最大的元素。天然鈾的同位素主要是鈾-238和鈾-235，它們所占的比例分別為99.3%和0.７％。除此之外，自然界中還有微量的鈾-234。鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。1〕、1KgU-235完全裂變釋放的能量相當(dāng)與20000tTNT炸藥的威力。2〕、1gU-235≈2.5t優(yōu)質(zhì)煤41.核能，是核裂變能的簡稱。鈾-235原子核在吸收一個(gè)中子以后能分裂，在放出2—3個(gè)中子的同時(shí)伴隨著一種巨大的能量，這種能量比化學(xué)反響所釋放的能量大的多，這就是我們今天所說的核能。核能的獲得途徑主要有兩種，即重核裂變與輕核聚變。核聚變要比核裂變釋放出更多的能量。例如相同數(shù)量的氘和鈾-235分別進(jìn)行聚變和裂變，前者所釋放的能量約為后者的三倍多。被人們所熟悉的原子彈、核電站、核反響堆等等都利用了核裂變的原理。只是實(shí)現(xiàn)核聚變的條件要求的較高，即需要使氫核處于幾千萬度以上的高溫才能使相當(dāng)?shù)暮司哂袆幽軐?shí)現(xiàn)聚合反響。42.重核裂變

重核裂變是指一個(gè)重原子核，分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等原子量的原子核，引起鏈?zhǔn)椒错?，從而釋放出巨大的能量。例如，?dāng)用一個(gè)中子轟擊Ｕ-235的原子核時(shí)，它就會分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)產(chǎn)生2—3個(gè)中子和β、γ等射線，并釋放出約200兆電子伏特的能量。

如果再有一個(gè)新產(chǎn)生的中子去轟擊另一個(gè)鈾-235原子核，便引起新的裂變，以此類推，裂變反響不斷地持續(xù)下去，從而形成了裂變鏈?zhǔn)椒错?，與此同時(shí)，核能也連續(xù)不斷地釋放出來。43.44.輕核聚變所謂輕核聚變是指在高溫下(幾百萬度以上)重氫核(氘核)與超重氫核(氘核)結(jié)合成氦放出大量能量的過程，也稱熱核反響。它是取得核能的重要途徑之一。由于原子核間有很強(qiáng)的靜電排斥力，因此在一般的溫度和壓力下，很難發(fā)生聚變反響。而在太陽等恒星內(nèi)部，壓力和溫度都極高，所以就使得輕核有了足夠的動能克服靜電斥力而發(fā)生持續(xù)的聚變。自持的核聚變反響必須在極高的壓力和溫度下進(jìn)行，故稱為“熱核聚變反響〞。45.一種新能源——核電站目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍處于絕對優(yōu)勢，但此種能源不僅燃燒利用率低，而且污染環(huán)境，它燃燒所釋放出來的二氧化碳等有害氣體容易造成“溫室效應(yīng)“，使地球氣溫逐年升高，造成氣候異常，加速土地沙漠化過程，給社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)開展帶來嚴(yán)重影響。與火電廠相比，核電站是非常清潔的能源，不排放這些有害物質(zhì)也不會造成“溫室效應(yīng)〞，因此能大大改善環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。世界上核電國家的多年統(tǒng)計(jì)資料說明，雖然核電站的投資高于燃煤電廠，但是，由于核燃料本錢遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于燃煤本錢，相反核燃料反響所釋放的能量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化石燃料燃燒所釋放出來的能量，而且核燃料取之不皆，這就使得目前核電站的總發(fā)電本錢低于燒煤電廠。46.中國核電開展起步于上世紀(jì)80年代中期，核電設(shè)計(jì)工作從上世紀(jì)70年代就已開始。國內(nèi)現(xiàn)有3個(gè)核電基地：浙江省的秦山核電基地，5臺核電機(jī)組；廣東大亞灣核電基地，4臺核電機(jī)組；江蘇省田灣核電基地。我國方案開發(fā)兩個(gè)新的核電基地：浙江省三門核電基地和廣東省陽江核電基地。

目前我國正在運(yùn)行和在建的核電站裝機(jī)容量共有870萬千瓦。2003年我國核電發(fā)電量達(dá)437億千瓦時(shí)。初步設(shè)想2021年使核電發(fā)電量占到總發(fā)電量的4％，裝機(jī)容量達(dá)3600萬千瓦。目前在建和運(yùn)行的11臺機(jī)組中，除了自主設(shè)計(jì)外，還分別采用了法國、加拿大、俄羅斯等國家的技術(shù)。

2004年全年全國累計(jì)核電發(fā)電量達(dá)5000000萬千瓦，截至2005年11月，全國累計(jì)核電發(fā)電量達(dá)4878621萬千瓦，比2004年同期增長5.7％。但是2004、2005年度我國能源、電力緊缺現(xiàn)象還在持續(xù)，利用開展核電來緩解電力緊張是出路之一。47.核能是可持續(xù)開展的能源據(jù)估計(jì)，在世界上核裂變的主要燃料鈾和釷的儲量分別約為490萬噸和275萬噸。這些裂變?nèi)剂献憧梢杂玫骄圩兡軙r(shí)代。輕核聚變的燃料是氘和鋰，1升海水能提取30毫克氘，在聚變反響中能產(chǎn)生約等于300升汽油的能量，即“1升海水約等于300升汽油〞，地球上海水中有40多萬億噸氘，足夠人類使用百億年。地球上的鋰儲量有2000多億噸，鋰可用來制造氚，足夠人類在聚變能時(shí)代使用。況且以目前世界能源消費(fèi)的水平來計(jì)算，地球上能夠用于核聚變的氘和氚的數(shù)量，可供人類使用上千億年。因此，有關(guān)能源專家認(rèn)為，如果解決了核聚變技術(shù)，那么人類將能從根本上解決能源問題。48.U-235的濃縮濃縮后的鈾中U-235的含量從0.72%～99.99999%不等。超過濃度3%的鈾是用來發(fā)電超過濃度90%的鈾是用來造原子彈的。濃縮技術(shù)：氣體擴(kuò)散法、離心別離法〔以UF6的形式進(jìn)行〕、激光法、噴嘴法、電磁法別離法、化學(xué)別離法49.乏燃料是指在核反響堆內(nèi)使用〔輻照〕到達(dá)方案的卸料比燃耗后,自堆內(nèi)卸出的、不再在原核反響堆中使用的核燃料。50.核工業(yè)的主要業(yè)務(wù)范圍核工業(yè)的主要業(yè)務(wù)范圍包括：鈾礦勘探、鈾礦開采與鈾的提取、燃料元件制造、鈾同位素別離、反響堆發(fā)電、乏燃料后處理、同位素應(yīng)用以及與核工業(yè)相關(guān)的建筑安裝、儀器儀表、設(shè)備制造與加工、平安防護(hù)及環(huán)境保護(hù)。51.核燃料循環(huán)及其組成核燃料循環(huán)是指核燃料的獲得、使用、處理、回收利用的全過程。它是核工業(yè)體系中的重要組成局部。核燃料循環(huán)通常分為前端和后端兩局部，前端包括鈾礦勘探、鈾礦開采、礦石加工〔包括選礦、浸出、提取和沉淀等工序〕、精制、轉(zhuǎn)化、濃縮、元件制造等；后端包括對反響堆輻照以后的乏燃料元件進(jìn)行鈾钚別離的后處理以及對放射性廢物進(jìn)行處理、貯存和處置。52.放射性應(yīng)用

一、同位素應(yīng)用1、工業(yè)同位素示蹤放射性同位素的探測靈敏度極高，這是常規(guī)的化學(xué)分析無法比較的。利用微量同位素動態(tài)追蹤物質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律是放射性示蹤不可替代的優(yōu)勢。目前，這一技術(shù)已廣泛用于石油、化工、冶金、水利水文等部門，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。53.2、同位素電池放射性同位素在進(jìn)行核衰變時(shí)釋放的能量，可以用作制造特種電源——同位素電池。這種電池是目前人類進(jìn)行深空探索唯一可用的能源?？臻g同位素電池(如钚-238電池)的特點(diǎn)是：不需對太陽定向，小巧緊湊，使用壽命長。

54.3、同位素監(jiān)控儀表放射性同位素放出的射線作為一種信息源可取得工業(yè)過程中的非電參數(shù)和其他信息。根據(jù)這一原理制作的各種同位素監(jiān)控儀表，如料位計(jì)、密度計(jì)、測厚儀、核子秤、水分計(jì)、γ射線探傷機(jī)和離子感煙火災(zāi)報(bào)警器等可用來監(jiān)控生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)無損檢測，以及探知火情等。

55.4、輻射加工方面輻射加工是利用電離輻射作為一種先進(jìn)的手段對物質(zhì)和材料進(jìn)行加工處理的一門技術(shù)。這種加工方式目前已在交聯(lián)線纜、熱縮材料、橡膠硫化、泡沫塑料、外表固化、中子嬗變摻雜單晶硅、醫(yī)療用品消毒、食品輻照保藏以及廢水、廢氣處理等領(lǐng)域取得顯著成效，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。56.5、輻射育種輻射育種，是利用γ射線等射線誘發(fā)作物基因突變，獲得有價(jià)值的新突變體，從而育成優(yōu)良品種。我國輻射突變育種的成就突出育成的新品