高等電離輻射防護教程-夏益華-3原子核與放射性

原子核與放射性理學院張慧娟UnitsPrefixSymbolMeaningTera-T1012Giga-G109Mega-M106Kilo-k103Deci-d10-1Centi-c10-2Milli-m10-3Micro-m10-6Nano-n10-9Pico-p10-12Symbolstoknowpproton1HnucleusnneutronparticleofzerochargeandA=1ddeuteron2HnucleusTtriton3Hnucleusalphaparticle4Henucleuse-electronElectronfromatomicorbitals-negatronNegativeelectronemittedbythenucleus+positronPositiveelectronemittedbythenucleusGammarayElectromagneticenergy(photon)emittedbythenucleusXXrayElectromagneticenergyemittedasaresultofelectrontransitionsintheatomicorbitalsNeutrino〔中微子〕Emittedin-decayprocesses(2types)SymbolsforParticlesandRadiation主要內(nèi)容原子核放射性及放射性衰變原子核原子的結(jié)構(gòu)核素原子的結(jié)合能原子的結(jié)構(gòu)StructureoftheAtom+++NucleusNeutronsProtonsElectrons(ElectronClouds)核子核素(Nuclide)具有相同的質(zhì)子數(shù)Z、相同的中子數(shù)N、處于相同的能量狀態(tài)且壽命可測的一類原子稱為核素。核子數(shù)(質(zhì)量數(shù)〕原子序數(shù)假設(shè)不是表示核反響式中的核素時，可省略中子數(shù)，可省略表示能態(tài)元素符號238U，鈾-238同位素(isotope)同位素：質(zhì)子數(shù)相同、中子數(shù)不同的兩個或多個核素。同中子異位素(isotone)同中子異位素:中子數(shù)相同、質(zhì)子數(shù)不同的核素。同量異位素〔isobar)

同量異位素:質(zhì)量數(shù)相同、質(zhì)子數(shù)不同的核素。同質(zhì)異能素(isomer)同質(zhì)異能素：處于不同的能量狀態(tài)且其壽命可以用儀器測量的同一種原子核等超額中子素(isodiaphere)等超額中子素：核中超額中子數(shù)(N-Z)相同的核素。鏡像素(mirrornuclei)假設(shè)兩個核素的Z、N和A之間存在關(guān)系：Z1=N2,Z2=N1,A1=A2稱這兩個核素為鏡像素元素周期表×××核素圖核素圖

核素圖〔2990〕穩(wěn)定核素：285〔12C、14N、16O，……，包括31,t1/2>11011a;7,t1/2:7.1108a4.81010a〕;原生天然放射性核素：30〔238U、40K、87Rb……〕；次生天然放射性核素：46〔226Ra、234Th……〕；誘發(fā)天然放射性核素：10〔3H、14C……〕人工放射性核素：2500〔60Co、137Cs、237Np、99Tc〕發(fā)射正電子或捕獲電子發(fā)射射線發(fā)射粒子

穩(wěn)定線質(zhì)量與能量的關(guān)系愛因斯坦的觀點：質(zhì)量，只是物質(zhì)存在的形式之一；物質(zhì)存在的另一種形式就是能量。能量和質(zhì)量都是物質(zhì)的一種屬性。著名的愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式(質(zhì)能方程)：現(xiàn)在科學還無法將任何物質(zhì)的全部質(zhì)量變成能量來得于利用，否那么人類的能量將用之不完。現(xiàn)在利用的核能正是來自質(zhì)量到能量的轉(zhuǎn)換，雖然只是某些物質(zhì)的一點點質(zhì)量轉(zhuǎn)換，已經(jīng)讓人類受益匪淺。原子質(zhì)量單位單個原子核的質(zhì)量很小，使用kg或g作單位不便于使用。在原子核物理中引入原子質(zhì)量單位(Atomicmassunit,u)；規(guī)定1u等于一個12C原子質(zhì)量的1/12。質(zhì)量虧損(massdefect)m(Z,A)Zmp+(A-Z)mn;m(Z,A)=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A)=ZMH+(A-Z)mn-M(Z,A)m(Z,A):質(zhì)量虧損——組成原子核的Z個質(zhì)子和(A-Z)個中子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量m(Z,A)之差。如何計算16O的質(zhì)量虧損？質(zhì)量過剩(Massexcess)以原子質(zhì)量單位表示的原子質(zhì)量M(Z,A)與原子核的質(zhì)量數(shù)A之差稱為質(zhì)量過剩。

=M(Z,A)-A(12C)=0通常將換算為能量，以MeV表示。原子核的結(jié)合能結(jié)合能——與質(zhì)量虧損相對應(yīng)的能量改變?yōu)榻Y(jié)合能與原子核穩(wěn)定性的關(guān)系——由質(zhì)子和中子形成某種原子核時所放出的能量，稱為結(jié)合能，相反，如果要使原子核分裂為單個的質(zhì)子和中子時，外界就必須供給與結(jié)合能等值的能量或作同樣多的功。因此，結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。結(jié)合能的大小反映了核的穩(wěn)定程度。結(jié)合能的物理意義——任何兩互相吸引的物體，當它們的相對位置靠近時，總是要放出能量，核子之間的作用力是一種短程力，其作用范圍約為2×10-15m。當兩核子之間的距離到達這個數(shù)值時，就發(fā)生強吸引，并放出很大的能量。實驗證明——能量為0.025eV的中子數(shù)被H2O分子中的1H原子吸收時，生成2H，并放出2.224MeV的能量。與計算得到的2H核的結(jié)合能相等。反之，假設(shè)用能量為2.224MeV的光子照射2H核，它就可能被拆開，生成一個質(zhì)子和中子。計算B(Z,A)=m(Z,A)c21u=931.5016MeV/c2例題氦原子核是由2個質(zhì)子和2個中子組成，它的質(zhì)量虧損如圖。按照愛因斯坦的質(zhì)能公式計算，氦核放出的結(jié)合能：核的總結(jié)合能——由核子結(jié)合成原子核時放出的能量。核子數(shù)越多，原子核越大，總結(jié)合能也越大。平均結(jié)合能定義——原子核的結(jié)合能除以質(zhì)量數(shù)A所得的商，即物理意義——

原子核拆散成核子時，外界對每個核子所做功的最小平均值，或核子結(jié)合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。原子核的平均結(jié)合能越高說明核子在核內(nèi)結(jié)合得越緊。平均結(jié)合能〔比結(jié)合能〕用質(zhì)量虧損計算2H、40CA、197AU、252CF的結(jié)合能和比結(jié)合能.比結(jié)合能曲線A<25隨A的變化有明顯起伏；質(zhì)量數(shù)A=40~120的中等核的平均結(jié)合能量高，而且?guī)缀踅咏粋€常數(shù)(ε≈8.6MeV)重核的平均結(jié)合能比中等核低，重核裂變時釋放出很大的能量。8.8MeV;A=50

60比結(jié)合能曲線A<25，輕核區(qū)比臨近的核大；等核的極小。

偶-偶>奇-偶>奇-奇

原子核中的質(zhì)子-質(zhì)子及中子-中子有配對的趨勢8.8MeV;A=50

60比結(jié)合能曲線假設(shè)將平均結(jié)合能小的核聚變成平均結(jié)合能大的核，會釋放出很大的能量。重核的平均結(jié)合能比中等核低，重核裂變時釋放出很大的能量。質(zhì)量數(shù)A=40~120的中等核的平均結(jié)合能量高8.8MeV;A=50

60人類可利用的結(jié)合能核能就有兩種可能的方式：一種利用重核分裂成中等質(zhì)量核過程中釋放出的核能，即裂變能；而另一種利用輕核聚合成中等質(zhì)量核過程中釋放出的核能，即聚變能。裂變與聚變是大規(guī)模核能之源。偶-偶核比結(jié)合能更大4He的平均結(jié)合能是28.30/4=7.085兆電子伏，2H核的平均結(jié)合能為2.224/2=1.112MeV。2H核中只有一個p-n作用，在4He核中有一對p-p、一對n-n和四對p-n作用，每一個核子均與其他核子作用pnpnpn偶-偶核比結(jié)合能更大P〔偶〕-N〔偶〕核：165P〔偶〕-N〔奇〕核：55P〔奇〕-N〔偶〕核：50P〔奇〕-N〔奇〕核：6核子更樂意以成對的方式存在于原子核內(nèi)對280種穩(wěn)定核素的分析說明：放射性利用加速器或反響堆制成〔醫(yī)用〕現(xiàn)有118種元素，接近3000種核素，90%以上具有放射性放射性及放射性衰變放射性衰變及其類型放射性射線及其特點放射性衰變根本規(guī)律放射性衰變核素：具有特定的原子質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)和核能態(tài)的一類原子放射性核素：能自發(fā)地放射出各種射線的核素稱為放射性核素。放射性核素自發(fā)地改變核結(jié)構(gòu)形成的過程稱為核衰變。由于過程中總伴有帶電或不帶電粒子放出，所以又稱為放射性衰變。放射性衰變類型放射性衰變按其放出粒子的性質(zhì)可分為：

α

衰變

β-衰變

β+衰變電子俘獲

γ

衰變α衰變①α衰變：放射性核素放出α粒子的核衰變。α粒子是帶兩個正電荷的氦核。例如23892U——α

+23490Th

AZX——α

+A-4Z-2Y說明：能發(fā)生

衰變的核素一般為質(zhì)量數(shù)A＞209的重核；發(fā)生

衰變后，子核比母核在元素周期表中位置前移兩位；

粒子以高速從核中飛出遇物質(zhì)失去動能，捕捉兩電子變?yōu)镠e原子；

粒子能量分立，子核可能是基態(tài)或激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)子核發(fā)出

射線回到基態(tài)；衰變能主要表現(xiàn)為

粒子的動能，子核的動能很??；β-衰變②β-衰變:

放射性核素內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子并放出β粒子和中微子的核衰變。β粒子是電子，電荷=-1，質(zhì)量≈0例如23490Th——23491Pa+β+

ν

AZX——AZ+1Y+β+

ν說明：

-衰變的實質(zhì)是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時放出一個電子和與電子相聯(lián)系的反中微子。遵循位移定律：

-衰變子核后移一位，β+衰變③β+衰變:放射性核素內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶硬⒎懦靓?粒子和中微子的衰變。β+是正電子，質(zhì)量≈0，電荷=+1，通式：AZX——AZ-1Y+β+

+ν說明：

+衰變的實質(zhì)是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時放出一個正電子和一個中微子遵循位移定律：

+衰變子核前移一位；電子俘獲

質(zhì)子變成中子X射線電子俘獲④電子俘獲：放射性核素的核俘獲核外繞行的一個電子，使核內(nèi)一個質(zhì)子變?yōu)橹凶硬⒎懦鲋形⒆拥倪^程。通式：AZX+e——AZ-1Y

+ν說明：電子俘獲(EC)的實質(zhì)是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時放出一個正電子和一個中微子遵循位移定律：子核前移一位；γ衰變⑤γ衰變:放射性核素從較高能態(tài)躍遷至較低能態(tài)時放出一種波長很短的電磁輻射〔高能γ光子〕的過程。因此γ衰變后子體核素的原子序數(shù)及質(zhì)量數(shù)均無改變，但所處能態(tài)降低。說明：

射線是光子流是在

衰變或

衰變后形成新核時輻射出來的，屬于同質(zhì)異能躍遷。放射性核衰變的結(jié)果衰變形式放出射線原子序數(shù)變化原子質(zhì)量數(shù)變化

α42He-2-4β-e-(負電子)+10β+

e+(正電子)-10γhν(光子)00Echν(光子)-10放射性射線射線的種類：粒子輻射：α射線，β射線，宇宙射線、中子等的輻射電磁輻射：γ射線、X射線等的輻射發(fā)射正電子、質(zhì)子、中子、等其它粒子。大氣層中的宇宙射線成分主要是質(zhì)子、中子、π介子、μ介子、電子等。幾種放射性射線特點α射線是一種帶電粒子流，很容易引起電離。對人體內(nèi)組織破壞能力較大。穿透能力差，在空氣中的射程只有幾厘米，只要一張紙或健康的皮膚就可以擋住。

-射線也是一種高速帶電粒子。穿透本領(lǐng)比α射線大，但與x、γ射相比，β-射線的射程短，很容易被鋁箔、有機玻璃等材料吸收。X射線和

射線兩種射線性質(zhì)大致相同，是不帶電波長短的電磁波，因此把他們統(tǒng)稱為光子。兩者的穿透力極強，要特別注意外照射防護。放射性衰變根本規(guī)律單個原子核隨機衰變大量原子核遵循以下規(guī)律：t時刻樣品中有N個核，在d