輻射監(jiān)測第3章 放射性基礎知識

第3章放射性根底知識3.1原子與原子核3.2天然放射系3.3原子核衰變3.4原子核衰變的一般規(guī)律3.5輻射監(jiān)測常用的量及單位3.1原子與原子核“原子〞源自希臘文，意思是“不可分割的〞。研究原子的組成、組成物的運動規(guī)律及其相互作用的規(guī)律。其表征量為物質的物理、化學性質和光譜特性?！霸雍栓暷敲词茄芯课镔|結構的另一個更深的層次，研究原子核的組成、性質、核力、核模型、核的蛻變及核能的利用等。其表征為原子核的放射性。第3章放射性根底知識第3章放射性根底3.1原子與原子核原子1.原子質量老的表示：以16O原子質量的1/16作為原子質量單位,記為：amu。新的表示：以12C原子質量的1/12作為原子質量單位，記為：u地球上最輕的原子是氫原子，其原子核僅由一個質子組成，核外只有一個軌道電子原子的質量主要集中在原子核上第3章放射性根底2原子結構模型原子(1)公元前5世紀，希臘哲學家德謨克利特等人認為：萬物是由大量的不可分割的微粒構成的，即原子。(2)19世紀初，英國科學家道爾頓提出近代原子學說，他認為原子是微小的不可分割的實心球體。第3章放射性根底2原子結構模型原子（3）原子的湯姆遜模型1897年，英國科學家湯姆生發(fā)現了電子。1903年，湯姆遜提出了新的原子構造模型：原子是一個半徑大約為10-8厘米的球體，正電荷均勻地分布于整個球體，電子則稀疏地嵌在球體中，這是一個類似葡萄干面包的原子模型。第3章放射性根底2原子結構模型原子葡萄干原子模型

〔4〕原子的核式模型1871～19371908年諾貝爾化學獎1909年盧瑟福散射試驗。2.原子結構模型第3章放射性根底1911年提出原子的核式模型正電荷集中在原子的中心，即原子核；質量為整個原子的99.9%以上；從此建立了原子的有核模型。

原子的電中性，原子核所帶電量與核外電子電量相等。核電荷與核外電子電荷符號相反。即：核電荷Ze，核外電子電荷–Ze。原子核中子質子電子(電子云)+++第3章放射性根底原子3.原子的能量原子核外電子排布電子層符號電子層數(n)電子的能量電子離核遠近KLMNOPQ1234567低→高近→遠原子核1.原子核的組成1932年查德威克(J.Chadwick)發(fā)現中子。(據此獲1935年諾貝爾物理學獎)第3章放射性根底用粒子轟擊鈹，鈹放射出穿透力很強的中性粒子，可以將含氫物質中的質子擊出，并證明其有與質子相近的質量。1891～1974實驗中放出的不是高能，而是中子。

中子發(fā)現后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出：原子核由質子和中子組成，并得到實驗支持。中子和質子統(tǒng)稱為核子。中子不帶電,質子帶正電，電量為e。電荷數為Z的原子核含有Z個質子。1901～1976因量子力學方面奉獻，獲1932年諾貝爾物理獎。原子核第3章放射性根底

原子核的表示核子數質子數中子數元素符號例如：為三個核素，可表示為原子核第3章放射性根底2原子核的穩(wěn)定性在原子序數Z>83的元素(鉍)中，沒有穩(wěn)定的同位素。原子核質量總是小于構成它的核子質量的總和，這一質量差△m稱作質量虧損。根據愛因斯坦的質能公式：

能量也必然發(fā)生相應的變化，即：△E稱作原子核的結合能，即各核子結合在一起構成原子核時所釋放的能量。質量虧損越大，結合能越大，核子間結合的越緊密，原子核就越穩(wěn)定。3核能級原子核第3章放射性根底原子核具有許多能級，最低的能級稱為基級，高的能級稱為激發(fā)能級，通常用平行線來表示核的能級，最低的線代表基級，用0表示，表示激發(fā)能級的橫線和基線的距離與它們的能量差成正比例〔用兆電子伏特為單位〕。距離基線最近的代表第一能級，其次是第二、第三……等激發(fā)能級。1.核素〔nuclide〕

具有相同的中子數和質子數，處于相同的、壽命可測的能態(tài)的的一類原子稱為核素。

核子數、中子數、質子數和能態(tài)只要有一個不同，就是不同的核素。

兩種核素，A同，Z、N不同。兩種核素，N同，A、Z不同。兩種核素，Z同，A、N不同。兩種核素，A、Z、N同，能態(tài)不同。23892U146

某元素中各同位素天然含量的原子數百分比稱為同位素豐度。具有相同原子序數但質量數不同的核素稱為某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中處于同一個位置，具有根本相同化學性質。)2.同位素〔Isotope〕和同位素豐度鈾的二種同位素。氫的三種同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%0.724%、99.276%99.985%、0.015%3.穩(wěn)定核素和放射性同位素

其中，穩(wěn)定同位素為：而3H為放射性同位素，具有β放射性，放出最大能量為~18KeV的β射線，其半衰期。它的產生是宇宙射線與空氣中的N和O發(fā)生核反響，稱為宇生放射性。

氫的三種同位素具有相同的化學性質，但其放射性卻不同。3.1.4射線及其性質第3章放射性根底3.1.4射線及其性質表3-1能量為2百萬電子伏的三種射線電離密度和穿透能量比較輻射類型在空氣中射程/m電離密度（1mm離子對數）α射線0.016000.0β射線10.006.0γ射線600.000.1第3章放射性根底中子中子是一種不帶電的中性粒子，在自然界中子并不單獨存在，它是在原子核受到外來粒子轟擊時才從核里釋放出來的，中子處在自由狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它會自動衰變?yōu)橐粋€質子、一個電子和一個中微子。半衰期約為13分鐘，它有巨大的速度和貫穿本領，中子輻射具有強大穿透能力，它與各種元素原子核相互作用能產生γ射線或β射線，中子和γ射線是外照射防護中要考慮的兩種主要輻射。3.1.4射線及其性質第3章放射性根底3.2天然放射系3.2.1.鈾系(4n+2系)

第3章放射性根底3.2.天然放射系3.2.2釷系--4n系

第3章放射性根底3.2.天然放射系3.2.3錒系---4n+3系第3章放射性根底3.2.天然放射系3.2.4镎系----4n+1系

第3章放射性根底3.3原子核衰變3.3.1α衰變α衰變所釋放的能量α粒子的動能為

E

＝

衰變子體核的反沖能為ER=

3.3.1α衰變

能譜的特點

放射性核素一般為重核，質量數>140

衰變放出的粒子能量在4～9MeV范圍

衰變半衰期范圍很寬，10-7s～1015a衰變根本特點：3.3.1α衰變3.3.2

衰變

－衰變的必要條件仍然是母核的原子質量要大于子體核的原子質量和電子質量的總和

－衰變釋放的能量：

衰變：核電荷數改變而核子數不變的自發(fā)核衰變過程.1

－衰變3.3.2

衰變2

＋衰變發(fā)生

＋衰變的條件依然是母核的原子質量大于子核的原子質量與2倍電子的質量之和

＋衰變釋放的能量

正電子淹沒：

當

＋全部動能損失后，便和周圍物質中的自由電子結合，轉變?yōu)閮蓚€方向相反，能量均為0.511MeV的光子，電子本身質量消失，這一現象稱為正電子淹沒。形成的Υ輻射稱為淹沒輻射。3.3.2

衰變3電子俘獲－EC衰變能夠發(fā)生EC衰變的必要條件是母體核素的靜止能量必須大于子體核素的靜止能量和電子的結合能

EC衰變的釋放能量EC衰變的后續(xù)過程：特征X射線:俄歇電子:外層的軌道電子向內殼層的空穴填充時，多余的能量不是以特征X射線的形式發(fā)射出來，而是把它直接交給同一殼層的另外一個電子，使其成為自由電子而發(fā)射出來3.3.2

衰變現在簡單歸納一下

衰變三種形式的特點①發(fā)生

－衰變發(fā)生

＋衰變

發(fā)生EC衰變②假設成立，那么必然成立

③有些核素可以同時滿足以上3個不等式，它們就可以同時發(fā)生

－、＋甚至EC三種方式的衰變

3.3.3衰變〔同質異能躍遷〕在

躍遷的過程中，發(fā)生衰變的原子核的原子序數和質量數都沒有任何的改變，只有能級狀態(tài)的變化,所以，

躍遷又被稱為同質異能躍遷。內轉換電子處于激發(fā)態(tài)的核，通常通過發(fā)射

躍遷而退激，但有的核不是通過

躍遷退激，而是直接把激發(fā)能交給核外軌道電子。該電子吸收能量后會脫離原子核的吸引，成為自由電子發(fā)射出來

圖3-860Co的γ衰變圖3.4放射性衰變的一般規(guī)律衰變定律---指數衰減規(guī)律(1)衰變常數分子表示：t時刻單位時間內發(fā)生衰變的核數目，稱為衰變率，記作t

時刻放射性原子核總數衰變常數：一個原子核在單位時間內發(fā)生衰變的概率。3.4.2放射性核素的特征量量綱為：[t]-1,如1/s，1/h，1/d，1/a3.4放射性衰變的一般規(guī)律(2)半衰期T1/2

半衰期：放射性核數衰變一半所需的時間，記為

T1/2,即：量綱為：[t],如s，h，d，a3.4.2放射性核素的特征量3.4放射性衰變的一般規(guī)律(3)平均壽命

平均壽命＝總壽命

/總核數在t~t+dt

時間內衰變的原子核數為：這些核的壽命均為t，它們的總壽命為：3.4.2放射性核素的特征量3.4放射性衰變的一般規(guī)律因此，平均壽命：而t

可能的取值為：0～

所以，所有核的總壽命為：特征量大小與核衰變的快慢慢大大小快小小大衰變速度核衰變特征量放射性核素的生長與衰變的相互關系3.4.3.1遞次衰變規(guī)律許多放射性核素并非一次衰變就到達穩(wěn)定，而是它們的子核仍有放射性，會接著衰變……直到衰變的子核為穩(wěn)定核素為止，這樣就產生了多代連續(xù)放射性衰變，稱之為遞次衰變或級聯衰變。1兩次連續(xù)衰變規(guī)律t=0時，A

的數目為N10，B的數目為0A

和B

的衰變常數分別為

1

和

2C

的數目為0。

是單一放射性衰變，服從簡單的指數規(guī)律。即：對于A：這樣t時刻，A的數目的變化為：對于B：不斷衰變?yōu)镃(減少)：不斷從A獲得(增加)：這樣B的數目的變化為：B代入N1(t)等條件，解此微分方程，

可見，子體B

的變化規(guī)律不僅與它本身的衰變常數

2

有關，而且還與母體A

的衰變常數

1

有關，它的衰變規(guī)律不再是簡單的指數規(guī)律。

已經假設C

是穩(wěn)定的，那么它的變化僅由B

的衰變決定，即：解此方程，得：對于C：

當t

，N3(t)N10，母體A全部衰變成子體C。子體C是穩(wěn)定的，不再發(fā)生衰變。大家課后計算一下，2屢次連續(xù)衰變規(guī)律ABC…N〔穩(wěn)定〕參照兩次連續(xù)衰變的規(guī)律，考慮子體C也不穩(wěn)定，那么子體C數目的變化量由它本身的衰變及子體B的衰變決定：代入N2(t)等條件，解此方程其中，系數

對于n代連續(xù)放射性衰變過程，其中第1到第n代核素具有放射性，而第n+1代核素為穩(wěn)定核素。設初始條件為：各衰變常數為：

用同樣的方法可以求出第n個核素隨時間的變化規(guī)律：其中，系數為：在連續(xù)放射性衰變中，母體衰變是單一放射性衰變，服從指數衰減規(guī)律；其余各代子體的衰變規(guī)律不再是簡單指數規(guī)律，而與前面各代衰變常數都有關。放射性衰變的平衡問題放射性核素的生長與衰變的相互關系對于兩代連續(xù)ABC〔穩(wěn)定〕

我們來看子體B

的變化情況，子體B

的變化只取決于

1

和

2。我們分三種情況討論：(1)暫時平衡

母體A的半衰期不是很長，但比子體B的半衰期長，即或時，那么在觀察時間內可看出母體A放射性的變化，以及子體B的核數目在時間足夠長之后，將和母體的核數目建立一固定的比例，此時子體B的變化將按母體的半衰期衰減，這時建立的平衡叫暫時平衡。放射性衰變的平衡問題由：由于：，當t

足夠大時，有：現在來推導一下暫時平衡關系：子母體的放射性活度的關系為：即：當t

足夠大時，有：對于多代連續(xù)放射性衰變：

只要母體A1的衰變常數

1

最小，就會建立起按A1的半衰期進行衰變的暫時平衡體系。

建立平衡之后，各代放射體的數量及活度之比不隨時間變化，且均各代按

1

進行衰變。(2)長期平衡

當母體A的半衰期較長，且比子體B的半衰期長得多時，即或那么在觀察時間內，看不出母體A放射性的變化；在相當長時間以后，子體B的核數目和放射性活度到達飽和，并且子母體的放射性活度相等。這時建立的平衡叫長期平衡。由：由于：當t

足夠大時，有：現在來推導一下長期平衡關系：所以：子母體的放射性活度的關系為：即：當t

足夠大時，有：對于多代連續(xù)放射性衰變：

只要母體A1的衰變常數

1

足夠小，就會建立起按A1的半衰期進行衰變的長期平衡體系。

各代放射體的數量之比不隨時間變化；各代子體的放射性活度都等于母體的放射性活度，且均按

1

進行衰變。i=2,3,4,…總核數為N10，平衡后總活度為n×A1。(3)不成平衡——逐代衰變

當母體A的半衰期比子體B的半衰期短時，即或這時建立不起平衡，母體A按指數規(guī)律較快衰減；而子體B的數目從零逐步增加，過極大值后較慢衰減，當時間足夠長時，子體B那么按自己的衰變常數2衰變。這種情況也稱為逐代衰變。由：由于：，當t

足夠大時，有：來推導一下不平衡情況：子體的放射性活度為：母體的放射性活度為：即：當t

足夠大時，有：對于多代連續(xù)放射性衰變：

那么，隨著時間的流逝，將會形成逐代衰變現象。首先是第一代衰變完，接著第二代，第三代，…，逐代衰變完。而且各自按自己的衰變常數衰變。

如果上代的核素都比下代的核素衰變的快，即有:小結：

經過足夠長時間之后，多代連續(xù)放射性衰變過程將出現暫時平衡、長期平衡或逐代衰變等現象。實際往往三種交織在一起。母核衰變比子核衰變快的，母核就按逐代衰變先衰變掉了；如果這個子核比下一代子核衰變慢，那么形成暫時平衡。暫時平衡體系總要衰變掉，這樣下去，總會出現半衰期最長的核素形成長期平衡。地球上目前存在的放射系就是衰變留下的處于長期平衡的多代連續(xù)衰變體系。1

放射性活度(Activity)定義：那么：

活度定義：一個放射源在單位時間內發(fā)生衰變的原子核數。以A表示，表征放射源的強弱。放射性活度及其單位

3.5輻射監(jiān)測常用的量及單位

射線強度：單位時間內放出某種射線的個數。2活度單位

常用單位居里(Ci)：法定計量單位為貝可(Bq)：較小的單位還有毫居(mCi)和微居(

Ci)所以：放射性活度及其單位

3.5輻射監(jiān)測常用的量及單位

求人體內含的0.2%的。的天然豐度為0.0118%，其半衰期。求體重為75kg的人體內的總放射性活度。應用實例：已得求體內的原子數：

體內由的放射性活度：3比活度

(SpecificActivity)定義為：單位質量放射源的放射性活度。

比活度反映了放射源中放射性物質的純度。即：單位為：Bq/g

或Ci/g

3.5輻射監(jiān)測常用的量及單位照射量及其單位4.照射量：照射量表示χ或γ輻射在單位質量小體積元的空氣中，釋放出來的全部電子(負電子和正電子)被完全阻止于空氣中時，空氣中形成的一種符號的離子總電荷的絕對值。它SI單位是庫侖/千克，記為C/㎏。照射量的數學表達式為：

式中,dQ是當光子在質量為dm的某一體積元內的空氣中，所釋放出來的全部電子〔正、負電子〕被完全阻止于空氣中時，在空氣中形成的一種符號離子總電荷的絕對值。照射量單位沒有國際單位制專名，暫時與國際單位制并用的專用單位是倫琴，記為R，1R＝2.58×10-4C/㎏〔精確值〕3.5.2照射量及其單位2.照射量率：單位