核安全綜合知識

1、核安全綜合知識注冊核安全工程師考試復(fù)習2010年6月核安全綜合知識第一章 原子核物理基礎(chǔ)l 考試要求l 熟悉原子結(jié)構(gòu)的知識l 熟悉放射性的概念、衰變及其規(guī)律 l 熟悉射線及其與物質(zhì)的相互作用 l 掌握核反應(yīng)的類型 l 了解核裂變及其裂變反應(yīng)的知識 核安全綜合知識第一章的要求：l 復(fù)習內(nèi)容1.1 原子和原子核的基本性質(zhì)1.2 原子核的放射性1.3 射線及其與物質(zhì)相互作用1.4 原子核反應(yīng)1.5 核裂變及核能的利用核安全綜合知識1.1 原子和原子核的基本性質(zhì)知識要點 ： 原子與原子核 原子的殼層結(jié)構(gòu) 原子核的組成及其穩(wěn)定性 原子核的大小 原子核的結(jié)合能 核安全綜合知識l 原子和原子核（1）知識要點

2、：原子、原子核、同位素 1896年法國科學家貝克勒爾(A. H. Becquerel)發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象，人類第一次觀察到核變化，這一重大發(fā)現(xiàn)是原子核物理的開端。 萬物是由原子、分子構(gòu)成，每一種原子對應(yīng)一種化學元素。目前，人們已知一百多種元素。 1911年盧瑟福根據(jù)粒子的散射實驗提出原子由原子核和核外電子組成的假設(shè)。 核外電子運動構(gòu)成了原子物理學的主要內(nèi)容，而原子核內(nèi)部核子的運動是原子核物理學的主要研究對象。原子和原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩個層次。 核安全綜合知識l 原子和原子核（2） 電子帶負電荷，電子電荷的值為：e=1.60217733x10-19C，且電荷是量子化的，即任何電荷只能是e的整倍數(shù)

3、。電子的質(zhì)量為me=9.1093897x10-31kg。原子核帶正電荷，集中了原子的全部正電荷。 原子的大小是由核外運動的電子所占的空間范圍來表征，原子可以設(shè)想為電子在以原子核為中心的、距核非常遠的若干軌道上運行。原子的大小半徑約為10-8cm的量級 。 原子核的質(zhì)量遠超過核外電子的總質(zhì)量，原子的質(zhì)量中心與原子核的質(zhì)量中心非常接近。原子核的尺度只有幾十飛米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度高達108t.cm-3 。 物質(zhì)的許多化學性質(zhì)及物理性質(zhì)、光譜特性基本上只與核外電子有關(guān)；而放射現(xiàn)象則主要與原子核有關(guān) 。 核安全綜合知識l 原子和原子核（3） 單選題例：（只有一個答案是正確的

4、）原子物理學的主要內(nèi)容是（A）。A核外電子的運動, B 原子核的裂變，C 原子核的衰變，D 原子核中核子間的運動 。 多選題例：（有多個答案可能正確，錯一個為全錯）原子由原子核和核外電子組成，其中(ABCDE)。A 電子帶負電荷，B 原子核集中了原子的全部正電荷，C 原子的大小半徑約為10-8cm的量級， D 原子核的質(zhì)量遠超過核外電子的總質(zhì)量，E 原子核的限度只有幾十飛米。核安全綜合知識l 原子的殼層結(jié)構(gòu)（1）知識要點：原子的殼層、能級、躍遷 原子的核外電子稱為軌道電子。原子的軌道電子離核的距離是不能取任意值的，按照一定的規(guī)律形成彼此分離的殼層。 最靠近核的一個殼層稱為K層，在它的外面依次為

5、L、M、N、O殼層等，以此類推。通常用量子數(shù)n(n=1,2,3)代表殼層，并分別對應(yīng)K、L、M、N、O，殼層。每個殼層可容納2n2個電子。除了K層以外，其他殼層又可分成(2l+1，l=n-1)個支殼層，l是描述電子軌道的量子數(shù)。 處于不同殼層的電子具有不同的位能，當電子從無窮遠處移動到靠近原子核的位置時是電場力作功，K層的能級最低。能級的能量大小就等于該殼層電子的結(jié)合能，要使該殼層電子脫離核的束縛成為自由電子所需做的功。結(jié)合能是負值，通常以KeV為單位，K殼層電子的結(jié)合能的絕對值最大。 核安全綜合知識l 原子的殼層結(jié)構(gòu)（2） 用n，l，j三個量子數(shù)來描述不同的能級。其中n=1，2，3，是主量子

6、數(shù)；l=0，1，2，(n-1)是與電子的軌道運動相關(guān)的量子數(shù)，而j是與電子的自旋運動相關(guān)的量子數(shù)，j與l的關(guān)系是j=|l1/2|。n，l，j三個量子數(shù)的不同組合區(qū)別軌道電子不同的支殼層。每個支殼層最多可容納(2j+1)個電子 。 在正常情況下，電子先充滿較低能級，但當原子受到內(nèi)在原因或外來因素的作用時，低能級的電子可以被激發(fā)到高能級上（稱激發(fā)過程），或電子被電離到原子的殼層之外（稱電離過程），高能級電子就會躍遷到低能級上留下的空位上，并以電磁輻射的形式釋放一個光子。 發(fā)生內(nèi)層電子躍遷時，發(fā)射的光子能量較高，而且不同元素的原子均有不同特定的能量，所以通常又稱作特征X射線，其能量計算公式為：EX=

7、hc/=E1-E2，式中h=6.6260755x10-34J.s；光速c=2.997925x108m/s；E1和E2分別是躍遷前后兩個能級的能量 。 K系特征線是由K殼層之外的電子躍遷到K層空位時發(fā)射的特征X射線，同樣還有L系、M系特征X射線等，躍遷還需要滿足特定的選擇定則 。 核安全綜合知識l 原子的殼層結(jié)構(gòu)（3） 單選題例：原子的核外電子稱為（B）。A 自由電子，B 軌道電子，C 俄歇電子，D 康普頓電子 。 多選題例：電子軌道按照一定的規(guī)律形成彼此分離的殼層，其中各層最多可容納的電子數(shù)分別是(BCE)。A K層1個，B K層2個，C L層8個， D M層10個，E M層18個。核安全綜合

8、知識l 原子核的組成及其穩(wěn)定性（1）知識要點：核的組成、核素/同位素/同質(zhì)異能素、核的穩(wěn)定性 1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子，海森堡提出原子核由質(zhì)子和中子組成的假設(shè) 。中子為中性粒子，質(zhì)子為帶有單位正電荷的粒子。 中子和質(zhì)子的質(zhì)量相差甚微，它們的質(zhì)量分別為：mn=1.00866492u，mp=1.00727646u，u為原子質(zhì)量單位。1960年國際上規(guī)定把碳-12(12C)原子質(zhì)量的1/12定義為原子質(zhì)量單位，用u表示， 1u=1.66054020.0000010x10-27kg=931.494013MeV/c2 。 任何一個原子核都可以由符號AZXN表示，N是中子數(shù)，Z是質(zhì)子數(shù)或電荷數(shù)，A是核子

9、數(shù)或質(zhì)量數(shù)，X是該原子核對應(yīng)的元素符號。只要元素符號X確定后，該元素的電荷數(shù)就已經(jīng)確定，所以符號AX足以表示一個特定的核。 中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同的原子核稱為一種核素。具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱為某元素的同位素。16O,17O,18O的天然豐度比是：99.756%、0.039%、0.205%。壽命較長的激發(fā)態(tài)原子核稱為基態(tài)原子核的同質(zhì)異能素或同核異能素。同質(zhì)異能素所處的能態(tài)又稱同質(zhì)異能態(tài)，如：87mSr，87Sr。 核安全綜合知識l 原子核的組成及其穩(wěn)定性（2） 根據(jù)原子核的穩(wěn)定性，可以把核素分為穩(wěn)定的核素和不穩(wěn)定的放射性核素。原子核的穩(wěn)定性與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之間的比例存在密切的關(guān)系

10、。 核素圖必須是一個含有N-Z數(shù)的兩維圖。在現(xiàn)代核素圖上，既包括了天然存在的332個核素(其中280多個是穩(wěn)定核素)，也包括了自1934年以來人工制造的1600多個放射性核素，一共約2000個核素。 在穩(wěn)定核素分布圖上，相同中子數(shù)N的核素是同中異荷素；在N和Z軸截距相等的直線上的核素是同量異位素。在Z0。 m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) ，其中 m（Z,A）為電荷數(shù)為Z、質(zhì)量數(shù)為A的原子核的質(zhì)量 。 既然原子核的質(zhì)量虧損m（Z,A）0 ，由質(zhì)能關(guān)系式，那么相應(yīng)能量的減少就是 E=mc2 0 。這表明核子結(jié)合成原子核時，會釋放出能量，這個能量稱之為結(jié)合能。 一個中子和一個質(zhì)子

11、組成氘核時，會釋放一部分能量2.225MeV, 這就是氘的結(jié)合能。它已為精確的實驗測量所證明。實驗還證實了它的逆過程：當有能量為2.225MeV的光子照射氘核時, 氘核將一分為兩, 飛出質(zhì)子和中子。 核安全綜合知識l 原子核的結(jié)合能（2） 結(jié)合能: B(Z,A)= mc2 比結(jié)合能:(Z,A)= B(Z,A)/A= mc2/A 比結(jié)合能的物理意義為原子核拆散成自由核子時，外界對每個核子所做的最小的平均功，或者說，它表示核子結(jié)合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。 比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度。比結(jié)合能大，原子核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；比結(jié)合能小，結(jié)合松，穩(wěn)定性差。 核安全綜合知識l 原子核的

12、結(jié)合能（3） 當結(jié)合能小的核變成結(jié)合能大的核，即當結(jié)合得比較松的核變到結(jié)合得緊的核，就會釋放能量。 從比結(jié)合能曲線可以看出,有兩個途徑可以獲得能量：l 重核裂變，即一個重核分裂成兩個中等質(zhì)量的核；l 輕核聚變，即兩個輕核融合為一個較重質(zhì)量的核。 人們依靠重核裂變的原理制造出原子反應(yīng)堆與原子 彈，依靠輕核聚變的原理制造出氫彈和人們正在探索的可控聚變反應(yīng)。 所謂原子能，主要是指原子核結(jié)合能發(fā)生變化時釋放的能量。 核安全綜合知識l 原子核的結(jié)合能（4） 核安全綜合知識l 原子核的結(jié)合能（5） 單選題例：l 一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘原子核時，會（B）的能量。 A 吸收2.225MeV，B 釋放出2.

13、225MeV， C 吸收14.1MeV，釋放出17.6MeVl 在原子核的質(zhì)量虧損算式中，m(Z, A)為的原子核的（B）。 A 核子數(shù)，B 核質(zhì)量, C 中子數(shù)，D 原子序數(shù)l 組成氘核的質(zhì)子和中子質(zhì)量之和（C）氘核的質(zhì)量。 A小于, B 等于，C 大于，D 等于兩個l E=mc2稱為(A)定律。 A 質(zhì)能聯(lián)系, B 萬有引力，C 宇稱守恒，D 庫侖 多選題例： 原子能是指原子核結(jié)合能發(fā)生變化時釋放的能量，原子能利用的實例有（ABC）。 A 核反應(yīng)堆，B 原子彈，C 氫彈，D 激光器，E 氫氣復(fù)合器核安全綜合知識1.2 原子核的放射性知識要點 ： 原子核的衰變與放射性核素 放射性衰變的基本規(guī)

14、律 放射系 放射規(guī)律的應(yīng)用 核安全綜合知識l 原子核的衰變與放射性核素（1）知識要點：放射性核素、核衰變、衰變綱圖 不穩(wěn)定核素是指其原子核會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種原子核或另一種狀態(tài)并伴隨一些粒子或碎片的發(fā)射，它又稱為放射性原子核 。 在無外界影響下，原子核自發(fā)地發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱為原子核的衰變，核衰變有多種形式，如衰變，衰變，衰變，還有自發(fā)裂變及發(fā)射中子、質(zhì)子的蛻變過程。不穩(wěn)定原子核會自發(fā)地發(fā)生衰變。 可以根據(jù)衰變綱圖和同位素表提供的資料，選取有用的數(shù)據(jù)。衰變綱圖中粗實橫劃線的態(tài)代表原子核基態(tài)，細實橫劃線的態(tài)代表原子核的激發(fā)態(tài)，箭頭向左表示原子序數(shù)減少，向右表示增加。箭頭線上標示了放射粒子的類型及其

15、動能或者動能最大值，圖中百分數(shù)代表該種衰變所占的比例（又叫分支比）。 核安全綜合知識l 原子核的衰變與放射性核素（2）核安全綜合知識l 原子核的衰變與放射性核素（3） 單選題例： l 在無外界影響下，原子核自發(fā)地發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱原子 核的（A ） A 衰變 ，B 誘發(fā)裂變 ，C 聚變，D 散裂。 l 會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種原子核或另一種狀態(tài)并伴隨發(fā)射一些粒子或碎片的原子核是(B) A 散射靶核，B 放射性原子核，C 裂變核，D 散裂核 多選題例： 原子核衰變有多種形式，如（ABCDE ）。 A 衰變，B 衰變，C 衰變， D 自發(fā)裂變, E 發(fā)射質(zhì)子的蛻變 核安全綜合知識l 放射性衰變的基本規(guī)律

16、（1）知識要點：指數(shù)衰變規(guī)律、衰變常數(shù)/半衰期/平均壽命、放射性活度 實驗表明，任何放射性物質(zhì)在單獨存在時都服從相同的指數(shù)衰減規(guī)律。指數(shù)衰減規(guī)律不僅適用于單一放射性衰變，而且對于同時存在分支衰變的過程，指數(shù)衰減規(guī)律也是適用的，這是一個普遍的規(guī)律。 指數(shù)衰減規(guī)律: N(t)=N0e-t 對各種不同的核素來說，它們衰變的快慢又各不相同，這反映在它們的衰變常數(shù)（或半衰期/平均壽命）各不相同，所以衰變常數(shù)又反映了它們的個性。 應(yīng)該指出，放射性指數(shù)衰減規(guī)律是一種統(tǒng)計規(guī)律，它是由大量的全同原子核參與衰變而得到的。對于單個原子核的衰變，只能說它具有一定的衰變概率，而不能確切地確定它何時發(fā)生衰變。 實驗發(fā)現(xiàn)，

17、用加壓、加熱、加電磁場、機械運動等物理或化學手段不能改變指數(shù)衰減規(guī)律，也不能改變其衰變常數(shù)。這表明，放射性衰變是由原子核內(nèi)部運動規(guī)律所決定的 。 核安全綜合知識l 放射性衰變的基本規(guī)律（2） 衰變常數(shù)是單位時間內(nèi)（單一放射性物質(zhì)）一個原子核發(fā)生衰變的概率，其單位為時間的倒數(shù)：s-1，min-1，h-1，d-1，a-1等。 衰變常數(shù)表征該放射性核素衰變的快慢，越大，衰變越快；越小，衰變越慢。實驗指出，每種放射性核素都有確定的衰變常數(shù)，衰變常數(shù)的大小與這種核素如何形成的或何時形成的都無關(guān)。 如果一種核素同時有幾種衰變模式，如圖1-5(b)中137Cs有兩種衰變，還有一些放射性同位素同時放射和粒子等

18、，則這核素的總衰常數(shù)是各個分支衰變常數(shù)之和，即 ：=雐 定義分支比Ri為第個分支衰變在總衰變中所占的比例 ，即 : Ri=i/=i/i 核安全綜合知識l 放射性衰變的基本規(guī)律（3） 放射性核素衰變掉一半所需要的時間，叫做該放射性核素的半衰期 T1/2，單位為s，min，h，d，a等。根據(jù)指數(shù)衰變規(guī)律，可得： T1/2=ln2/=0.693/ 還可以用平均壽命來量度衰變的快慢， 簡稱壽命。 =tN(t)dt /N0=1/=1.44T1/2 平均壽命是半衰期的1.44倍。放射性核素的平均壽命表示經(jīng)過時間以后，剩下的核素數(shù)目約為原來的37%。 一個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為它的放射性活

19、度，通常用符號A表示。 如果一個放射源在t時刻含有N(t)個放射性原子核，放射源核素的衰變常數(shù)為 ，則這個放射源的放射性活度為 A(t)=-dN(t)/dt= N(t)=A(0)e-t 上式可見，一個放射源的放射性活度也應(yīng)隨時間增加而指數(shù)地衰減 。 核安全綜合知識l 放射性衰變的基本規(guī)律（4） 歷史上放射性活度采用居里(Ci)為單位。1950年，為了統(tǒng)一起見，國際上共同規(guī)定：一個放射源每秒鐘有3.71010次核衰變定義為一個居里，即： 1Ci=3.71010s-1 更小的單位有毫居里(1mCi=10-3Ci)和微居里(1mCi=10-6Ci)。在1975年國際計量大會(General Conf

20、erence on Weights and Measures)上，規(guī)定了放射性活度的SI單位叫Bq(貝克勒爾)，1Bq=1s-1 放射性活度僅僅指單位時間內(nèi)原子核衰變的數(shù)目，而不是指在衰變過程中放射出的粒子數(shù)目。 在實際工作中還經(jīng)常用到“比放射性活度”或“比活度”的概念。比放射性活度就是單位質(zhì)量放射源的放射性活度，即： a=A/m，式中m為放射源的質(zhì)量，比放射性活度的單位為Bq/g 衡量一個放射源或放射性樣品的放射性的強弱的物理量，除放射性活度外，還常用“衰變率”這一概念。設(shè)t時刻放射性樣品中，某一放射性核素的原子核數(shù)為N(t)，該放射性核素的衰變常數(shù)為 ，我們把這個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變

21、的核的數(shù)目稱為衰變率J(t) ，則J(t)=N(t)。 核安全綜合知識l 放射性衰變的基本規(guī)律（5） 單選題例：l 1微居里等于（A）Bq。 A 3.7x104，B 3.7x107，C 3.7x1010，D 3.7x1012 l 平均壽命是半衰期（C）倍 。 A 0.5，B 0.693， C 1.44，D 2 l 的單位或量綱為（B）。 A 時間，B 時間的倒數(shù)，C 長度，D 長度的倒數(shù) 多選題例：l （ABCDE）等手段不能改變放射性核素的衰變常數(shù)。 A 加壓，B 加熱，C 加電磁場，D 機械運動，E 化學反應(yīng) l 表征該放射性核素衰變的快慢的參數(shù)是（ACD）。 A 衰變常數(shù)，B 射線能量，

22、C 平均壽命， D 半衰期，E 平均自由程 核安全綜合知識l 放射系（1）知識要點：天然存在的釷系、鈾系、錒系及人造镎系 地球年齡約為10億年(即109年)。目前還能存在于地球上的放射性核素都只能維系在三個處于長期平衡狀態(tài)的放射系中。這些放射系的第一個核素的半衰期都很長，和地球的年齡相近或比它更長。 如釷系(4n)的,半衰期為1.411010a；釷系從232Th開始，經(jīng)過連續(xù)10次衰變，最后到達穩(wěn)定核素208Pb。由于的質(zhì)量數(shù)=232=458，是4的整倍數(shù)，故稱4n系。 鈾系(4n+2)的，半衰期為4.47109a；鈾系由238U開始, 經(jīng)過14次連續(xù)衰變而到達穩(wěn)定核素206Pb 。該系的核素

23、，其質(zhì)量數(shù)皆為4n+2，故稱4n+2 系 錒-鈾系(4n+3)的，其半衰期為7.04108a；錒-鈾系是從開始的，經(jīng)過11次連續(xù)衰變，到達穩(wěn)定核素207Pb 。該系核素的質(zhì)量數(shù)可表示為4n+3系。 雖然在三個放射系中的其他核素，在單獨存在時，衰變都較快，但它們維系在長期平衡體系內(nèi)時，都按第一個核素的半衰期衰變，因此可保存至今。 在天然存在的放射系中，缺少了4n+1系。后來，由人工方法才發(fā)現(xiàn)了這一放射系，以其中半衰期最長的（镎）命名，稱為镎系。237Np的半衰期為 2.14106a。 核安全綜合知識l 放射系（2） 單選題例：l 錒鈾放射系又稱為（D）系。 A 4n，B 4n+1，C 4n+2，

24、D 4n+3l 由人工方法發(fā)現(xiàn)的4n+1放射系稱為镎系，其中半衰期最長核素237Np的半衰期為 (A)。 A 2.14106a, B 7.04108a , C 4.47109a , D 1.411010a 多選題例：l 地球上的原生放射性核素都只能維系在處于長期平衡狀態(tài)的（ACD）放射系中 。 A錒-鈾系，B 镎系，C 鈾系，D 釷系，E 钚系 核安全綜合知識l 放射規(guī)律的應(yīng)用（1）知識要點：放射源活度的確定、確定人工放射性制備時間 放射源活度的確定: A(t) =N(t), N(t)=M x NA/A NA=6.022x1023mol-1, A是放射源物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)。 在人工制備放射源時，如果

25、反應(yīng)堆中的中子注量率或加速器中帶電粒子束流強是恒定的，則制備的人工放射性核素的產(chǎn)生率是恒定的，而放射性核素同時又在衰變，因此它的數(shù)目變化率為N(t)=P(1-e-t)/, P=Nt0 。式中Nt為樣品中被用于制備放射源的靶核的總數(shù)，而且認為在輻照過程中保持恒定； 0為靶核的熱中子截面； 為熱中子的注量率 人工生成的放射性核數(shù)呈指數(shù)增長，要達到飽和值，必須經(jīng)過相當長的時間。需要半衰期的六七倍時間，即可得到放射性活度為的99%的放射源。如果再延長時間，也只增加其中的1%而已，這是不合算的。 單選題例：l 輻照生產(chǎn)放射性核數(shù)一般只需要照射半衰期的（C）倍時間，即可得到放射性活度為的99%的放射源。

26、A 1-2，B 3-4，C 6-7，D 9-10 核安全綜合知識1.3 射線及其與物質(zhì)相互作用知識要點 ： 常用的核輻射類型及特征 射線與物質(zhì)相互作用 輻射探測的原理和主要的輻射探測器 核安全綜合知識l 常用的核輻射類型及特征（1）知識要點：、射線及中子 輻射的定義是指以波或粒子的形式向周圍空間或物質(zhì)發(fā)射并在其中傳播的能量（如聲輻射、熱輻射、電磁輻射、粒子輻射等）的統(tǒng)稱。 物體受熱向周圍介質(zhì)發(fā)射熱量叫做熱輻射；受激原子退激時發(fā)射的紫外線或X射線叫做原子輻射；不穩(wěn)定的原子核發(fā)生衰變時發(fā)射出的微觀粒子叫做原子核輻射，簡稱核輻射。通常論及的“輻射”概念是狹義的，僅指高能電磁輻射和粒子輻射。這種狹義的

27、“輻射”又稱“射線”。 核輻射粒子就其荷電性質(zhì)可以分為帶電粒子和非帶電粒子；就其質(zhì)量而言，可以分為輕粒子和重粒子；以及處于不同能區(qū)的電磁輻射。主要有輻射、 輻射、 輻射和中子輻射等。 核安全綜合知識l 常用的核輻射類型及特征（2） 射線通常也稱粒子，它是氦的原子核，由兩個質(zhì)子和兩個中子組成；核電荷數(shù)為+2，質(zhì)量為4。 粒子以符號42He表示。天然的粒子來源于較重原子核的自發(fā)衰變，叫做衰變。 衰變過程： AZX A-4Z-2Y + 42He； X、Y分別為母核和子核。 原子核發(fā)射出的射線有兩類：-和+射線。 -射線就是通常的電子，帶有一個單位的負電荷，以符號e或e-表示，負電子是穩(wěn)定的。 +射線

28、就是正電子，帶有一個單位的正電荷，以符號e+表示。兩種電子靜止質(zhì)量相同，其質(zhì)量約為質(zhì)子質(zhì)量的1/1846。 核安全綜合知識l 常用的核輻射類型及特征（3） 粒子來源于原子核的衰變，衰變有三種類型： -衰變、 +衰變和軌道電子俘獲EC。 -衰變、 +衰變中發(fā)射的電子或正電子的能量是連續(xù)的，從0到極大值E,max都有，圖1-7表示了- 衰變中發(fā)射電子能量分布，對應(yīng)某核素的電子的最大動能E,max是確定的。 X射線和射線都是一定能量范圍的電磁輻射，又稱光子輻射。光子靜止質(zhì)量為0，不帶任何電荷。單個光子的能量與輻射的頻率n成正比，即, E=h n，h為普朗克常數(shù)，它的數(shù)值等于6.62610-34Js。

29、 每一個光子的能量都是確定的，任何光子在真空中的速度都是相同的，即為光速C(3108m/s)。 X射線和射線的唯一區(qū)別是起源不同。從原子來說X射線來源于核外電子的躍遷, 而射線來源于原子核本身高激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)（或基態(tài)）的躍遷或粒子的湮滅輻射。 核安全綜合知識l 常用的核輻射類型及特征（4） 中子是原子核組成成份之一，它不帶電荷，質(zhì)量數(shù)為1，比質(zhì)子略重。自由中子是不穩(wěn)定的，它可以自發(fā)地發(fā)生衰變，生成質(zhì)子、電子和反中微子，其半衰期為10.6分 。 中子的產(chǎn)生主要是通過核反應(yīng)或原子核自發(fā)裂變，基本上有三種方法：（1） 同位素中子源；（2）加速器中子源；（3）反應(yīng)堆中子源 。 在用中子源產(chǎn)生中子時往

30、往伴有射線或X射線產(chǎn)生，有的可能比較強。因此，在應(yīng)用和防護上不僅要考慮中子，而且也要考慮g射線或X射線。 中子在核科學的發(fā)展中起過極其重要的作用。中子不帶電，當用它轟擊原子核時容易進入原子核內(nèi)部引起核反應(yīng)。人們用核反應(yīng)制造出了許多新的核素。隨著中子活化分析、中子測水分、中子測井探礦、中子照相、中子輻射育種和中子治癌等技術(shù)廣泛的應(yīng)用，對中子的需求越來越多 。 核安全綜合知識l 常用的核輻射類型及特征（5） 單選題例：l 受激原子退激時發(fā)射的紫外線或X射線叫做（A）。 A 原子輻射，B 原子核輻射，C 核輻射，D 熱輻射l 電子的靜止質(zhì)量約為質(zhì)子質(zhì)量的（A）。 A 1/1846，B 4倍，C 12

31、倍，D 1846倍 l -射線是帶有一個單位 (A)電子。 A負電荷的負，B正電荷的負，C 正電荷的正，D 負電荷的正 多選題例：l 常見核輻射包括（ABCD）。 A 輻射，B 輻射，C 輻射，D 中子輻射， E 受激原子退激時發(fā)射的X射線l 衰變包括（BCE）。 A 韌致輻射，B +衰變，C -衰變，D 光電效應(yīng)， E 軌道電子俘獲l 產(chǎn)生中子的基本方法有（ABC） A 同位素中子源，B 加速器中子源，C 反應(yīng)堆中子源， D 核磁共振，E 電加熱 核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（1）知識要點：帶電粒子、射線、中子與物質(zhì)相互作用 帶電粒子通過物質(zhì)時，同物質(zhì)原子中的電子和原子核發(fā)生碰撞進行

32、能量的傳遞和交換：其中一種主要的作用是帶電粒子直接使原子電離或激發(fā)。非帶電粒子則通過次級效應(yīng)產(chǎn)生次帶電粒子使原子電離或激發(fā)。 能夠直接或間接引起介質(zhì)原子電離或激發(fā)的核輻射通常叫做電離輻射。 帶電粒子能量損失方式之一是電離損失，包括直接電離和原子激發(fā)。 帶電粒子與物質(zhì)原子核外電子的非彈性碰撞，導致原子的電離或激發(fā)，是帶電粒子通過物質(zhì)時動能損失的主要方式。我們把這種相互作用引起的能量損失稱為電離損失。 入射帶電粒子在物質(zhì)中穿過單位長度路程時由于電離、激發(fā)過程所損失的能量叫做電離能量損失率。從物質(zhì)角度來說，電離能量損失率也可叫做物質(zhì)對帶電粒子的阻止本領(lǐng)，由于這種阻止主要是電子引起的，所以又叫做電子阻

33、止本領(lǐng)。 核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（2） 由于帶電入射粒子和靶原子核外電子之間庫侖力作用，使電子受到吸引或排斥，使入射粒子損失部分能量，而電子獲得一部分能量。如果傳遞給電子的能量足以使電子克服原子的束縛，那么這個電子就脫離原子成為自由電子；而靶原子由于失去電子而變成帶正電荷的正離子，這一過程稱為電離。 如果入射帶電粒子傳遞給電子的能量較小，不足以使電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，只是使電子從低能級狀態(tài)躍遷到高能級狀態(tài)（原子處于激發(fā)態(tài)），這種過程叫原子的激發(fā)。 處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，原子從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，這種過程叫做原子退激，釋放出來的能量以光子形式發(fā)射出來，這就是受激原

34、子的發(fā)光現(xiàn)象 。 電離能量損失率隨入射粒子速度增加而減小, 呈平方反比關(guān)系；電離能量損失率與入射粒子電荷數(shù)平方成正比，入射粒子電荷數(shù)越多，能量損失率就越大；電離能量損失率與介質(zhì)的原子序數(shù)和原子密度的乘積成正比，高原子序數(shù)和高密度物質(zhì)具有較大的阻止本領(lǐng)。 核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（3） 每產(chǎn)生一個離子對所需的平均能量叫做平均電離能，以W表示。不同物質(zhì)中的平均電離能是不同的，但不同能量的a粒子在同一物質(zhì)中的平均電離能近似為一常數(shù) 。 帶電粒子能量損失方式之二是輻射損失。由經(jīng)典電磁理論可知，高速運動的帶電粒子受到突然加速或減速會發(fā)射出具有連續(xù)能量的電磁輻射，通常稱做軔致輻射，能量最小值為

35、0，最大值為電子的最大動能。X射線管和X光機產(chǎn)生的X射線就是軔致輻射。電子的軔致輻射能量損失率比質(zhì)子、a粒子等大得多。例如在速度相同的條件下，質(zhì)子的軔致輻射比 電子要小18402=3.4106倍。所以對重帶電粒子的軔致輻射能量損失一般忽略不計。由于軔致輻射損失與成正比，因此，在原子序數(shù)大的物質(zhì)(如鉛, Z=82)中，其軔致輻射能量損失比原子序數(shù)小(如鋁Z=13)的物質(zhì)中大得多 。 一定能量的帶電粒子在它入射方向所能穿透的最大距離叫做帶電粒子在該物質(zhì)中的射程（Range）；入射粒子在物質(zhì)中行經(jīng)的實際軌跡的長度稱作路程（Path）。對重帶電粒子（如粒子）由于其質(zhì)量大，與物質(zhì)原子的核外電子作用時，運

36、動方向幾乎不變，因此，其射程與路程相近 。 核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（4） 5.3MeV的a粒子在標準狀態(tài)空氣中的平均射程3.84cm，同樣能量的a粒子在生物肌肉組織中的射程僅為30-40mm，人體皮膚的角質(zhì)層就可把它擋住。因而絕大多數(shù)a輻射源不存在外照射危害問題。但是當它進入體內(nèi)時，由于它的射程短和高的電離本領(lǐng)，會造成集中在輻射源附近的損傷，所以要特別注意防止a粒子進入體內(nèi)。 對b粒子，其射程要大得多。當b粒子通過物質(zhì)時，由于電離碰撞、軔致輻射和散射等因素的影響，其徑跡十分曲折，經(jīng)歷的路程遠遠大于通過物質(zhì)層的厚度。加上b粒子具有從零到某一最高值的連續(xù)能量。所以，對應(yīng)于粒子的最大能

37、量僅存在相應(yīng)于b粒子在該物質(zhì)中的最大射程原子核b+衰變會有正電子產(chǎn)生，快速運動的正電子通過物質(zhì)時，與負電子一樣，同核外電子和原子核相互作用，產(chǎn)生電離損失、軔致輻射損失和彈性散射。 原子核b+衰變會有正電子產(chǎn)生，快速運動的正電子通過物質(zhì)時，與負電子一樣，同核外電子和原子核相互作用，產(chǎn)生電離損失、軔致輻射損失和彈性散射。能量相同的正電子和負電子在物質(zhì)中的能量損失和射程大體相同，但自由正電子是不穩(wěn)定的。正電子與介質(zhì)中的電子碰撞會發(fā)生湮滅過程： e- + e+(0.511MeV)+(0.511MeV)因此，快速運動的正電子通過物質(zhì)除了發(fā)生與電子相同的效應(yīng)外，還會產(chǎn)生0.511Me的g湮滅輻射，在防護上

38、還要注意對g射線的防護 。 核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（5） 能量在幾十keV和幾十MeV的g射線通過物質(zhì)時主要有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)等三種作用過程。這三種效應(yīng)的發(fā)生都具有一定的概率。g射線與物質(zhì)作用的總截面s= sph+ sc + sp 。 當g光子通過物質(zhì)時，與物質(zhì)原子中束縛電子發(fā)生作用，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失了，這種過程叫光電效應(yīng) ，光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子叫光電子 。 在光電效應(yīng)中，入射光子能量的一部分用來克服被擊中電子的結(jié)合能，另一部分轉(zhuǎn)化為光電子動能；原子核反沖能量很小，可忽略不計。原子中束縛得越緊的電子參與光電效應(yīng)的概

39、率也越大。因此，K殼層上打出光電子的概率最大，L層次之，M、N層更次之。如果入射光子能量超過K層電子結(jié)合能，大約80%的光電效應(yīng)發(fā)生在K層電子上 。 發(fā)生光電效應(yīng)時，若從原子內(nèi)殼層上打出電子，在此殼層上就留下空位，原子處于激發(fā)態(tài)。這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，有兩種退激方式；一種是外殼層電子向內(nèi)層躍遷填充空位，發(fā)射特征X射線，使原子恢復(fù)到較低能量狀態(tài)；另一過程是原子的退激直接將能量傳遞給外殼層中某一電子，使它從原子中發(fā)射出來，這個電子叫做俄歇電子。因此，發(fā)射光電子的同時，還伴隨有特征X射線或俄歇電子產(chǎn)生，這些粒子將繼續(xù)與物質(zhì)作用，轉(zhuǎn)移它們的能量 。 核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（6） 入射g光

40、子同原子中外層電子發(fā)生碰撞，入射光子僅有一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子；而光子能量減小，變成新光子，叫做散射光子，運動方向發(fā)生變化，這一過程叫康普頓散射或效應(yīng)。h和h分別為入射光子和散射光子的能量；為散射光子和入射光子間的夾角 ，稱做散射角，為反沖電子的反沖角 。反沖電子具有一定動能，等于入射g光子和散射g子光子能量之差。反沖電子在物質(zhì)中會繼續(xù)產(chǎn)生電離和激發(fā)等過程，對物質(zhì)發(fā)生作用和影響；散射光子有的可能從物質(zhì)中逃走，有的留在物質(zhì)中再發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)，最終一部分被物質(zhì)吸收，一部分逃逸出去 當一定能量的g光子進入物質(zhì)時，g光子在原子核庫侖場作用下會轉(zhuǎn)化為一對正負電子，這一現(xiàn)

41、象稱做電子對效應(yīng)。電子對效應(yīng)發(fā)生是有條件的。在原子核庫侖場中，只有當入射g光子的能量1.02MeV時才有可能。入射光子的能量首先用于轉(zhuǎn)化為正負電子對的靜止能量(0.51MeV + 0.51MeV = 1.02MeV)，剩下部分賦予正負電子的動能。 核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（7） g射線進入物質(zhì)主要通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)損失其能量。這些效應(yīng)的發(fā)生使原來的g光子或者不復(fù)存在，或者改變了能量成為新的光子，偏離了原來的入射方向。因此，我們可以說，入射的g光子一旦同介質(zhì)發(fā)生作用就從入射束中移去；只有沒有同介質(zhì)發(fā)生任何作用的g光子才沿著原來的方向繼續(xù)前進。入射的g光子束中由于同介

42、質(zhì)作用而被移去的g光子稱做介質(zhì)對g光子的吸收。只有理想的準直束才能滿足這種要求，稱為“窄束”。 g射線穿物質(zhì)時其注量率隨著穿過的厚度的增加而指數(shù)衰減。稱做線性吸收系數(shù)，其單位為cm-1，它表示g射線穿過單位厚度物質(zhì)時發(fā)生相互作用的概率（或被吸收的概率），它包含了光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)總的貢獻。由于三種效應(yīng)的作用概率都與入射光子的能量和作用物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，所以線性吸收系數(shù)m值也隨g光子能量和介質(zhì)原子序數(shù)Z而變化。g光子能量增高，吸收系數(shù)m值減??；介質(zhì)原子序數(shù)高密度大的物質(zhì)，線性吸收系數(shù)m也高。核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（8） 中子不帶電，不能直接引起物質(zhì)原子的電離或激發(fā)。

43、但由于不受原子核庫侖場的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核內(nèi)部，同原子核作用發(fā)生彈性散射、非彈性散射或引起其它核反應(yīng)。這些過程的發(fā)生導致中子在物質(zhì)中被慢化和被吸收，并產(chǎn)生一些次級粒子，例如，反沖質(zhì)子、g射線、a粒子以及其它帶電粒子等。這些粒子都具有一定的能量。它們繼續(xù)同物質(zhì)發(fā)生各自相應(yīng)的作用，最終使物質(zhì)原子發(fā)生電離和激發(fā)。因此，中子也是一種電離輻射。 中子與原子核的作用分為兩類：中子的散射，中子與原子核發(fā)生彈性散射與非彈性散射并產(chǎn)生反沖核；中子的俘獲，中子被原子核俘獲而形成復(fù)合核，再蛻變而產(chǎn)生其它次級粒子。 中子進入原子核形成“復(fù)合核”后，可能發(fā)射一個或多個光子，也可能發(fā)射一個或多個粒子

44、而回到基態(tài)。前者就稱為“輻射俘獲”，而后者則相應(yīng)于各種中子核反應(yīng) 。 有幾種重原子核（如235U），俘獲一個中子后會分裂為兩個或三個較輕的原子核，同時發(fā)出2-3個中子以及很大的能量（約200MeV），這就是裂變反應(yīng) 。核安全綜合知識l 射線與物質(zhì)相互作用（9） 單選題例：l 帶電粒子通過物質(zhì)時，與物質(zhì)的主要的作用是（A）。 A直接電離，B 化合反應(yīng)，C 間接電離，D 光合作用l 高速運動的帶電粒子受到突然加速或減速會發(fā)射出具有連續(xù)能量的電磁輻射稱為（B） A 電離輻射，B 軔致輻射，C 射線, D 激光 。l 即使很低能量也易深入到原子核內(nèi)部被俘獲而形成復(fù)合核并引起其他核反應(yīng)的粒子是（C）。

45、A 光子，B 粒子，C 中子，D 粒子 多選題例：l 帶電粒子通過物質(zhì)時，與物質(zhì)的主要直接作用是（ABC）。 A直接電離，B 原子激發(fā)，C 軔致輻射， D 光合作用，E 光電效應(yīng) 。l 射線通過物質(zhì)時，直接作用的物理現(xiàn)象主要包括（ABC）。 A 光電效應(yīng)，B 電子對效應(yīng)，C 康普頓效應(yīng)， D 特征X射線，E 俄歇電子。核安全綜合知識l 輻射探測的原理和主要的輻射探測器（1）知識要點：氣體、閃爍、半導體探測器 利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應(yīng)及或其它物理、化學變化進行核輻射探測的器件稱為輻射探測器 。 輻射探測的基本過程：1) 輻射粒子射入探測器的靈敏體積；2) 入射粒子通過電離

46、、激發(fā)或核反應(yīng)等過程而在探測器中沉積能量；3) 探測器通過各種機制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號。 探測器按其探測介質(zhì)類型及作用機制主要分為氣體探測器、閃爍探測器和半導體探測器三種。 核安全綜合知識l 輻射探測的原理和主要的輻射探測器（2） 氣體探測器：以氣體為工作介質(zhì)，由入射粒子在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的電離效應(yīng)或核反應(yīng)引起輸出信號的探測器 。 入射帶電粒子通過氣體時，由于與氣體分子中軌道電子的庫侖作用而逐次損失能量，最后被阻止下來。同時使氣體分子電離或激發(fā)，并在粒子通過的徑跡上生成大量的由電子和正離子組成的離子對和激發(fā)分子。 入射粒子直接產(chǎn)生的離子對稱為初電離。初電離產(chǎn)生的高速電子（稱電子）足

47、以使氣體產(chǎn)生的電離稱為次電離?？偤头Q為總電離。 帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一離子對所需的平均能量w稱為電離能。對不同的氣體，w大約在30eV上下。 核安全綜合知識l 輻射探測的原理和主要的輻射探測器（3） 氣體探測器的典型圓柱型結(jié)構(gòu)如圖所示，在中央陽極和外殼陰極加上正電壓。沿入射粒子徑跡產(chǎn)生的電子離子對在外電場的作用下產(chǎn)生定向漂移，引起電極上發(fā)生感應(yīng)電荷的變化，與此同時，在外回路上就流過電流信號，或流過負載電阻產(chǎn)生輸出電壓信號。 當在兩電極上所加電壓不同時，就造成氣體探測器的不同工作狀態(tài)。當外加工作電壓過低時，電子離子對由于互相碰撞而發(fā)生復(fù)合，稱為復(fù)合區(qū)，復(fù)合的程度與外加電壓和離子對數(shù)的密度有關(guān)，一

48、般不作為氣體探測器的工作區(qū)域。 當外加工作電壓較高時，電子與正離子的復(fù)合可以忽略而進入飽和區(qū)，這時，產(chǎn)生的離子對數(shù)正比于入射粒子在靈敏體積損失的能量，工作于這種工作狀態(tài)的探測器就是電離室。 隨著工作電壓的升高，在中央陽極附近很小的區(qū)域內(nèi)，電場強度足夠強，發(fā)生氣體放大或雪崩過程。在一定的工作電壓下，氣體放大倍數(shù)是一定的。此時，形成的總離子對數(shù)仍正比于入射粒子能量 ,相應(yīng)的工作區(qū)域成為正比區(qū)。正比計數(shù)器就工作于這一區(qū)域 。 核安全綜合知識l 輻射探測的原理和主要 的輻射探測器（4） 工作電壓進一步提高就進入有限正 比區(qū)，在探測器的靈敏體積內(nèi)，積 累了相當?shù)挠烧x子組成的“空間電 荷”。在一定工作電

49、壓下不再保持常數(shù)，初電離小的入射粒子的可能會大一點，稱為有限正比區(qū)。一般沒有探測器工作于這一區(qū)域 。 隨著工作電壓的再一步提高，雪崩過程很快傳播到整個陽極。而且，雪崩過程形成的正離子緊緊的包圍了陽極絲，稱為正離子鞘。由于正離子鞘的電荷極性與陽極電荷相同而起到電場減弱作用，當正離子鞘的總電荷量達到一定時，使雪崩過程終止。因此，最后的總離子對數(shù)與初電離無關(guān)。這時，入射粒子僅僅起到一個觸發(fā)作用，輸出脈沖信號的大小與入射粒子的類型和能量均無關(guān)，這就是G-M區(qū)，僅作一個計數(shù)器用 。 上述過程可以用圖形象的表示，圖中縱坐標為產(chǎn)生離子對數(shù)，橫坐標為外加電壓。其中I為復(fù)合區(qū)；II為飽和區(qū)；III為正比區(qū)；IV為有限正比區(qū)；V為G-M區(qū)。這條曲線揭示了氣體探測器中由量變到質(zhì)變的規(guī)律 。 核安全綜合知識l 輻射探測的原理和主要的輻射探測器（5） 閃爍探測器一般由閃爍體和光電倍增管組成。閃爍體是一種發(fā)光器件，當入射帶電粒子使探測介質(zhì)的原子電離、激發(fā)而退激時，可發(fā)出可見光光子，稱為熒光光子 ，這樣光的強度用肉眼是看不見的，必須借助于高靈敏的光電倍增管（PMT）才能探測到這些光信號 。PMT的光陰極將收集到的熒光光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?，光電子通過聚焦被光電倍增管的第一聯(lián)