放射性與輻射

1、19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)：1.) 1895：倫琴（德） X射線(xiàn) （ 1901 第一屆諾貝爾物理獎(jiǎng)）2. )1896：貝克勒爾（法） 鈾放射性 1898：瑪麗居里（法） 釙、鐳3. )1897：湯姆孫 從陰極射線(xiàn)管 電子 放射性衰變規(guī)律的研究（居里夫婦、盧瑟福） a, b, g 射線(xiàn) 氦，電子 光物質(zhì)的放射性物質(zhì)的放射性 放射性：有許多核素都能自發(fā)地發(fā)射出各種射線(xiàn)的現(xiàn)象，或稱(chēng)輻射。本質(zhì)：原子核的衰變過(guò)程結(jié)果：原子核放出射線(xiàn)，由一種元素轉(zhuǎn)變成另一種元素。母體：衰變前的放射性同位素；子體：衰變過(guò)程中產(chǎn)生的新同位素，又稱(chēng)放射成因同位素放射性原子核：放射性原子核：能自發(fā)地放射出各種射線(xiàn)的核素稱(chēng)為放射性核素。

2、射線(xiàn)的種類(lèi)：射線(xiàn)的種類(lèi)：粒子輻射：a射線(xiàn)，b射線(xiàn)，宇宙射線(xiàn)、中子等的輻射電磁輻射：射線(xiàn)、X射線(xiàn)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(xiàn)成分主要是質(zhì)子、中子、介子、介子、電子等。l射線(xiàn)的性質(zhì)射線(xiàn)的性質(zhì)： 鈾、鐳、釙等元素能放出一些射線(xiàn)，射線(xiàn)看不見(jiàn)，但能穿透光所不能穿透的物體（如黑紙）使照相底片感光。，三種射線(xiàn)在磁場(chǎng)中的分裂 衰變衰變衰變衰變 衰變（衰變（Alpha）: 射線(xiàn): 氦核 的粒子流，質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的四倍，帶兩個(gè)單位的正電荷 衰變通式： AZX A-4Z-2Y+ +Q AZX 母核母核 A-4Z-2Y 子核子核 出射粒子出射粒子 Q 能量能量 例例：22688Ra

3、 22286Rn + 42He（） （鐳（鐳 氡）氡）He42+從母核中射出的4He原子核 a粒子得到大部分衰變能238U4He + 234Th放射性母核! - 衰變衰變(Beta-negatron) 射線(xiàn): 高速飛行的電子流，稱(chēng)為 粒子 衰變通式： nP+-+Q+-AZX AZ+1Y+-+Q+- - ：負(fù)電子：負(fù)電子 n：中子：中子 P：質(zhì)子：質(zhì)子 - ：反中微子：反中微子 例：3215P3216S+ 說(shuō)明：說(shuō)明： -粒子實(shí)質(zhì)是電子，質(zhì)量為粒子實(shí)質(zhì)是電子，質(zhì)量為 0.000549u,帶一個(gè)負(fù)電帶一個(gè)負(fù)電荷。荷。-粒子比核的質(zhì)量小幾千倍粒子比核的質(zhì)量小幾千倍幾十萬(wàn)倍，因此，幾十萬(wàn)倍，因此，-粒

4、粒子從原子核帶走的能量很少。子從原子核帶走的能量很少。-粒子的能譜是一個(gè)連續(xù)值，粒子的能譜是一個(gè)連續(xù)值，E-的值可以從的值可以從0最大最大值。值。E0是是-粒子的最大能量值，一般圖表上給粒子的最大能量值，一般圖表上給E-即是即是E0. +衰變衰變(Beta-pasitron) Pn+Q+V AZXAZ-1Y+Q+V +:正電子正電子 ：中微子：中微子 +發(fā)生原因母核中子或質(zhì)子過(guò)多質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，并且?guī)ё咭粋€(gè)單位的正電荷中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，并且?guī)ё咭粋€(gè)單位的負(fù)電荷+反中微子中微子 三種子體分享裂變能因此電子具有連續(xù)能量l已知的具有b放射性的核素有一千多種，其中輕核和重核都可能放射出b射線(xiàn)。l由中子輻

5、照穩(wěn)定核素所產(chǎn)生的大多數(shù)放射性核素都具有b放射性，因此b輻射源通?？梢杂梅磻?yīng)堆中子輻照得到。l單能電子可由電子加速器提供。 衰變衰變（Gamma ray decay） 射線(xiàn)：波長(zhǎng)比X射線(xiàn)更短的電磁即光子流 衰變通式： AZXmAZX+ 例例 6027Co6028Ni+ b + 鈷鈷 11349In11349In+ 銦銦 +中微子g g光子g衰變特點(diǎn)：1、從原子核中發(fā)射出光子2、常常在 a 或 b 衰變后核子從激發(fā)態(tài)退激時(shí)核能級(jí)躍遷 時(shí)產(chǎn)生。3、產(chǎn)生的射線(xiàn)能量離散，是單能的4、可以通過(guò)測(cè)量光子能量來(lái)區(qū)分母體的核素類(lèi)別5、 g光子的能量在幾十keV到幾MeV，放射性核素有兩千 多種。 衰變衰變-

6、- 衰變衰變+ + 衰變衰變 g g 衰變衰變電子俘獲（電子俘獲（Electeon Capture EC） 通式：通式： P+e-n+ AZX+e- AZ-1Y+Q+ 例：例：5526Fe+e-5525Mn 質(zhì)子變成中子X(jué)射線(xiàn)l注：lx和g射線(xiàn)都是電磁輻射，電荷都為0，靜止質(zhì)量為0，都具有波粒二象性，其本質(zhì)是電磁場(chǎng)的攜帶者或者是電磁相互作用的傳遞者。l二者的根本區(qū)別在于來(lái)源不同：g射線(xiàn)是原子核結(jié)構(gòu)變化而發(fā)射出的輻射X射線(xiàn)是核外電子繞行軌道改變而發(fā)射出的輻射衰變形式衰變形式 放出射線(xiàn)放出射線(xiàn) 原子序數(shù)變化原子序數(shù)變化 原子質(zhì)量數(shù)變化原子質(zhì)量數(shù)變化 42He -2 -4 - e-(負(fù)電子負(fù)電子)

7、+1 0 + e+(正電子正電子) -1 0 h(光子光子) 0 0 Ec h(光子光子) -1 0l衰變的反應(yīng)式為l它表示在衰變中，放射性元素X的原子核放出一個(gè)粒子( )，蛻變成一種新元素Y，其原子核的質(zhì)量數(shù)比原來(lái)元素的質(zhì)量數(shù)減少4，而電荷數(shù)減少2，即在周期表中的位置移前兩位。HeYXAZAZ4242He42l衰變的反應(yīng)式為ll它表示在衰變中，原子核放出一個(gè)粒子( )時(shí)，新元素原子核的質(zhì)量數(shù)不變，而電荷數(shù)增加1，即在周期表中的位置移后一位。eYXAZAZ011e01l放射性元素因衰變或衰變而引起元素原子序數(shù)變動(dòng)的規(guī)則，稱(chēng)為位移定則。原子核進(jìn)行 衰變時(shí)，核的能級(jí)發(fā)生變化，而核的組成不發(fā)生變化，

8、元素在周期表中的位置不變。1.幾種射線(xiàn)的性質(zhì)幾種射線(xiàn)的性質(zhì)4 各種核射線(xiàn)的特點(diǎn)各種核射線(xiàn)的特點(diǎn) 接上表：接上表：多次衰變：多次衰變：ABCS式中：式中：S：穩(wěn)定性核素，其余具放射性。：穩(wěn)定性核素，其余具放射性。 例如：例如：23892u23490Th23491Pa23492u206Pb 鈾鈾 釷釷 鎂鎂 鉛鉛 放射性核素衰變?yōu)榱硪环N核素，此核素還要繼放射性核素衰變?yōu)榱硪环N核素，此核素還要繼續(xù)衰變，最后到達(dá)一種穩(wěn)定的核素，形成放射系，續(xù)衰變，最后到達(dá)一種穩(wěn)定的核素，形成放射系，也稱(chēng)級(jí)聯(lián)衰變鏈。也稱(chēng)級(jí)聯(lián)衰變鏈。已知三天然一人工。已知三天然一人工。(4) 镎系：镎镎系：镎( )鉍鉍( ).A=4n+

9、1,4n +1系。系。93237Np83209Bi (3) 錒系：錒錒系：錒( )鉛鉛( ).A=4n+3,4n +3系。系。89227Ac82207Pb(2) 鈾系：鈾鈾系：鈾( ) 鉛鉛( ).A=4n+2,4n+2系。系。 92238U82206Pb(1) 釷系：釷釷系：釷( )鉛鉛( ).A=4n,4n系。系。 Th3239082208Pbl中子輻射主要由核反應(yīng)產(chǎn)生，而不是核衰變產(chǎn)生。l中子不帶電，與物質(zhì)相互作用與其他射線(xiàn)不同。 冷中子：En0.5ev 共振中子：En=1eV1keV中能中子：En：1Kev-0.5Mev快中子： En：0. 5Mev-10Mev超快中子：En：20Me

10、v50Mev中子 中于的質(zhì)量略大于質(zhì)子。自由中子不穩(wěn)定，它具有衰變的性質(zhì)l 實(shí)驗(yàn)測(cè)得中子的半衰期T1/210.6min。與中子和物質(zhì)相互作用過(guò)程的時(shí)間相比，這個(gè)時(shí)間是很長(zhǎng)的。也就是說(shuō)，中子在衰變之前就已經(jīng)被原子核俘獲了。所以通?？蓪⑺暈榉€(wěn)定粒子中子的自旋為12，磁矩為一1.9228N 。中子與其他微觀粒子一樣，在適當(dāng)條件下會(huì)呈現(xiàn)出波動(dòng)性質(zhì)。中子波長(zhǎng)與它的動(dòng)能Tn及動(dòng)量pn有以下關(guān)系l當(dāng)中子的速度vnc時(shí)，有l(wèi)中子與物質(zhì)作用時(shí)，其波性是否明顯，主要取決于它的波長(zhǎng)和它所作用系統(tǒng)的相對(duì)大小。熱中子的波長(zhǎng)與固體原子之間的距離相當(dāng)，這種中子通過(guò)晶體時(shí)，其波性就很顯著?？熘凶拥牟ㄩL(zhǎng)與原子核大小同數(shù)量級(jí)，

11、這種中子與物質(zhì)作用時(shí)，對(duì)核作用過(guò)程來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)出一定的波性。但對(duì)原子作用過(guò)程來(lái)說(shuō)其波性就可以忽略了。l為了研究和利用中子，需要有產(chǎn)生中子的裝置。l獲得中子的途徑有兩個(gè)：核反應(yīng)和核裂變。l具體獲得中子的方法大致分為三類(lèi)：利用放射性核素產(chǎn)生中子：l( ，n)型中子源；(,n)型中子源；自發(fā)裂變中子源利用加速荷電粒子產(chǎn)生中子：l加速器中子源為了獲得單能中子，通常用粒子加速器將p，d，等荷電粒子加速，然后用它們?nèi)マZ擊原子質(zhì)量數(shù)比較低的靶核，產(chǎn)生(p,n)，(d,n)，(,n)反應(yīng)。利用核反應(yīng)堆獲得中子：l裂變材料(如235U，239Pu等)在核反應(yīng)堆中進(jìn)行模式反應(yīng)時(shí)放出大量中子，反應(yīng)堆中子源的中子能量是

12、連續(xù)的，從0.001eV至十幾MeV都有。l用核粒子轟擊穩(wěn)定的核素可以產(chǎn)生出人工的放射性核素。l激活或活化（反應(yīng)）通常把穩(wěn)定的核素吸收一個(gè)中子后轉(zhuǎn)變成放射性核素的過(guò)程稱(chēng)為把生成的放射性核素叫做活化產(chǎn)物。l感生放射性活化產(chǎn)物因?yàn)楹藘?nèi)中子過(guò)剩還要進(jìn)行衰變。活化產(chǎn)物衰變時(shí)產(chǎn)生的發(fā)射性稱(chēng)為感生放射性。 l用中子轟擊或照射穩(wěn)定同位素 59Co（鈷），則可產(chǎn)生放射性同位素 60Co。 60Co原子再進(jìn)行衰變，同時(shí)發(fā)出射線(xiàn)，變成穩(wěn)定同位素 60Ni（鎳）原子。這個(gè)過(guò)程可寫(xiě)成： 59Co 60Co 60Ni 60Co是活化產(chǎn)物，它們衰變產(chǎn)生的、 射線(xiàn)即為感生放射性。 l反應(yīng)堆一回路水中的穩(wěn)定同位素16O（氧）

13、吸收中子，同時(shí)發(fā)射出質(zhì)子，產(chǎn)生出放射性核素16N（氮）， 16N原子再進(jìn)行衰變，并發(fā)出射線(xiàn)，變成穩(wěn)定的16O原子，即： 16O 16N 16O 16N是活化產(chǎn)物，它們衰變產(chǎn)生的、 射線(xiàn)即為感生放射性。 1) 1) 指數(shù)衰減規(guī)律指數(shù)衰減規(guī)律 N = NN = N0 0e e- - t t （說(shuō)明） N N0: 0: （t = 0t = 0）時(shí)放射性原子）時(shí)放射性原子 核的數(shù)目核的數(shù)目N: N: 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)t t時(shí)間后未發(fā)生衰變的放射時(shí)間后未發(fā)生衰變的放射性原子核數(shù)目性原子核數(shù)目 : :放射性原子核衰變常數(shù)放射性原子核衰變常數(shù) 大小只與原子核本身性質(zhì)大小只與原子核本身性質(zhì) 有關(guān)，與外界條件無(wú)關(guān)有關(guān)，

14、與外界條件無(wú)關(guān); ; 數(shù)值越大衰變?cè)娇鞌?shù)值越大衰變?cè)娇霳 = NN = N0 0e e- - t tl說(shuō)明: 設(shè)在dt時(shí)間內(nèi)，某放射源中的放射性原子核的數(shù)目因衰變而引起的變化量為dN ，它與原來(lái)的原子核數(shù)目N、衰變時(shí)間dt成正比。原子核數(shù)目隨時(shí)間而減少，dN為負(fù)，即dN=-Ndt 衰變常數(shù)：為比例恒量，只與元素本身性質(zhì)有關(guān)，與外界條件及核素本身的化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)，反映原子核衰變的快慢程度積分，lnN=-t+C （C為積分常數(shù)）。設(shè)t=0時(shí)，原子核數(shù)目為N0，代入上式得C=lnN0，因此可得式表示，原子核的數(shù)目N是隨時(shí)間t按指數(shù)規(guī)律減少的，表示t時(shí)刻還有多少原子核沒(méi)有衰變。0lnNNteNN0放射性

15、活度（放射性活度（radioactivity),簡(jiǎn)稱(chēng)活度簡(jiǎn)稱(chēng)活度 (activity)意義：表示核素特征的一個(gè)重要輻射量定義：在給定時(shí)刻，處于一給定能態(tài)的一定量的某種放射性核素在dt時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)核衰變和核躍遷數(shù)的期望值dN除以dt： A=dN/dt dN在時(shí)間間隔dt內(nèi)該核素從該能態(tài)發(fā)生自發(fā)核躍遷數(shù)目的期望值。即單位時(shí)間內(nèi)的核衰變數(shù)。單位：?jiǎn)挝唬?秒的倒數(shù)秒的倒數(shù)(S-1) SI單位專(zhuān)名：?jiǎn)挝粚?zhuān)名： 貝可勒爾貝可勒爾（Becquerel)，簡(jiǎn)稱(chēng)貝可貝可，符號(hào): Bq，每秒一次核衰變，每秒一次核衰變，1Bq=1 s-1l放射性活度減小規(guī)律: （說(shuō)明）式中，表示t時(shí)刻核素的放射性活度是多大。te

16、AA000NAl設(shè)在dt時(shí)間內(nèi)發(fā)生核衰變的次數(shù)（即原子核減少的數(shù)目）為-dN（因dN為負(fù)值，故加一負(fù)號(hào)），按放射性活度定義，得lA0是t=0時(shí)的放射性活度。放射性活度A是隨時(shí)間t按指數(shù)規(guī)律而減小。)(00tteNNeNdtdNAl放射性活度的專(zhuān)用單位為居里(Curie)，簡(jiǎn)稱(chēng)居（C或Ci）:1居里(Ci)=3.71010/秒 (dps)1毫居(mCi)=10-3居 (Ci)1微居(Ci)=10-6居 (Ci)1納居(nCi)=10-9居 (Ci)1皮居(pCi)=10-12居 (Ci)國(guó)際單位制：貝可勒爾：簡(jiǎn)稱(chēng)貝可，符號(hào):Bq，每秒一次核衰變1Bq=1 s-11Bq=2.710-11居里 通常

17、用放射性比活度放射性比活度及放射性濃度放射性濃度二參數(shù)表示表示各種物質(zhì)中的放射性核素含量。放射性比活度（放射性比活度（specific radioactivity) 定義：指單位質(zhì)量所含的放射性活度，單位是Bq/g ，亦可用單位摩爾物質(zhì)的放射性活度來(lái)描述放射性比活度，單位是Bq/mol ，簡(jiǎn)稱(chēng)比活度，用于固體意義：表示樣品內(nèi)放射性核素在其所屬的物質(zhì)全部原子中所占比例的一個(gè)參數(shù)。 放射性濃度放射性濃度(radioactive concentration)定義：?jiǎn)挝惑w積溶液或氣體內(nèi)所含的放射性活度，單位是Bq/ml 。衰變常數(shù)（Decay constant）: 意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)每個(gè)核衰變的幾率。

18、單位：秒-1 或 天-1例：32P =1/1782850秒-1=5.610-7秒-1 60Co =1/239364155秒-1=4.16910-9秒-1 越大，該核素越不穩(wěn)定，因此，32P比60Co活躍些 NdtdN半衰期半衰期半衰期半衰期T 母核數(shù)目衰變掉一半所需時(shí)間，或放射性母核數(shù)目衰變掉一半所需時(shí)間，或放射性活度減弱一半所需時(shí)間。活度減弱一半所需時(shí)間。T 也是放射性核素特征量，也是放射性核素特征量，也表示放射性隨時(shí)間衰減的快慢。也表示放射性隨時(shí)間衰減的快慢。 T ln.20693T與與 成反比成反比t=T時(shí)時(shí),N=N0/2 1200NNTe半衰期差別很大，短的不到1s，長(zhǎng)的達(dá)到1015y 是衰變常量的倒數(shù)，是半衰期的是衰變常量的倒數(shù)，是半衰期的1.44倍。倍。NTT012144ln.核的平均壽命核的平均壽命平均壽命 對(duì)于初始時(shí)刻的所有母核來(lái)說(shuō)，壽命從零到無(wú)限大都可能存在，所以它們的壽命之和為000000)(1NtdetNdtetNNtdttt010%37eNNN經(jīng)過(guò)相當(dāng)于平均壽命t的時(shí)間，剩下的母核數(shù)目?jī)H為原先的37%。 衰變常量衰變常量 、半衰期、半衰期T 和平均壽命和平均壽命 之間的關(guān)之間的關(guān)系系：知道一個(gè)，另外兩個(gè)也就完全確定了，任何：知道一個(gè)，另外兩