第二章原子核輻射

1、1第二章第二章 原子核輻射物理基礎(chǔ)原子核輻射物理基礎(chǔ)2本章要點(diǎn)本章要點(diǎn) 1 1、掌握：、掌握：軔致輻射、核素、物理半衰期、軔致輻射、核素、物理半衰期、放射性活度等原子核輻射物理的基本概念。放射性活度等原子核輻射物理的基本概念。 2 2、掌握：、掌握：帶電粒子、與物質(zhì)的相互作用。帶電粒子、與物質(zhì)的相互作用。 3 3、掌握：、掌握：衰變的規(guī)律和放射性活度的校衰變的規(guī)律和放射性活度的校正。正。 4 4、了解：、了解：衰變的類型和衰變的類型和X射線產(chǎn)生的方式。射線產(chǎn)生的方式。3第一節(jié)第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)與核素原子結(jié)構(gòu)與核素 一、原子結(jié)構(gòu)一、原子結(jié)構(gòu) 二、二、X射線射線 三、核素、同位素和同質(zhì)異能素三、核素

2、、同位素和同質(zhì)異能素 四、穩(wěn)定性核素和放射性核素四、穩(wěn)定性核素和放射性核素4一、原子結(jié)構(gòu)一、原子結(jié)構(gòu)原子原子原子核原子核核外電子核外電子質(zhì)子（質(zhì)子（proton，p）中子（中子（neutron，n）與質(zhì)子數(shù)相同，依據(jù)能量將電子分為與質(zhì)子數(shù)相同，依據(jù)能量將電子分為不同殼層，不同殼層，K、L、M、N核子核子(nucleon) 原子核的質(zhì)量以原子質(zhì)量單位原子核的質(zhì)量以原子質(zhì)量單位u(atomic mass unit)表示表示1 u = 1.6605655 10-27kg （12C原子質(zhì)量的原子質(zhì)量的1/12）1p=1.0072765u ，1n=1.008665u ，1e=0.000548u 原子核內(nèi)

3、質(zhì)子數(shù)目和中子數(shù)目之和即為原子核的質(zhì)量數(shù)，原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)目和中子數(shù)目之和即為原子核的質(zhì)量數(shù)，用用“A” 表示。表示。 A=p+n5XAZX為某元素的元素符號(hào)為某元素的元素符號(hào) A為質(zhì)量數(shù)為質(zhì)量數(shù) A= p + nZ為原子序數(shù)為原子序數(shù) 故故Z Z也可省略，寫為也可省略，寫為AX原子呈電中性原子呈電中性質(zhì)子數(shù)目與原子質(zhì)子數(shù)目與原子序數(shù)相同，每個(gè)序數(shù)相同，每個(gè)帶帶1 1單位正電荷單位正電荷中子不帶電荷中子不帶電荷原子核帶原子核帶正電荷正電荷電子與質(zhì)子數(shù)相同，每個(gè)帶電子與質(zhì)子數(shù)相同，每個(gè)帶1 1單單位負(fù)電荷位負(fù)電荷6 基態(tài)基態(tài)（ground state） 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)（excited state）A

4、Am99Tc99mTc接受能量接受能量釋放能量釋放能量躍遷躍遷（transition） 7二、二、X射線射線 1895年年 ,德 國 物 理 學(xué) 家 倫 琴德 國 物 理 學(xué) 家 倫 琴(W.C.R0ntgen,1845-1923)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn):陰極射線管被包好，遠(yuǎn)距離一陰極射線管被包好，遠(yuǎn)距離一鍍有鉑氰酸鋇的屏出現(xiàn)微弱熒鍍有鉑氰酸鋇的屏出現(xiàn)微弱熒光。顯而易見的特點(diǎn)光。顯而易見的特點(diǎn):它能穿過它能穿過不透明物質(zhì)不透明物質(zhì).人類歷史上第一次人類歷史上第一次觀察到了人手骨骼的影象。觀察到了人手骨骼的影象。X射線是一種比紫外線波長更短射線是一種比紫外線波長更短的電磁波，具有電磁輻射的一的電磁波，具有電磁

5、輻射的一切特性。切特性。 第一張X光片8 X射線是高能電子與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的，這種射線是高能電子與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的，這種過程通常是在過程通常是在X射線管內(nèi)或通過電子加速器進(jìn)行。射線管內(nèi)或通過電子加速器進(jìn)行。 陽極，是產(chǎn)生陽極，是產(chǎn)生X射線的靶射線的靶物質(zhì)。陽極和陰極間加一物質(zhì)。陽極和陰極間加一直流高壓直流高壓V0，可使陰極發(fā)，可使陰極發(fā)射的電子在很強(qiáng)的電場作射的電子在很強(qiáng)的電場作用下獲得能量加速，到達(dá)用下獲得能量加速，到達(dá)陽極與靶物質(zhì)作用產(chǎn)生陽極與靶物質(zhì)作用產(chǎn)生X射線。射線。V0越高，電子加速越高，電子加速獲得能量越大，產(chǎn)生獲得能量越大，產(chǎn)生X射射線的波長越短。線的波長越短。 一般醫(yī)用

6、一般醫(yī)用X射線波長為射線波長為0.1nm（1A）左右。激發(fā)電壓小于）左右。激發(fā)電壓小于120KeV產(chǎn)生的產(chǎn)生的X射線叫軟射線叫軟X射線，激發(fā)電壓大于射線，激發(fā)電壓大于120KeV產(chǎn)生產(chǎn)生的的X射線叫硬射線叫硬X射線。射線。9X射線光譜分為射線光譜分為連續(xù)譜連續(xù)譜和和線狀譜線狀譜兩類。兩類。高能電子到達(dá)陽極后，電子在靶物質(zhì)的高能電子到達(dá)陽極后，電子在靶物質(zhì)的原子核的庫侖場作用下，驟然減速，其原子核的庫侖場作用下，驟然減速，其部份或全部能量轉(zhuǎn)化為電磁輻射，即產(chǎn)部份或全部能量轉(zhuǎn)化為電磁輻射，即產(chǎn)生連續(xù)譜的生連續(xù)譜的X射線，這種輻射稱為射線，這種輻射稱為軔致軔致輻射輻射（bremsstrahlung）

7、。）。 連續(xù)譜連續(xù)譜線狀譜線狀譜對(duì)于某種靶物質(zhì)，當(dāng)入射電子的能量超對(duì)于某種靶物質(zhì)，當(dāng)入射電子的能量超過一定界限時(shí)，除發(fā)射連續(xù)譜的過一定界限時(shí)，除發(fā)射連續(xù)譜的X射線射線外，還疊加一種線狀譜，能量為外，還疊加一種線狀譜，能量為35KeV電子與鉬靶作用，在連續(xù)譜上疊加兩條電子與鉬靶作用，在連續(xù)譜上疊加兩條波長分別為波長分別為0.07135nm和和0.06326nm的的線狀線狀X射線，射線，K、K線線 。這種線狀譜。這種線狀譜線稱為線稱為特征特征X X射線射線 鉬的鉬的X線光譜線光譜 10連續(xù)譜連續(xù)譜輻射強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化，在一定的波長處輻射強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化，在一定的波長處有一最大值，超過最大值后，

8、強(qiáng)度隨波長減少有一最大值，超過最大值后，強(qiáng)度隨波長減少而下降，波長有明顯極限，極限波長與靶物質(zhì)而下降，波長有明顯極限，極限波長與靶物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。加速電壓性質(zhì)無關(guān)。加速電壓V0越高，越高，X射線極限波長射線極限波長min就越小，與極限波長就越小，與極限波長min相對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)的X射線射線能量等于電子在加速電場中所獲得的全部能量。能量等于電子在加速電場中所獲得的全部能量。 min=1239.810/V0 （nm）11線狀譜線狀譜線狀譜的產(chǎn)生線狀譜的產(chǎn)生：核外電子：核外電子分布于各個(gè)能級(jí)，當(dāng)某個(gè)具分布于各個(gè)能級(jí)，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽極靶有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于原子的內(nèi)

9、層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，則是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，則原子處于激發(fā)態(tài)。較高能級(jí)原子處于激發(fā)態(tài)。較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射躍遷，并以光子的形式輻射出出特征特征X射線射線。12特征特征X X射線頻率射線頻率nknkE -EV =hh普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，h=6.626210-34J.SEn、Ek分別是原子躍遷前后兩量子態(tài)分別是原子躍遷前后兩量子態(tài)所具有的能量。所具有的能量。 各種元素都有自己特各種元素都有自己特定的定的X線譜，與電子線譜，與電子的能量無關(guān)。的能量無關(guān)。 定性定性13 醫(yī)用醫(yī)用X線機(jī)球管多屬高真空熱陰極電子式，線機(jī)球管

10、多屬高真空熱陰極電子式，當(dāng)高速電子撞擊陽極靶面時(shí)，大約僅有當(dāng)高速電子撞擊陽極靶面時(shí)，大約僅有1%左右的能量可轉(zhuǎn)化為左右的能量可轉(zhuǎn)化為X射線，絕大部分能量射線，絕大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使陽極靶面溫度增高，故轉(zhuǎn)化為熱能，使陽極靶面溫度增高，故X射射線球管不能長時(shí)間連續(xù)工作。線球管不能長時(shí)間連續(xù)工作。14三、核素、同位素和同質(zhì)異能素三、核素、同位素和同質(zhì)異能素 質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù) 質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù) 能態(tài)能態(tài) 例例核素（核素（Nuclide） 相同相同 相同相同 相同相同AZ X 12553I 簡寫簡寫125I同質(zhì)異能素同質(zhì)異能素(Isomer)相同相同 相同相同 不同不同 99mTC、99TC同位素（同位素（

11、Isotope） 相同相同 不同不同 不同不同 1H、2H、3H15四、穩(wěn)定性核素和放射性核素四、穩(wěn)定性核素和放射性核素核力（核力（Nuclear Foree），），特點(diǎn)：力程短（特點(diǎn)：力程短（310-15 m），力強(qiáng)：庫侖力的），力強(qiáng)：庫侖力的102倍、萬有引力倍、萬有引力1039倍，是倍，是交換力（交換力（介子），不受電荷數(shù)影響，易飽和（核介子），不受電荷數(shù)影響，易飽和（核子數(shù)越多，核力越弱）。子數(shù)越多，核力越弱）。P-P之間靜電斥力之間靜電斥力，特點(diǎn)：長程力，與電荷數(shù)有關(guān)，特點(diǎn)：長程力，與電荷數(shù)有關(guān)，作用于作用于P-P之間，力為庫侖力。之間，力為庫侖力。當(dāng)當(dāng)P：n=1:1-1.5時(shí)，核力

12、與靜電斥力維持平衡時(shí)，核力與靜電斥力維持平衡原子核處于穩(wěn)定狀態(tài)的核素原子核處于穩(wěn)定狀態(tài)的核素-穩(wěn)定性核素穩(wěn)定性核素(stable nuclide )16p與與n不不成比例成比例結(jié)構(gòu)改變結(jié)構(gòu)改變（衰變衰變）核內(nèi)能量進(jìn)行調(diào)核內(nèi)能量進(jìn)行調(diào)整整 （能量釋放）（能量釋放）新核的最低能量狀態(tài)新核的最低能量狀態(tài)（躍遷）躍遷）自發(fā)的自發(fā)的核核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能量的變化過程內(nèi)結(jié)構(gòu)或能量的變化過程-核衰變（核衰變（nuclear decay）放射性核素（放射性核素（radionuclide）伴有射線（伴有射線（radiation）核子數(shù)核子數(shù)過多過多核力核力弱弱丟棄部丟棄部份核子份核子結(jié)構(gòu)改變結(jié)構(gòu)改變（衰變衰變）核子相互

13、轉(zhuǎn)化核子相互轉(zhuǎn)化質(zhì)子質(zhì)子中子中子中子中子質(zhì)子質(zhì)子17第二節(jié)第二節(jié) 核衰變、核裂變與核聚變核衰變、核裂變與核聚變一、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能一、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能二、核衰變二、核衰變?nèi)?、核裂變與核聚變?nèi)⒑肆炎兣c核聚變18一、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能一、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能 愛因斯坦根據(jù)相對(duì)論認(rèn)為質(zhì)量（愛因斯坦根據(jù)相對(duì)論認(rèn)為質(zhì)量（m）和能量（）和能量（E）的關(guān)系為：的關(guān)系為： E = mc2 （c為真空光速，為真空光速，c = 2.99108m.s-1） 原子能量用電子伏特（原子能量用電子伏特（eV）表示，）表示， 1eV=1.602210-19 J 一個(gè)原子質(zhì)量單位（一個(gè)原子質(zhì)量單位

14、（u）的靜止質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為）的靜止質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為931.5016MeV，一個(gè)電子靜止質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為，一個(gè)電子靜止質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為0.511MeV。19 原子核質(zhì)量均小于核子的質(zhì)量之和原子核質(zhì)量均小于核子的質(zhì)量之和-質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損。用符號(hào)用符號(hào)m（Z、A）表示表示 原子核的結(jié)合能與核子數(shù)原子核的結(jié)合能與核子數(shù)A之比之比-平均結(jié)合能，平均結(jié)合能，或稱比結(jié)合能，用或稱比結(jié)合能，用表示表示 =某原子核結(jié)合能（某原子核結(jié)合能（E）/核子數(shù)（核子數(shù)（A） 表示把質(zhì)量數(shù)為表示把質(zhì)量數(shù)為A，質(zhì)子數(shù)為，質(zhì)子數(shù)為Z的原子核打碎成的原子核打碎成自由核子時(shí)，平均對(duì)每個(gè)核子要做的功。自由核子時(shí)，平均對(duì)每個(gè)核子要做的功。 它表示

15、了原子核結(jié)合的松緊程度，它表示了原子核結(jié)合的松緊程度，大，表明原子大，表明原子核結(jié)合緊，穩(wěn)定性好。核結(jié)合緊，穩(wěn)定性好。小表明原子核結(jié)合松，穩(wěn)小表明原子核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。定性差。( , )()ApnZem Z AZmNmMXZm20 2) A=40120的中等質(zhì)量的核，的中等質(zhì)量的核， 最大最大 3)當(dāng)當(dāng)A120時(shí)，時(shí)， 又下降，呈中間高，兩頭低形式，輕核又下降，呈中間高，兩頭低形式，輕核和重核的和重核的較中等核低。較中等核低。1) A82的核素的核素，衰變后的核原子序數(shù)減，衰變后的核原子序數(shù)減2，質(zhì)量數(shù)，質(zhì)量數(shù)減減4。 衰變衰變質(zhì)子、中子比例不當(dāng)，進(jìn)行相互轉(zhuǎn)質(zhì)子、中子比例不當(dāng)，進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

16、特點(diǎn)：子核與母核質(zhì)量數(shù)不變換。特點(diǎn)：子核與母核質(zhì)量數(shù)不變，僅只原子序數(shù)改變（相差，僅只原子序數(shù)改變（相差1）。分）。分為為、+和電子俘獲（和電子俘獲（Electron Capture，E.C）三種形式。）三種形式。躍遷躍遷衰變后的子核處于高能的激發(fā)態(tài)，衰變后的子核處于高能的激發(fā)態(tài)，多余能量以電磁輻射形式釋放后返多余能量以電磁輻射形式釋放后返回基態(tài)，該過程稱為回基態(tài)，該過程稱為躍遷。躍遷。 二、核衰變二、核衰變22衰變衰變核子數(shù)過多核子數(shù)過多核力弱核力弱釋放釋放粒子粒子42AAZZXYQ衰變反應(yīng)式衰變反應(yīng)式 母核母核 子核子核 42He原子核原子核 衰變能衰變能 規(guī)律規(guī)律：衰變后的核原子序數(shù)減：

17、衰變后的核原子序數(shù)減2，質(zhì)量數(shù)減，質(zhì)量數(shù)減4 例例241237495932AmNpHe 231) 衰變（衰變（ - decay）衰變衰變中子過多中子過多 中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子 釋放負(fù)電子，釋放負(fù)電子，粒子粒子 110011nPeQ反中微子反中微子 1AAZZXYQ 例例 141467CNQ質(zhì)量數(shù)不變，質(zhì)子數(shù)加質(zhì)量數(shù)不變，質(zhì)子數(shù)加1 1242) +衰變（衰變（ + decay）衰變衰變中子不足中子不足 質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子釋放正電子，釋放正電子，+粒子粒子 中微子中微子 質(zhì)量數(shù)不變，質(zhì)子數(shù)減質(zhì)量數(shù)不變，質(zhì)子數(shù)減1 1110101PneQ 例例 1AAZZXYQ111165CBQ2

18、51)電子俘獲（電子俘獲（Electron Capture，E.C） 衰變衰變質(zhì)子過多質(zhì)子過多 俘獲核外電子俘獲核外電子 質(zhì)子轉(zhuǎn)為中子質(zhì)子轉(zhuǎn)為中子質(zhì)量數(shù)不變，質(zhì)子數(shù)減質(zhì)量數(shù)不變，質(zhì)子數(shù)減1 1軌道出現(xiàn)空穴軌道出現(xiàn)空穴 特特 征征 X 射射 線線 俄歇電子（俄歇電子（Auger eletron） 011AAZZXeYQX 特征 線俄歇電子125012553152IeTeQX 特征 線0.027MeV 0.031MeV俄歇電子0.0227MeV26躍遷與內(nèi)轉(zhuǎn)換躍遷與內(nèi)轉(zhuǎn)換衰變衰變衰變衰變激激發(fā)發(fā)態(tài)態(tài) 電磁輻射電磁輻射 躍遷躍遷 射線射線 傳給核外電子傳給核外電子 出現(xiàn)空穴出現(xiàn)空穴 特征特征X X線

19、或俄歇電子線或俄歇電子 內(nèi)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象內(nèi)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象 射線來源于射線來源于核內(nèi)核內(nèi)能量釋放，而能量釋放，而X射線為射線為核外核外電子電子躍遷過程中的能量釋放。躍遷過程中的能量釋放。27（二）放射性核素衰變規(guī)律及其度量（二）放射性核素衰變規(guī)律及其度量 1 1、衰變規(guī)律與半衰期、衰變規(guī)律與半衰期核衰變的核數(shù)目與核的總數(shù)成正比，并且隨著時(shí)間核衰變的核數(shù)目與核的總數(shù)成正比，并且隨著時(shí)間的增長，遵循一定的規(guī)律減少。的增長，遵循一定的規(guī)律減少。CtNdtNdNdtNdNNtNdtdNtln lim0dNdNNNdtdt 為衰變常數(shù)（為衰變常數(shù)（decay constant），表征原子核），表征原子核發(fā)生衰變的速率

20、。發(fā)生衰變的速率。 280ttNN e放射性核素衰變規(guī)律放射性核素衰變規(guī)律 ：放射性核素衰變隨時(shí)間增長：放射性核素衰變隨時(shí)間增長而以負(fù)指數(shù)規(guī)律遞減。而以負(fù)指數(shù)規(guī)律遞減。 不同的放射性核素其衰變速率不一，不同的放射性核素其衰變速率不一，值越大，衰值越大，衰變速率越快，不受外界影響。變速率越快，不受外界影響。29N0021NtteNN0t21/T物理半衰期物理半衰期（physical half life，T1/2）放射性核素的原子核數(shù)目衰變放射性核素的原子核數(shù)目衰變到原來的一半所需要的時(shí)間。到原來的一半所需要的時(shí)間。即：當(dāng)即：當(dāng) N = N0/2時(shí)，時(shí)，t = T1/2 2121210021/TT

21、eeNN6930 21./TT1/2與與的關(guān)系的關(guān)系30生物半衰期（生物半衰期（biological half life，Tb） 有效半衰期（有效半衰期（effective half life，Te） 生物體內(nèi)放射性核素或標(biāo)記化合物經(jīng)由各種生物體內(nèi)放射性核素或標(biāo)記化合物經(jīng)由各種途徑從生物體內(nèi)排出一半所需的時(shí)間途徑從生物體內(nèi)排出一半所需的時(shí)間 生物體內(nèi)的放射性核素或標(biāo)記化合物由于自身的物生物體內(nèi)的放射性核素或標(biāo)記化合物由于自身的物理衰變和體內(nèi)代謝作用導(dǎo)致減少一半所需的時(shí)間理衰變和體內(nèi)代謝作用導(dǎo)致減少一半所需的時(shí)間 1 / 21 / 2TT bT eTT b312、放射性活度（、放射性活度（rad

22、ioactivity，A）tttteANeNeNdtddtdNA000 放射性活度（放射性活度（A）是指在一定的時(shí)間（）是指在一定的時(shí)間（dt）內(nèi)處于）內(nèi)處于特定能態(tài)的一定量的放射性核素發(fā)生自發(fā)衰變特定能態(tài)的一定量的放射性核素發(fā)生自發(fā)衰變（dN）的期望值。）的期望值。0ttAA e放射性活度的國際制單位為放射性活度的國際制單位為Bq，其表示每秒，其表示每秒內(nèi)有一次核衰變內(nèi)有一次核衰變 即：即： Bq=S-1321Bq = 1 decay / s (Bq = Becquerel)舊單位為居里（舊單位為居里（ Curie ，Ci）1 Ci = 3.7 1010 Bq = 3.7 104 MBq (

23、M=mega 106) = 3.7 10 GBq (G=Giga 109) = 3.7 10-2 TBq (T = Tera 1012) = 103 mCi (millicurie) = 106 Ci (microcurie)333、放射性比度與放射性濃度、放射性比度與放射性濃度單位質(zhì)量中所含的放射性活度稱為單位質(zhì)量中所含的放射性活度稱為比活度比活度或或比放射性比放射性。一般用。一般用Bq/g或或Bq/moL為單位。為單位。單位容物質(zhì)中所含放射性活度稱為單位容物質(zhì)中所含放射性活度稱為放射性濃放射性濃度度，以，以Bq/ml或或Bq/L為單位。為單位。34放射性活度校正放射性活度校正0ttAA e

24、693021./T1/ 20.6930tTtAA eAt為現(xiàn)在的核素放射性活度，為現(xiàn)在的核素放射性活度，A0為原來的（初始為原來的（初始的）放射性活度，的）放射性活度，T1/2是該核素的物理半衰期，是該核素的物理半衰期， t為衰變間隔時(shí)間。為衰變間隔時(shí)間。35例例 某單位購入放射性藥品某單位購入放射性藥品131碘化鈉（碘化鈉（Na131I）5ml，出廠時(shí)標(biāo)稱總放射性活度為出廠時(shí)標(biāo)稱總放射性活度為3.7 108Bq，4天天后使用，使用時(shí)該藥品的放射性濃度還有多少？后使用，使用時(shí)該藥品的放射性濃度還有多少？（131I物理半衰期按物理半衰期按8天計(jì)）天計(jì)）1 / 20.6938001 / 21 /

25、20.6930.5883.7 10 B q4480.580.7073.7 100.7072.6159 10 B qtTttAA eAttTTeA查 表 得則 :放射性濃度放射性濃度2.6159108/5=5.2318107Bq/ml36 放射性核素的衰變總體上遵循負(fù)指數(shù)規(guī)律，放射性核素的衰變總體上遵循負(fù)指數(shù)規(guī)律，但在衰變過程中，由于各個(gè)核互不關(guān)聯(lián)，但在衰變過程中，由于各個(gè)核互不關(guān)聯(lián)，衰變是獨(dú)立的隨機(jī)事件。不同時(shí)刻衰變的衰變是獨(dú)立的隨機(jī)事件。不同時(shí)刻衰變的核數(shù)不一，但在衰變總體期望值上下波動(dòng)，核數(shù)不一，但在衰變總體期望值上下波動(dòng)，屬于離散型隨機(jī)變量，服從一定概率分布，屬于離散型隨機(jī)變量，服從一定

26、概率分布，這就是衰變過程中的統(tǒng)計(jì)漲落特性，符合這就是衰變過程中的統(tǒng)計(jì)漲落特性，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)中的泊松分布規(guī)律。統(tǒng)計(jì)學(xué)中的泊松分布規(guī)律。（三）（三）衰變過程中的統(tǒng)計(jì)漲落特性衰變過程中的統(tǒng)計(jì)漲落特性37三、核裂變與核聚變?nèi)⒑肆炎兣c核聚變 重核分裂成二個(gè)中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放中重核分裂成二個(gè)中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放中子和能量的過程稱謂原子子和能量的過程稱謂原子核裂變核裂變。 核裂變分為核裂變分為自發(fā)裂變自發(fā)裂變和和誘發(fā)裂變誘發(fā)裂變。 自發(fā)裂變自發(fā)裂變 自發(fā)裂變是原子核在沒有入射粒子轟擊的情況下自發(fā)裂變是原子核在沒有入射粒子轟擊的情況下自行發(fā)生的核裂變，是重核的一種特殊類型的核自行發(fā)生的核裂變，是

27、重核的一種特殊類型的核衰變。核越重，自發(fā)裂變的概率越大衰變。核越重，自發(fā)裂變的概率越大（一）核裂變（一）核裂變38*(1 3)AaCXYnQA為靶核，為靶核，a為入射粒子，為入射粒子，C*為入射粒子與靶核組成的激發(fā)態(tài)為入射粒子與靶核組成的激發(fā)態(tài)復(fù)合核（即裂變核），復(fù)合核（即裂變核），X、Y為裂變碎片，為裂變碎片，n為裂變時(shí)釋放的為裂變時(shí)釋放的中子，中子，Q為裂變能。為裂變能。 誘發(fā)裂變誘發(fā)裂變 誘發(fā)裂變以中子誘發(fā)裂變最重要。由于中子和靶核作用不誘發(fā)裂變以中子誘發(fā)裂變最重要。由于中子和靶核作用不受核的庫侖勢壘影響，能量很低的中子就可以進(jìn)入靶核內(nèi)，受核的庫侖勢壘影響，能量很低的中子就可以進(jìn)入靶核內(nèi)

28、，使核激發(fā)而發(fā)生裂變。使核激發(fā)而發(fā)生裂變。39235U + n 236U* X + Y +（1-3）n + 200MeV裂變最初形成兩塊初級(jí)碎片，中、質(zhì)比較高，激發(fā)能大于裂變最初形成兩塊初級(jí)碎片，中、質(zhì)比較高，激發(fā)能大于核子平均結(jié)合能，在裂變發(fā)生后核子平均結(jié)合能，在裂變發(fā)生后10-15S內(nèi)直接發(fā)射中子。內(nèi)直接發(fā)射中子。中子能譜分布范圍從中子能譜分布范圍從0至十幾至十幾MeV。發(fā)射中子后的碎片稱。發(fā)射中子后的碎片稱為次級(jí)碎片，其激發(fā)能小于核子的平均結(jié)合能不足以發(fā)射為次級(jí)碎片，其激發(fā)能小于核子的平均結(jié)合能不足以發(fā)射中子，能量以中子，能量以光子形式退激，退激后的碎片仍為豐中子核，光子形式退激，退激后

29、的碎片仍為豐中子核，將繼續(xù)進(jìn)行將繼續(xù)進(jìn)行衰變，最后形成穩(wěn)定核。衰變，最后形成穩(wěn)定核。 40中子中子235235鈾核分裂鈾核分裂逃逃逸逸 裂變產(chǎn)生的中子慢化后，可引起其他靶核裂變產(chǎn)生的中子慢化后，可引起其他靶核發(fā)生裂變，產(chǎn)生第二代中子，再引起裂發(fā)生裂變，產(chǎn)生第二代中子，再引起裂變產(chǎn)生第三代中子變產(chǎn)生第三代中子。裂變不斷進(jìn)行。裂變不斷進(jìn)行下去，這一系列的反應(yīng)過程稱為下去，這一系列的反應(yīng)過程稱為鏈?zhǔn)椒存準(zhǔn)椒磻?yīng)應(yīng)。41鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的必要條件是，必須使裂變過程中任鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的必要條件是，必須使裂變過程中任何一代中子總數(shù)何一代中子總數(shù)Ni大于或等于前一代的中子總數(shù)大于或等于前一代的中子總數(shù)Ni-1，這兩個(gè)數(shù)值之

30、比稱為中子的增殖系數(shù)，用，這兩個(gè)數(shù)值之比稱為中子的增殖系數(shù)，用K表示：表示：11iiNKNK1 中子中子增殖增殖 發(fā)散發(fā)散 原子原子彈彈 42氫氫-3 核核氫氫-2 核核中子中子氦氦-4-4 He42+H21n10+能量H31核聚變核聚變（二）核聚變（二）核聚變二個(gè)輕核結(jié)合成較重的原子核同二個(gè)輕核結(jié)合成較重的原子核同樣能釋放巨大的能量樣能釋放巨大的能量核聚變核聚變 43由于氘、氚的原子核均帶正電荷，要使它們聚合，必須由于氘、氚的原子核均帶正電荷，要使它們聚合，必須要克服很強(qiáng)的庫侖斥力，需要反應(yīng)溫度在要克服很強(qiáng)的庫侖斥力，需要反應(yīng)溫度在108K以上，氘、以上，氘、氚原子形成物質(zhì)的第四態(tài)氚原子形成

31、物質(zhì)的第四態(tài)-等離子態(tài)等離子態(tài)，才有可能會(huì)產(chǎn)，才有可能會(huì)產(chǎn)生聚變反應(yīng)，所以聚變反應(yīng)也稱為生聚變反應(yīng)，所以聚變反應(yīng)也稱為熱核反應(yīng)熱核反應(yīng)。 太陽發(fā)生核聚變反應(yīng)，太陽發(fā)生核聚變反應(yīng)，為地球提供了用之不竭為地球提供了用之不竭的能量，此反應(yīng)持續(xù)了的能量，此反應(yīng)持續(xù)了幾十億年。幾十億年。利用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫利用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓將高壓將2H和和3H聚變成聚變成4He，釋放大量能量釋放大量能量-氫彈。氫彈。1967.6.17，中國第一顆氫彈，中國第一顆氫彈試爆成功。試爆成功。氫彈為不可控核聚變氫彈為不可控核聚變 44在地球上實(shí)現(xiàn)受控在地球上實(shí)現(xiàn)受控核聚變的約束方式核聚變的約束方式磁約束磁約束慣

32、性 約 束慣 性 約 束磁約束磁約束由封閉磁場組成的由封閉磁場組成的“容器容器”，來約束電離了的等離子體。，來約束電離了的等離子體。這種容器又叫磁瓶或磁籠，它由磁力線組成，不怕高溫。用這種容器又叫磁瓶或磁籠，它由磁力線組成，不怕高溫。用磁場實(shí)現(xiàn)聚變的方法稱為磁約束。磁場實(shí)現(xiàn)聚變的方法稱為磁約束。實(shí)現(xiàn)磁約束的方法主要為托卡馬克裝置。托卡馬克是磁線實(shí)現(xiàn)磁約束的方法主要為托卡馬克裝置。托卡馬克是磁線圈圓環(huán)室的俄文縮寫，又稱環(huán)流器，我國在合肥建有托卡馬圈圓環(huán)室的俄文縮寫，又稱環(huán)流器，我國在合肥建有托卡馬克裝置。克裝置。 慣性約束聚變慣性約束聚變最常見的是最常見的是激光慣性約束激光慣性約束，即用高強(qiáng)度的

33、激光在極短時(shí)間，即用高強(qiáng)度的激光在極短時(shí)間內(nèi)輻照靶板，產(chǎn)生聚變。此外還有電子束、重離子束等方案內(nèi)輻照靶板，產(chǎn)生聚變。此外還有電子束、重離子束等方案, ,但方案目前還僅限于理論但方案目前還僅限于理論, ,實(shí)踐上還未獲成功。實(shí)踐上還未獲成功。45第三節(jié)第三節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用射線分射線分 帶電粒子帶電粒子 不帶電粒子（如不帶電粒子（如X X、中子等）、中子等） 46 帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)的核外電子發(fā)生靜電作用帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)的核外電子發(fā)生靜電作用 帶電粒子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1 1、電離與激發(fā)、電離與激發(fā)結(jié)結(jié)果果原子失原子失去電子去電子正

34、負(fù)離子對(duì)正負(fù)離子對(duì)電離電離(ionization) 電子躍遷電子躍遷至外層至外層激發(fā)激發(fā)（excitation） 帶電粒子在每厘米路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)，即帶電粒子在每厘米路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)，即電離密電離密度度（ionization density）來表示電離能力。）來表示電離能力。與帶電粒子與帶電粒子的電荷數(shù)，運(yùn)行速度和物質(zhì)的密度有關(guān)。的電荷數(shù)，運(yùn)行速度和物質(zhì)的密度有關(guān)。 47反映射線通過物質(zhì)時(shí)能量損失的另一物理量是反映射線通過物質(zhì)時(shí)能量損失的另一物理量是傳傳能線密度能線密度，也稱，也稱線性能量傳遞線性能量傳遞（linear energy transger，LET）。）。 定義定義:帶電粒子

35、在一種物質(zhì)中穿行時(shí)單位長度路徑帶電粒子在一種物質(zhì)中穿行時(shí)單位長度路徑上與電子碰撞粒子能量的損失，單位是上與電子碰撞粒子能量的損失，單位是MeV.cm-1與入射粒子的能量、吸收物質(zhì)的原子密度和原子與入射粒子的能量、吸收物質(zhì)的原子密度和原子序數(shù)等因素有關(guān)。序數(shù)等因素有關(guān)。 LETLET相同情況下：相同情況下：48帶電粒子與原子核碰撞受原子核庫侖場作用。帶電粒子與原子核碰撞受原子核庫侖場作用。2 2、散射與吸收、散射與吸收結(jié)結(jié)果果方向偏折和能方向偏折和能量的改變量的改變 散射（散射（scattering） 方向偏折、能方向偏折、能量未改變量未改變 彈性散射彈性散射(elastic scattering)由于各種作用的機(jī)制，導(dǎo)致帶電粒子的動(dòng)能全部由于各種作用的