核安全工程師培訓(xùn)材料核安全綜合知識核物理桂立明學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1核安全工程師培訓(xùn)材料核安全綜合核安全工程師培訓(xùn)材料核安全綜合(zngh)知識核物理桂立明知識核物理桂立明第一頁，共149頁。2第1頁/共148頁第二頁，共149頁。3第2頁/共148頁第三頁，共149頁。4Nobel Prize in 1903一、原子一、原子(yunz)與原子與原子(yunz)核核1896年法國科學(xué)家貝克勒爾(A. H. Becquerel)發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象，人類歷史上第一次在實驗室觀察(gunch)到核變化。這一重大發(fā)現(xiàn)是原子核物理的開端。 1. 放射性現(xiàn)象放射性現(xiàn)象(xinxing)第3頁/共148頁第四頁，共149頁。5v1898, 盧瑟福（Rutherfor

2、d）v在“貝可勒爾射線”中發(fā)現(xiàn)了、粒子,后來證實了射線是氦原子核，射線是電子(dinz)。 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(dinz)組成的假設(shè)。v 1908年獲諾貝爾獎。2.2.原子原子(yunz)(yunz)的組成的組成第4頁/共148頁第五頁，共149頁。6第5頁/共148頁第六頁，共149頁。第6頁/共148頁第七頁，共149頁。8第7頁/共148頁第八頁，共149頁。9第8頁/共148頁第九頁，共149頁。10原子原子(yunz)模型模型核子核子中子中子質(zhì)子質(zhì)子電子電子+ +第9頁/共148頁第十頁，共149頁。111.原子原子(yunz)的殼層的殼層第

3、10頁/共148頁第十一頁，共149頁。第11頁/共148頁第十二頁，共149頁。13第12頁/共148頁第十三頁，共149頁。14第13頁/共148頁第十四頁，共149頁。15v1932, 查德威克（Chadwick） 發(fā)現(xiàn)(fxin)中子v1935年獲諾貝爾獎。三、原子核的組成三、原子核的組成(z chn)及其穩(wěn)定性及其穩(wěn)定性1.原子核的組成原子核的組成(z chn)及其表示及其表示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。 第14頁/共148頁第十五頁，共149頁。16第15頁/共148頁第十六頁，共149頁。 右下角右下角N表示核內(nèi)中子數(shù)；左

4、下角表示核內(nèi)中子數(shù)；左下角Z表示質(zhì)子數(shù)或稱電表示質(zhì)子數(shù)或稱電荷數(shù)；左上角荷數(shù)；左上角A（A=N+Z）稱為核內(nèi)的核子）稱為核內(nèi)的核子(hz)數(shù)，又數(shù)，又稱質(zhì)量數(shù)。實際上核素符號稱質(zhì)量數(shù)。實際上核素符號X和質(zhì)子數(shù)和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號的關(guān)系，所以用符號AX足以表示一個特定的核素。足以表示一個特定的核素。 2. 2.原子核的表示原子核的表示(biosh)(biosh)方方法法ZANX核子數(shù)核子數(shù)質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)中子數(shù)元素符號元素符號例如例如(lr)：；：；為三個核素，可為三個核素，可表示為表示為781315376129537512853,IIIIII1311291

5、28,核素是指在其核內(nèi)具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)核素是指在其核內(nèi)具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子。的一種原子核或原子。第16頁/共148頁第十七頁，共149頁。 核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個(y )(y )不同，就是不同的核素。不同，就是不同的核素。NAZX1266C126C12CTl20886Pb20882 兩種核素，兩種核素，A A同，同，Z Z、N N不同。不同。Sr9038Y9139兩種核素，兩種核素，N N同，同，A A、Z Z不同。不同。60Co58Co兩種核素，兩種核素，Z Z同，同，A A、N N不

6、同。不同。60Co60mCo兩種核素，兩種核素，A A、Z Z、N N 同，能態(tài)不同。同，能態(tài)不同。第17頁/共148頁第十八頁，共149頁。H11KH21H31H、11H、21H；31KKH11 它們都在第一號位置它們都在第一號位置(wi zhi)(wi zhi)，所以記作，所以記作1H1H，由于，由于質(zhì)量數(shù)不同，在質(zhì)量數(shù)不同，在 左上角表示，左上角表示， 簡寫成簡寫成1H1H、2H2H、3H3H。氕原子核內(nèi)僅有氕原子核內(nèi)僅有一個一個(y )(y )質(zhì)子即氫質(zhì)子即氫 氘原子核內(nèi)有一氘原子核內(nèi)有一個質(zhì)子一個中子個質(zhì)子一個中子 氚原子核內(nèi)有一氚原子核內(nèi)有一個質(zhì)子二個中子個質(zhì)子二個中子第18頁/共

7、148頁第十九頁，共149頁。 某元素中各同位素天然某元素中各同位素天然(tinrn)(tinrn)含量含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。4.同位素豐度(fn d)16O17O18O99.756%、0.039%、0.205%11H21H99.985%、0.015%23592U23892U0.724%、99.276%第19頁/共148頁第二十頁，共149頁。11H21H99.985%、0.015%5.5.放射性同位素放射性同位素 其中其中(qzhng)(qzhng)，穩(wěn)定同位素為，穩(wěn)定同位素為：H3而而 為放射性同位素，具有為放射性同位素，具有放射性，放射性，放出最

8、大能量為放出最大能量為18KeV18KeV的的射線，其半射線，其半衰期衰期 。 它的產(chǎn)生是宇宙射線與空氣它的產(chǎn)生是宇宙射線與空氣(kngq)(kngq)中的中的N N和和O O發(fā)生核反應(yīng)，稱為宇生放射性。發(fā)生核反應(yīng)，稱為宇生放射性。H,H,H312111 氫的三種同位素具有相同氫的三種同位素具有相同(xin tn)的化學(xué)性質(zhì)，但其放射性卻不同。的化學(xué)性質(zhì)，但其放射性卻不同。aT3 .1221H、11H、21H；31H；31第20頁/共148頁第二十一頁，共149頁。第21頁/共148頁第二十二頁，共149頁。人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射人工放射性核素是指非天然和自然界的因素

9、生成的放射性核素，而是在反應(yīng)堆或加速器所生成。同位素技術(shù)中性核素，而是在反應(yīng)堆或加速器所生成。同位素技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的放射源應(yīng)用最廣泛的放射源-鈷源（鈷源（60Co 60Co ）就是在反應(yīng)堆中）就是在反應(yīng)堆中生成。生成。 將金屬鈷，即將金屬鈷，即 59Co 59Co ，其豐度，其豐度100100 ，放在反應(yīng)堆，放在反應(yīng)堆孔道內(nèi)，利用中子照射孔道內(nèi)，利用中子照射 59Co 59Co，發(fā)生如下，發(fā)生如下(rxi)(rxi)核反應(yīng)：核反應(yīng)：工業(yè)上應(yīng)用于食品和醫(yī)療器具的殺菌、消毒的鈷源工業(yè)上應(yīng)用于食品和醫(yī)療器具的殺菌、消毒的鈷源（60Co60Co），其活度達幾十萬至百萬居里（），其活度達幾十萬至百萬居

10、里（CiCi）。）。ConCo6059,6.6.人工人工(rngng)(rngng)放射性核素放射性核素第22頁/共148頁第二十三頁，共149頁。24第23頁/共148頁第二十四頁，共149頁。核素圖 穩(wěn)定核素分布圖 25第24頁/共148頁第二十五頁，共149頁。26第25頁/共148頁第二十六頁，共149頁。27第26頁/共148頁第二十七頁，共149頁。28第27頁/共148頁第二十八頁，共149頁。29第28頁/共148頁第二十九頁，共149頁。30第29頁/共148頁第三十頁，共149頁。311.質(zhì)能聯(lián)系質(zhì)能聯(lián)系(linx)定律定律 E=mc2第30頁/共148頁第三十一頁，共14

11、9頁。32/128201 mm式中：式中：v/c； mo為物體靜止為物體靜止(jngzh)時具有的質(zhì)量，稱作靜時具有的質(zhì)量，稱作靜 止質(zhì)量；止質(zhì)量； V為物體的運動速度；為物體的運動速度； C為光在真空中傳播的速度。為光在真空中傳播的速度。 c= 299792458ms-1。第31頁/共148頁第三十二頁，共149頁。33/128第32頁/共148頁第三十三頁，共149頁。34/128第33頁/共148頁第三十四頁，共149頁。35/128XAZ第34頁/共148頁第三十五頁，共149頁。36/128第35頁/共148頁第三十六頁，共149頁。37/128第36頁/共148頁第三十七頁，共14

12、9頁。38/128第37頁/共148頁第三十八頁，共149頁。39/128 原子核拆散成自由核子時，外界對每個核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?；蛘哒f，它表示核子所做的最小的平均功?；蛘哒f，它表示核子結(jié)合子結(jié)合(jih)(jih)成原子核時，平均一個核子所成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。釋放的能量。 平均結(jié)合能表征平均結(jié)合能表征(bio zhn)(bio zhn)了原子核結(jié)合的松了原子核結(jié)合的松緊程度：緊程度： 平均結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；平均結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高； 平均結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。平均結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。 平均結(jié)合能（

13、比結(jié)合能）的物理(wl)意義第38頁/共148頁第三十九頁，共149頁。40/128平均平均(pngjn)(pngjn)結(jié)合能（比結(jié)合結(jié)合能（比結(jié)合能）曲線能）曲線裂變聚變8.797.071.112第39頁/共148頁第四十頁，共149頁。41/128第40頁/共148頁第四十一頁，共149頁。42/1281.1 原子結(jié)構(gòu)第41頁/共148頁第四十二頁，共149頁。43/128 對于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一對于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一 個核個核子的平均子的平均(pngjn)結(jié)合能最大；而質(zhì)量數(shù)較大的重核結(jié)合能最大；而質(zhì)量數(shù)較大的重核區(qū)，或較小的輕核區(qū)的原子核中，核子的平均區(qū)

14、，或較小的輕核區(qū)的原子核中，核子的平均(pngjn)結(jié)合能都比較小。結(jié)合能都比較小。 因此，當重原子核分裂成中等質(zhì)量的核時，核子在因此，當重原子核分裂成中等質(zhì)量的核時，核子在較輕的核內(nèi)會結(jié)合得更緊密，就可能會大量釋放能量，較輕的核內(nèi)會結(jié)合得更緊密，就可能會大量釋放能量，這就是裂變能；當兩個較輕的核發(fā)生聚合時，釋放出這就是裂變能；當兩個較輕的核發(fā)生聚合時，釋放出的能量更大，就是聚變能。的能量更大，就是聚變能。結(jié)結(jié) 論論第42頁/共148頁第四十三頁，共149頁。44第43頁/共148頁第四十四頁，共149頁。45第44頁/共148頁第四十五頁，共149頁。461.原子核的衰變原子核的衰變(shu

15、ibin)第45頁/共148頁第四十六頁，共149頁。 核衰變不受外界因素的影響，它是放核衰變不受外界因素的影響，它是放射性核素本身的物理特征。射性核素本身的物理特征。472. 、X射線的主要射線的主要(zhyo)特性特性第46頁/共148頁第四十七頁，共149頁。He4248第47頁/共148頁第四十八頁，共149頁。49第48頁/共148頁第四十九頁，共149頁。50第49頁/共148頁第五十頁，共149頁。51第50頁/共148頁第五十一頁，共149頁。52 (a)(b)一些(yxi)核素的衰變綱圖第51頁/共148頁第五十二頁，共149頁。53第52頁/共148頁第五十三頁，共149頁

16、。 由于微觀世界的統(tǒng)計性和全同行由于微觀世界的統(tǒng)計性和全同行(tnghng)(tnghng)，不能預(yù)測某一原子核的衰變，不能預(yù)測某一原子核的衰變時刻，但可以統(tǒng)計得到放射源中總的放射時刻，但可以統(tǒng)計得到放射源中總的放射性原子核數(shù)目的減少規(guī)律；具體到每個放性原子核數(shù)目的減少規(guī)律；具體到每個放射性原子核的衰變來說，就是服從一定規(guī)射性原子核的衰變來說，就是服從一定規(guī)律進行衰變的一個隨機事件，可以用衰變律進行衰變的一個隨機事件，可以用衰變概率表示。概率表示。第53頁/共148頁第五十四頁，共149頁。械運動等物理或化學(xué)手段不能改變指數(shù)衰械運動等物理或化學(xué)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

17、表明，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)律所決放射性衰變是由原子核內(nèi)部運動規(guī)律所決定的定的 。第54頁/共148頁第五十五頁，共149頁。第55頁/共148頁第五十六頁，共149頁。第56頁/共148頁第五十七頁，共149頁。第57頁/共148頁第五十八頁，共149頁。第58頁/共148頁第五十九頁，共149頁。693. 02T2/1n 除了除了外，還可用半衰期外，還可用半衰期T1/2表征表征(bio zhn)放射性放射性衰變的快慢。衰變的快慢。 實際上，從上述實際上，從上述(shngsh)(shngsh)公式，可得：公式，可得：第59頁/共148頁第六十頁，

18、共149頁。14C T1/2=5730a14C T1/2=5730a； 238U T1/2=4.5 238U T1/2=4.5109a109a。第60頁/共148頁第六十一頁，共149頁。第61頁/共148頁第六十二頁，共149頁。第62頁/共148頁第六十三頁，共149頁。64 6.平均壽命平均壽命(pn jn shu mn) 原子核平均能夠存在的時間。原子核平均能夠存在的時間。693.0/12/1T第63頁/共148頁第六十四頁，共149頁。dtdnA/ 放射性核素的放射性活度，過去也稱放射性放射性核素的放射性活度，過去也稱放射性強強 度。它是表征度。它是表征(bio zhn)放射性核素特

19、征的放射性核素特征的物理量之一。物理量之一。 放射性活度是指在單位時間放射性活度是指在單位時間(shjin)內(nèi)，放射性內(nèi)，放射性核素發(fā)生核素發(fā)生 衰變的原子核數(shù)，用符號衰變的原子核數(shù)，用符號A表示。表示。 1Ci=3.71010Bq第64頁/共148頁第六十五頁，共149頁。66第65頁/共148頁第六十六頁，共149頁。67第66頁/共148頁第六十七頁，共149頁。68第67頁/共148頁第六十八頁，共149頁。第68頁/共148頁第六十九頁，共149頁。2、鈾系（4n2系）第69頁/共148頁第七十頁，共149頁。3、錒系（4n3系）第70頁/共148頁第七十一頁，共149頁。第71頁/

20、共148頁第七十二頁，共149頁。4、镎系（4n1系）第72頁/共148頁第七十三頁，共149頁。74第73頁/共148頁第七十四頁，共149頁。751.放射源活度的確定(qudng)Cs13755Cs13755Cs13755Cs13755 1610797. 80WANNA（個）（個）其中NA6.0221023mol-1為阿伏伽德羅常數(shù)。137Cs的半衰期為T1/230.23a，則衰變常數(shù)應(yīng)為 0.693/T1/20.0229a-1第74頁/共148頁第七十五頁，共149頁。第75頁/共148頁第七十六頁，共149頁。77第76頁/共148頁第七十七頁，共149頁。78第77頁/共148頁第七

21、十八頁，共149頁。79第78頁/共148頁第七十九頁，共149頁。80第79頁/共148頁第八十頁，共149頁。81第80頁/共148頁第八十一頁，共149頁。82輻射輻射組成組成質(zhì)量質(zhì)量電荷電荷速度速度 2 protons + 2 neutronsRelatively HeavyDouble PositiveSlow electronRelativelyLightSingle Negative 3 x 108 m/snneutronMiddle weightnonvariousPprotonMiddle weightpositivevarious High Energy Electroma

22、gnetic Photonsnonnon3 x 108 m/sXSame as Gamma-Raysnonnon3 x 108 m/s常見常見(chn jin)的的電離輻射電離輻射第81頁/共148頁第八十二頁，共149頁。83第82頁/共148頁第八十三頁，共149頁。84第83頁/共148頁第八十四頁，共149頁。85第84頁/共148頁第八十五頁，共149頁。86第85頁/共148頁第八十六頁，共149頁。87第86頁/共148頁第八十七頁，共149頁。88第87頁/共148頁第八十八頁，共149頁。891.帶電粒子與物質(zhì)(wzh)相互作用第88頁/共148頁第八十九頁，共149頁。90

23、第89頁/共148頁第九十頁，共149頁。91第90頁/共148頁第九十一頁，共149頁。韌致輻射：帶電粒子在原子核庫侖場中被減速韌致輻射：帶電粒子在原子核庫侖場中被減速或加速，其部分或全部動能或加速，其部分或全部動能(dngnng)，轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)譜的電磁為連續(xù)譜的電磁輻射。其能量損失稱為輻射損失。輻射。其能量損失稱為輻射損失。帶電粒子能量帶電粒子能量(nngling)損失方式之二是輻射損失方式之二是輻射損失。損失。第91頁/共148頁第九十二頁，共149頁。第92頁/共148頁第九十三頁，共149頁。94第93頁/共148頁第九十四頁，共149頁。95第94頁/共148頁第九十五頁，共1

24、49頁。96第95頁/共148頁第九十六頁，共149頁。97第96頁/共148頁第九十七頁，共149頁。98第97頁/共148頁第九十八頁，共149頁。99第98頁/共148頁第九十九頁，共149頁。100光電子動能(dngnng)：EehBi（ iK，L，M）第99頁/共148頁第一百頁，共149頁。101原子(yunz)的光電效應(yīng)截面：單位(dnwi)：cm2Z介質(zhì)(jizh)的原子序數(shù)光電效應(yīng)的幾率與原子序數(shù) Z5成正比；光電效應(yīng)的幾率與光子能量h或h3.5成反比；低能光子與高原子序數(shù)物質(zhì)作用，光電效應(yīng)占優(yōu)勢；光電效應(yīng)主要發(fā)生在K層及L層電子。第 I 階段：（每個原子）hm0c2時，27

25、51hZhZ15第100頁/共148頁第一百零一頁，共149頁。102第 II 階段(jidun)：激發(fā)態(tài)退激激發(fā)態(tài)退激特征(tzhng)X射線俄歇電子(dinz)入射光子的能量次級電子（光電子、俄歇電子）的動能第101頁/共148頁第一百零二頁，共149頁。103第102頁/共148頁第一百零三頁，共149頁。104第103頁/共148頁第一百零四頁，共149頁。105動能動能(dngnng)守恒、動量守恒守恒、動量守恒第104頁/共148頁第一百零五頁，共149頁。原子核場：能量大于1.02MeV，發(fā)生(fshng)幾率大；電子場 ：能量大于2.04MeV，發(fā)生(fshng)幾率很小。(3

26、)電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)(xioyng) 當一定能量的光子進入物質(zhì)時，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)象稱做電子對效應(yīng)。電子對效應(yīng)發(fā)生是有條件(tiojin)的。在原子核庫侖場中，只有當入射光子的能量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。 第105頁/共148頁第一百零六頁，共149頁。107第106頁/共148頁第一百零七頁，共149頁。108第107頁/共148頁第一百零八頁，共149頁。109第108頁/共148頁第一百零九頁，共149頁。110中

27、子幾乎不與電子中子幾乎不與電子(dinz)相互作用，只能與原子核相互作相互作用，只能與原子核相互作用用中子中子(zhngz)散射散射(snsh)彈性散射彈性散射 如：快中子與輕介質(zhì)如：快中子與輕介質(zhì)非彈性散射非彈性散射 如：快中子與重介質(zhì)如：快中子與重介質(zhì)吸收吸收 輻射俘獲輻射俘獲第109頁/共148頁第一百一十頁，共149頁。111第110頁/共148頁第一百一十一頁，共149頁。112第111頁/共148頁第一百一十二頁，共149頁。113第112頁/共148頁第一百一十三頁，共149頁。114第113頁/共148頁第一百一十四頁，共149頁。115第114頁/共148頁第一百一十五頁，共

28、149頁。116第115頁/共148頁第一百一十六頁，共149頁。117第116頁/共148頁第一百一十七頁，共149頁。118第117頁/共148頁第一百一十八頁，共149頁。靠增加(zngji)聯(lián)極的數(shù)目，放大倍數(shù)可達105108倍光電倍增管（PMT）是一種光電器件，主要由光陰極、聚焦極、打拿極（聯(lián)極）和陽極組成，封于玻璃殼內(nèi)并帶有各電極引出。光電倍增管的產(chǎn)品很多，但主要要注意它的的光陰極的光譜響應(yīng)與閃爍體的發(fā)射光譜相匹配；具有較高的陰極靈敏度和陽極靈敏度；較低的暗電流或噪聲脈沖；良好的工藝和穩(wěn)定性。第118頁/共148頁第一百一十九頁，共149頁。120第119頁/共148頁第一百二十頁，共149頁。121第120頁/共148頁第一百二十一頁，共149頁。122第121頁/共148頁第一百二十二頁，共149頁。1231.核反應(yīng)核反應(yīng)(fnyng)與反應(yīng)與反應(yīng)(fnyng)道道第122頁/共148頁第一百二十三頁，共149頁。124第123頁/共148頁第一百二十四頁，共149頁。125第124頁/共148頁第一百二十五頁，共149頁。126第125頁/共148頁第一百二十六頁，共149