chapter1核輻射測(cè)量方法的基本知識(shí)(1)課件

1、核輻射測(cè)量方法主講：周四春核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院第一章 核輻射測(cè)量方法基本知識(shí)第一節(jié) 原子和原子核第二節(jié) 核衰變第三節(jié) 放射性系列第四節(jié) 天然放射性核素的射線譜第五節(jié) 放射性核素衰變的基本規(guī)律第六節(jié) 兩種和多種放射性核素的衰變規(guī)律第七節(jié) 核衰變規(guī)律的應(yīng)用第八節(jié) 中子及人工放射性核素第一節(jié) 原子和原子核有人類記載以來，對(duì)五光十色的大千世界人們一直在追尋：物質(zhì)世界是由什麼組成的？是什麼把它們組合在一起？一、原子3) 1911 年 盧瑟福有核原子 原子由電子和原子核組成4） 1913 玻耳 電子繞原子核做定 態(tài)運(yùn)動(dòng) 原子是穩(wěn)定的5) 1932年 查德威克發(fā)現(xiàn)中子6) 1932年 海森堡 原子核 =中

2、子 + 質(zhì)子7）1964年 蓋爾曼提出夸克 粒子概念,后來又發(fā)現(xiàn)其它一些粒子,構(gòu)成了豐富多彩的物質(zhì)世界.基本粒子公元前4世紀(jì)德寞克利特 1803道爾頓 1911盧瑟福1913玻耳1932海森堡？ 人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)“基本磚塊”歷程電子2000 多年6 0 多 年100 1990年代“基本磚塊”輕子 12夸克 36媒介子 13希格斯粒子 1合計(jì) 62其中 2個(gè)粒子尚未發(fā)現(xiàn)：引力子和希格斯粒子。1964夸克8）現(xiàn)代原子的概念構(gòu)成元素的基本單位；由原子核與核外軌道電子組成，核帶正電，電子帶負(fù)電，整個(gè)原子呈中性；原子大?。?08cm；原子核：1013cm；原子的質(zhì)量幾乎全集中在核上。電子與核的質(zhì)量比：氫原子

3、1/1840；鈾原子1/4717。原子的質(zhì)量采用原子質(zhì)量單位表示：amu原子結(jié)構(gòu)模型演化示意圖 現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)原子的發(fā)射光譜2. 核素及符號(hào)表示核素 ：具有確定質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)、核能態(tài)的原子核稱做核素；核素是原子核的一種統(tǒng)稱。核素表示符號(hào)核 素質(zhì)子數(shù)中子數(shù)質(zhì)量數(shù)符 號(hào)氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C 3 常用名詞術(shù)語 名稱質(zhì)子數(shù)中子數(shù)質(zhì)量數(shù)舉例同位素相同不同不同1H 2H 3H同中子素不同相同不同2H 3He同量素不同不同相同3H 3He其它： 穩(wěn)定核素和不穩(wěn)定核素 穩(wěn)定同位素和不穩(wěn)定同位素 放射性核素和非放射性核素最常用的兩個(gè)術(shù)語：核素和同位素

4、 4. 原子核的基本性質(zhì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):原子核內(nèi)的質(zhì)子+中子緊密地?cái)D靠在一起，核子之間沒有什麼空隙（與原子情況不同). 穩(wěn)定原子核基本上類似與球體 原子核的半徑 R = r0A1/3 原子核半徑常數(shù) r0 = 1.2 10-15 m = 1.2 fm A 原子核的質(zhì)量數(shù) 例如：238U 7.4 fm1) 原子核的大小R2) 原子核的質(zhì)量電子 me = 9.110-31 kg = 5.4810-4 u = 0.511 MeV/c2質(zhì)子 mp = 1.007276 u = 938.256 MeV/c2中子 mn = 1.008665 u = 939.550 MeV/c2原子核質(zhì)量 = 原子質(zhì)量 全部電子

5、的質(zhì)量 MN(Z,A) = Ma(Z,A) Z me 忽略了電子的結(jié)合能 （ eV 量級(jí)） 原子的質(zhì)量可以用質(zhì)譜計(jì)精確測(cè)量(有表可查) 原子核質(zhì)量可以精確確定3) 核物質(zhì)密度原子核中核子緊密擠在一起根據(jù) = M/V 計(jì)算 核物質(zhì)密度 : 2.3 1014 g/cm3 1 cm3 核物質(zhì) 2 億噸重 !黑 洞 1018核物質(zhì) 1014中子星 109白矮星 105 水 1密度比較 g/cm3 ，穩(wěn)定核素的核電荷范圍從Z1到Z82(除Z43和Z6l之外)，即從氫到鉛的每個(gè)元素除了Z43的锝（Tc）和Z61的钷（Pm）之外，至少有一種穩(wěn)定的同位素。當(dāng)Z43，61；N19，35，39，45，61，89，

6、115，126，或AZN53時(shí)，有不穩(wěn)定的原子核，所有Z83，N126和A209的原子核都是不穩(wěn)定的。2）、穩(wěn)定與不穩(wěn)定核素核素圖穩(wěn)定核素(黑方塊)、實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)的核素(在兩條曲折線范圍內(nèi))，以及理論預(yù)言的核素(在兩條實(shí)線范圍內(nèi))。3）、原子核穩(wěn)定性分布的基本規(guī)律(4) 圖中上、下兩條實(shí)線分別代表質(zhì)子泄漏線(或稱質(zhì)子滴線，線上質(zhì)子的結(jié)合能為零)和中子泄漏線(或稱中子滴線，線上中子的結(jié)合能為零)。在上面實(shí)線外，原子核含的質(zhì)子數(shù)太多，它們就從核內(nèi)泄出；在下面實(shí)線外，原子核含的中子數(shù)太多，它們就從核內(nèi)泄出。理論估計(jì)，在兩條實(shí)線范圍內(nèi)至少應(yīng)存在5000個(gè)核素，但絕大多數(shù)核的壽命極短，尚未在實(shí)驗(yàn)中制備出來

7、。目前遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的核素的制備和研究是核物理的一個(gè)重要課題。中國科學(xué)家合成了兩個(gè)核素：一上海原子核所合成和鑒別的202Pt；蘭州近代物理所合成和鑒別的185Hf。實(shí)現(xiàn)了我國在新核素的合成方面零的突破。這些核素都是豐中子素。 (5) 理論語言，在Z114，N184附近可能存在一個(gè)穩(wěn)定的“超重核島”。李政道博士還預(yù)言，在更遠(yuǎn)處存在一個(gè)比島更大的“穩(wěn)定洲”，這都有待實(shí)驗(yàn)加以檢驗(yàn)。至今超重元素的合成和超重島的尋找還在繼續(xù)之中。 中子和質(zhì)子在原子核內(nèi)不斷運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，相應(yīng)的能量狀態(tài)不同。原子核的不同能量狀態(tài)組成原子核的能級(jí)。原子核的能級(jí)是不連續(xù)的，即量子化的。當(dāng)原子核獲得的能量準(zhǔn)確等于兩個(gè)能級(jí)的能量

8、差時(shí)，將由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的，會(huì)自動(dòng)從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)，同時(shí)以電磁輻射形式釋放出等于兩個(gè)能級(jí)差的能量。 6. 原子核的能級(jí)激發(fā)態(tài)基態(tài)核能級(jí)示意圖 二、 核衰變的基本類型主要有三種基本類型： 衰變 衰變 衰變 母核 子核 發(fā)射射線 衰變能量 226Ra 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) ( 2,4 )衰變能在反沖核與 粒子間按動(dòng)量能量守恒分配 原子核變化發(fā)射的載能的亞原子粒子 放射性粒子。 1、衰變 (4He)+從母核中射出的4He原子核 粒子得到大

9、部分衰變能238U4He + 234Th放射性母核!基本衰變衰變衰變241Am 237Np原子核N / Z 比值穩(wěn)定性 12 C6/6 = 1穩(wěn)定 14 C8/6 = 1.33不穩(wěn)定發(fā)生-衰變的原因 ：原子核中中子數(shù)太多 14 C原子核中的中子發(fā)生 -衰變，產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子， 一個(gè)負(fù)電子和一個(gè)反中微子 中子-衰變： n p + e- + pn2、衰變 衰變基本衰變衰變（動(dòng)畫）衰變3H 3He發(fā)生衰變的原因 ：原子核中質(zhì)子數(shù)太多 27Si 原子核中的質(zhì)子發(fā)生 衰變，產(chǎn)生一個(gè)中子， 一個(gè)正電子和一個(gè)中微子。 2、衰變衰變衰變一般發(fā)生在核反應(yīng)生成的核中，天然核素沒有。中子衰變： p n + e + 正衰

10、變11C 11B發(fā)生軌道電子俘獲的原因 ：原子核中質(zhì)子數(shù)太多 40K 原子核中的質(zhì)子俘獲一個(gè)軌道電子轉(zhuǎn)變成中子，放出 一個(gè)中微子。 3、衰變軌道電子俘獲軌道電子俘獲一般發(fā)生在原子核的K殼層電子上，所以又稱為K電子俘獲軌道電子俘獲： p + e n + 質(zhì)子變成中子X射線電子俘獲電子俘獲7Be 7Li3、衰變 處于激發(fā)態(tài)的原子核由較高能態(tài)向較低能態(tài)躍遷時(shí)，發(fā)出光子的過程，稱為衰變。1、衰變過程中只有原子核能量狀態(tài)的變化，沒有原子核的轉(zhuǎn)變。討論2、衰變一般是伴隨衰變和衰變過程發(fā)生的。即發(fā)生衰變和衰變后原子核往往處于激發(fā)態(tài)，隨后發(fā)生衰變。3、一般情況下處于激發(fā)態(tài)的原子核的壽命很短，10-13s；4、

11、同質(zhì)異能素：如果處于激發(fā)態(tài)的原子核的壽命長(zhǎng)到可以用儀器測(cè)量出來，這種處于激發(fā)態(tài)的原子核就可以獨(dú)立的作為一種核素。+中微子光子基本衰變衰變衰變3He 3He基本衰變衰變衰變特點(diǎn)：1、從原子核中發(fā)射出光子2、常常在 或 衰變后核子從激發(fā)態(tài)退 激時(shí)發(fā)生3、產(chǎn)生的射線能量不連續(xù)4、可以通過測(cè)量光子能量來鑒定核素種類 類別 衰變- 衰變+ 衰變 衰變4、衰變綱圖0.183MeV1600a4.785MeV954.602MeV5衰變：衰變后子核質(zhì)量數(shù)減少4、原子序數(shù)減少2，在元素周期表上前移（左移），衰變綱圖箭頭指向左。衰變：-衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變、原子序數(shù)增加1，在元素周期表上后移（右移），衰變綱圖箭頭指

12、向右。 電子捕獲與原子序數(shù)減少1，在元素周期表上前移（左移），衰變綱圖箭頭指向左。 1.31MeV8911 1.46MeV1.27109a三、宇宙射線它由來自銀河系及太陽耀斑的初級(jí)宇宙射線及其產(chǎn)物次級(jí)宇宙射線所組成。初級(jí)宇宙射線中主要成分為質(zhì)子，其次為粒子，還有少量電子、光子、中微子，以及原子序數(shù)從2到28的原子的原子核，其能量最高可達(dá)1021eV，平均為21010eV。次級(jí)宇宙射線是初級(jí)宇宙射線與地球大氣層中各種原子核碰撞產(chǎn)生的次級(jí)粒子，有介子、介子、電子、質(zhì)子、中子、光子等。1、宇宙射線的組成硬宇宙射線：能夠穿透10cm鉛板的高能部分，主要是帶正電的介子、高能光子和電子；軟宇宙射線：能量較低的介子、質(zhì)子和中子。宇