安全綜合知識(shí)第1章原子核物理基礎(chǔ)

第一章原子核物理基礎(chǔ)引在1895X1896年發(fā)現(xiàn)放射性、1897年發(fā)現(xiàn)電子，這三大發(fā)明揭開了近代物理的序幕，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究開始進(jìn)入微觀領(lǐng)域。其中，18962050第一節(jié)原子和原子核的基本100多種元素了。e=1.60217733×10-me=9.1093897×10-子為例，其半徑為1.6×10-8cm。鋁金屬的密度為ρ=2.7g/cm3。 13cm一、原子的殼層依次類推。通常用量子數(shù)n（n=1，2，3，…）代表殼層，并分別對(duì)應(yīng)K殼層、L殼層、M殼層，…殼層。每個(gè)殼層最多可容納2n2個(gè)電子，以K殼層而言，最多可容納2個(gè)電子；L殼層最多可容納8M18個(gè)電子，……。除了K層外，其它殼層又可分成若干的支殼層，支殼層的數(shù)目等于（2l+1）個(gè)，其中l(wèi)=n-1，l是描述電子軌道的量子數(shù)。這Ll=n-1=13MN57通常用殼層符號(hào)及其右下標(biāo)的羅馬數(shù)字來(lái)表示支殼層。如LⅠ表示L殼層的第一個(gè)支殼層，MⅡ表示M殼層的第二個(gè)支殼層，并分別稱為L(zhǎng)Ⅰ殼層和MⅡ殼層?；蛘哒f(shuō)負(fù)得最多。在K層以上，依次為L(zhǎng)Ⅰ，LⅡ，LⅢ，MⅠ，MⅡ……但在外殼層有些的順序子就需要外界做功。結(jié)合能是負(fù)值，通常以keV為單位，K殼層電子的結(jié)合能的絕對(duì)值最1-1原子能級(jí)圖和主要的KLX圖1-1是原子能級(jí)的一個(gè)典型例子，從圖中可以看到相應(yīng)的K、L、M……能級(jí)及其支n、lj1-1n（=1、2、3、…）l（=0，1，2（n-1）相關(guān)的量子數(shù)，j與lj|l±1/2|n、l、jMn=3，l0,12l=0j1/2l=1j1/23/2l=2j3/25/2。因此，M5的形式釋放一個(gè)光子。不同的元素的原子均有不同、特定的能量，通常稱作特征X射線。二、原子核及其穩(wěn)定1896年貝克勒爾（BecquerelAH）發(fā)現(xiàn)了鈾的放射現(xiàn)象，這是人類第一次在1897年居里夫婦（CurieP＆CurieM）發(fā)現(xiàn)放射性元素釙和鐳。1903年證實(shí)了α放射是正電荷的氦原子核，β射線是電子。1911年進(jìn)而提出原子的核式模型。1932年查德威克（ChadwickJ）發(fā)現(xiàn)中子。海森堡（HeisenbergW）立刻提出原子核是由質(zhì)子和中子AXNZ Z414He、816O、92238U，AX，為原子序數(shù)。只要元素符號(hào)X相同，不同質(zhì)量數(shù)的元素在周期表中的位置上相同，就具有86208Ti，82208Pb是獨(dú)立的兩種核素，他們具有相同的質(zhì)量數(shù)而原子核內(nèi)含有不同的質(zhì)子數(shù)3890Sr，3991Y是原子核內(nèi)含有不同的質(zhì)子數(shù)和相同的中子數(shù)的獨(dú)立的兩種核素；2760Co和17O、18O。它們的同位素豐度分別為99.756%、0.039%、0.205%。天然存在的核素可分為兩大類：一類是穩(wěn)定的核素，例如4020Ca、20983Bi等，其中自然存在的穩(wěn)定核素約有280個(gè)；另一類是不穩(wěn)定的核素，是指原子核會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一21080Po（發(fā)射α粒子、22288Ra（發(fā)射α粒子、β粒子、19879Au（發(fā)射β粒子E=mc2其中,物體的能量E以J為單位，物體的質(zhì)量m以kg2.99792458×108m/s=3×108m/s（）由Z個(gè)質(zhì)子和AZ記作Δ(A)Δ>0Δ=Δ。Z(,)為即ε(z,A)=的單位是1-2曲圖1-2是核素的比結(jié)合能曲線對(duì)質(zhì)量數(shù)作圖，可得到比結(jié)合能曲線。從圖1-2可見(jiàn)，8MeV結(jié)合能曲線兩頭低、中間高，換句話說(shuō)，中等質(zhì)量的核素的B/A比輕核、重核都大。放能量。從圖1-4可以看出，有兩個(gè)途徑可以獲得能量：一是重核裂變，即一個(gè)重核1-2A<3012C、16O、20Ne和24Mg等偶偶核，并且有N=Z，這表明對(duì)于輕核可能存在α粒子的第二節(jié)原子核的放射一、放射性衰變的基本規(guī)在大約4d之后氡射氣的數(shù)量減少一半，經(jīng)過(guò)8d減少到原來(lái)的1/412d減到1/8，一個(gè)月后就不到原來(lái)的1/100了，衰變情況如圖1-6（a）所示。如果以氡射氣的數(shù)量的自1-6（b，則可得到線性方程lnN(t)=-1-3222Rn律N(O)和N(tt=0t=t86222Rnλ為直線的斜率，是一個(gè)常N(t)=N(0)e-衰變、，而λ2,τ-dN(t)=式中-dNtt+dt間隔dt和t時(shí)刻的原子核數(shù)N（t，其比例系數(shù)正好是衰變常數(shù)λ。因此，λ可寫成為λ=-除了λ外，還有一些其他物理量，比如半衰期T1/2，也可用于表征放射性衰變的快慢。h、d、a由此可見(jiàn)，T1/2與λT1/2T1/2越小則衰變?cè)娇?。上式也表示半衰期T1/2與何時(shí)作為時(shí)間起點(diǎn)是無(wú)關(guān)的，從任何時(shí)間開始算起這種原子核的數(shù)目 1 N

(t)etd(t) τ=T1/2/0.693=1.44N(t=τ)=Ne-內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為它的放射性活度，通常用A表示。

A(t)=λN(t)=λN0e- A(t)=A0e-A0=λN0是放射源的初始放射性活度。由上式可見(jiàn)，一個(gè)放射源的放射性活度也由于歷史的原因，放射性活度曾采用居里（Ci）1Ci1g衰變的數(shù)目。1950年，為了統(tǒng)一起見(jiàn)，國(guó)際上共同規(guī)定：一個(gè)放射源每秒鐘有3.7×1010更小的單位有毫居里（1mCi=10-3Ci）和微居里（1μCi=10-6Ci1975GeneralConferenceonWeightandMeasures)上，規(guī)定了放射性活度的SI單位叫Bq[貝克（勒爾）]。1Ci=3.7×101055137Cs[見(jiàn)圖1-5（b）]，假如在某一時(shí)間間隔內(nèi)有100個(gè)原子核發(fā)生衰變，但放出的粒子數(shù)卻不止1001.17MeV60.512MeV940.662MeV94mBq/gJ(t)=二、放射地球的約為46億年。經(jīng)過(guò)了如此長(zhǎng)的地質(zhì)年代之后，那些半衰期比較短的核素，衡的放射系中。這些放射系的第一個(gè)核素的半衰期都很長(zhǎng)，和地球的（46億年）相近90232Th1.41×1010a92238U錒-鈾系的92235U，其半衰期為7.04×108a。雖然在三個(gè)放射系中的其他核素，在單獨(dú)存在衰變后，直到穩(wěn)定核素為止。對(duì)于α42，在元素周期表中將可見(jiàn)，通過(guò)α衰變、β-衰變和γ衰變而形成的放射系，其中各個(gè)核間，質(zhì)量數(shù)只能差490232Th1082208Pb鈾系（4n+292238U1482206Pb。該系的核素，其質(zhì)量數(shù)皆為4n+2，故稱4n+2系。92235U1182207Pb。該系核素的質(zhì)量數(shù)可表示為4n+3。半衰期最長(zhǎng)的93237Np(镎)命名，稱為镎系(4n+1系)。93237Np的半衰期為2.14×106a。第三節(jié)核輻射射線及其與物質(zhì)相互一、常見(jiàn)的核輻射類型及其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)射并在其中的能量（如聲熱輻射；受激原子退激時(shí)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1-1性類粒符電荷靜止質(zhì)u質(zhì)穩(wěn)氚穩(wěn)氘α輻穩(wěn)電穩(wěn)穩(wěn)中性粒γ000穩(wěn)中n0α量數(shù)為4。粒子以符號(hào)αAXA4Y4HeAXA4Y Z

Zβ原子核發(fā)射出的β射線有兩類：β-射線及β+β-就是通常的電子，帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷，以符號(hào)e-表示，負(fù)電子是穩(wěn)定的。β+是正電子，帶有一個(gè)單位的正電荷，以符號(hào)e+表示。兩種電子靜止質(zhì)量相同，其質(zhì)量約為質(zhì)子的1/1846。1-4β中反射電子能量分布，對(duì)某核素的電子的最大動(dòng)能Eβ,max是確定的。以32P而言，其Eβ,max=1.17MeV，β-14.3d，衰變過(guò)程如下32P32SeX射線和γ射線都是一定范圍的電磁輻射，又稱為光子。光子的靜止質(zhì)量為0，不帶電荷。單個(gè)光子的能量與輻射的頻率ν成正比，即E=hν，h為普朗克常數(shù)。每一個(gè)光子的能c（3×108m/s。Xγγ137Cs60Coβ-衰變后，子核處于高激發(fā)態(tài)能級(jí)，在向較低能態(tài)或基態(tài)躍遷時(shí)便發(fā)出γ光子。137Cs的γ射線能量為662KeV；60Co放出兩個(gè)γ射線，其能量分別為1.17MeV和1.33MeV。4．定的，它可以自發(fā)地發(fā)生β-衰變，生成質(zhì)子、電子和微子，半衰期為10.6分。素；②；③反應(yīng)堆。和防護(hù)上不僅要考慮中子，而且也要考慮γ射線或X射線。二、射線與物質(zhì)的相互作(1)①電離與激發(fā)。任何快速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于入射粒子和靶原子核外電②電離能量損失率。帶電粒子與物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致原子的電離能量損失率。從物質(zhì)角度來(lái)說(shuō)，電離能量損失率也可叫做物質(zhì)對(duì)帶電粒子的本領(lǐng)。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)具有較大的本領(lǐng)。的離子對(duì)數(shù)目。例如，210Po的α粒子能量為5.3MeV，在空氣中能量全部耗盡所產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)目為1.56×105個(gè)。的電磁輻射，通常稱作軔致輻射，能量最小值為0，最大值為電子的最大動(dòng)能。X射線管和X光機(jī)產(chǎn)生的X射線就是軔致輻射。核輻射β粒子在通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于受到原子核庫(kù)侖場(chǎng)的最大能量為β粒子的最大動(dòng)能，這一過(guò)程如圖1-5所示。1-5的軔致輻射比電子要?。?840）2=3.4×106Z2成正比，因此，在原子序數(shù)大的物質(zhì)（如鉛，Z=82）乎不變，因此，其射程與路程相近。5.3MeV的α粒子在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣中的平均射程約3.84cm，同樣的α粒子在生物肌肉組織中的射程僅為30～40μm，皮膚內(nèi)的角質(zhì)層就Emaxe++e-keVMeVγ射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)主要有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子大小。若以σph表示光電效應(yīng)截面、σc表示康普頓效應(yīng)截面、σp表示電子對(duì)效應(yīng)，則γ射線1-6γ對(duì)無(wú)限小區(qū)間，dIx處的注量率Idx式中N為吸收物質(zhì)的原子密度，即單位體積的原子數(shù)。與作用截面一樣，線性吸收系射光子的能量和作用物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，所以μ值也隨γ光子能量hν和介質(zhì)原子序數(shù)Z而能守恒。對(duì)于靶核為氫核且為對(duì)心碰撞時(shí)，氫核的動(dòng)能TH=Tn，即中子把自己的動(dòng)能全部子出射，而且會(huì)有γ射線發(fā)射。例如，中子與C原子核的非彈性散射會(huì)產(chǎn)生4.43MeV的γ235，時(shí)發(fā)出23個(gè)中子以及很大的能量（約200MeV，這就是裂變反應(yīng)。第四節(jié)原子核10-15m一、核反應(yīng)的一般描A(a,b)B，我們分別用a、A、bB代表靶核、入射粒子、出射輕粒子、30MeV40MeV63Cup+63Cu→62Cu+p+n(質(zhì)子能量為Tp=30MeV)p+63Cu→61Cu+p+2n(質(zhì)子能量為Tp=40MeV)這兩個(gè)過(guò)程可以分別寫成63Cu（p,pn）62Cu，63Cu（p,p2n）61Cu4He7Li 6Lid 26Lid7Li* 7Lip2

4He

6Li 7Be①對(duì)出射粒子和入射粒子相同的核反應(yīng)，即a=b，稱為散射。它又可以分為彈性散射原子核的能量不變，散射前后核往往都處于基態(tài)。12C*這類核反應(yīng)稱為俘獲輻射。例如59Co（n，γ）60Co、197Au（p，γ）198Hg等反應(yīng)。①中子核反應(yīng)：中子與核作用時(shí)，由于不存在庫(kù)侖勢(shì)壘，能量很低的慢中子就能引起的，如常用的60Co源。再如，核反應(yīng)堆中著名的裂變核素的增殖反應(yīng)：（p,n（p,α（p,d（,p（p2n（d,n（d,p（d,α（d,2n（α，n（α，p（α，d（α，pn（α，2n重粒子引起的核反應(yīng)，比α粒子重的離子稱為重離子，如92238U（1022Ne，p3n）101256Md,96246Cm（612C，4n）102254No等。質(zhì)量101號(hào)至107號(hào)元素的合是通過(guò)重也可以按入射粒子的能量來(lái)分類，入射粒子的能量，可以低到1eV以下，也可以高到幾百GeV.在100MeV以下的，稱低能核反應(yīng)：100MeV～1GeV稱中能核反應(yīng)；在1GeV以上的，稱為高能核反應(yīng)。一般的原子核物理只涉及低能核反應(yīng)。二、核反應(yīng)a+A→b+Bma、mA、mbmB；相應(yīng)的動(dòng)能為Ta、TA、Tb和TB。由能量守恒定律得到：QTbTBTaTAQ(mm)c2(mm)c2 Q(MM)c2(M Q（以能量為單位Q>0稱之為放能反應(yīng)；對(duì)于Q<0稱為吸能反應(yīng)。三、核反應(yīng)截面和產(chǎn)當(dāng)一定能量的入射粒子轟擊靶核A時(shí)，在滿足守恒定則的條件下，都有可能按一定的能量不變