第1章放射性基本知識(shí)

核輻射測量方法授課專業(yè)核工程與核技術(shù)、核技術(shù)教學(xué)班號(hào)2011060201，0901課程代碼

62113總學(xué)時(shí)

24+24學(xué)分

3.0

上課時(shí)間：20140220(第1周)—0509(第12周)上課地點(diǎn)：GA03，h1210(實(shí)驗(yàn)課)助課教師：劉易，余松科，王禮1核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前一頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)2教材與參考文獻(xiàn)湯彬,葛良全,方方,劉義保賴萬昌,周四春《核輻射測量原理》,哈爾濱工程大學(xué)出版社，201108葛良全,周四春《核輻射測量方法》，成都理工大學(xué)，2007方方,唐紅等《放射性勘探簡明教程》成都地質(zhì)學(xué)院，1992劉慶成等，《核科學(xué)概論》，哈爾濱工程大學(xué)出版社,2005章曄,華榮洲,石柏慎《放射性方法勘查》原子能出版社,1990成都地質(zhì)學(xué)院三系《放射性勘探方法》原子能出版社，1978GFKnoll.RadiationDetectionandMeasurement.1989CECrouthamel,AppliiedGamma-RaySpectrometry,1970NuclearGeophysicsAppliedRadiationIsotopesJournalAppliedRadiationandIsotopesRadioactiveMethods.Geophysics目前二頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)《核輻射測量方法》章節(jié)安排（24學(xué)時(shí)）第一章放射性測量基本知識(shí)

（4學(xué)時(shí)）第二章射線與物質(zhì)相互作用（4學(xué)時(shí)）第三章核輻射測量單位與輻射防護(hù)（2學(xué)時(shí)）

第四章帶電粒子測量方法（4學(xué)時(shí)）第五章γ射線測量方法（4學(xué)時(shí)）第六章X射線測量方法（2學(xué)時(shí)）第七章核輻射測量的統(tǒng)計(jì)誤差和數(shù)據(jù)處理（4學(xué)時(shí)）

3核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前三頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)第一章放射性測量基本知識(shí)1.原子與原子核2.核衰變3.放射性系列4.天然放射性核素譜5.放射性衰變基本規(guī)律6.多個(gè)放射性核素的衰變與積累7.中子輻射4核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前四頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)

自從1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性以來，核科學(xué)已經(jīng)走過了百余年的歷史。核科學(xué)的誕生及其發(fā)展不僅對(duì)自然科學(xué)本身起到了巨大的推動(dòng)作用，而且對(duì)人類社會(huì)也產(chǎn)生了巨大的影響。核科學(xué)的發(fā)展歷程目前五頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)放射性(radioactivity)這一名詞首次首次被利用是MarieCurie。在1898,她首先用來描述能發(fā)出電離輻射(ionizingradiation)的物質(zhì)的外部特征，進(jìn)一步證明了電離輻射與電磁輻射的差別。放射性的最早研究者：倫琴（Roentgen);1895年，倫琴用陰極射線（電子束）在放電管壁上的作用產(chǎn)生x射線（x–ray)。首先發(fā)現(xiàn)放射性：1896年，貝可勒爾(Becquerel)發(fā)現(xiàn)鈾礦石使膠卷暴光，稱之為radiationactives。核科學(xué)的發(fā)展歷程目前六頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)1898年，施密特發(fā)現(xiàn)釷（Th）具有與鈾礦石相同的特征。1899年，盧瑟福（Rutherford）和歐文斯（Owens）發(fā)現(xiàn)射氣（emanation)現(xiàn)象。1901年，Pierre和MarieCurie發(fā)現(xiàn)鐳（Ra）之后又發(fā)現(xiàn)了釙（Po）。通過研究鈾釷礦石的放射性，發(fā)現(xiàn)Ra比鈾、釷具有更強(qiáng)的放射性，于是從瀝青中提煉出鐳。1903年，Becquerel和MarieCurie夫婦分別獲得物理諾貝爾獎(jiǎng)。1911年，MarieCurie獲得化學(xué)NobelPrizeforisolatiingradium（Pierrediedin1906）。MarieCuriediedin1934attheageof67yearsasaresultofprolongedexposuretoradioactivityRa.7核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前七頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)

1911年，盧瑟福（Rutherford）用α射線轟擊各種原子，觀測到α射線發(fā)生偏折，從而確定了核結(jié)構(gòu)，并提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型，從而奠定了原子結(jié)構(gòu)和原子核結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)。此后不久，玻爾提出了原子的殼結(jié)構(gòu)和電子在原子中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)建立了描述微觀世界的量子力學(xué)。

1919年，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了人工核蛻變核反應(yīng)，它是用α粒子轟擊氦核能放出質(zhì)子，反應(yīng)式如下：

1932年，發(fā)現(xiàn)中子（neutron)。

1934年，人工放射性核素合成成功。8核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前八頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)第一章核輻射測量基礎(chǔ)知識(shí)核輻射(nuclearradiation)

核的變換nuclidetransformation

來源粒子加速器particleacceleration宇宙射線cosmicrayfromouterspace

產(chǎn)生機(jī)理角度目前九頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)地-空界面上伽瑪射線的來源人工放射性7.2%大氣核試驗(yàn)核工業(yè)與核技術(shù)應(yīng)用核醫(yī)學(xué)診斷陸地放射性80.0%鈾系列核素釷系列核素鉀-40其它核素宇宙射線12.8%電離成份10.5%中子2.3%從空間分布角度目前十頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)一些核輻射的特征:TypeofparticlesymbolCharge(relative)ApproximaterestmassRestmassneutronn011.008982Protonp111.007593Deuterond122.014187Tritont133.01645Alphaparticleα244.002777positronβ+e+11/18400.000549Electronsorbetaparticleβ-e--11/18400.000549μmesonμ±1210/18400.115∏Π±1276/18400.152GammarayγneutrinoνFissionfragment2095《核輻射測量原理》p.3目前十一頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)核輻射的分類

帶電粒子輻射

快電子重帶點(diǎn)粒子γrayxray電磁輻射中子非帶電輻射目前十二頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)1.原子和原子核13核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前十三頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)電子正電荷湯姆生的原子模型

——“葡萄干面包”14核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前十四頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)波爾的原子結(jié)構(gòu)殼層模型15核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前十五頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)電子原子核盧瑟福的原子“核式結(jié)構(gòu)”模型16核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前十六頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)原子與原子核的大小17核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前十七頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)1.原子和原子核原子的結(jié)構(gòu)：原子atom：原子核nucleus、電子electron原子核帶正電、電子帶負(fù)電（電荷是量子化的）原子是電中性的原子的大?。?0-10米

能級(jí)基態(tài)激發(fā)態(tài)躍遷

目前十八頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)1.原子和原子核

質(zhì)子

proton、中子neutron

核內(nèi)質(zhì)子數(shù)（Z）、核外電子數(shù)、核的電荷數(shù)

原子序數(shù)

atomicnumber

中子數(shù)（N）N=A–ZA原子質(zhì)量

元素:Z相同的原子

核素：具有特定質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N的原子核。已發(fā)現(xiàn)超過2000種核素

同位素：相同Z,不同A（N不同）的核素。

同質(zhì)異位素：相同A，不同N、Z的核素。

同質(zhì)異能素：相同N、Z；不同能級(jí)的核素。原子核的結(jié)構(gòu)：目前十九頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)化學(xué)元素周期表目前二十頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)1.原子和原子核質(zhì)子：決定元素的種類，與中子共同決定原子的相對(duì)原子質(zhì)量。中子：決定原子的種類，與質(zhì)子共同決定原子的相對(duì)原子質(zhì)量。電子：最外層電子數(shù)決定元素的化學(xué)性質(zhì)?！逗溯椛錅y量方法》P.121核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前二十一頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)1.原子和原子核原子核的結(jié)構(gòu)：

核半徑nuclearradius1905湯姆遜原子核與原子半徑相同

1911盧瑟福核半徑10-12cm原子半徑10-8cm

現(xiàn)代：10-15

米（飛米fm）核密度比原子大13個(gè)量級(jí)

1立方米核物質(zhì)的質(zhì)量高達(dá)1億噸

目前二十二頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)1.原子和原子核核能質(zhì)量虧損

massdefect

以氘為例中子質(zhì)量=1.008665u

質(zhì)子質(zhì)量=1.007276u

兩者之和=2.015941u

氘子質(zhì)量=2.013552u

兩者之差=0.002389u

結(jié)合能

bindingenergy核子結(jié)合成原子核時(shí)會(huì)放出能量

核能級(jí)nuclearlevel中子、質(zhì)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)《核輻射測量方法》P.2《核輻射測量原理》p.2即由1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子結(jié)合成氘原子核時(shí)，質(zhì)量少了Δm，該減少的質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損。目前二十三頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)質(zhì)量虧損與結(jié)合能科學(xué)家在研究原子核的質(zhì)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)由單個(gè)質(zhì)子和中子結(jié)合成任何原子核時(shí)，都有質(zhì)量虧損。這種現(xiàn)象可以用愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系定律E=mc2(式中，E是原子核的總能量，m是原子核的總質(zhì)量，c是光速)來解釋。顯然，如果某原子核的質(zhì)量為m，則它具有的能量為E=mc2

，當(dāng)它的質(zhì)量改變了Δm時(shí)，則它具有的能量也將有相應(yīng)的改變：ΔE=Δmc2。當(dāng)單個(gè)質(zhì)子和中子相距很近時(shí)，核子間強(qiáng)烈吸引作用，使一定數(shù)量的質(zhì)子和中子結(jié)合成一個(gè)緊密的原子核，并向外釋放能量。由于核子總能量的減少，按照質(zhì)能關(guān)系定律，核子的總質(zhì)量也將相應(yīng)減少。這樣，原子核的質(zhì)量就比結(jié)合前的單個(gè)核子質(zhì)量的總和要小，這就產(chǎn)生了質(zhì)量虧損。目前二十四頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)質(zhì)量虧損與結(jié)合能通常，原子的質(zhì)量能夠在實(shí)驗(yàn)中測定，而原子核的質(zhì)量難以測定，為了計(jì)算的方便，往往采用原子的質(zhì)量代替原子核的質(zhì)量，用氫原子的質(zhì)量代替質(zhì)子質(zhì)量，則質(zhì)量虧損為：Δm=[ZmH+(A-Z)mP-mX]相應(yīng)的結(jié)合能EB為：EB=Δmc2=[ZmH+(A-Z)mn-mX]c2在核物理中，能量單位常用eV、質(zhì)量單位常用u來表示，根據(jù)1u＝1.66057×10-24g的關(guān)系，可按上式進(jìn)行換算，得出1u質(zhì)量所具有的能量為931MeV。如果將核子結(jié)合成原子核時(shí)所釋放的能量稱為結(jié)合能，并把原子核分成單個(gè)核子所要消耗的能量稱為分離能，則結(jié)合能和分離能在數(shù)值上是相等的。原子核的結(jié)合能是和它的質(zhì)量虧損相對(duì)應(yīng)的，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系定律，從質(zhì)量虧損可求出結(jié)合能。目前二十五頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)核能級(jí)示意圖目前二十六頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)2.核衰變2.1放射性現(xiàn)象定義：原子核自發(fā)的發(fā)生核結(jié)構(gòu)的變化，由一個(gè)元素的原子核轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)元素的原子核，同時(shí)伴隨放射出粒子或電磁輻射的現(xiàn)象。稱為放射性衰變。放出的粒子：

α粒子、β粒子、γ輻射、碎片

不受物理的、化學(xué)的條件的影響是一個(gè)隨機(jī)過程《核輻射測量方法》P.2目前二十七頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)2.2放射性衰變種類例1（1）衰變《核輻射測方法》P.63.825天目前二十八頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)2p2n90p144n鈾-238（母核）釷-234（子核）氦-4(

粒子)衰變產(chǎn)物質(zhì)子中子92p146n例2：U－238的衰變示意圖鈾原子的電子模型圖HeThUHeYXAZAZ4223490238924242+?+?--29核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前二十九頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)α射線能譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)：

Bi-2125.48MeV0.016%5.6031.15.6220.155.7651.76.04769.96.08627.2Po-2128.78100.09.4920.00410.4220.00210.5430.018衰變目前三十頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)衰變，由核電荷Z改變，而核子數(shù)不變。放出的β粒子betaparticle是高速運(yùn)動(dòng)的電子。分為：-衰變、+衰變、K俘獲。（2）

衰變《核輻射測量原理》p.10《核輻射測方法》P.3目前三十一頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)-

衰變《核輻射測量原理》p.10放射性核素的原子核自發(fā)地放出-

粒子，而變成另一個(gè)核素的過程，稱為-

衰變。30年

0.51MeV基態(tài)1.17MeV《核輻射測方法》P.7目前三十二頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)91p143n釷-234（母核）鏷-234（子核）電子

e-

（

粒子）衰變產(chǎn)物質(zhì)子中子90p144npn-1+1e-+1質(zhì)量033核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前三十三頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)原子核內(nèi)，一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子，放出一個(gè)正電子。《核輻射測方法》P.4+

衰變《核輻射測量原理》p.11目前三十四頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)K俘獲

K-capture

電子俘獲(EC)是β衰變的另一種形式，它是原子核俘獲某一電子殼層的核外電子，使核發(fā)生躍遷的過程，又稱軌道電子俘獲。由于K殼層的電子離原子核最近，故俘獲K殼層電子的幾率最大，常稱K俘獲?！逗溯椛錅y量原理》p.11K俘獲（電子俘獲）《核輻射測方法》P.5n+?+MneFe55255526n+?+-YeXAZAZ1目前三十五頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)K俘獲K-capture基態(tài)例：基態(tài)目前三十六頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)（3）γ躍遷

γ-transition在α衰變、β衰變過程中，伴隨放出γ輻射gammaradiation例：基態(tài)↘↓γ0.059MeV,99.7%

β1.54MeV↘↘β0.31MeV0.3%↘↓γ

1.17MeV↓γ1.33MeV

基態(tài)《核輻射測方法》P.6目前三十七頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)

射線90p144n釷-234釷-23490p144n具有多余的能量衰變產(chǎn)物能量38核輻射測量方法第一章基礎(chǔ)知識(shí)目前三十八頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)

鈾系uraniumseriesU-238釷系thoriumseriesTh-232錒鈾系actiniumuraniumseriesU-2353.天然放射性系列目前三十九頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)3.1放射性系列--鈾系鈾鏷釷錒鐳鈁氡砹釙鉍鉛

9291908988878685848382

↙

↙

↙

↙

↙

↙

目前四十頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)3.1放射性系列--鈾系

↙

↙

↙

↙

↙

↙

92U91Pa90Th89Ac88Ra87Fr86Rn85At84Po83Bi82Pb81Tl目前四十一頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)3.2放射性系列—釷系

釷錒鐳鈁氡砹釙鉍鉛鉈

90898887868584838281

↙

↙

↙

↙

↙

目前四十二頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)3.2放射性系列—釷系

釷錒鐳鈁氡砹釙鉍鉛鉈

90898887868584838281

↙

↙

↙

↙

↙

目前四十三頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)3.3放射性系列—錒鈾系鈾鏷釷錒鐳鈁氡砹釙鉍鉛鉈

929190898887868584838281目前四十四頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)放射性系列

鈾系uraniumseriesU-238A=4n+2釷系thoriumseriesTh-232A=4n錒鈾系actiniumuraniumseriesU-235A=4n+3镎系neptuniumseriesNp-237A=4n+1

目前四十五頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)4天然放射性元素射線譜1.

鈾系核素α射線γ射線

(MeV)幾率能量(MeV)U-2384.1850.1870.048Th-2340.1480.093Ra-2264.7610.0120.184Rn-2225.4820.000640.51Po-2186.002--Pb-214--0.3770.3520.1890.295Bi-214--0.0522.2040.1631.7640.1661.1200.4710.609目前四十六頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)4天然放射性元素射線譜2.釷系核素α射線γ射線

(MeV)幾率幾率能量(MeV)Th-2323.9930.1970.06Ra-2245.6770.0300.241Rn-2206.282----Po-2166.774----Pb-2120.4700.239Bi-2126.0510.337Po-2128.7850.663Tl-2080.3372.6200.2930.583目前四十七頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)4天然放射性核素射線譜3.不成系列的天然放射性核素的射線譜

K-401.46MeVT=1.3×109aRb-87T=5.0×1010aSm-147T=1.06×1011a《核輻射測方法》

P.16目前四十八頁\總數(shù)六十三頁\編于四點(diǎn)5.放射性核素衰變規(guī)律基本規(guī)律在t到t+dt的時(shí)間間隔內(nèi)，原子的衰變數(shù)d