核電廠輻射防護1

核電廠輻射防護

學習本課程的目的凡與輻射有關的人員都必須正確掌握關于輻射和輻射對人的影響及其防護方法方面的基本觀點和知識。做一個“知情人”本課程主要內容輻射基本概念輻射監(jiān)測基本方法輻射防護基本方法核電廠輻射防護相關知識第一章：輻射基本概念物質結構

物質以三種物理狀態(tài)存在：固體、液體和氣體。一切物質都是由若干種被成為元素的簡單物質組成。元素是化學方法不能將它分解成更簡單的物質。一共有92種天然元素，如氧、碳、鐵等，12種以上人工生產的元素，如钚、镎、锎等?；衔锸怯蓛煞N或兩種以上的元素按照一定比例化學結合而成。例如水（H2O）是由兩個氫原子和一個氧原子組成。物質結構原子和原子結構

自然界中，所有物質都是由分子組成的，而分子則是由更小的微粒原子組成的。

原子半徑：10－10m左右原子質量：氫原子質量1.6773×10－24g鈾原子質量3.915×10－22g

物質結構原子組成：原子核:質子（帶正電1.6725×10－24g）中子（不帶電1.6749×10－24g）核外：電子（帶負電9.1095×10－28g）原子好像一個太陽系，原子核是“太陽”，軌道電子是“行星”，在直徑為10－10米的空間內，絕大部分是空虛無物的。組成原子核的質子和中子在核內不是簡單的堆積在一起，而是以某種方式不停地運動，因此，同一質子數和中子數所組成的原子核，有核能量狀態(tài)的區(qū)別。物質結構核外電子排列規(guī)律：

核外電子運行軌道以殼層模型排列，每個殼層有一定數目的軌道，每個軌道上只能有一個電子運行。在不同殼層的軌道上運行的電子具有不同的能量，靠核最近的電子受原子核束縛最緊，位能最低。距核越遠的殼層電子受原子核束縛程度越小，位能越高。物質結構原子和原子結構原子質量單位：碳－12原子質量的十二分之一，記為u，又稱碳單位。

物質結構原子和原子結構碳單位表示的幾種粒子質量名稱符號原子質量單位（u）電子e0.0005486質子p1.007277中子n1.008652物質結構原子序數和原子質量數

原子序數：原子核中質子的數目，用符號Z表示。原子序數確定了原子的化學特性，也確定了元素。原子質量數：原子核中質子數和中子數之和，也稱質量數，用符號A表示

不同元素的表示符號：

比如：氦－4表示為，碳－12原子表示為物質結構同位素和核素

同位素：含有相同質子數、不同中子數的原子稱為同位素，它們在元素周期表上占有相同的位置。

物質結構同位素和核素

同位素中各核素核外具有相同的電子數和結構，因此它們的化學性質幾乎相同，但它們的核性質的差別可能很大。氫同位素含有核素（天然風度為99.985%，指自然界中每100個原子氫同位素中有99.985個），即氘，通常記為D（天然豐度為0.015%）與即氚，記為T。和是穩(wěn)定的核素，而卻能發(fā)射β射線。

物質結構同位素和核素

碳同位素有（豐度98.90%）,(豐度1.10%)和（豐度1.2×10－10%

），其中是不穩(wěn)定的β放射性核素。鈾同位素中有核素（豐度0.005%）,(豐度0.720%),（豐度99.275%）等，都是α放射性核素，核素、是可直接用作原子彈的材料，但則不行。物質結構同位素和核素

核素：通常把具有相同質子數Z、中子數N的一類原子（核）稱為一種核素，即核素是指任一種元素的任一種同位素。某一種元素有多少種同位素就有多少種核素。穩(wěn)定核素不穩(wěn)定核素（放射性核素）物質結構原子核的結合能

能量單位：電子伏特eV1eV為一個電子在真空中通過電位差為1V的電場時所獲得的能量。與國家標準所規(guī)定的能量單位焦耳（J）之間的關系：1eV=1.6022×10－19J其它常用單位：千電子伏特（keV）兆電子伏特（MeV）十億電子伏特（GeV）物質結構質量和能量的相互關系

愛因斯坦的質能關系式：

E＝mc2式中：E為物體的總能量；

m為運動物體的質量，稱為動質量；

c為光在真空中的傳播速度。

物質結構質量和能量的相互關系

考夫曼證明，運動物體的質量隨其運動的速度變化而變化，即：其中：

m0為物體靜止時具有的質量，稱為靜質量；

v為物體運動的速度。物體靜止時具有的能量稱為靜質量能。任何一定質量的物體都具有相應的能量，即使它的運動速度為零其總能量也不為零。

物質結構質量和能量的相互關系根據質能關系式，1g物質的靜質量能為：8.8974×1013J一個原子質量單位的物質的靜質量能為：931.5Mev幾種粒子的靜質量和靜質量能

名稱符號原子質量單位（u）靜質量能（MeV）電子e0.00054880.511質子p1.007277938.2797中子n1.008665939.5731物質結構質量和能量的相互關系

光子（射線）沒有靜止質量，其動質量表示為：式中：h=6.6262×10－34J·S，稱作普朗克常數；

v為光子的頻率；

λ為光子的波長。

物質結構質量虧損

計算表明，原子核的質量總是小與組成它的所有核子的質量總和。

例如，對于2H核有

Δm＝mp＋mn－mN（2H）＝m（1H）

＋mn－m（2H）＝1.007825u＋1.008665u－2.014102u＝0.002388u

物質結構質量虧損

對于4He核有

Δm＝2m（1H）

＋2mn－m（4He）＝2×1.007825u＋2×1.008665u－4.002603u＝0.0303377u組成原子核的Z個質子和A－Z個中子的質量和該原子核的質量之差稱為原子核的質量虧損。

Δm（Z，A）＝Zm（1H）

＋（A－Z）mn－m（Z，A）

物質結構結合能

按照質能關系式，既然核子結合成原子核時質量減少了Δm，那么相應能量的減少就是Δ

E＝Δ

mc2這說明，核子結合成原子核時會釋放出能量，這個能量稱為原子核的結合能。相反，把原子核分為組成它的各個核子時必須消耗相同的能量。結合能用符號Eb表示。對于任何原子核，其結合能為

Eb＝[Zm（1H）

＋（A－Z）mn－m（Z，A）]c2由于1u質量對應的能量為931.5MeV，所以原子核的結合能也可以表示為

Eb＝[Zm（1H）

＋（A－Z）mn－m（Z，A）]·931.5

物質結構結合能

2H的結合能為

Eb

＝Δ

mc2＝2.224(MeV)任何兩個相互吸引的物體，當它們的相對位置靠近時，總是要放出能量。核子間的作用力是種短程強引力，其作用范圍約為2×10－15m。當兩個核子之間的距離小于這個數值時，就發(fā)生強吸引，并放出很大的能量。實驗證明，能量為0.025eV的中子被H2O分子中的1H原子核吸收時，生成2H并放出2.224MeV的能量。反之，若用能量為2.224MeV的光子照射2H原子核時，它就可能被拆開，生成一個質子和中子。若光子能量小于2.224MeV，這個過程就不能發(fā)生。

物質結構平均結合能

原子核的結合能除以該原子的質量數A所得的商，稱為平均結合能，即：它表示原子核拆散成核子時，外界對每個核子所做功的最小平均值?；蛘哒f，表示核子結合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。原子核的平均結合能越大，說明原子核內的核子結合得越緊。

物質結構平均結合能

以各原子核的平均結合能為縱坐標，質量數為橫坐標對所有核素作圖，得到曲線見圖：1）在輕核區(qū)，若將平均結合能的小的原子核聚變成平均結合能大的原子核，會釋放出能量。

2H原子核的平均結合能為1.112MeV,4He原子核的平均結合能為7.074MeV,將兩個2H原子核聚變成一個4He原子核，會釋放出很大的能量。

物質結構平均結合能

2）質量數A＝40～120的原子核的平均結合能大，且?guī)缀踅咏粋€常數，

ε＝8.6MeV

物質結構平均結合能

3)重核的平均結合能比中等核小，例如鈾核的平均結合能為7.6MeV。當重核裂變成兩個中等核時，會是放出很大的能量。若將質量數236的重原子核分裂成兩個質量數為118的原子核時，則每個核子的結合能可由7.6MeV增至8.6MeV。即一個具有236個核子的原子核，分裂成兩個具有118個核子的原子核時，要釋放236MeV的能量。

放射性與輻射放射性某些核素能自發(fā)地放出粒子或射線，或自發(fā)分裂，稱這種性質為放射性。稱這種不穩(wěn)定的核素為放射性核素有幾種天然物質是由不穩(wěn)定的原子組成的，它們能自發(fā)地轉變成較穩(wěn)定的原子。稱這些物質是放射性物質。這個轉變過程稱為放射性衰變。放射性衰變一般伴隨有帶電粒子和γ射線的發(fā)射。放射性與輻射放射性

原子序數從84起的所有元素都是不穩(wěn)定的，具有天然放射性。而原子序數小于84的元素主要以穩(wěn)定的同位素形式存在，只有少量的同位素是不穩(wěn)定的。放射性與輻射輻射這里所說的輻射，僅包括電離輻射。電離是指原子失去或有時得到電子而帶電的過程，失去或得到電子的原子稱作離子。電離輻射是由能通過初級過程或次級過程引起電離的帶電粒子或不帶電粒子組成的，或者兩者混合組成的。當電離輻射通過物質時，隨著離子的形成能量就傳遞給了物質。輻射α粒子β粒子γ、X射線中子前三種是不穩(wěn)定的原子核衰變時發(fā)射的，而中子是由核反應產生的輻射α粒子

由氦原子核組成的，即由兩個質子和兩個中子組成的。α粒子的質量為4原子質量單位，帶兩個單位正電荷輻射β輻射β輻射是由原子核里發(fā)射出來的高速運動電子組成的，其質量為1/1840原子質量單位，帶一個單位的負電荷。還有另一種β輻射，它由質量和電子質量相同，但帶一個單位正電荷的粒子組成，稱之為正電子輻射。平常用的β輻射一詞系指β-輻射輻射γ射線γ射線是一種電磁輻射，它以速度為3×108米/秒的速度在真空中傳播，在濃密的介質中，它們的速度減小了，但在空氣中速度的減小可忽略不計。輻射X射線與γ射線基本上相同的另一種電磁輻射稱為X射線。兩者之間的根本差別在于它們的來源。當原子的電子改變軌道時發(fā)射出X射線，而γ射線起因于原子核的變化。輻射

如圖所示的實驗裝置，鉛盒中放有放射物質在窄孔正上方若放有照像底片、底片有一處感光。若在照像底片與鉛盒之間放一對帶電金屬板，照像底片上有三處感光。在電場力作用下，將一束分為三束。

α射線：偏向B板，帶正電β射線：偏向A板，帶負電，為高速電子流γ射線：不偏轉，不帶電,為頻率極高的電磁波輻射中子

中子的質量略大于質子，它不帶電荷。自由中子是不穩(wěn)定的，它以半衰期T1/2＝12.8分發(fā)生β衰變。核衰變放射性原子核可以發(fā)射α粒子、β粒子和γ射線而發(fā)生變化，發(fā)射這些粒子和射線的過程稱之為核衰變α衰變

β衰變

γ衰變

α衰變

α粒子的質量mα＝4.002604u。凡發(fā)生α衰變的放射性同位素，在衰變以后，質量數減少了4，原子序數減少了2。母體核素用X表示，衰變后新的子體用y表示，則α衰變可用下列方式表示

例如：

α衰變

式中的Q是衰變時放出的能量，以子體核和α粒子具有的動能形式表現出來。Q值可由衰變前后的質量差計算得到

根據質能關系式，原子核衰變時，母核的靜止能量與子核和α粒子的靜止能量之差就以動能的形式釋放出來，這就是衰變能，其表示式為

Q＝931.5(mx－my－mHe)MeVα衰變X要能自發(fā)地發(fā)生衰變，必須是放能過程，即Q值為正。所以能夠發(fā)生α衰變的核素，其原子質量必然大于子體的原子質量和氦原子質量之和。能發(fā)生α衰變的天然放射性核素，其原子序數絕大多數大于82。α衰變在α衰變過程中，有些較簡單，只發(fā)生一組能量相同的α粒子。另一些較為復雜，它們發(fā)生二組或二組以上能量不同的α粒子α衰變

母體衰變時可以放射出分立的不同能量的α粒子。從特征α能量譜可獲得有關子體核結構、核能級的信息。核衰變過程常用衰變圖來描述，不同狀態(tài)的子體還會放射γ射線最終返回到其基態(tài)。

β衰變有些放射性核素的原子核發(fā)射出負電子，但也有一些放射性核素的原子核發(fā)射出正電子，它們分別被稱為β-衰變和β＋衰變。另外，原子核還能俘獲一個核外軌道電子而發(fā)生變化，此時，雖然核內不發(fā)射出正負電子，但因俘獲核外電子而使核內一個質子轉變?yōu)橹凶?，也認為這個過程屬于β衰變的一種β衰變β-衰變β＋衰變軌道電子俘獲（EC）β-衰變原子核內是不存在電子的，所以β-衰變可以理解為核內一個中子轉變成質子，同時發(fā)射出一個電子。母核發(fā)生β-衰變時，子核的原子序數比母核增加1，衰變過程可用下式表示：

式中代表反中微子β-衰變衰變能由下式給出：Q＝(mx－my)·931.5MeV

β衰變有三種生成物，衰變時釋放的衰變能由三種生成物共同分擔。y帶走的能量很小，對β-粒子的能量進行測定，發(fā)現它具有連續(xù)能譜，即E＝0到Eβmax＝Q間變化。通常給出的β粒子的能量是它的最高能量Eβmax。β-衰變某些放射性核素只發(fā)射β粒子，如3H，14C，32P，90Sr等，因而稱為純β放射性核素，大多數β衰變放射性核素在發(fā)射β粒子的同時，也伴有γ射線，如60Co，有些核素β衰變時可能發(fā)射多種能量的β粒子，如137Cs，131I等。一些β放射性核素的衰變圖見圖。β+衰變β+衰變時由原子核內發(fā)射出β+粒子，β+粒子的質量與電子的質量相等，但帶有一個單位正電荷?？梢园薛?衰變看作原子核內一個質子轉變成一個中子時發(fā)射出β+粒子和中微子的過程，即p→n＋β+＋vβ+衰變發(fā)生β+衰變時，母體和子體的質量數相同，但子體的原子序數小一個單位，衰變過程表示如下：

β+衰變β+衰變的衰變能按下式計算

Q＝(mx－my－2me)·931.5MeV說明發(fā)生β+衰變的必要條件為mx>my＋2meβ+粒子的能譜也是連續(xù)的。β+衰變β+衰變時，有的核素可以衰變到子核的基態(tài)，有的核素可衰變到子核的激發(fā)態(tài)，然后在伴隨γ射線發(fā)射到達基態(tài)。例如：15O是單一的β衰變體，它發(fā)射出β+粒子后變成15N的基態(tài)。

14O發(fā)射出1.80MeV的β+粒子后，伴隨著釋放出2.30MeV的γ射線到達14N的基態(tài)。電子俘獲（EC）電子俘獲（EC）為原子核俘獲一個核外電子的過程，其結果核內一個質子轉變?yōu)橐粋€中子和一個中微子，該過程表示如下：p＋e→n＋ν電子俘獲（EC）電子俘獲的過程可用下式表示：電子俘獲過程的衰變能由下式計算

Q＝(mx―my)931.5MeV―εi

εi為電子的結合能β衰變能滿足產生β+衰變條件，同時也可滿足β-衰變和電子俘獲條件，所以有些放射性核素可以發(fā)生β+、β-衰變和電子俘獲三種過程γ衰變γ射線是由原子核內部發(fā)射出來的一種輻射，它是一種電磁波，其波長較短。原子核發(fā)生α、β等衰變形成的子核或者某種核反應形成的新核，它們可能處于激發(fā)態(tài)時，當它們退激時發(fā)射出γ射線，即原子核由高能態(tài)（能級E2）向低能（或基）態(tài)（能級E1）變化時，發(fā)射出γ射線，這個過程稱γ躍遷或γ衰變γ衰變一般情況下，子核處于激發(fā)態(tài)的時間極短（約10-9s—10-19s）,可以認為γ衰變是與母核的α衰變或β衰變“同時”發(fā)生的。通常所說的γ放射源是指母核的名稱，其半衰期就是母核的半衰期γ射線是不帶電的，發(fā)射出γ射線時，原子核的原子序數和質量數均不發(fā)生變化γ衰變處于激發(fā)態(tài)的原子核，不一定非通過發(fā)射γ射線才能變化到基態(tài)，還有另一種途徑可以變化到基態(tài)。原子核的激發(fā)能可以傳遞給一個核外電子，這個電子便從原子的電子軌道上逸出，這個過程稱為內轉換，逸出的電子稱為內轉換電子γ衰變內轉換電子發(fā)射后，原子的某一軌道上留下一個空位，這個空位通常由外層電子躍遷填充，由于不同軌道上電子結合能不同，躍遷過程中發(fā)射出特征X射線。由于內轉換電子的能量是單一的，且同時發(fā)射出特征X射線，故不會與β衰變相混淆。γ衰變內轉換電子的動能Ee可用下式表示：

E

e＝E

γ－εi

Eγ是γ躍遷時γ射線的能量，εi是i殼層電子的結合能。由于不同核素的原子核具有特定的能級，測量它們的γ射線能譜，可以識別某種核素及其含量。放射性核素衰變規(guī)律在放射性核素的衰變過程中，并不是所有核素同時在某一瞬間完成衰變，而是有先有后，且相互獨立。在某一瞬時究竟是哪些核發(fā)生了衰變是不確定的，是隨機的。不過由于放射性核素的數目是大量的，從總體來看核衰變服從統計規(guī)律，放射性核素隨時間有規(guī)律地不斷減少。放射性核素衰變規(guī)律放射性核素在時間間隔t到t＋△t內衰變的原子核數目△N，它與△t及在t時刻沒有衰變的原子核數目N成正比，即△

N＝－λN△t求解上式，得

N(t)＝N0e-λt

式中：N0是開始時的原子核數N(t)是t時刻的原子核數λ是放射性核素衰變常數衰變常數的物理意義如果將上式變?yōu)橄率?/p>

λ＝-Δ

/

Δt則λ的物理意義為單位時間內、一個核素衰變的幾率。放射性核素的半衰期放射性核素的半衰期T1/2是樣品中的原子核衰減到一半所需要的時間，它與衰變常數的關系為T1/2＝0.693/λ

半衰期T1/2是放射性核素的特征值，不同的放射性核素有不同的半衰期。有的半衰期極短，如135CsmT1/2為2.8×10－10s；有的半衰期很長，如238U的T1/2為45億年，238Th的T1/2為139億年。放射性活度衰變規(guī)律

一定量放射性核素衰變變成子體的速度，稱為放射性活度，它與衰變掉的原子核數目相對應，但相差一個負號，即

A(t)＝－Δ

/Δt＝λN(t)

λN(t)是單位時間內的核衰變數放射性活度衰變規(guī)律放射性活度隨時間的變化也成指數關系

A(t)＝A0

e-λt

A0為t＝0時刻某放射性核素的放射性活度放射性活度的單位放射性活度的SI單位是s-1，專門名稱是“Bq”，它的定義為1Bq＝1核衰變·秒-1

Becqueral這是一個很小的單位，常用kBq（103s-1），MBq（106s-1）和GBq（109s-1）。實際工作中常遇到質量活度（比活度）a，是指單位質量試樣中某放射性核素的活度，它的單位為kBq·g-1等。天然放射性地球上現有天然放射性核素，都是由三個“祖核素”衰變而形成的。每個祖核素都有不同輩分的“子孫”，直到最后穩(wěn)定的一代為止，這樣就組成了一個放射系。這三個放射系分別稱作釷系、鈾－鐳系和錒系，又稱之為重衰變系鈾－鐳系的原始核是鈾238，它共經過14次連續(xù)衰變，包括8次發(fā)射α粒子的衰變和6次發(fā)射β粒子的衰變，最后衰變?yōu)槌蔀椴粠Х派湫缘姆€(wěn)定核素鉛206。天然放射性新發(fā)現的镎系其起始核是钚241，此放射系共經過13次連續(xù)衰變，包括8次α衰變和5次β衰變。終核是由半衰期為3.25小時的鉛的同位素鉛209衰變后，得到的穩(wěn)定核素鉍209。釷系衰變系的起始核是釷212，共經過10次連續(xù)衰變，包括6次α衰變，4次β衰變，最后衰變成的終核是穩(wěn)定核素鉛208。天然放射性鈾－錒系衰變的起始核是鈾的一種同位素鈾235，共經過11次連續(xù)衰變，其中7次是α衰變和4次β衰變，終核是穩(wěn)定核素鉛207。我們知道，在α衰變中放射的是α粒子，其質量數和氦核相等，故衰變后的核質量數與原來要差4個單位。同時α粒子帶2個單位正電荷，故衰變產物的原子序數要差2。而β衰變時，衰變產物的質量數不變，原子序數要增加1。

天然放射性由此可知，在衰變鏈中，各種衰變產物的原子量都和4的正整數倍有關。并可得出以下結論，即釷系衰變鏈產物的原子量符合4n(n為正整數)規(guī)則。鈾系符合4n十2的規(guī)則，錒系符合4n十3的規(guī)則。于是人們推測一定還存在符合4n十l的放射系列。后來經過科學家的努力，結果在本世紀五十年代中期，找到了镎系衰變鏈的產物，的確能滿足4n十1的規(guī)則。因此有人按照質量數規(guī)律將放射性核