輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)放射性基礎(chǔ)知識(shí)

輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)班培訓(xùn)課程（放射性基礎(chǔ)知識(shí)）清華大學(xué)工程物理系陳伯顯10月課程重點(diǎn)：原子核的基本性質(zhì)；原子核的放射性及放射性衰變規(guī)律；射線與物質(zhì)互相作用的重要過(guò)程（帶電粒子、X和輻射和中子）；輻射源的分類和核技術(shù)應(yīng)用中的輻射源。規(guī)定：掌握基本概念（在工作中使用頻率高），在后續(xù)課程中反復(fù)使用和訓(xùn)練。

第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)1.1原子與原子核“原子”源自希臘文，意思是“不可分割的”。按照現(xiàn)代的觀點(diǎn)。原子作為物質(zhì)構(gòu)造的一種層次。研究原子的構(gòu)成、構(gòu)成物（重要是核外軌道電子）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、其互相作用的規(guī)律及化學(xué)周期表等。其表征特性為物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和光譜特性?！霸雍恕眲t是研究物質(zhì)構(gòu)造的另一種更深的層次，研究原子核的構(gòu)成、性質(zhì)、核力、核模型、核的蛻變及核能的運(yùn)用等。其表征特性為原子核的放射性。

實(shí)際上元素符號(hào)X和原子序數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，因此用符號(hào)X足以表達(dá)一種特定的元素。元素的表達(dá)原子序數(shù)化學(xué)符號(hào)每一種原子從屬于某一種元素，例如：氫原子，氘原子均屬于氫元素，在元素周期表中為1號(hào)元素，一般表達(dá)為；元素的原子量是該元素各原子的原子質(zhì)量的加權(quán)平均值。對(duì)：

(一)原子構(gòu)造模型1871～193719諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)19盧瑟福散射試驗(yàn)，19提出原子的核式模型。盧瑟福散射試驗(yàn)結(jié)論：正電荷集中在原子的中心，即原子核；線度為10–12~10-13cm量級(jí)，為原子的10–4量級(jí)；質(zhì)量為整個(gè)原子的99.9%以上；從此建立了原子的有核模型。原子的電中性，規(guī)定：原子核所帶電量與核外電子電量相等，核電荷與核外電子電荷符號(hào)相反。即：核電荷Ze，核外電子電荷–Ze。中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出：原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，并得到試驗(yàn)支持。中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子。中子不帶電。質(zhì)子帶正電，電量為e。電荷數(shù)為的原子核具有個(gè)質(zhì)子。1901～1976因量子力學(xué)方面奉獻(xiàn)，獲1935年諾貝爾物理獎(jiǎng)。（二）原子核的構(gòu)成1932年查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子。(據(jù)此獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))

實(shí)際上核素符號(hào)X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，因此用符號(hào)AX足以表達(dá)一種特定的核素。原子核的表達(dá)核子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)元素符號(hào)例如：為三個(gè)核素，可表達(dá)為：現(xiàn)代原子構(gòu)造原子核中子質(zhì)子電子(電子云)+++（三）原子核物理常用術(shù)語(yǔ)及意義1).核素（nuclide）

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稱為核素。核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一種不一樣，就是不一樣的核素。

同量異位素，A同，Z、N不同。同中異荷素，N同，A、Z不同。同位素，Z同，A、N不同。同質(zhì)異能素，A、Z同，能態(tài)不同。某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)比例稱為同位素豐度。不是所有同位素均構(gòu)成同位素豐度；構(gòu)成同位素豐度的原子可以是放射性原子。我們把具有相似質(zhì)子數(shù)，但核子數(shù)不一樣的核素所對(duì)應(yīng)的原子稱為某元素的同位素。同位是指該元素的多種原子在元素周期表中處在同一種位置，它們具有基本相似的化學(xué)性質(zhì)。2).同位素（Isotope）和同位素豐度氫的三種同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%0.0055％、0.7200%、99.2745%3).人工放射性核素是指非天然和自然界的原因生成的放射性核素，而是在反應(yīng)堆或加速器所生成。同位素技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的放射源---鈷源（）就是在反應(yīng)堆中生成。將金屬鈷，即，其豐度，放在反應(yīng)堆孔道內(nèi)，運(yùn)用中子照射，發(fā)生如下核反應(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（），其活度達(dá)幾十萬(wàn)至百萬(wàn)居里（）。4).核素和核素圖根據(jù)原子核的穩(wěn)定性,可以把核素分為穩(wěn)定的核素和不穩(wěn)定的放射性核素。原子核的穩(wěn)定性與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之間的比例存在著親密的關(guān)系。我們可以把核素排在一張所謂核素圖上。核素圖共包括個(gè)核素,其中天然存在332個(gè)核素(280為穩(wěn)定核素),人工放射性核素1600多種。（一）原子質(zhì)量單位：

1960年物理學(xué)國(guó)際會(huì)議通過(guò)采用：1.2原子核的質(zhì)量與結(jié)合能第二部分

核與放射性的基本物理基礎(chǔ)（二）質(zhì)能聯(lián)絡(luò)定律—愛(ài)因斯坦相對(duì)論關(guān)系：其中為物體（粒子）的靜止質(zhì)量，為物體的運(yùn)動(dòng)速度，為真空中的光速。物體（粒子）的動(dòng)能：

當(dāng)原子核的質(zhì)量用原子質(zhì)量表達(dá)為為電子的質(zhì)量；為原子核外軌道電子得結(jié)合能的總和；，核質(zhì)量則可表達(dá)為：（三）原子質(zhì)量和原子核質(zhì)量核數(shù)據(jù)表中給出的均為原子質(zhì)量（三）質(zhì)量虧損所有的核都存在質(zhì)量虧損，即

原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和的，少的那部分質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損(MassDefect)。表示為以氘核為例：式中為氘核的核質(zhì)量。（四）原子核結(jié)合能的概念既然，則對(duì)應(yīng)的能量就減少，表明當(dāng)若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一種核時(shí)，將釋放一部分能量，這個(gè)能量稱為叫結(jié)合能。氘()由一種中子和一種質(zhì)子所構(gòu)成。(五)比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線比結(jié)合能：（平均結(jié)合能）單位是MeV/Nu，Nu代表核子。比結(jié)合能的物理意義：原子核拆散成自由核子時(shí)，外界對(duì)每個(gè)核子所做的平均功。或者說(shuō)，它表達(dá)核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均一種核子所釋放的能量。比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度：比結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；

比結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。當(dāng)結(jié)合比較松的核變?yōu)榻Y(jié)合較緊的核時(shí)釋放能量

比結(jié)合能曲線：裂變聚變8.797.071.112結(jié)論：對(duì)于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一種核子的平均結(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，核子的平均結(jié)合能都比較小。因此，當(dāng)重原子核分裂成中等質(zhì)量的核時(shí)，核子在較輕的核內(nèi)會(huì)結(jié)合得更緊密，就也許會(huì)大量釋放能量，這就是裂變能；當(dāng)兩個(gè)較輕的核發(fā)生聚合時(shí)，釋放出的能量更大，就是聚變能。第二節(jié)原子核的放射性放射性---原子核的蛻變1896年，Becquerel（獲19諾貝爾物理獎(jiǎng)）在鈾鹽中發(fā)現(xiàn)放射性。原子核的蛻變包括原子核的核衰變、核反應(yīng)和核裂變等過(guò)程，在這些過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生放射性。我們將重點(diǎn)論述核衰變過(guò)程。所謂核衰變就是不穩(wěn)定的原子核自發(fā)的發(fā)射粒子而蛻變?yōu)樾碌淖雍恕?/p>

2.1核衰變重要的類型:a,b,g衰變

TypeofRadiation

Charge/Mass

Penetration

a

粒子（氦核）+2q/4mp

空氣（~幾cm）

b電子或正電子

–q/meor+q/me

幾mm鋁片

g

光子nocharge幾mm~cm鉛

此外，尚有中子發(fā)射、質(zhì)子發(fā)射、裂變等1.a衰變：由能量守恒：定義衰變能：發(fā)生衰變的條件2.

衰變

衰變（豐中子核發(fā)生）

衰變（欠中子核發(fā)生）EC--軌道電子俘獲（欠中子核發(fā)生）

－衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一種電子和一種反中微子.核中一種中子變?yōu)榱速|(zhì)子。衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰變后動(dòng)能定義：-衰變能E0

為反中微子和

粒子的動(dòng)能之和，也就是衰變前后靜止質(zhì)量之差。即：衰變前后靜止質(zhì)量的質(zhì)量虧損以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

有

－

衰變發(fā)生的條件：衰變前母核原子質(zhì)量必須不小于衰變后子核原子質(zhì)量。14C的衰變綱圖：

＋衰變表達(dá)式：母核X衰變?yōu)樽雍薡、一種正電子和一種中微子.核中一種質(zhì)子變?yōu)榱酥凶印Ｋプ兦埃负薠靜止，根據(jù)能量守恒定律：衰變前靜止質(zhì)量衰變后靜止質(zhì)量衰變后動(dòng)能

＋衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

＋

衰變發(fā)生的條件：EC(軌道電子俘獲)表達(dá)式母核俘獲核外軌道上的一種電子，使母核中的一種質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N中子，同步放出一種中微子。K電子俘獲最輕易發(fā)生。EC衰變能：以原子質(zhì)量代替核質(zhì)量，并忽略電子結(jié)合能

EC

衰變發(fā)生的條件：由于：因此，能發(fā)生＋衰變的原子核總可以發(fā)生軌道電子俘獲，反過(guò)來(lái)不成立。EC衰變的后續(xù)過(guò)程：特性X射線；俄歇電子。3.

躍遷

衰變：原子核從激發(fā)態(tài)通過(guò)發(fā)射

光子(射線)或其他過(guò)程躍遷到較低能態(tài)的過(guò)程。該過(guò)程核電荷數(shù)不變、核子數(shù)不變。

發(fā)射

射線粒子能量在幾KeV～十幾MeV

半衰期范圍為，10-16s～10-4s

躍遷的基本特點(diǎn)：

包括

躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子兩種形式。

核素的衰變綱圖核素的衰變綱圖是理解核素放射性的重要手段（1）母核發(fā)生衰變后，子核為，發(fā)生衰變和EC過(guò)程，子核為，子核分別左移兩位和一位。在發(fā)生的狀況下，子核為，子核為右移一位。（2）衰變綱圖中用橫的粗實(shí)線表達(dá)核素的基態(tài)，而用細(xì)實(shí)線表達(dá)該核素的激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)橫線上的能量表達(dá)該激發(fā)態(tài)相對(duì)于基態(tài)的能量。圖中的為對(duì)應(yīng)過(guò)程的衰變能。用和表達(dá)粒子的能量和強(qiáng)度，對(duì)衰變又常稱分支比。（3）

并用豎線表達(dá)躍遷過(guò)程，斜寫在豎線右上方的數(shù)字分別為射線的能量、射線的絕對(duì)強(qiáng)度和與之相競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)轉(zhuǎn)換電子強(qiáng)度。強(qiáng)度的定義為對(duì)100個(gè)母核發(fā)生衰變中，發(fā)出的光子數(shù)和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子數(shù)。（4）母核右側(cè)的時(shí)間為該核素的半衰期。至于在每個(gè)能態(tài)橫線左端的為該能態(tài)的自旋與宇稱，在我們這里就不深入討論了，它決定躍遷能否發(fā)生及其概率的大小。2.2放射性衰變基本規(guī)律由于微觀世界的記錄性和全同行，不能預(yù)測(cè)某一原子核的衰變時(shí)刻，但可以記錄得到放射源中總的放射性原子核數(shù)目的減少規(guī)律；詳細(xì)到每個(gè)放射性原子核的衰變來(lái)說(shuō)，就是服從一定規(guī)律進(jìn)行衰變的一種隨機(jī)事件，可以用衰變概率表達(dá)。(一)單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律222Rn的衰變曲線試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放射性核素放出一種粒子，變成，而的數(shù)目每4天減少二分之一。由記錄性，以放射源總體考慮衰減規(guī)律：設(shè)：t

時(shí)刻放射性原子核的數(shù)目為N(t)，求解t～t+dt

內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)目-dN(t)，它應(yīng)當(dāng)正比于N(t)和時(shí)間間隔dt，于是有：1.衰變常數(shù)分子表示：t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目，稱為衰變率，記作t

時(shí)刻放射性原子核總數(shù)衰變常數(shù)：一種原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。放射性核素的特性量量綱為：[t]-1,如1/s，1/h，1/d，1/ab.當(dāng)一種原子核有幾種衰變方式時(shí)：a.

衰變率：定義分支比：2.半衰期

半衰期：放射性核數(shù)衰變二分之一所需的時(shí)間，記為。即：量綱為：[t],如s，h，d，a3.平均壽命

平均壽命＝總壽命/總核數(shù)特性量大小與核衰變的快慢1.放射性活度(Activity)即：定義：則：活度定義：一種放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。以A表達(dá)，表征放射源的強(qiáng)弱。

(二)放射性活度及其單位放射源發(fā)出放射性粒子的多少，不僅與核衰變數(shù)有關(guān)，并且和核衰變的詳細(xì)狀況直接有關(guān)。一般狀況，核率變數(shù)不等于發(fā)出粒子數(shù)。

2.活度單位

常用單位居里(Ci)：1克226Ra所具有的放射性活度。

法定計(jì)量單位為貝可(Bq)：較小的單位尚有毫居(mCi)和微居(Ci)所以：3.比活度

(SpecificActivity)定義為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量放射源的放射性活度。比活度反應(yīng)了放射源中放射性物質(zhì)的純度。即：?jiǎn)挝粸椋築q/g

或Ci/g

求人體內(nèi)含的0.2%的。已知的天然豐度為0.0118%，其半衰期。求體重為75kg的人體內(nèi)的總放射性活度。

應(yīng)用實(shí)例：已得求體內(nèi)的原子數(shù)：

體內(nèi)由的放射性活度：2.3遞次衰變規(guī)律許多放射性核素并非一次衰變就到達(dá)穩(wěn)定，而是它們的子核仍有放射性，會(huì)接著衰變……直到衰變的子核為穩(wěn)定核素為止，這樣就產(chǎn)生了多代持續(xù)放射性衰變，稱之為遞次衰變或級(jí)聯(lián)衰變。遞次衰變的表達(dá)：例如：遞次衰變規(guī)律比較復(fù)雜，如需要可參照有關(guān)材料。2.4放射性規(guī)律的應(yīng)用放射性的應(yīng)用很廣泛，這里只討論衰變規(guī)律自身的應(yīng)用例子。1、放射源活度修正2、確定放射源活度和制備時(shí)間3、