核辐射探测学1-2010

1、2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程1核辐射探测学核辐射探测学硕士课程，学时：30+10任课教师：方方任课教师：方方实验指导实验指导：2010.9-112010.9-11（第（第3-143-14周，每周四下午）周，每周四下午）上课地点：上课地点：9A2039A203FfFf办公室：办公室：6C11046C1104联系电话：联系电话：8407749784077497，1369903568013699035680EMAIL: EMAIL: 2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程2主要内容主要内容第一章第一章 放射性基本知识放射性基本知识第二章第二章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作

2、用第三章第三章 射线能谱学射线能谱学第四章第四章 放射性测量单位、辐射源及防放射性测量单位、辐射源及防护知识护知识第五章第五章 核辐射探测器核辐射探测器第六章第六章 放射性测量中的统计涨落规律放射性测量中的统计涨落规律2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程3教材与参考文献教材与参考文献 成都地质学院三系成都地质学院三系, 放射性勘探方法放射性勘探方法,原子能出版社，原子能出版社，1978 章晔章晔,华荣洲华荣洲,石柏慎，放射性方法勘查，原子能出版社，石柏慎，放射性方法勘查，原子能出版社，1990 贾文懿贾文懿,方方方方,唐红唐红,苗放苗放. 核地球物理仪器核地球物理仪器,原子能出版社原子能

3、出版社,1998 成都地质学院三系，放射性勘探仪器，原子能出版社，成都地质学院三系，放射性勘探仪器，原子能出版社，1979 方方方方,唐红唐红,葛君伟葛君伟,苗放，放射性勘探简明教程苗放，放射性勘探简明教程,成都地质学院成都地质学院,1992 周蓉生等，核方法原理及应用，地质出版社，周蓉生等，核方法原理及应用，地质出版社，1994 葛良全葛良全,周四春，核辐射测量方法，成都理工大学，周四春，核辐射测量方法，成都理工大学，2007 汤彬葛良全方方等，核辐射测量原理，汤彬葛良全方方等，核辐射测量原理，哈尔滨工程大学出版社，哈尔滨工程大学出版社，2010 G F Knoll. Radiation D

4、etection and Measurement.1989 C E Crouthamel, Appliied Gamma-Ray Spectrometry,1970 Nuclear Geophysics Applied Radiation Isotopes Journal Applied Radiation and Isotopes Radioactive Methods. Geophysics2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程4课堂讨论主要内容的章节安排课堂讨论主要内容的章节安排第一章第一章 放射性基本知识放射性基本知识1. 原子与原子核原子与原子核2. 核衰变核衰变3. 放射性系列

5、放射性系列4. 天然放射性核素射线谱天然放射性核素射线谱5. 放射性核素衰变和积累规律放射性核素衰变和积累规律第二章第二章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1. 粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用2. 粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用3. 射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减4. 粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用5. 射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减6. 中子与物质的相互作用及衰减规中子与物质的相互作用及衰减规律律第三章第三章 射线能谱学射线能谱学1. 核素的原始谱线核素的原始谱线2. 射线仪器谱射线仪器谱3. 射线通过物质谱成分的变化射线通过物质谱成分的变化

6、4. 谱平衡谱平衡第四章第四章 放射性测量单位、辐射源及防放射性测量单位、辐射源及防护知识护知识1. 放射性测量中常用单位放射性测量中常用单位2. 辐射源辐射源3. 防护知识防护知识 第五章第五章 核辐射探测器核辐射探测器1. 核辐射探测器的基本特性核辐射探测器的基本特性2. 气体探测器气体探测器3. 闪烁探测器闪烁探测器4. 半导体探测器半导体探测器5. 中子探测器中子探测器6. 其它核辐射探测器其它核辐射探测器第六章第六章 放射性测量中的统计涨落规律放射性测量中的统计涨落规律1. 放射性计数统计学放射性计数统计学2. 放射性测量误差放射性测量误差3. 放射性衰变统计规律的应用放射性衰变统计

7、规律的应用2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程5第一章第一章 放射性基本知识放射性基本知识1. 原子与原子核原子与原子核2. 核衰变核衰变3. 放射性系列放射性系列4. 天然放射性核素射线谱天然放射性核素射线谱5. 放射性核素衰变和积累规律放射性核素衰变和积累规律2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程61. .原子与原子核原子与原子核原子的组成及基本性质：原子的组成及基本性质： 原子核原子核核外轨道电子核外轨道电子原子原子质子质子中子中子原子核原子核原子及原子核的基础知识原子的结构：原子的结构：原子原子atom ： 原子核原子核 nucleus、电子、电子 electron原子核带正

8、电、电子带负电（电荷是量子化的）原子核带正电、电子带负电（电荷是量子化的）原子是电中性的原子是电中性的原子的大小：原子的大小： 10-10 米米原子的太阳系模型原子的太阳系模型核能，结合能，核能级，基态，激发态，跃迁核能，结合能，核能级，基态，激发态，跃迁 2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程8 原子核由中子和质子组成。它们靠什么力将这些核子原子核由中子和质子组成。它们靠什么力将这些核子约束在原子核内呢？目前公认是：原子核内核子间存在核力，约束在原子核内呢？目前公认是：原子核内核子间存在核力，它是中子与中子、中子与质子、以及质子与质子的相互吸引它是中子与中子、中子与质子、以及质子与质子的

9、相互吸引力，使核子紧密地聚集在一起力，使核子紧密地聚集在一起(各核子间具有相同的核力各核子间具有相同的核力)。 核内的质子与质子之间还存在服从库仑定律的静电斥核内的质子与质子之间还存在服从库仑定律的静电斥力，使核倾向于分裂。此外，核内核子间还存在万有引力、力，使核倾向于分裂。此外，核内核子间还存在万有引力、以及对以及对衰变一类变化起作用的弱力。衰变一类变化起作用的弱力。原子及原子核的基础知识核力：核力：核力核力 为为 1； 电磁力电磁力 10-2 ； 万有引力万有引力 10-38 核力的力程核力的力程(相互作用的距离相互作用的距离)很短，在很短，在10-13 cm以内，以内，核力核力 10fm

10、 消失。消失。2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程9 任一原子核任一原子核 AZ X 是由是由Z个质子与个质子与AZ个中子组成，该原子核个中子组成，该原子核质量应等于质量应等于Z个质子与个质子与AZ个中子的质量之和，实际并非如此。个中子的质量之和，实际并非如此。 例如：氦原子的质量例如：氦原子的质量He m =4.002603u，如果忽略电子的，如果忽略电子的结合能，则氦原子核的质量结合能，则氦原子核的质量He m -2 e m = 4.002603u -2 0.000549u = 4.001505u ；而两个质子与两中子质量之和为；而两个质子与两中子质量之和为21.007277u +2

11、1.008665u = 4.031884u 。它比氦原子核的质量。它比氦原子核的质量要大，其差额为要大，其差额为m = 4.031884u - 4.001505u = 0.030379u ，即由，即由两个质子和两个中子结合成氦原子核时，两个质子和两个中子结合成氦原子核时，质量少了质量少了m ，该减少的质量称为，该减少的质量称为质量亏损质量亏损。 如果将核子结合成原子核时所释放的能量称为如果将核子结合成原子核时所释放的能量称为结合能结合能，并把原，并把原子核分成单个核子所要消耗的能量称为子核分成单个核子所要消耗的能量称为分离能分离能，则结合能和分离能在，则结合能和分离能在数值上是相等的。原子核的

12、结合能是和它的质量亏损相对应的，根据数值上是相等的。原子核的结合能是和它的质量亏损相对应的，根据质能关系定律，从质量亏损可求出结合能。质能关系定律，从质量亏损可求出结合能。原子及原子核的基础知识原子核的结合能：原子核的结合能：2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程10原子核的能级是原子核能量状态的标志，原子核的不同能原子核的能级是原子核能量状态的标志，原子核的不同能量状态就是原子核的能级。通常原子核处于最低能量状态，称量状态就是原子核的能级。通常原子核处于最低能量状态，称为为基态基态。当原子核受到某种射线（快速粒子或光子）的轰击或。当原子核受到某种射线（快速粒子或光子）的轰击或进行核衰变时

13、，产生的核可能处于较高能量态，原子核处于较进行核衰变时，产生的核可能处于较高能量态，原子核处于较高能量状态称为高能量状态称为激发态激发态。一个原子核可以有许多能级，能级是。一个原子核可以有许多能级，能级是分立不等间隔的。不同核素具有自己不相同的核能级。分立不等间隔的。不同核素具有自己不相同的核能级。原子及原子核的基础知识 核能级变化放出的光子波长很短、能量很大，这种光子被核能级变化放出的光子波长很短、能量很大，这种光子被称为称为光子光子(即即射线射线)。原子核发射的各种能量的。原子核发射的各种能量的光子集合，光子集合，称为该原子核的称为该原子核的射线谱射线谱(即原始即原始射线能谱射线能谱)。核

14、能级：核能级：2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程11原子中束缚电子绕核运动有一定的轨道，相应原子处于一定的能原子中束缚电子绕核运动有一定的轨道，相应原子处于一定的能量状态。每种原子的束缚电子数目和可能的运动轨道都是一定的，因量状态。每种原子的束缚电子数目和可能的运动轨道都是一定的，因此每一原子只能够在一定的、不连续的一系列稳定状态中，这一系列此每一原子只能够在一定的、不连续的一系列稳定状态中，这一系列稳定状态，可用相应的一组能量来表征，称为稳定状态，可用相应的一组能量来表征，称为原子的能级原子的能级。处于稳定状态的原子不放出能量。当原子由较高的能级过渡处于稳定状态的原子不放出能量。当原

15、子由较高的能级过渡到较低的能级时，相应的能量变化会以光子的形式释放出来。到较低的能级时，相应的能量变化会以光子的形式释放出来。将某原子发射的各种频率的光子按波长排列将某原子发射的各种频率的光子按波长排列(即按能量排列即按能量排列),便构成了该种原子的便构成了该种原子的发射光谱发射光谱。原子的光谱就是原子的能谱。原子的光谱就是原子的能谱。原子及原子核的基础知识原子的能级：原子的能级：2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程12第一，轨道电子在外部壳层各轨道之间跳跃时所产生的光谱第一，轨道电子在外部壳层各轨道之间跳跃时所产生的光谱称为称为光学光谱光学光谱。例如，若轨道电子原来位于。例如，若轨道电

16、子原来位于N层，当它在层，当它在N、O、P、Q、等外部壳层之间跳跃时，就发生光学光谱。这种外等外部壳层之间跳跃时，就发生光学光谱。这种外部跳跃时的原子能量变化较小，发出的光频率较低，一般在可部跳跃时的原子能量变化较小，发出的光频率较低，一般在可见光区或其附近。地质工作中用来分析岩矿元素的光谱分析，见光区或其附近。地质工作中用来分析岩矿元素的光谱分析，就是利用这一部分特性。就是利用这一部分特性。第二，轨道电子在第二，轨道电子在K、L、M、等壳层中间跳跃时，所产等壳层中间跳跃时，所产生的光谱称为生的光谱称为线状伦琴光谱线状伦琴光谱，这时的原子能量变化大，发射的，这时的原子能量变化大，发射的光子频率

17、高。线状伦琴光谱由内壳层电子的跳跃所引起，而内光子频率高。线状伦琴光谱由内壳层电子的跳跃所引起，而内壳层电子离核很近，所以这种光谱与原子核电荷之间有密切关壳层电子离核很近，所以这种光谱与原子核电荷之间有密切关系，称为标识伦琴射线系，称为标识伦琴射线(又称特征又称特征X射线射线)。近年来，分析和鉴定。近年来，分析和鉴定中迅速发展起来的中迅速发展起来的X射线荧光法，便利用了该特性。射线荧光法，便利用了该特性。原子及原子核的基础知识原子的能级：原子的能级：在原子光谱学中，可以将其分为两个类型：在原子光谱学中，可以将其分为两个类型：原子及原子核的基础知识核力核力 为为 1； 电磁力电磁力 10-2 ；

18、 万有引力万有引力 10-3 8 10fm 消失。结合能结合能 binding energy 核子结合成原子核时会放出能量核子结合成原子核时会放出能量核能级核能级nuclear level 中子、质子运动状态中子、质子运动状态质量亏损质量亏损 mass defect 以氘为例以氘为例 中子质量中子质量=1.008665 u 质子质量质子质量=1.007276 u 两者之和两者之和=2.015941u 氘子质量氘子质量=2.013552 u 两者之差两者之差=0.002389u核能核能: :2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程14常用述语：常用述语： 质子质子 proton 、中子、中子

19、neutron 核内质子数（核内质子数（Z）、核外电子数、核的电荷数）、核外电子数、核的电荷数 原子序数原子序数 atomic number 中子数（中子数（N） N=A Z A 原子质量原子质量 元素元素: Z 相同的原子相同的原子 核素核素：具有特定质子数：具有特定质子数Z、中子数、中子数N 的原子核。的原子核。 已知已知 2000多个核素多个核素 放射性核素：放射性核素： 同位素同位素 isotope：相同：相同 Z ,不同不同A（N不同）的核素。不同）的核素。 同量异位素同量异位素 isoboars：相同：相同A，不同，不同 Z 、N 的核素。的核素。 同质异能素同质异能素 isome

20、rs：相同：相同A、Z；不同能级的核素。；不同能级的核素。 化学元素周期表化学元素周期表核反应核反应核裂变核裂变核聚变核聚变原子及原子核的基础知识2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程172. . 核衰变核衰变一一放射性现象放射性现象二二 衰变衰变三三 衰变衰变四四 跃迁跃迁放射性现象 定义：原子核定义：原子核自发自发的发生核结构的变化，由一个的发生核结构的变化，由一个元素的原子核转变为另一个元素的原子核，元素的原子核转变为另一个元素的原子核，同时伴随同时伴随放射出放射出粒子或电磁辐射的现象。称为放射性衰变。粒子或电磁辐射的现象。称为放射性衰变。 放出的粒子：放出的粒子： 粒子、粒子、粒子

21、粒子、辐射辐射、碎片、碎片 不受不受 物理的、化学的条件的影响物理的、化学的条件的影响 是一个随机过程是一个随机过程2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程19重带电粒子重带电粒子 衰变衰变 HeYXAZAZ4242HeThU422349023892例例衰变衰变 放出放出 粒子粒子 beta particle beta particle 高速运动的电子分为高速运动的电子分为 衰变衰变 和和 衰变。衰变。YXAZAZ1PaTh2349123490 pnNiCo60286027BaCs1375613755 -衰变衰变-衰变实例衰变； 30 年 1.17 MeV 0.51 MeV8 % 92 %

22、0.661 MeV 基态 BaCs1375613755Ba13756Cs13755Ba13756+ +衰变衰变 +衰变是原子核内，一个质子转变成一个中子，衰变是原子核内，一个质子转变成一个中子，放出一个正电子：放出一个正电子：YXAZAZ1AlSi27132714K K俘获俘获 K-captureK-capture原子核俘获一个轨道电子，核内一个质子变成中子。原子核俘获一个轨道电子，核内一个质子变成中子。MneFe55255526YeXAZAZ1 跃迁跃迁 - transition - transition 在在衰变、衰变、衰变过程中，伴随放出衰变过程中，伴随放出辐射辐射 gamma radi

23、ationgamma radiation例：例： 基态基态 0.059MeV,0.059MeV,99.7%99.7% 1.54MeV 1.54MeV 0.31MeV 0.31MeV0.3%0.3% 1.17MeV1.17MeV 1.33MeV 1.33MeV 基态基态 Co6027Ni60282010.09核辐射探测学 硕士研究生课程253. . 放射性系列放射性系列一一铀系（铀镭系）铀系（铀镭系）二二钍系钍系三三锕铀系锕铀系四四镎系镎系五五不成系列的天然放射性核素不成系列的天然放射性核素放射性系列 铀系铀系 uranium series U - 238 A=4n+2uranium serie

24、s U - 238 A=4n+2钍系钍系 thorium series Ththorium series Th- 232 A=4n- 232 A=4n锕铀系锕铀系 actinium uranium series U- 235 A=4n+3actinium uranium series U- 235 A=4n+3镎系镎系 neptunium series Npneptunium series Np- 237 A=4n+1- 237 A=4n+1 放射性系列-铀系铀镤钍锕镭钫氡砹钋铋铅铀镤钍锕镭钫氡砹钋铋铅 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 ThU234902389

25、2PbPoRnRaThU214822188422286226882309023492Pa23491PbPo2108221484PbPo2068221084Bi21483Bi21083 放射性系列-铀系铀镤钍锕镭钫氡砹钋铋铅铀镤钍锕镭钫氡砹钋铋铅 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 ThU2349023892PbPoRnRaThU214822188422286226882309023492Pa23491PbPo2108221484PbPo2068221084Bi21483Bi21083 min8 .26min7 .19d825.3min0 . 3a1602a4107

26、 . 7a51044. 2a91047. 4S41064. 1a3 .22d5d4 .138d1 .24min17. 1放射性放射性系列系列钍系钍系 钍锕镭钫氡砹钋铋铅钍锕镭钫氡砹钋铋铅 铊铊 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 PbPoRnRaTh2128221684220862248822890RaTh2288823290TlBi2088121283Ac22889PbPo2088221284放射性放射性系列系列钍系钍系 钍锕镭钫氡砹钋铋铅钍锕镭钫氡砹钋铋铅 铊铊 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 PbPoRnRaTh212822168422

27、0862248822890RaTh2288823290TlBi2088121283Ac22889PbPo2088221284a91015.4S71005. 3a75. 5h13. 6a91. 1d64. 3S6 .55S15. 0h6 .10min6 .60min1 . 3小结（1 1）主要的辐射体）主要的辐射体（2 2）RnRn及其衰变子体及其衰变子体（3 3）主要的谱线及与核素间的一一对应关系）主要的谱线及与核素间的一一对应关系（4 4）主要的谱线的相对强度）主要的谱线的相对强度2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程324. 4. 天然放射性核素射线谱天然放射性核素射线谱一一 射线谱射

28、线谱二二 射线谱射线谱三三 射线谱射线谱例：例：衰变衰变 射线能谱的精细结构：射线能谱的精细结构： Bi-212 5.48 MeVBi-212 5.48 MeV 0.016 % 0.016 % 5.603 1.1 5.603 1.1 5.622 0.15 5.622 0.15 5.765 1.7 5.765 1.7 6.047 69.9 6.047 69.9 6.086 27.2 6.086 27.2 Po-212 8.78 100.0 Po-212 8.78 100.0 9.492 0.004 9.492 0.004 10.422 0.002 10.422 0.002 10.543 0.01

29、8 10.543 0.018 天然放射性元素射线谱天然放射性元素射线谱1.铀系铀系 核素核素 射线射线 射线射线 (MeV(MeV) ) 几率几率 能量能量(MeV(MeV) ) U-238 4.185 0.187 0.048 U-238 4.185 0.187 0.048Th-234 0.148 0.093Th-234 0.148 0.093Ra-226 4.761 0.012 0.184Ra-226 4.761 0.012 0.184Rn-222 5.482Rn-222 5.482 0.00064 0.51 0.00064 0.51 Po-218 6.002Po-218 6.002 - -

30、 - -Pb-214 - 0.377 0.352Pb-214 - 0.377 0.352 0.189 0.295 0.189 0.295Bi-214 - 0.052 2.204Bi-214 - 0.052 2.204 0.163 1.764 0.163 1.764 0.166 1.120 0.166 1.120 0.471 0.609 0.471 0.609Po-214 7.687Po-214 7.687天然放射性元素射线谱2.2.钍系钍系 核素 射线 射线 (MeV) 几率 几率 能量(MeV)Th-232 3.993 0.197 0.06Ra-224 5.677 0.030 0.241Rn

31、-220 6.282 - -Po-216 6.774 - -Pb-212 0.470 0.239Bi-212 6.051 0.337 Po-212 8.785 0.663 Tl-208 0.337 2.620 0.293 0.583天然放射性元素射线谱3.不成系列的天然放射性核素的射线谱 K-40 1.46 MeV T=1.3 X 109a Rb-87 T=5.0 X 1010a Sm-147 T=1.06 X 1011a2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程375. 5. 放射性核素衰变和积累规律放射性核素衰变和积累规律一一放射性核素衰变的基本规律放射性核素衰变的基本规律二二两个放射性核

32、素相继衰变和积累规律两个放射性核素相继衰变和积累规律三三多个放射性核素的衰变和积累规律多个放射性核素的衰变和积累规律四四放射性平衡放射性平衡五五铀镭平衡系数铀镭平衡系数六六氡及其子体的衰变和积累氡及其子体的衰变和积累2010.09核辐射探测学 硕士研究生课程38常用述语：常用述语：放射性衰变规律放射性衰变规律衰变常数衰变常数半衰期半衰期放射性核素的寿命放射性核素的寿命放射性平衡放射性平衡1. 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律 在在 t 到到 t + dt 的时间间隔内，原子的衰变数的时间间隔内，原子的衰变数 dN 与存在的与存在的原子总数原子总数 N 成正比。成正比。NdtdNNdtd

33、NtNNdtNdNtNN00lnln0teNN0 每个原子在单位时间内衰变的几率，每个原子在单位时间内衰变的几率， 量纲量纲 t-1(秒秒-1、日、日-1、年、年-1）NdtdN /693.02/122/1002/1LnTeNNNT半衰期：半衰期：衰变常数：衰变常数：放射性核素的寿命：放射性核素的寿命：2/1001093. 61000100011000TLnteeNNNtt经过十倍半衰期，只剩下经过十倍半衰期，只剩下1/1024，可以认为衰变完了。，可以认为衰变完了。放射性核素的平均寿命：放射性核素的平均寿命：某个放射性原子核的平均寿命某个放射性原子核的平均寿命就是它的全部原子核衰就是它的全部原子核衰减到原数量的减到原数量的1/e时的所需时间期望值。时的所需时间期望值。定义：处于特定能态的一定量的放射性核素的平均生存定义：处于特定能态的一定量的放射性核素的平均生存时间为该放射性核素的平均寿命时间为该放射性核素的平均寿命。1 0,0)(00ttABAAB