第1章 放射性测量基本知识

1、成都理工大学核自院成都理工大学核自院主讲教师主讲教师: 杨 佳l 本课程的理论学时本课程的理论学时24学时，主要讲授内容包括：学时，主要讲授内容包括： 核辐射测量方法核辐射测量方法 葛良全等编著葛良全等编著 成都理工大学自编教材成都理工大学自编教材 原子核物理实验方法原子核物理实验方法 复旦大学，清华大学，北京大学复旦大学，清华大学，北京大学. . 原子能出版社（原子能出版社（19971997年）年） 放射性测量勘探方法放射性测量勘探方法 章晔章晔, ,华荣洲华荣洲, ,石柏慎石柏慎. .原子能出版社，原子能出版社，19951995 核辐射场与放射性勘查核辐射场与放射性勘查 程业勋等编著程业勋

2、等编著 地质出版社（地质出版社（20052005年）年）l 本课程的成绩评定按照：本课程的成绩评定按照：注：课堂点名注：课堂点名3次不到者取消期末考试资格次不到者取消期末考试资格& 自从自从1896年贝克勒尔发现天然放射性以来，核科年贝克勒尔发现天然放射性以来，核科学已经走过了百余年的历史。学已经走过了百余年的历史。& 核科学的诞生及其发展不仅对自然科学本身起核科学的诞生及其发展不仅对自然科学本身起到了巨大的推动作用，而且对人类社会也产生了巨到了巨大的推动作用，而且对人类社会也产生了巨大的影响。大的影响。 放射性的最早研究者：伦琴（放射性的最早研究者：伦琴（Roentgen)；1895年，伦年

3、，伦琴用阴极射线（电子束）在放电管壁上的作用产生琴用阴极射线（电子束）在放电管壁上的作用产生x射线（射线（x ray）。）。 首先发现放射性：首先发现放射性：1896年，贝可勒尔年，贝可勒尔(Becquerel)发现发现铀矿石使胶卷暴光，称之为铀矿石使胶卷暴光，称之为radiation actives。 1898年，施密特发现钍（年，施密特发现钍（Th）具有与铀矿石相同的特征。）具有与铀矿石相同的特征。 1899年，卢瑟福（年，卢瑟福（Rutherford）和欧文斯（）和欧文斯（Owens）发现）发现射气（射气（emanation）现象。）现象。 放射性放射性(radioactivity)这一

4、名词首次被利用是这一名词首次被利用是Marie Curie。在在1898，她首先用来描述能发出电离辐射，她首先用来描述能发出电离辐射(ionizing radiation)的物质的外部特征，进一步证明了电离辐射与电磁辐射的差别。的物质的外部特征，进一步证明了电离辐射与电磁辐射的差别。 1903年，年， Becquerel 和和Marie Curie夫妇分别获得物理夫妇分别获得物理诺贝尔奖。诺贝尔奖。 1911年，年， Marie Curie 获得化学获得化学 Nobel Prize for isolating radium（ Pierre died in 1906）。）。 Marie Curi

5、e died in 1934 at the age of 67 years as a result of prolonged exposure to radioactivity Ra. 1901年，年，Pierre 和和Marie Curie发现镭（发现镭（Ra）之后又发）之后又发现了钋（现了钋（Po）。通过研究铀钍矿石的放射性，发现）。通过研究铀钍矿石的放射性，发现Ra比铀、比铀、钍具有更强的放射性，于是从沥青中提炼出镭。钍具有更强的放射性，于是从沥青中提炼出镭。 此后不久，玻尔提出了原子的壳结构和电子在原子中的此后不久，玻尔提出了原子的壳结构和电子在原子中的运动规律，同时建立了描述微观世界

6、的量子力学。运动规律，同时建立了描述微观世界的量子力学。 1919年，在卡文迪许实验室，实现了人工核蜕变核反应，年，在卡文迪许实验室，实现了人工核蜕变核反应，它是用它是用粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下：粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下： 1932年，发现中子（年，发现中子（neutron)。 1934年，人工放射性核素合成成功。年，人工放射性核素合成成功。 1911年，卢瑟福（年，卢瑟福（Rutherford）用）用射线轰击各种原子，射线轰击各种原子，测到测到射线发生偏折，从而确定了核结构，并提出了原子结射线发生偏折，从而确定了核结构，并提出了原子结构的行星模型，从而奠定了原子结构和原子

7、核结构的研究构的行星模型，从而奠定了原子结构和原子核结构的研究基础。基础。1919年，卢瑟福年，卢瑟福或或OpN1714),()()(1117814742pHONHe214Po 7.68 MeVn 产生机理：产生机理：n 地地-空界面上伽玛射线的来源空界面上伽玛射线的来源 人工放射性人工放射性 7.2%n大气核试验大气核试验n核工业与核技核工业与核技术应用术应用n核医学诊断核医学诊断陆地放射性陆地放射性 80.0%n铀系列核素铀系列核素n钍系列核素钍系列核素n钾钾-40-40n其它核素其它核素宇宙射线宇宙射线 12.8%n电离成份电离成份 10.5%n中子中子 2.3%从空间分布角度从空间分布

8、角度一些核辐射的特征一些核辐射的特征:n 核辐射的分类： 电子 带电粒子辐射 重带电粒子 ray 电磁波（辐射） x ray 非带电辐射 中子1.1 原子和原子核原子和原子核1.2 核衰变核衰变1.3 放射性系列放射性系列1.4 天然放射性核素的射线谱天然放射性核素的射线谱1.5 放射性核素衰变的基本规律放射性核素衰变的基本规律1.6 中子辐射中子辐射 汤姆逊在发现电子的基础上提出了原子的汤姆逊在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干蛋糕模型，是第一个存在着亚原子结构葡萄干蛋糕模型，是第一个存在着亚原子结构的原子模型，汤姆逊认为：的原子模型，汤姆逊认为： 电子是平均的分布在整个原子上的，就电子是平

9、均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消；们的负电荷与那些正电荷相互抵消； 在受到激发时，电子会离开原子，产生在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。阴极射线。 卢瑟福完成的卢瑟福完成的粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干面包式模型的正确性。干面包式模型的正确性。 n 原子的葡萄干蛋糕模型：原子的葡萄干蛋糕模型： 1911年卢瑟福提出了核式模型：原子的年卢瑟福提出了核式模型：原子的大部分体积是空的，电子按照一定轨道围绕着大部分体积是空的，电子按照一定

10、轨道围绕着一个带正电荷的很小的原子核运转。一个带正电荷的很小的原子核运转。 核式模型以经典电磁学为理论基础，主要内容有：核式模型以经典电磁学为理论基础，主要内容有： 原子的大部分体积是空的；原子的大部分体积是空的； 在原子的中心有一个很小的原子核；在原子的中心有一个很小的原子核； 原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动。子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动。n 原子的核式模型：原子的核式模型： 1913年，玻尔在行星模型的基础上提出年，玻尔在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的

11、原子结构模型，即电了核外电子分层排布的原子结构模型，即电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量。另一个层面时，原子便吸收或释放能量。 原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，不辐射能量；不辐射能量； 在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，且能量是量子在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，且能量是量子化的，轨道能量值依化的，轨道能量值依n（1，2，3，.）的增大而升高，）的增大而升高，n

12、称为量子称为量子数。数。 当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。来，就形成了光谱。玻尔原子结构模型的基本观点是：玻尔原子结构模型的基本观点是：n 玻尔原子结构模型：玻尔原子结构模型：n 现代模型（电子云模型）：现代模型（电子云模型）： 20世纪世纪20年代以来提出，年代以来提出， 电子绕核运动形成一个带负电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，对于具有波粒电荷的云团，对于具有波粒二象性的微观粒子在一个确二象性

13、的微观粒子在一个确定时刻其空间坐标与动量不定时刻其空间坐标与动量不能同时测准，这是德国物理能同时测准，这是德国物理学家海森堡在学家海森堡在1927年提出的年提出的著名的测不准原理。著名的测不准原理。原子核中子质子电子(电子云)+ +n 现代原子核的组成：现代原子核的组成： n (udd)P (uud)A Z N构成元素的基本单位；构成元素的基本单位；由原子核与核外轨道电子组成由原子核与核外轨道电子组成，核带正电，电子带负电，整，核带正电，电子带负电，整个原子呈中性；个原子呈中性；原子大小：原子大小：1010m；原子核：；原子核：1015m；原子的质量几乎全集中在核上。电子与核的质量比：氢原子的

14、质量几乎全集中在核上。电子与核的质量比：氢原子原子1/1840；铀原子；铀原子1/4717。原子的质量采用原子质量单位表示：原子的质量采用原子质量单位表示：amun 现代原子的特点：现代原子的特点：u 原子核外电子按一定轨道绕核运动时，相应的原子处于原子核外电子按一定轨道绕核运动时，相应的原子处于一定的能量状态。一定的能量状态。u 一种原子绕行电子数目和运动轨道是一定的，因此，一一种原子绕行电子数目和运动轨道是一定的，因此，一种原子总是处于一系列确定的稳定能量状态。这一系列确定种原子总是处于一系列确定的稳定能量状态。这一系列确定的稳定能量状态称为的稳定能量状态称为，记为，记为W Wi iu 原

15、子的能级是量子化的，即不连续的。原子的能级是量子化的，即不连续的。u 当原子由较高能级跃迁到较低能级时，原子将以光的形当原子由较高能级跃迁到较低能级时，原子将以光的形式释放能量：式释放能量：h W1W2u 将某种原子发射的各种频率的光子按波长排列，就构成将某种原子发射的各种频率的光子按波长排列，就构成该原子的发射光谱，也即该原子的发射光谱，也即。X荧光能谱原子的发射光谱n 原子核的能级：原子核的能级：u 中子和质子在原子核内不断中子和质子在原子核内不断运动，运动状态不同，相应的能运动，运动状态不同，相应的能量状态不同。原子核的不同能量量状态不同。原子核的不同能量状态组成原子核的能级。状态组成原

16、子核的能级。u 原子核的能级是不连续的，原子核的能级是不连续的，即量子化的。即量子化的。u 当原子核获得的能量准确等于当原子核获得的能量准确等于两个能级的能量差时，将由低能级两个能级的能量差时，将由低能级跃迁到高能级。处于激发态。跃迁到高能级。处于激发态。u 处于激发态的原子核是不稳定的，会自动从激发态跃迁到较处于激发态的原子核是不稳定的，会自动从激发态跃迁到较低能态，同时以电磁辐射形式释放出等于两个能级差的能量。低能态，同时以电磁辐射形式释放出等于两个能级差的能量。核能级示意图n 核素核素 ：具有确定质子数、中子数、核能态，而且其平均寿命长：具有确定质子数、中子数、核能态，而且其平均寿命长的

17、足以被观察的一类原子核称做核素；核素是原子核的一种统称。的足以被观察的一类原子核称做核素；核素是原子核的一种统称。核素表示符号核素表示符号n 最常用的两个术语：核素和同位素最常用的两个术语：核素和同位素 稳定核素和不稳定核素稳定核素和不稳定核素 稳定同位素和不稳定同位素稳定同位素和不稳定同位素 放射性核素和非放射性核素放射性核素和非放射性核素n 其它：其它： 什麽是核衰变什麽是核衰变（核辐射）（核辐射） 不稳定的一种核素原子核自发变成另一核素原子核，不稳定的一种核素原子核自发变成另一核素原子核，伴随发射出的、载能的、亚原子粒子的现象。伴随发射出的、载能的、亚原子粒子的现象。 中子中子 质子质子

18、 裂变碎片等裂变碎片等 亚原子粒子亚原子粒子 ( ( 原子大小原子大小 1010-10 -10 m m） 射线射线 氦原子核（氦原子核（4 4HeHe） 2.2 x 10 2.2 x 10-15 -15 m m 射线射线 电子电子( (e)e)经典电子半径经典电子半径 2.8 2.8 x 10 x 10-15 -15 m m 射线射线 光子光子( (电磁辐射）电磁辐射） 0 0 质子和中子质子和中子 1 12 x 102 x 10-15 -15 m m 原子核原子核 Au (Au (金）金） 7 7 x 10 x 10-15 -15 m mn 原子核变化发射的载能的亚原子粒子原子核变化发射的载

19、能的亚原子粒子 放射性粒子。放射性粒子。1、衰变衰变p 衰变：衰变： 放射性核素的放射性核素的原子核原子核自发自发地放出地放出 粒子粒子而而变为另一种核素变为另一种核素的原子核的原子核的的过程过程称为称为衰变。衰变。 粒子是一个粒子是一个高速运动的氦原子核高速运动的氦原子核(4He)卢瑟福和罗伊兹卢瑟福和罗伊兹已用实验证明。已用实验证明。 粒子质量与氦核的质量相等，即粒子质量与氦核的质量相等，即m=4.001507u。p 粒子的特征：粒子的特征： 粒子由两个质子和两个中子组成，带两个单位的正电荷。粒子由两个质子和两个中子组成，带两个单位的正电荷。p 衰变的表达方式：衰变的表达方式： 放射性核素

20、经放射性核素经衰变后，子核较母核的核电荷数减少衰变后，子核较母核的核电荷数减少2，而质量数较母核减少而质量数较母核减少4 。若用。若用 代表母体核素，代表母体核素， 代表代表子体核素，则子体核素，则衰变可用下式表示：衰变可用下式表示：XAzYAZ42QYXAZAz42 上式中的上式中的Q衰变能，即母核衰变成子核时所放出衰变能，即母核衰变成子核时所放出的能量。它被子核和的能量。它被子核和粒子共同分得（按动量能量守恒粒子共同分得（按动量能量守恒原理分配）。原理分配）。例如：例如：QRnRa2228622688 母核母核 子核子核 发射射线发射射线 衰变能量衰变能量 226226Ra Ra 2222

21、22Rn + Rn + 4 4He + 4.78MeVHe + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) (2,4)+从母核中射出的4He原子核 粒子得到大部分衰变能238U4He + 234Th放射性母核! 238U发生发生衰变的示意图如下：衰变的示意图如下：2、 衰变衰变p 衰变：衰变： 衰变是指衰变是指原子核原子核自发地自发地放射出放射出粒子粒子或或俘获一个轨道电子俘获一个轨道电子而而变成另一个核素的原子核变成另一个核素的原子核的的过程过程。 粒子是粒子是电子和正电子电子和正电子的统称。的统称。p 粒子：粒子： 电子和正电

22、子的质量相同，电荷的大小也相等，但电荷电子和正电子的质量相同，电荷的大小也相等，但电荷符号相反。符号相反。p 衰变的三种类型：衰变的三种类型： 衰变：原子核衰变时，放出电子的过程称为衰变：原子核衰变时，放出电子的过程称为 衰变。衰变。 +衰变：原子核衰变时，放出正电子的过程称为衰变：原子核衰变时，放出正电子的过程称为 + 衰变。衰变。 轨道电子俘获轨道电子俘获：原子核从核外的电子壳层俘获一个轨道电原子核从核外的电子壳层俘获一个轨道电子，称为轨道电子俘获。子，称为轨道电子俘获。+发生原因：母核的中子或质子过多发生原因：母核的中子或质子过多质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并

23、且带走一个单位的负电荷+中微子 三种子体分享衰变能因此电子具有连续能量反中微子质子过多质子过多中子过多中子过多p 衰变过程：衰变过程： 放射性核素的原子核放射出放射性核素的原子核放射出 粒子而变为原子序数加粒子而变为原子序数加1而而质量数相同的核素，叫做质量数相同的核素，叫做 衰变。可表示为：衰变。可表示为： 衰变可以看成是母核中有一个中子变为质子的结果，可衰变可以看成是母核中有一个中子变为质子的结果，可表示成表示成:发生发生 衰变的原因衰变的原因 ：原子核中的：原子核中的中子数太多中子数太多QveYXAZAZ1 从核衰变中放射出从核衰变中放射出 粒子，被物质阻止之后，就成为自由粒子，被物质阻

24、止之后，就成为自由电子，它和一般的电子没有什么区别。电子，它和一般的电子没有什么区别。 母核、子核是母核、子核是电荷数为电荷数为Z、Z+1的的同量异位素同量异位素（A同同Z不同不同）。vepn)(反中微子反中微子)其中，反中微子是一种静止质量近似为其中，反中微子是一种静止质量近似为0的中性粒子。的中性粒子。Z 衰变实例：衰变实例：pn上夸克上夸克(up,u)、下夸克下夸克(down,d)注注：中子是由两个下夸克和一个上夸克组成：中子是由两个下夸克和一个上夸克组成(udd)。质子由两个上夸克和。质子由两个上夸克和一个下夸克组成一个下夸克组成(uud)。 14 14 C C原子核中的中子发生原子核

25、中的中子发生 - -衰变，产生一个质子，衰变，产生一个质子， 一个负电子和一个反中微子一个负电子和一个反中微子 中子中子- -衰变：衰变： n p + e- + vC146veN14714C的的的的 衰变的动画演示：衰变的动画演示：veNC147146H31veHe32p + +衰变过程：衰变过程： 母核、子核是母核、子核是电荷数为电荷数为Z、Z-1的的同量异位素同量异位素（A同同Z不同不同）。 放射性核素的原子核放射出放射性核素的原子核放射出粒子（正电子）而变为原子粒子（正电子）而变为原子序数减序数减1而质量数相同的核素，叫做而质量数相同的核素，叫做衰变。可表示为：衰变。可表示为： 衰变可以

26、看成是母核中有一个质子变为中子的结果，衰变可以看成是母核中有一个质子变为中子的结果，可表示成可表示成:发生发生 +衰变的原因衰变的原因 ：原子核中的：原子核中的质子数太多质子数太多QveYXAZAZ1 天然存在的放射性核素是不会发生天然存在的放射性核素是不会发生衰变的，这种衰变类衰变的，这种衰变类型的核素都是人工放射性核素。型的核素都是人工放射性核素。venp)(中微子中微子)其中，中微子是一种静止质量近似为其中，中微子是一种静止质量近似为0的中性粒子。的中性粒子。Z + +衰变实例：衰变实例： 27Si 原子核中的质子发生原子核中的质子发生衰变，产生一个中子，衰变，产生一个中子， 一个正电子

27、和一个中微子。一个正电子和一个中微子。 例如：例如：Si2714N137 13N 原子核中的质子发生原子核中的质子发生 衰变，产生一个中子，衰变，产生一个中子， 一个正电子和一个中微子。一个正电子和一个中微子。 veAl2713veC136放射性的核素：放射性的核素：veBC115116p 轨道电子俘获过程：轨道电子俘获过程： 母核、子核是母核、子核是电荷数为电荷数为Z、Z-1的的同量异位素同量异位素（A同同Z不同不同）。 发生电子俘获的核衰变中，子核数量发生电子俘获的核衰变中，子核数量A（即质量数）不（即质量数）不变，变，只是原子序数只是原子序数（质子数质子数）减少减少1 。其衰变过程可用下

28、式表示。其衰变过程可用下式表示: 轨道电子俘获可认为是核获得了它的一个核外电子而使轨道电子俘获可认为是核获得了它的一个核外电子而使核中一个质子转变成中子，同时放出中微子的过程：核中一个质子转变成中子，同时放出中微子的过程：发生发生轨道电子俘获轨道电子俘获的原因的原因 ：原子核中的：原子核中的质子数太多质子数太多 因为因为K层电子最靠近原子核，因此发生层电子最靠近原子核，因此发生K层俘获的几率比其层俘获的几率比其他壳层俘获几率大，所以有时又叫做他壳层俘获几率大，所以有时又叫做K电子俘获。电子俘获。vnep(中微子中微子)QvYeXAZAZ1Z 轨道电子俘获实例：轨道电子俘获实例： 40K 原子核

29、中的质子俘获一个轨道电子转变成中子，原子核中的质子俘获一个轨道电子转变成中子，放出一个中微子。放出一个中微子。 例如：例如：eK4019 55Fe 原子核中的质子俘获一个轨道电子转变成中子，原子核中的质子俘获一个轨道电子转变成中子，放出一个中微子。放出一个中微子。 eFe5526vAr 4018vMn5525vLieBe7374p 轨道电子俘获产生的次级辐射来源：轨道电子俘获产生的次级辐射来源： 质子变成中子X射线 当当K 层一个电子被层一个电子被俘获后，就留下一个空俘获后，就留下一个空位，这时虽然位，这时虽然子核子核处于处于稳定状态，但是稳定状态，但是子核原子核原子子作为一个整体仍是不作为一

30、个整体仍是不稳定的稳定的，因此，因此比比K 层能层能级更高的核外电子级更高的核外电子(如如L 层电子层电子)有可能跃迁至有可能跃迁至K 层填补被俘获电子的空层填补被俘获电子的空位，多余的能量便转变位，多余的能量便转变为为X 射线放射出来射线放射出来。 特征特征X射线的发射射线的发射： 轨道电子俘获过程轨道电子俘获过程所形成的所形成的子核原子子核原子，它的内层电子它的内层电子缺少了一个，产生了空位缺少了一个，产生了空位(如图示如图示)。以。以K俘获进行说明：俘获进行说明：vLieBe7374 这种这种X射线射线（电子俘获后产生的子核次级辐射）（电子俘获后产生的子核次级辐射）被称为子核原子被称为子

31、核原子的特征的特征X 射线射线(也称标识也称标识X射线射线) 。它的能量等于。它的能量等于K层与层与L层电子层电子的结合能之差。的结合能之差。 俄歇电子的发射俄歇电子的发射：KLXWWhE(WLWK) 可见，可见，EC过程可能伴随着子核的特征过程可能伴随着子核的特征X射线的发射。射线的发射。 K俘获过程的另一种伴随粒子是俄歇电子俘获过程的另一种伴随粒子是俄歇电子。当。当K层电子被原层电子被原子核俘获后，子核俘获后， L层的电子跃迁到层的电子跃迁到K层填补空位时，可以不发射层填补空位时，可以不发射X射线，而射线，而把多余的能量直接传给另一个把多余的能量直接传给另一个L层的电子层的电子(或其他壳层

32、的或其他壳层的电子电子) ，使它脱离原子核的束缚使它脱离原子核的束缚(克服结合能，克服结合能，-WL)而成为自由电而成为自由电子发射出来子发射出来，这种自由电子叫做，这种自由电子叫做俄歇电子俄歇电子( Auger electron) 。特征特征X射线能量射线能量(LK壳层壳层)：3、衰变衰变p 衰变（衰变（ 跃迁）：跃迁）： 原子核原子核通过发射通过发射 光子光子（也称（也称 射线，是波射线，是波长很短、能量高的电磁辐射）长很短、能量高的电磁辐射）从激发态跃迁到较从激发态跃迁到较低能态的过程低能态的过程，称为，称为 跃迁，也称为跃迁，也称为 衰变。衰变。 跃迁示意图跃迁示意图p 讨论：讨论：

33、1、 衰变过程中只有衰变过程中只有原子核能量状态的变化原子核能量状态的变化，没有原子核，没有原子核的转变的转变（原子核的质量数（原子核的质量数A和原子序数和原子序数Z都没变）都没变）。 2、 衰变一般是伴随衰变一般是伴随衰变和衰变和衰变过程发生的。即发生衰变过程发生的。即发生衰变和衰变和衰变后原子核往往处于激发态，衰变后原子核往往处于激发态，随后发生随后发生 衰变衰变。 3、一般情况下处于激发态的原子核的寿命很短，、一般情况下处于激发态的原子核的寿命很短，10-13s； 4、同质异能素：如果、同质异能素：如果处于激发态的原子核的寿命长到可以处于激发态的原子核的寿命长到可以用仪器测量出来用仪器测

34、量出来，这种处于激发态的原子核就可以独立的作为一这种处于激发态的原子核就可以独立的作为一种核素种核素。+ 光子 衰变实例：衰变实例：p 衰变的特点：衰变的特点：1、从原子核中发射出光子；、从原子核中发射出光子；2、常常在、常常在 或或 衰变后核子从激发态退激时发生；衰变后核子从激发态退激时发生；3、产生的射线能量不连续；、产生的射线能量不连续；4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类类别。、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类类别。 原子核从激发态到较低的能态或基态的跃迁，除发射原子核从激发态到较低的能态或基态的跃迁，除发射 光光子外，还可以通过发射电子的方式来完成。子外，还可以通过发射电子的方式

35、来完成。 原子核原子核把多余的能量把多余的能量（退激能量）（退激能量）交给核外电子交给核外电子 (如如K层，层，L层电层电子子) ，使电子脱离原来轨道而发射出来，使电子脱离原来轨道而发射出来（电子从原子中电离）（电子从原子中电离）。这种。这种现象称为现象称为内转换内转换。内转换过程放出来的电子称为。内转换过程放出来的电子称为内转换电子内转换电子。 注意：注意： 是是通过原子核的电磁场与壳层电子相互作用通过原子核的电磁场与壳层电子相互作用，原子核直接原子核直接把核的激发能交给壳层电子把核的激发能交给壳层电子，形成内转换。，形成内转换。 内转换过程内转换过程不产生不产生 光子，也没有光子，也没有

36、光子作中介光子作中介。 衰变衰变- 衰变衰变+ 衰变衰变 衰变衰变 原子核衰变基本类型的动画演示：原子核衰变基本类型的动画演示：4、衰变纲图、衰变纲图p 衰变纲图的作用：衰变纲图的作用： 核衰变用图来表示，这种图称为衰变纲图。它表示出衰变核衰变用图来表示，这种图称为衰变纲图。它表示出衰变类型、能量、分支比（以百分数表示）、半衰期等主要特征。类型、能量、分支比（以百分数表示）、半衰期等主要特征。p 衰变纲图实例：衰变纲图实例： 衰变（伴随衰变（伴随 衰变）对应的衰变纲图：衰变）对应的衰变纲图： 请根据请根据226Ra的衰变纲图，对的衰变纲图，对226Ra发生发生衰变生成衰变生成222Rn的的衰变

37、过程及核素信息进行具体说明。衰变过程及核素信息进行具体说明。0.183MeVRa22688Rn222861600a4.785MeV954.602MeV5 衰变后子核质量数减少衰变后子核质量数减少4、原子序数减少原子序数减少2 ，在元素周，在元素周期表上前移（左移），衰变期表上前移（左移），衰变纲图箭头指向左。纲图箭头指向左。衰变：衰变： 衰变（伴随衰变（伴随 衰变）对应的衰变纲图：衰变）对应的衰变纲图： 衰变后子核质量数不变、衰变后子核质量数不变、原子序数增加原子序数增加1，在元素周期表，在元素周期表上后移（右移），衰变纲图箭头上后移（右移），衰变纲图箭头指向右。指向右。1.31MeV89EC

38、11 1.46MeVK4019Ar4018Ca40201.27109a衰变：衰变： 轨道电子俘获轨道电子俘获(EC或或)与与+ +原子序数减少原子序数减少1，在元素周期表，在元素周期表上前移（左移），衰变纲图箭头上前移（左移），衰变纲图箭头指向左。指向左。 请根据请根据40K的衰变纲图，对的衰变纲图，对40K发生发生衰变生成衰变生成40Ca和和40Ar的衰的衰变过程及核素信息进行具体说明。变过程及核素信息进行具体说明。$ 40K是重要的一种非系列天然放射性核素是重要的一种非系列天然放射性核素 p 三个成系列的自然界放射性衰变系：三个成系列的自然界放射性衰变系：p 自然界不成系列的放射性核素自然

39、界不成系列的放射性核素 一次衰变形成稳定核素：一次衰变形成稳定核素： 地球的年龄大约有地球的年龄大约有10亿年。经过漫长的时间后，还能保存下来的天然放亿年。经过漫长的时间后，还能保存下来的天然放射系，其母核射系，其母核(或衰变链中的子核或衰变链中的子核)的的半衰期都很长半衰期都很长，和地球年龄相近或更长和地球年龄相近或更长，目前发现地球上还存在着目前发现地球上还存在着三个三个天然放射系，分别为：天然放射系，分别为：Th23290U23892U23592aT102/1104.1 a910468.4 a810038.7 钍系钍系铀系铀系锕系锕系 它们的成员大多具有它们的成员大多具有放射性，少数具有

40、放射性，少数具有 放射性，一般都伴随有放射性，一般都伴随有辐辐射，但没有一个具有射，但没有一个具有+衰变或轨道电子俘获。衰变或轨道电子俘获。 每个天然放射系从母体开始，都经过至少是十次连续衰变，最后到达每个天然放射系从母体开始，都经过至少是十次连续衰变，最后到达稳定的铅同位素。稳定的铅同位素。这部分内容详见：这部分内容详见： Page7Page18235U总是与总是与238U共生（共生（238U：235U140：1），在自然界不单独存在，丰度），在自然界不单独存在，丰度0.7。 在自然界存在的放射性在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体核素大多具有多代母子体衰变关系衰变关系. . 母体放射

41、性核母体放射性核素经多代子体放射性核素素经多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素最后衰变生成稳定核素. . 镎镎 系系钍钍 系系锕锕 系系铀铀 系系铀组铀组镭组镭组808590145140135130125ZN钍系钍系（4n）级联衰变级联衰变 Th23290Ra22888Th22890Ra22488Rn22086Po21684Pb21282Po21284Pb20882Tl20881808590145140135130125ZN铀系（铀系（4n+2）级联衰变级联衰变U23892U23492Th23490Pa23491Tb23090Ra22688Rn22286Po21884Pb21482At218

42、85Bi21484Tl21481Po21484Pb21082Bi21083Tl21081Po21084Pb20682808590145140135130125ZN808590145140135130125ZN自然界存在四个天然衰变链：钍系、镎系、铀系、锕系自然界存在四个天然衰变链：钍系、镎系、铀系、锕系(图中均为自然界存在的放射过程图中均为自然界存在的放射过程).808590145140135130125ZN808590145140135130125ZN锕系（锕系（4n+3）级联衰变级联衰变U23592Pa23191Th23190Ac22789Fr22387Th22790Ra22388Rn21

43、986Pb21182Ro21584At21585Tl20781Bi21183Po21184Pb20782Np23793Pa23391Ac23589Fr22187At21785U23392Ra22588Th22990Br21383Tl20981Po21384Pb20982Bi20983808590145140135130125ZN镎系镎系（4n+1）级联衰变级联衰变 由于由于 237Np的半衰期比地球年龄小很多的半衰期比地球年龄小很多，地壳中原有的，地壳中原有的237Np早已衰变为早已衰变为209Bi，所以，所以人们在地壳中没有发现人们在地壳中没有发现4n+1系系。 讨论讨论： 1、三个系列的母

44、核的半衰期都很长，在、三个系列的母核的半衰期都很长，在1081010a之间，之间，故三个系列才得以在自然界存在。故三个系列才得以在自然界存在。2、三个系列中都各有一个、三个系列中都各有一个气态气态元素：元素：铀系铀系222Rn(Rn)；半衰期；半衰期-3.825d钍系钍系220Rn(Tn)；半衰期；半衰期-54.5s锕系锕系119Rn(An)；半衰期；半衰期-3.96s氡的同位素氡的同位素 3、三个系列的氡（射气）都能逸散，其衰变子体可附着、三个系列的氡（射气）都能逸散，其衰变子体可附着于物体表面，成为放射性沉淀物。于物体表面，成为放射性沉淀物。 其中其中Rn的半衰期较长（的半衰期较长（3.8

45、25d），）， Tn的半衰期为的半衰期为54.5s，An的半衰期极短（的半衰期极短（3.92s），在自然界含量很低，因此在研究和），在自然界含量很低，因此在研究和应用中很少顾及。应用中很少顾及。主要是研究主要是研究Rn和和Tn。 一种核素发生一种核素发生衰变，由于衰变，由于衰变前或衰变后放射性核素的原子核可以处衰变前或衰变后放射性核素的原子核可以处于基态或不同能级的激发态，所以一种核素作于基态或不同能级的激发态，所以一种核素作衰变时可以放出几种不同能量衰变时可以放出几种不同能量的的粒子。粒子。 单色谱单色谱：一种核素的原子核衰变时放出的：一种核素的原子核衰变时放出的粒子，若能量是单一的，则称此

46、粒子，若能量是单一的，则称此射线谱为单色谱。射线谱为单色谱。 复杂谱复杂谱：一种核素的原子核衰变时放出的：一种核素的原子核衰变时放出的粒子，若有几组不同的能量，则粒子，若有几组不同的能量，则称此射线谱为复杂谱。称此射线谱为复杂谱。 天然放射性系列中，大多数核素放出的天然放射性系列中，大多数核素放出的射线是复杂谱。射线是复杂谱。 例如：铀系的镭衰变时放出的例如：铀系的镭衰变时放出的粒子粒子 ，能量为，能量为4.785MeV的约占的约占95%，4.602MeV的占的占5%左右，左右，4.33MeV的占的占0.01%。 通过认识铀系、钍系及锕系核素的通过认识铀系、钍系及锕系核素的、射线能谱，需要射线

47、能谱，需要理解天然放射性测量的主要对象和依据理解天然放射性测量的主要对象和依据（锕系总是与铀系共生，但锕系总是与铀系共生，但235U的的量很少，一般情况下，它对辐射测量的影响可以不予考虑量很少，一般情况下，它对辐射测量的影响可以不予考虑）。p 铀组的主要铀组的主要辐射体（辐射体（3个）：个）： 238U、234U、230Th，辐射的相对能量总和为辐射的相对能量总和为31.8%。 从教材从教材P2021中的表中的表1-5中可见中可见（表中表中粒子能量是指粒子能量是指平均加权能量平均加权能量）：p 镭组的主要镭组的主要辐射体（辐射体（5个）：个）： 226Ra（放出的（放出的粒子能量为粒子能量为4

48、.761MeV）；）； 222Rn（放出的（放出的粒子能量为粒子能量为5.482MeV ）；）； 218Po（放出的（放出的粒子能量为粒子能量为6.002MeV ）；）； 214Po （放出的（放出的粒子能量为粒子能量为7.687MeV） ； 210Po（放出的（放出的粒子能量为粒子能量为5.301MeV） ，以上辐射体，以上辐射体辐射的辐射的相对能量总和为相对能量总和为68.2%。 自学：铀系、钍系各自学：铀系、钍系各辐射体辐射的辐射体辐射的粒子能量是多少？所占相粒子能量是多少？所占相对能量比例是多少？对能量比例是多少？ （见（见表表1-5、表、表1-6） 下图为使用不同孔径滤膜采集的空气样

49、品，用金硅面垒探测器下图为使用不同孔径滤膜采集的空气样品，用金硅面垒探测器测得的测得的214Po（7.687MeV）和）和218Po（6.002MeV）的）的能量谱。能量谱。 根据根据能谱仪测能谱仪测得的能量峰，可以得的能量峰，可以确定样品中的不同确定样品中的不同核素，以及各单个核素，以及各单个核素的活度水平。核素的活度水平。cpm: counts per minute仪器常用单位：仪器常用单位： 天然放射性核素的天然放射性核素的射线谱是连续谱，能量变化可自零变化到射线谱是连续谱，能量变化可自零变化到某一最大值。某一最大值。 有时有时衰变形成的子核处衰变形成的子核处于激发态于激发态，子核从激发

50、态向基，子核从激发态向基态跃迁时可能产生内转换电子。态跃迁时可能产生内转换电子。内转换电子能量是单一的，所内转换电子能量是单一的，所以有时在以有时在射线的连续谱上会射线的连续谱上会出现单能电子峰。出现单能电子峰。 几个天然放射性核素的几个天然放射性核素的射线谱如右图所示。射线谱如右图所示。p 铀组的主要铀组的主要辐射体（辐射体（1个）：个）： 234Pa，其，其辐射能量总和占整个铀系核素辐射能量总和占整个铀系核素辐射辐射能量总和的能量总和的38.3%。 从教材中的表从教材中的表1-5中可见（中可见（表中表中粒子能量是指粒子能量是指最大能量最大能量）：）：p 镭组的主要镭组的主要辐射体（辐射体（

51、3个）：个）： 214Pb、214Bi、210Bi 自学：铀系、钍系各自学：铀系、钍系各辐射体辐射的辐射体辐射的粒子能量是多少？所占粒子能量是多少？所占相对能量比例是多少？相对能量比例是多少？ （见（见表表1-5、表、表1-6） 214Bi具有分支衰变，每百次衰变中平均有具有分支衰变，每百次衰变中平均有99.96次进行次进行衰变，衰变，0.04次作次作衰变，衰变，214Bi的的辐射能量总和占整个铀系核素辐射能量总和占整个铀系核素辐射能量辐射能量总和的总和的27.6% ，214Bi辐射的辐射的粒子粒子最大能量可达最大能量可达3.2MeV，是铀系中，是铀系中能量最大的能量最大的粒子粒子。p 铀系中

52、铀组核素的铀系中铀组核素的辐射相对能量总和为辐射相对能量总和为41%，镭组核素，镭组核素辐辐射相对能量总和为射相对能量总和为59%。 射线是放射性核素作射线是放射性核素作跃迁时放出的，处于不同能级激发态跃迁时放出的，处于不同能级激发态的放射性核素进行的放射性核素进行跃迁时，往往辐射出不同能量的跃迁时，往往辐射出不同能量的光子。光子。天然天然放射性核素在放射性核素在衰变后进行衰变后进行跃迁时常辐射出主要的跃迁时常辐射出主要的射线射线。p 铀组的主要铀组的主要辐射体（辐射体（3个）：个）： 238U、234Th、234Pa 从教材从教材P2021中的表中的表1-5中可见：中可见： 238U、234

53、Th放出能量较大的放出能量较大的射线分别为射线分别为0.029MeV、0.048MeV、0.064MeV和和0.093MeV，其中，其中0.093MeV的的射线是铀组中能量最高、辐射几率较大的主要射线是铀组中能量最高、辐射几率较大的主要射线。射线。 234Pa辐射的辐射的射线中能量为射线中能量为0.76MeV和和0.91MeV的的射线产生的几率较大。射线产生的几率较大。 总的看来：总的看来： 铀组放出的铀组放出的射线能量低，辐射几率小，其能量总和仅占铀系全射线能量低，辐射几率小，其能量总和仅占铀系全部部辐射能量总和的辐射能量总和的2%左右。左右。1、铀系的主要、铀系的主要辐射体及辐射体及射线谱

54、射线谱p 镭组的主要镭组的主要辐射体（辐射体（2个）：个）： 214Pb、214Bi 214Pb辐射出的辐射出的射线能量为：射线能量为：0.352MeV、0.295MeV、0.285MeV和和0.242MeV。这些能量分支。这些能量分支在低能在低能射线谱中很重要射线谱中很重要，其，其能量总和占整个铀系核素能量总和的能量总和占整个铀系核素能量总和的12.4%。其中，。其中，0.352MeV能量能量的光子辐射几率最大，是镭组的主要的光子辐射几率最大，是镭组的主要射线之一。射线之一。 214Bi是铀系中最主要的是铀系中最主要的辐射体，其辐射体，其辐射能量总和占整个铀辐射能量总和占整个铀系核素系核素辐

55、射能量总和的辐射能量总和的85%，它的主要，它的主要射线能量为射线能量为2.204MeV、1.76MeV、1.403MeV、1.378MeV、1.12MeV、0.769MeV和和0.609MeV。铀。铀系中能量大于系中能量大于1MeV的的射线都是射线都是214Bi产生的产生的。铀系的主要铀系的主要射线能谱序列图（射线能谱序列图（原始谱）原始谱）NaI(Tl)探测器探测器能谱仪获取的能谱仪获取的铀系铀系典型典型能谱曲线能谱曲线（仪器谱）仪器谱）E E脉冲幅度脉冲幅度V(tV(t) ) 道址数道址数 CH CH射线能量射线能量E（对应核素）：（对应核素）：射线照射量率（源的射线照射量率（源的射线强

56、度）：射线强度）：特征峰面积SX 2、钍系的主要、钍系的主要辐射体及辐射体及射线谱射线谱p 钍系的主要钍系的主要辐射体（辐射体（4个）：个）： 从教材从教材P22中的表中的表1-6中可见：中可见： 228Ac、 212Pb、212Bi 、 208Tl 228Ac主要的主要的射线能量为：射线能量为：0.908MeV、0.960MeV、0.338MeV和和0.129MeV。其中。其中0.908MeV射线是钍系主要射线是钍系主要射线之一。射线之一。228Ac的的辐射能量总和占整个钍系核素辐射能量总和占整个钍系核素辐射能量总和的辐射能量总和的26.2%。 212Pb放出能量为放出能量为0.239MeV

57、的主要的主要射线，一次衰变产生光子数射线，一次衰变产生光子数平均达平均达0.47（一次衰变放出该光子的概率为（一次衰变放出该光子的概率为47%），是钍系低能谱），是钍系低能谱段中的重要段中的重要射线。射线。 208Tl是钍系最重要的是钍系最重要的辐射体辐射体，其，其辐射能量总和占整个钍系核辐射能量总和占整个钍系核素素辐射能量总和的辐射能量总和的61%。主要。主要射线有射线有0.583MeV、0.511MeV和和2.62MeV，其中，其中2.62MeV的的射线能量最高，辐射几率又大，是钍系射线能量最高，辐射几率又大，是钍系很重要的特征很重要的特征射线射线。钍系的主要钍系的主要射线能谱序列图（原始

58、谱）射线能谱序列图（原始谱）NaI(Tl)探测器探测器能谱仪获取的能谱仪获取的钍系钍系典型典型能谱曲线能谱曲线（仪器谱）仪器谱） 在不成系列的天然放射性核素中，在不成系列的天然放射性核素中，40K在自然界中分布广、在自然界中分布广、克拉克值克拉克值（各（各种元素在地壳中的平均含量之百分数，又称种元素在地壳中的平均含量之百分数，又称元素丰度）元素丰度）高并且辐射出的高并且辐射出的射线能量射线能量较高（较高（1.46MeV），因此，在放射性），因此，在放射性方法勘查中，方法勘查中，40K起着一定的作用。起着一定的作用。 上图为上图为40K射线能谱射线能谱序列图（原始谱）、左图为序列图（原始谱）、左

59、图为NaI(Tl)探测器探测器能谱仪获能谱仪获取的取的40K典型典型能谱曲线能谱曲线（仪器谱）。仪器谱）。p 衰变基本规律推导：衰变基本规律推导： 由统计性，以放射源由统计性，以放射源总体总体考虑衰变规律：考虑衰变规律： tteNeNtN00 dttNtdN对上式分离变量后在等式两边积分，并考虑对上式分离变量后在等式两边积分，并考虑 t=0时时N(0)N0 有：有：引入引入比例系数比例系数，有：有： N(t)表示的是经过表示的是经过t时间后时间后未发生未发生衰变衰变的放射性原子核数目。的放射性原子核数目。dttNtdN)()(tt+dt 内发生的核衰变数目内发生的核衰变数目-dN(t)，应正比

60、与应正比与N(t) 和时间和时间间隔间隔dt，即满足：，即满足：假定：假定：设设t 时刻放射性原子核的数目为时刻放射性原子核的数目为N(t)，0N(0)N(t)ttdNt + dt 放射性衰变的统计规律，只适用于大量原子核的衰变，对放射性衰变的统计规律，只适用于大量原子核的衰变，对少数原子核的衰变行为只能给出概率描述。少数原子核的衰变行为只能给出概率描述。 指数衰减规律的另外一种形式，指数衰减规律的另外一种形式，)0(ln)(lnNttN 指数衰减规律是各种放射性指数衰减规律是各种放射性原子核原子核单独存在时单独存在时都遵守的普遍都遵守的普遍规律。规律。)0(ln)(lnNttNeeteNtN