核技术基础知识课件

CourseonNuclearTechnologyandit’sApplication（核技术及应用课程）P.J.Cheng（程品晶）SchoolofNuclearScienceandTechnologyNanhuaUniversity

核技术基础知识第二章核技术基础知识第一节现代原子结构第二节原子核的基本性质第三节放射性衰变第四节放射性衰变规律第五节核辐射与物质的相互作用第六节核辐射量度及其单位第七节核科学的基本工具与测量核技术基础知识原子核中子质子电子(电子云)+++第一节现代原子结构核技术基础知识现代原子结构核技术基础知识核素：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核素是原子核的一种统称核素质子数中子数质量数符号氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C核素及符号表示

核技术基础知识名称质子数中子数质量数举例同位素相同不同不同1H2H3H同中子素不同相同不同2H3He同量素不同不同相同3H3He其它：稳定核素和不稳定核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定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。同位素核技术基础知识实验发现:原子核内的质子+中子紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同).稳定原子核基本上类似与球体

原子核的半径R=r0A1/3

原子核半径常数

r0=1.2

10-15m=1.2fmA原子核的质量数例如：238U7.4fm1)原子核的大小R第二节原子核的基本性质核技术基础知识2)

原子核的质量电子me=9.1×10-31kg=5.48×10-4u=0.511MeV/c2质子mp=1.007276u=938.256MeV/c2中子mn=1.008665u=939.550MeV/c2原子核质量=原子质量—全部电子的质量

MN(Z,A)=Ma(Z,A)—Zme

忽略了电子的结合能（eV量级）

原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查)

原子核质量可以精确确定核技术基础知识3)核物质密度原子核中核子紧密挤在一起根据

=M/V计算核物质密度:

~2.3

1014g/cm3

1cm3

核物质2亿吨重!黑洞1018核物质1014中子星109白矮星105

水1密度比较g/cm3

核技术基础知识

天平为何倾斜?重轻4)原子核结合能和原子核稳定性核技术基础知识

质量亏损氦原子核（4He）由2个质子+2个中子构成

2个质子质量+2个中子质量=﹖原子核4He的质量

2x1.007276+2x1.008665-4.002603

ΔM(4He)=4.031882-4.002603=-0.029279u

ΔE(4He)=ΔM(4He)C2=27.27MeV亏损的质量转化为能量氦原子核的结合能是27.27MeV亏损的质量哪里去了?质能关系

E=MC2核技术基础知识

原子核结合能

定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量

原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定

表:比结合能(原子核结合能/核子数)核素比结合能

MeV核素比结合能

MeV核素比结合能

MeV2H1.11212C7.68235U7.593He2.57316O7.98238U7.574He7.0756Fe8.79最大

6Li5.33107Ag8.55

7Li5.61208Pb7.87

核技术基础知识

原子核平均结合能(比结合能)曲线1各原子核中，每个核子的平均结合能随质量数而变化

6-9MeV2中等重量的原子核的比结合能较大

释放能量途径:1）重核裂变

2）轻核聚合成原子核重核裂变轻核聚合核技术基础知识252Cfα自发裂变中子引起235U

裂变H原子核聚合

H的燃烧太阳能

释放能量举例核技术基础知识例：估算裂变释放的能量

n+235U

(236U)X+Y+E假设裂变成质量相等的两块质量数各约为118

235U核子平均结合能7.6MeV

质量数为118的原子核平均结合能8.6MeV

两者平均结合能差

1MeV230多个核子总的E=200MeV!比较:

裂变能n+235U

X+Y+E200MeV

化学能

C+O2

CO2+

E

4ev

汽油与氧的爆炸，一个分子释放40-50eVTNT爆炸自身释放能量，每个分子30eV核技术基础知识+++++++++从母核中射出的4He原子核

粒子得到大部分衰变能238U

4He+234Th放射性母核!!基本衰变——

衰变第三节放射性衰变A≥200核技术基础知识

衰变——241Am

237Np核技术基础知识+++++++++发生原因：母核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，并且带走一个单位的负电荷+中微子－反中微子

三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能量基本衰变——

衰变核技术基础知识基本衰变——

衰变（动画）核技术基础知识

衰变——3H

3He核技术基础知识正衰变——11C

11B核技术基础知识

质子变成中子X射线电子俘获核技术基础知识电子俘获——7Be

7Li核技术基础知识+++++++++－反中微子

光子基本衰变——

衰变核技术基础知识基本衰变——

衰变

衰变特点：1、从原子核中发射出光子2、常常在或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4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类类别核技术基础知识

衰变——3He*

3He核技术基础知识α

衰变β-

衰变β+

衰变

衰变核技术基础知识半衰期(T1/2)定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来的一半所需要的时间。时间t(T1/2)012345n放射性原子核数目N0N0/2N0/4N0/16N0/32N0/64N0/2n经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1/2n第四节放射性衰变规律核技术基础知识半衰期核技术基础知识放射性衰变基本规律

1指数衰减规律

N=N0e-t

N0:（t=0）时放射性原子核的数目N:经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目

:放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关;

数值越大衰变越快N=N0e-t核技术基础知识第五节核辐射与物质的相互作用1.0086650n中子1.007276+1p质子00

5.486×10-4

±1e±

β

4.00279+24Heα质量

(u)电荷（e)符号种类

α

β核辐射的基本性质核技术基础知识一核辐射与物质的基本作用

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。原子。。。αβγn

物质：气体液体固体包括人体等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递库仑作用1电离作用

2电离效应核技术基础知识二带电粒子与物质的作用

核技术基础知识自由电子正离子α+靶原子→正离子

+电子

+α

4He+Ar→Ar+

+e-+4He物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子

+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用核技术基础知识α

射线与β射线电离效应比较

α射线

β射线径迹粗直细弯

α

电离作用强电离作用严重产生离子对数目多

电离作用

Z1Z2/v2

Z1

入射粒子原子序数

Z1

靶粒子原子序数

v入射粒子速度

实验结果核技术基础知识α粒子径迹是一条直线

5.3MeVα粒子在空气中的射程3.83cm电子径迹是折线核技术基础知识轫致辐射（bremsstrahlung)原子核

高速带电粒子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。核技术基础知识

电磁辐射谱

小能量高E=h,=c/

大能量低三γ射线与物质的作用核技术基础知识核技术基础知识γ射线是波长很短能量高的电磁辐射（

﹤

10-11米，keV，MeV），来自原子核γ衰变,

不带电，静止质量0

。1γ射线是什麽？

能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级带电粒子，可以对物质发生电离作用。能量E=hν）动量p=hν/c核技术基础知识2γ射线对物质的电离作用两步过程三种作用效应

光电效应康普顿效应电子对效应

产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用核技术基础知识光电效应

自由电子

作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。

γ+A

A*+e-

（光电子）

原子

A+X射线原子受激原子核技术基础知识

电子对效应能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。

M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

1.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ1.02MeV为什麽？能量转化成质量M=E/C2核技术基础知识康普顿－吴友训效应（Compton--Wueffect)

当光子与物质原子中的一个电子发生弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿－吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5--1.0MeV时，该效应比较明。核技术基础知识正电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

质量转化为能量转化效率(100%）

γ

γ核技术基础知识γ射线通过介质时由于同物质的作用,γ光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对γ射线的吸收。

I(x)=I0e-μx

厚度X

I0四γ射线的吸收I

实验发现：γ射线强度随通过介质层厚度增加而减小，服从指数衰减规律。

核技术基础知识

指数衰减规律μ指数衰减因子线性吸收系1）γ射线能量高μ值小2）原子序数高μ值大I(x)=I0e-μx能量（MeV)

铅（Pb)cm-1

铝（Al）cm-10.61.60.21.00.80.182.00.50.1铅和铝吸收系数核技术基础知识γ射线强度减弱1/2

所通过物质层的厚度

γ射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。

半吸收厚度单位：cm物质层厚度0I/I

半吸收厚度(d1/2)核技术基础知识

αβγ对物质电离作用的比较

2MeV射程(m)离子对密度/mmα0.016000β2-360

γ10几个核技术基础知识1MeV的粒子穿透物质能力

α1页

β60页/本

铅地下1-2米深铅室γn4580本中子源核技术基础知识αβγ射线穿透物质能力αβγ射线穿透人体皮肤情况

核技术基础知识中子不带电不能直接使原子电离但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应1）与H原子核的弹性碰撞传递能量质子跑出来中子被慢化

n+H→n+p

第一步打出质子（载能）第二步质子引起物质电离慢化剂:轻水(1H2O)

重水(2D2O)五中子与物质的作用nHnnp电离核技术基础知识2）中子核反应例如(n,p)反应

n+14N→14C+p

第一步核反应产生质子第二步质子对物质产生电离作用np电离14N14C

人体有大量H和N原子中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害12核技术基础知识

电离辐射直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子(能量﹥keV)α、β、γ、x、n、p、裂变碎片

介子等

来源

1)放射性物质(人造天然）2)加速器3)反应堆4)宇宙射线5)地球环境

电离辐射和非电离辐射非电离辐射紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应～eV量级移动电话800-1800MHz﹤0.01eV(没有电离作用）核技术基础知识1原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量，既可造福人类，也可能对环境和人类产生危害。2核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递的过程；没有能量和动量传递就没有作用。3通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会对物体产生一系列的影响，人体也不例外。小结核技术基础知识第六节核辐射量度及其单位核技术基础知识1.放射性活度（activity,A)定义：放射性核素在单位时间(dt)内发生核衰变的数目(dN)

A=dN/dt单位：

SI:Becquerel(Bq)1Bq=1s-1

居里1Ci=3.7×1010Bq

核技术基础知识2.吸收剂量（absorbeddose,D)定义：授予单位物质(dm)（或被单位物质吸收）的任何致电离辐射的平均能量（dE)。单位：

J/kg1J/kg=1Gy（戈瑞）

1Gy=100rad（拉德）核技术基础知识吸收剂量1戈瑞（1焦耳/千克）时的能量效应

1）水温升高（比热4.2×103J/千克度）

1kg水物质吸收剂量1Gy

水温度上升1/（4.2×103）=2.4×10-4C°2）转化为物体的动能

mD=(1/2)mv2

运动速度v=1.4m/s3)转化为物体的势能

mD=mgh上升高度

h=0.1m剂量——实际上是单位物质吸收电离辐射能大小的一种量度核技术基础知识定义：组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积。3.当量剂量（equivalentdose,HT)单位：焦耳/千克专用名称：Sievert,Sv（希沃特）

1Sv=1J/kg核技术基础知识辐射权重因子

(Radiationweightingfactor,WR)

辐射类型能量范围WR光子电子和介子中子质子（反冲质子除外）Α粒子，裂变碎片，重核所有能量所有能量能量＜10keV10-100keV＞100keV-2MeV＞2-20MeV＞20MeV能量＞2MeV1151020105520核技术基础知识组织权重因子（tissueweightingfactor，WT）

组织或器官组织权重因子WT睾丸红骨髓结肠肺胃膀胱乳腺旰食道甲状腺皮肤骨表面其余组织或器官0.200.120.120.120.120.050.050.050.050.050.010.010.05核技术基础知识4.有效剂量（effectivedose,E)定义：各组织或器官的当量剂量（HT）与相应的组织权重因子（WT）的乘积的总和。意义：定量评价随机效应的危险度单位：Sv（希沃特）核技术基础知识例：

某人骨表面接受0.3Sv的剂量当量，而另一个人骨表面受0.2Sv的照射，同时肝脏又受到0.1Sv的照射，哪个人危险更大些？核技术基础知识放射性活度(A)

吸收剂量(D)

剂量当量(H)

有效剂量（E）

吸收剂量(D)1戈瑞=1焦耳/千克1Gy=1J/kg放射源活度(A)

1贝克=1次核衰变/秒

剂量当量(H)有效剂量（E）

1希沃特=1焦耳/千克三者意义和区别任何物质有机体核技术基础知识小结剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。不同种类、能量的核辐射，对生物体造成的辐射损伤不同。辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行估算。核技术基础知识第六节核科学的基本工具与测量核技术基础知识1观测和研究事物的工具

工欲善其事,必先利其具。核技术基础知识望远镜1608年荷兰出现伽利略发现全新宇宙景象：木星有卫星、月球上有山脉、太阳上黑子、金星有转动周期。支持哥白尼日心理论显微镜

1650年代荷兰列文虎克制造出放大200倍显微镜，看见了：细菌、红血球、肌肉的条纹结构、血液在毛细血管中流动等。一滴久置的雨水中发现有250万个微生物在浮游。1673向英国皇家协会报告会员们不相信，认为是骗子，派人亲自登门观察，在事实面前承认是了不起的发现英国国王和俄国彼得大帝拜访列文虎克并观看了神奇的显微镜。将人们注意力引向微小世界。核技术基础知识

放射源

2卢瑟福“看”原子探测器光源：载能粒子束观测物体：出射粒子眼睛：探测器背散射粒子核技术基础知识“看”未知图形12核技术基础知识卢瑟福用

粒子轰击金原子，发现了原子核，看到了原子核的大小，建立了原子太阳系。利用粒子束轰击耙粒子，观测经过相互作用后出射粒子所载有的信息，可以推知耙粒子有关情况。核技术基础知识

探针粒子的波长应小于观测物体的尺度即：物体越小，所需粒子的能量越高。被看物体大小探针粒子的能量原子10-10

米10eV（电子）高倍电子显微镜原子核10-14

米107eV（

）卢瑟福实验核子10-15

米108eV（电子）加速器对撞机夸克？10-18

米﹥﹥109eV（电子）对撞机

看微观小物体对显微镜的要求核技术基础知识

4加速器显微镜核技术基础知识1.加速器人工产生高能量带电粒子束的机器2.反应堆：可控裂变反应炉

（第2章）4.辐射探测器（荧光屏+眼睛）感知放射性存在传感放射性信号5.电子学和计算机放大变换传输控制记录分析核过程信息

核科学中的基本仪器和设备3.放射源6.其他核技术基础知识

加速器在核科学中的地位1.加速器是核科学最重要的工具之一，1932年前人们只是用天然的

粒子进行核反应，例如卢瑟福1919年发现第一个核反应。现在利用天然

粒子进行核反应早已成为历史。2.现在加速器不仅可以提供更高能量的粒子，而且周期表中从H-U绝大多数元素粒子都可加速;1980年代后加速放射性粒子，6He17N等3.对探索原子核起了关键作用，可以说，没有加速器不可能有今天的核物理，不可能有今天的核科学,不可能有核技术的广泛应用。核技术基础知识入射粒子与靶物质作用后产生的粒子或射线探测和分析这些出射粒子可获得核过程信息。1离子源2加速聚焦3偏转4靶物质加速器人工方法产生高能量带电粒子束的机器5加速器基本结构和工作原理

基本要求和功能1提高带电粒子的能量2增加带电粒子束的强度3使粒子束同靶物质作用4带电粒子在真空管道中行进产物核技术基础知识两种类型加速器直线型圆环型核技术基础知识高压直线加速器离子源电场靶物质抽真空探测器做实验能量E=qV+世界上第一台高压倍压加速器1932年核技术基础知识静电加速器球形电极

能量

E=qV+E0直流电源靶物质离子源出射粒子

北大4.5MV

单级静电加速器V核技术基础知识北大4.5MV单级静电加速器核技术基础知识串列静电加速器+V-q1

加速负离子+q2

加速正离子⊙⊕

出射粒子能量E=∑Vqi+E0

若q1=1e,q2=ne则E=V(n+1)e+E0例如：V=1.5MV,n=2,E0=28keV

则E=(2+1)x1.5+0.28=3.28MeV⊙-q1

负离子

开关磁铁靶室偏转磁铁负离子源E0高电位E1=q1VE1=q2V低低电子剥离器核技术基础知识北大2×1.7MV串列静电加速器

北大2×6MV串列静电加速器核技术基础知识6为什麽需要对撞？

EF∝（E入射）1/2

EF

=

2E入射

固定靶

对撞束有效能量(EF):假若入射粒子能量E入射增大100倍固定靶

10倍（消耗于靶粒子反冲）对撞束200倍！对撞可以更多地提高粒子有效能量E入射E入射E入射核技术基础知识E=MC2更高能量的粒子用于探索粒子内部和产生新粒子

质量和能量是等价的，粒子载有的能量可以转化成质量，产生许多粒子。高能电子e+e-→

+