第一章：核科学基础知识教材

第一章核科学基础知识

苏州大学放射医学与防护学院

万骏

2014年8月第一节原子与原子核

第二节核衰变

第三节天然放射性核素第四节放射性核素衰变规律主要内容第一节原子与原子核物质由分子组成分子由原子组成原子由原子核和核外电子组成每一种原子对应一种化学元素(Z一定)原子核由中子和质子组成物质结构定义：组成物质的微小单元构成：原子核+核外电子原子原子结构模型原子模型

类似太阳系太阳-原子核行星-核外电子组成：质子+中子数目：Z个质子，N个中子质子电荷：+e原子核电荷：+Ze中子电荷：不带电原子核原子电中性：整体对外表现出来的电荷为0核外电子数：等于核内质子数Z原子核外电子数质量单位：质子质量：1.007276u中子质量：1.008665u电子质量：1/1836u原子质量原子质量数原子质量：原子质量数：A电子：e=1.602×10-19Cme=9.019×10-31kg原子核

原子中的全部正电荷和原子的绝大部分质量(99.9%都集中在原子中心一个很小的区域内,称作原子核.

原子核的大小～fm,1fm=10-15m.

原子的大小为10-10m原子与原子核的大小原子大小：原子核半径：

阿伏加德罗常数

1mol单原子物质的质量：比如：1克氢气、60克60Co，197克黄金均含有相同的原子数NA原子核密度核密度：不可压缩性：密度为常数能量单位：国际单位焦尔,1J原子能单位：1eV=1电子伏特

=1.6×10-19J派生单位：1keV=103eV,1MeV=106eV能量及其单位原子核质量亏损：所有原子核都有正的质量亏损。原子核结合能：原子核质量亏损质能关系质量亏损对应放出能量：1克质量完全转化为能量：1014J相当于2412吨标准煤燃烧思考：核电与火电的能量密度差异？核素的表示

原子核由中子和质子组成，中子不带电，质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子统称为核子，数目以A表示，A称为核子数或质量数，核中质子数记为Z，中子数记为N。常用如下形式表示一个原子核：质量数A质子数Z中子数N元素符号X核素：质子数、中子数和能量状态相同的原子核的总称。核素图核素图（部分）在核素图上表示的不同种类的原子核

稳定线核素的种类人类已经发现了2000多种核素有近300种核素是稳定的，其余都是不稳定核素同位素：如1H、2H、3H，

12C、13C、14C

39K、40K、41K

234U、235U、238U同量异位素：

40Ar、40K、40Ca放射性

原子核自发地放射出某种粒子或射线的现象，称为放射性。

放射性不受物理、化学等环境条件的影响，是原子核的内在特征。放射性的发现1896年贝可勒尔（H.Bequerel）发现铀矿能发射出穿透力很强的不可见射线，并使照相底片感光。射线在电场中的偏转射线在磁场中的偏转放射性种类

：在电/磁场中偏转，与带正电荷离子流相同；：在电/磁场中偏转，与带负电荷粒子流相同；：在电/磁场中不偏转，电中性。

：2He2

原子核；：电子；：光子，电磁波；n:中子，在电磁场中不偏转第二节核衰变放射性来源于原子核的衰变：放射性的来源不稳定的核素

衰变稳定的核素衰变类型衰变衰变衰变

－衰变

＋衰变电子俘获EC跃迁内转换ICα衰变原子核自发地放出α粒子而发生的转变例如：α衰变的表达式与守恒量一般衰变表达式：衰变能与α粒子动能α粒子特征 能量：一般来说，α粒子能量

4-8MeV，能量单一。 穿透能力：非常弱，在空气中的射程约几厘米。在固体材料中的射程10-20微米。一张薄纸就能挡住。 重核才具有α衰变（A>150）常见的α衰变源

源

能量

空气

自身材料210Po：5.3MeV3.84cm0.002cm238Pu：5.445,5.499MeV4.1cm0.002cm241Am：5.443,5.486MeV4.1cm0.002cmβ衰变原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变β衰变β-衰变放射出电子：β+衰变放射出正电子：俘获轨道电子：衰变能与β粒子动能衰变能：衰变能的分配：β粒子中微子反冲核β衰变特点电子：放出的射线是电子能量连续：从很低能量到接近衰变能穿透力不强：纸张，铝箔伴随粒子：中微子，穿透力极强！韧致辐射：屏蔽材料选择+e：对于正电子，存在电子对效应质量数守恒：衰变过程中，质量数A保持不变常用的β放射源低能源：55Fe(5.6keV),3H(18.5keV),

63Ni(65.8keV)中能源：14C(156keV),147Pm(224keV),

204Tl(763keV)高能源：32P(1710keV),89Sr(1460keV),

106Ru-106Rh(3541keV)γ跃迁原子核从高激发态到低激发态跃迁时，放出光子的过程γEiEfγ跃迁特点γ跃迁中原子核只是能量状态的转变γ跃迁中原子核的质量数和电荷数保持不变

能量从几十keV到几个MeVγ放射源一般伴随着α、β粒子的发射。中子组成原子核的粒子不带电穿透力极强，屏蔽困难生物损伤大137Cs

衰变纲图661.6685.0%e9.6%30.17y0661.662.55m11/2

3/2

7/2

0

511.694.6%9.6

1173.25.4%12.160Co的衰变1.17MeV60Co5.3a1.33MeV60Ni辐射类型静止质量(u)电荷(e)能量(MeV)α4+24～8β1/1840±10.01～3γ忽略不计00.01～10特性：α射线是重带电粒子射线，与物质作用电离本领大，在物质中射程短；β射线是轻带电粒子射线，与物质作用是直接电离，射程比α射线长；γ射线是光子（电磁波）射线，与物质作用是间接电离，射程在三种射线中最长。比较α、β和γ辐射

活度定义活度：一个放射源，在单位时间内衰变的原子核数目。用于衡量放射性的强弱。放射源质量的多少不能用于衡量放射性的强弱。射线强度：单位时间内放射出的某种射线的数目。对于有些放射源，活度与射线强度相等，有些放射源，活度不等于射线强度。比活度：放射源单位质量的活度。用于衡量放射源的纯度。活度单位放射性活度的国际单位为Bq(贝可勒尔)1贝可：1Bq=1次衰变/秒强度单位：1Bq=1个射线/秒常用旧单位：居里Ci

1Ci=3.7×1010Bq1mCi=3.7×107Bq1uCi=3.7×104Bq比活度单位：Bq/kg,Ci/kg比活度理论最大值一个放射源，如果由纯的放射性原子核组成，它的比放射性有一个理论最大值：

比如60Co：

4.2×1016

Bq/kg(1.23×106Ci

/kg)实际：1014-15

Bq/kg(104-105Ci

/kg)第三节天然放射性核素天然放射性天然放射性核素分成两大类：一类是宇宙射线的粒子与大气中的物质相互作用下产生，主要有14C，3H另一类是地球形成时就已存在的核素和它们的衰变产物，如238U，235U，232Th锕三个放射系（其中Rn的危害最大）和40K，87Rb（87铷）原生放射性核素地球形成以来就有的放射性核素-称为～.连续的放射性衰变系列通称放射系.地壳中存在三个天然放射系.母核半衰期都很长,~109年,与地球相近.三个天然放射性系:钍系、铀系和锕系.钍系从232Th开始，经过十次连续衰变，最后到稳定核素208Pb。母体232Th的半衰期为1.41×1010年。子体半衰期最长的是228Ra，为5.76年。核素衰变方式半衰期粒子能量（Mev）（分支比）

232Thα

1.41×1010y

4.01(76),3.95(24)

228Ra

β5.76y0.048(70),0.024(30)

228Ac

β6.13y1.19(35),1.76(20)2.10(13),0.62(6)

228Th

α1.931y5.42(71),5.34(28)

224Ra

α

3.661d

5.684(95),5.45(5)

220Rn

α55.6s6.29(99.9),5.75(0.07)

216Po

α0.15s6.77(100)

212Pb

β10.64h0.34(81),0.58(14)

212Bi

β,α60.6minβ2.25(54),1.25(5)α6.05(25),6.09(10)

212Po

α3.0×101-7s8.78(100)

208Tl

β3.053min1.80(49),1.29(24)1.52(23),1.04(4)

208Pb稳定钍系铀系从238U开始，经过14次连续衰变，最后到稳定核素206Pb。母体238U的半衰期为4.468×109年。子体半衰期最长的是234U，为2.45×105年。核素衰变方式半衰期粒子能量（Mev）（分支比）

238Uα

4.468×109y

4.20(75),4.15(25)

234Th

β24.10d0.19(81),0.10(19)

234mPa

β1.175min1.29(98)

234Pa

β6.75h0.51(66),0.23(14),0.73(11),1.02(7)

234Uα

2.45×105y

4.77(72),4.72(28)

230Thα

8×104y

4.68(76),4.62(23)226Raα

1600y

4.78(94),4.598(5)

222Rnα

3.824d5.486(99)

218Po

α,β3.05minα6.00(99.98),β0.27(0.02)

214Pb

β26.8min0.69(42),0.74(36),1.03(6)212Biβ,α19.7minβ3.28(20),1.51(18),1.55(15),α5.45,5.511(0.02)214Poα

1.64×10-4s

7.688(100)210Tlβ

1.30min

1.9(56),1.3(25),2.3(19)210Pbβ

22.3y0.017(81),0.063(19)210Biβ

5.01d1.160(99+)210Poα

138.4d

5.305(100)206Pb稳定铀系从235U开始，经过11次连续衰变，最后到稳定核素207Pb。母体235U的半衰期为7.038×108年。子体半衰期最长的是231Pa,为3.28×104年。锕系核素衰变方式半衰期粒子能量（Mev）（分支比）

235Uα

7.03×108y

4.396(57),4.37(18)…

231Th

β25.52h0.30(46),0.22(27)…

231Paα

3.28×104y

5.01(24),5.02(23),4.95(22)

227Ac

β,α21.773dβ0.044,…(98.6),α4.95(0.7),4.94(0.5)

227Thα

18.718d6.03(25),5.976(23),5.755(20),…223Fr

β21.8min1.10,…

223Raα

11.435d

5.71(53),5.605(24),5.745(9),5.538(9),…

219Rnα

3.96s6.817(81),6.551(12),6.423(7),…

215Poα

1.78×10-3s

8.384(100)211Pb

β36.1min1.37(92),0.53(6),…

211Bi

α,β2.15minα6.62(84),6.28(16)….β0.59,…(0.3)

211Poα

0.516s7.45(99),6.89(0.5),…

207Tl

β4.77min1.43(99)

207Pb稳定锕系天然放射系铀系（238U）锕系（235U）钍系（232Th）镭（226Ra）镭（223Ra）镭(228Ra,224Ra)氡（222Rn）氡（219Rn）氡（220Rn）短寿命子体(218Po,214Pb,214Bi)短寿命子体(216Po,212Pb,212Bi)终止核素(206Pb)终止核素(207Pb)终止核素(208Pb)第四节放射性衰变规律核数目的衰变规律放射性原子核数目随时间的变化关系：

衰变常数：

在单位时间内每个原子核的衰变几率。222Rn衰减曲线-直角坐标衰减曲线-对数坐标活度衰变规律活度与源数目、衰变常数的关系半衰期T1/2定义：放射性原子核衰减到原来数目的一半需要的时间。半衰期与衰变常数的关系：实例1、已知137Cs的半衰期为30年，目前的活度为

100万Ci，求90年后活度为多少？2、已知60Co的半衰期为5.27年，目前的活度为

100万Ci，估算15年后的活度为多少？3、求1Ci的60Co所含的原子核数目与核质量。4、求纯60Co的理论上的比活度？5、制得137Cs放射源，137Cs的质量仅有1毫克，求放射性活度？

原子核衰变往往是一代又一代地连续衰变，直到最后达到稳定为止，这种衰变叫做递次衰变。举例：母体子体第二代子体递次衰变递次衰变中原子核数目和放射性活度的变化关系

t时刻的原子核数目N1N2N3母体子体第二代子体半衰期T1T2衰变常数λ1

λ2

0时刻的原子核数目N1000ABC母体A原子核数目的变化服从原子核衰变规律：子体B的核数目变化情况：各代子体原子核的衰变，不再是简单指数规律，而与前面各代衰变常数都有关。子体B的原子核数目随时间的变化：在连续放射性衰变中：

母体原子核的衰变，服从简单的指数衰减规律；有三种情况：长期平衡暂时平衡不平衡问题：

在递次衰变链中，时间足够长后，子体的衰变规律会出现什么情况？

T1>T2

或者

1<

2，但是T1也不是很大，在观察时间内可以看出母体放射性的变化。12.6h0.81h例如：暂时平衡母体放射性活度：子体放射性活度：

当T1>T2

或者

1<

2

，如：2.

母体、子体、母子体均按照母体的衰减常数（半衰期）衰减。与子体的衰减常数无关。暂时平衡子体与母体的放射性活度建立起固定的比例关系

（常数）：12.6h0.81h母体放射性活度子体放射性活度子体单独存放时的活度母子体的总放射性活度长期平衡T1≫T2或者

1≪

228.8y64.1h例如：条件：

根据子体B的原子核数目随时间的变化，

由于

1≪

2，当t足够大时(t>5T2)，

即：

时间足够长，子体母体之间出现长期平衡，子体的放射性活度与母体相同，达到饱和。子体单独存放时的活度子体放射性活度母体放射性活度母子体的总放射性活度

不成平衡T1<T2，

1>

2，母体衰变比子体快。例如：25.0m8.04h条件：

根据子体B的原子核数目随时间的变化，当时间足够长，母体几乎全部衰变，转变成子体，子体按照自己的衰变常数衰变，子体母体之间不会出现平衡。

当t足够大时，核反应的基本概念定义：原子核与原子核、或者原子核与其他粒子之间相互作用引起的各种变化表示：概念：入射粒子、靶核，出射粒子、剩余核反应道发生反应的一个途径，称为反应道，如：入射道、出射道：核反应中的守恒量电荷质量数能量动量角动量宇称反应能核反应中释放出来的能量称为反应能反应能的来源：质量亏损放能反应：Q>0，吸能反应：Q<0如：反应截面与产额反应截面定义：截面单位：靶恩(b)1b=10-24cm2反应产额定义：平均每个入射粒子引起的反应数反应产额与靶材料状态有关核反应类型低能核反应：30MeV/A高能核反应：

1000MeV/A中子核反应：

(n,γ),(n,p),(n,2n)带电粒子核反应：(p,n),(d,n),(,pn)光核反应：(γ,n),(γ,p)重离子核反应：实现核反应的方法加速器反应堆放射性同位素宇宙射线七、核裂变与核聚变核裂变是一个大原子核分裂成两个或者多个中等质量原子核的变化。二分裂变（占主要）三分裂变（少部分，0.3%）核裂变的基本概念原子核自发产生的裂变，如：252Cf：T1/2=2.6a裂变中子源254Cf：

T1/2=60.5d238U：T1/2=1×1016a235U：T1/2=3.5×1017a242Am：T1/2=9.5×1011a自发裂变由中子轰击才能引起的核裂变，如：诱发裂变如果出射粒子也是中子，称为中子与原子核的散射。弹性散射：散射后系统总动能不变（n，n）,σn非弹性散射：散射后系统总动能减少（n，n’）,σn’辐射俘获：出射粒子是γ射线（n,γ）,σc慢中子及中能中子与核作用，主要以弹性散射、辐射俘获为主。裂变：σf中子与核的作用不同能量的中子，引起的裂变几率不一样。对于238U，存在一个阈能，只有中子能量大于阈能时，才能引起裂变。对于235U，热中子就可以引起裂变，且有较大截面。中子能量高时截面反而小。0.025eV2MeV235Uσf=583bσc=98bσf=1σc=0.1b238Uσf=σc=2.7bσf=0.5σc=0.1b截面与中子能量关系热中子就可以引起裂变的核素，称为易裂变核，又称核燃料，如

233U、235U、239Pu。快中子才能引起其裂变的核素，称为可裂变核，如238U。核燃料裂变产物是指核裂变后产生的所有裂变碎片及其衰变产物。中子、γ射线、β粒子、中微子，以及其他带电粒子等如α粒子，是上述碎片衰变时放出的粒子。对裂变产物及其分布的研究，对于反应堆的设计、运行、控制，对乏燃料的处理处置等均具有重要的意义。裂变产物235U裂变初级碎片元素符号半衰期氢1H212.26a氪36Kr4910.7a锶38Sr5228a钇39Y5259d锆40Zr5565d钌44Ru5939.5d44Ru62368d235U裂变初级碎片（续）核素符号半衰期碲52Te759.4h，105d碘53I788d氙54Xe795.2d铯55Cs8230a铈58Ce86285d钷61Pm862.65a钐62Sm8987a235U主要裂变产物核素裂变产额(%)半衰期说明85Kr0.310.8a气体，长半衰期89Sr4.851d90Sr5.828a长半衰期95Zr6.255.5d131I3.18.05d挥发性133Xe6.65.27d气体135Xe6.39.1h中子吸收截面大137Cs6.230a长半衰期144Ce6.0285d147Pm2.02.64a长半衰期裂变产物特征及影响具有强烈放射性，携带能量（热量）个别产物释放中子有些产物对中子有强烈吸收有些产物是气体对反应堆安全、静特性、动特性有重要影响。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，称为裂变能，俗称原子能。裂变能来源：质量亏损裂变能235U裂变能及分布能量形式数量（MeV）粒子射程能量沉积处裂变碎片动能168~0.001cm燃料内裂变中子动能510~100cm慢化剂内瞬发γ能量7~1m反应堆内缓发γ能量7~1m反应堆内β衰变能量81~10mm主要在燃料内中微子能量12∞反应堆外合计2071次裂变，在堆内约200MeV1克铀235完全发生核裂变后质量亏损：

1克铀235完全发生核裂变后放出的可用能量：相当于2.5t标准煤裂变能具体计算（1）1000MWe核电站每天消耗235U：相当于标准煤：8000t裂变能具体计算（2）压水堆核电站示意核聚变轻原子核结合生成较重原子核的反应，称为核聚变。最重要的聚变反应：聚变能1克氘完全聚变放出的能量：受控热核反应：人类解决能源问题的希望中国环流器二号A装置建成投运，物理实验取得重大进展，中国成为国际聚变技术研究的一员。核聚变实验装置生长规律假设单位时间内生长的核数目为P，放射性活度随时间的增长为：生长曲线放射性核素活度

随生产时