核电厂辐射防护1

核电厂辐射防护

学习本课程的目的凡与辐射有关的人员都必须正确掌握关于辐射和辐射对人的影响及其防护方法方面的基本观点和知识。做一个“知情人”本课程主要内容辐射基本概念辐射监测基本方法辐射防护基本方法核电厂辐射防护相关知识第一章：辐射基本概念物质结构

物质以三种物理状态存在：固体、液体和气体。一切物质都是由若干种被成为元素的简单物质组成。元素是化学方法不能将它分解成更简单的物质。一共有92种天然元素，如氧、碳、铁等，12种以上人工生产的元素，如钚、镎、锎等。化合物是由两种或两种以上的元素按照一定比例化学结合而成。例如水（H2O）是由两个氢原子和一个氧原子组成。物质结构原子和原子结构

自然界中，所有物质都是由分子组成的，而分子则是由更小的微粒原子组成的。

原子半径：10－10m左右原子质量：氢原子质量1.6773×10－24g鈾原子质量3.915×10－22g

物质结构原子组成：原子核:质子（带正电1.6725×10－24g）中子（不带电1.6749×10－24g）核外：电子（带负电9.1095×10－28g）原子好像一个太阳系，原子核是“太阳”，轨道电子是“行星”，在直径为10－10米的空间内，绝大部分是空虚无物的。组成原子核的质子和中子在核内不是简单的堆积在一起，而是以某种方式不停地运动，因此，同一质子数和中子数所组成的原子核，有核能量状态的区别。物质结构核外电子排列规律：

核外电子运行轨道以壳层模型排列，每个壳层有一定数目的轨道，每个轨道上只能有一个电子运行。在不同壳层的轨道上运行的电子具有不同的能量，靠核最近的电子受原子核束缚最紧，位能最低。距核越远的壳层电子受原子核束缚程度越小，位能越高。物质结构原子和原子结构原子质量单位：碳－12原子质量的十二分之一，记为u，又称碳单位。

物质结构原子和原子结构碳单位表示的几种粒子质量名称符号原子质量单位（u）电子e0.0005486质子p1.007277中子n1.008652物质结构原子序数和原子质量数

原子序数：原子核中质子的数目，用符号Z表示。原子序数确定了原子的化学特性，也确定了元素。原子质量数：原子核中质子数和中子数之和，也称质量数，用符号A表示

不同元素的表示符号：

比如：氦－4表示为，碳－12原子表示为物质结构同位素和核素

同位素：含有相同质子数、不同中子数的原子称为同位素，它们在元素周期表上占有相同的位置。

物质结构同位素和核素

同位素中各核素核外具有相同的电子数和结构，因此它们的化学性质几乎相同，但它们的核性质的差别可能很大。氢同位素含有核素（天然风度为99.985%，指自然界中每100个原子氢同位素中有99.985个），即氘，通常记为D（天然丰度为0.015%）与即氚，记为T。和是稳定的核素，而却能发射β射线。

物质结构同位素和核素

碳同位素有（丰度98.90%）,(丰度1.10%)和（丰度1.2×10－10%

），其中是不稳定的β放射性核素。铀同位素中有核素（丰度0.005%）,(丰度0.720%),（丰度99.275%）等，都是α放射性核素，核素、是可直接用作原子弹的材料，但则不行。物质结构同位素和核素

核素：通常把具有相同质子数Z、中子数N的一类原子（核）称为一种核素，即核素是指任一种元素的任一种同位素。某一种元素有多少种同位素就有多少种核素。稳定核素不稳定核素（放射性核素）物质结构原子核的结合能

能量单位：电子伏特eV1eV为一个电子在真空中通过电位差为1V的电场时所获得的能量。与国家标准所规定的能量单位焦耳（J）之间的关系：1eV=1.6022×10－19J其它常用单位：千电子伏特（keV）兆电子伏特（MeV）十亿电子伏特（GeV）物质结构质量和能量的相互关系

爱因斯坦的质能关系式：

E＝mc2式中：E为物体的总能量；

m为运动物体的质量，称为动质量；

c为光在真空中的传播速度。

物质结构质量和能量的相互关系

考夫曼证明，运动物体的质量随其运动的速度变化而变化，即：其中：

m0为物体静止时具有的质量，称为静质量；

v为物体运动的速度。物体静止时具有的能量称为静质量能。任何一定质量的物体都具有相应的能量，即使它的运动速度为零其总能量也不为零。

物质结构质量和能量的相互关系根据质能关系式，1g物质的静质量能为：8.8974×1013J一个原子质量单位的物质的静质量能为：931.5Mev几种粒子的静质量和静质量能

名称符号原子质量单位（u）静质量能（MeV）电子e0.00054880.511质子p1.007277938.2797中子n1.008665939.5731物质结构质量和能量的相互关系

光子（射线）没有静止质量，其动质量表示为：式中：h=6.6262×10－34J·S，称作普朗克常数；

v为光子的频率；

λ为光子的波长。

物质结构质量亏损

计算表明，原子核的质量总是小与组成它的所有核子的质量总和。

例如，对于2H核有

Δm＝mp＋mn－mN（2H）＝m（1H）

＋mn－m（2H）＝1.007825u＋1.008665u－2.014102u＝0.002388u

物质结构质量亏损

对于4He核有

Δm＝2m（1H）

＋2mn－m（4He）＝2×1.007825u＋2×1.008665u－4.002603u＝0.0303377u组成原子核的Z个质子和A－Z个中子的质量和该原子核的质量之差称为原子核的质量亏损。

Δm（Z，A）＝Zm（1H）

＋（A－Z）mn－m（Z，A）

物质结构结合能

按照质能关系式，既然核子结合成原子核时质量减少了Δm，那么相应能量的减少就是Δ

E＝Δ

mc2这说明，核子结合成原子核时会释放出能量，这个能量称为原子核的结合能。相反，把原子核分为组成它的各个核子时必须消耗相同的能量。结合能用符号Eb表示。对于任何原子核，其结合能为

Eb＝[Zm（1H）

＋（A－Z）mn－m（Z，A）]c2由于1u质量对应的能量为931.5MeV，所以原子核的结合能也可以表示为

Eb＝[Zm（1H）

＋（A－Z）mn－m（Z，A）]·931.5

物质结构结合能

2H的结合能为

Eb

＝Δ

mc2＝2.224(MeV)任何两个相互吸引的物体，当它们的相对位置靠近时，总是要放出能量。核子间的作用力是种短程强引力，其作用范围约为2×10－15m。当两个核子之间的距离小于这个数值时，就发生强吸引，并放出很大的能量。实验证明，能量为0.025eV的中子被H2O分子中的1H原子核吸收时，生成2H并放出2.224MeV的能量。反之，若用能量为2.224MeV的光子照射2H原子核时，它就可能被拆开，生成一个质子和中子。若光子能量小于2.224MeV，这个过程就不能发生。

物质结构平均结合能

原子核的结合能除以该原子的质量数A所得的商，称为平均结合能，即：它表示原子核拆散成核子时，外界对每个核子所做功的最小平均值。或者说，表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。原子核的平均结合能越大，说明原子核内的核子结合得越紧。

物质结构平均结合能

以各原子核的平均结合能为纵坐标，质量数为横坐标对所有核素作图，得到曲线见图：1）在轻核区，若将平均结合能的小的原子核聚变成平均结合能大的原子核，会释放出能量。

2H原子核的平均结合能为1.112MeV,4He原子核的平均结合能为7.074MeV,将两个2H原子核聚变成一个4He原子核，会释放出很大的能量。

物质结构平均结合能

2）质量数A＝40～120的原子核的平均结合能大，且几乎接近一个常数，

ε＝8.6MeV

物质结构平均结合能

3)重核的平均结合能比中等核小，例如鈾核的平均结合能为7.6MeV。当重核裂变成两个中等核时，会是放出很大的能量。若将质量数236的重原子核分裂成两个质量数为118的原子核时，则每个核子的结合能可由7.6MeV增至8.6MeV。即一个具有236个核子的原子核，分裂成两个具有118个核子的原子核时，要释放236MeV的能量。

放射性与辐射放射性某些核素能自发地放出粒子或射线，或自发分裂，称这种性质为放射性。称这种不稳定的核素为放射性核素有几种天然物质是由不稳定的原子组成的，它们能自发地转变成较稳定的原子。称这些物质是放射性物质。这个转变过程称为放射性衰变。放射性衰变一般伴随有带电粒子和γ射线的发射。放射性与辐射放射性

原子序数从84起的所有元素都是不稳定的，具有天然放射性。而原子序数小于84的元素主要以稳定的同位素形式存在，只有少量的同位素是不稳定的。放射性与辐射辐射这里所说的辐射，仅包括电离辐射。电离是指原子失去或有时得到电子而带电的过程，失去或得到电子的原子称作离子。电离辐射是由能通过初级过程或次级过程引起电离的带电粒子或不带电粒子组成的，或者两者混合组成的。当电离辐射通过物质时，随着离子的形成能量就传递给了物质。辐射α粒子β粒子γ、X射线中子前三种是不稳定的原子核衰变时发射的，而中子是由核反应产生的辐射α粒子

由氦原子核组成的，即由两个质子和两个中子组成的。α粒子的质量为4原子质量单位，带两个单位正电荷辐射β辐射β辐射是由原子核里发射出来的高速运动电子组成的，其质量为1/1840原子质量单位，带一个单位的负电荷。还有另一种β辐射，它由质量和电子质量相同，但带一个单位正电荷的粒子组成，称之为正电子辐射。平常用的β辐射一词系指β-辐射辐射γ射线γ射线是一种电磁辐射，它以速度为3×108米/秒的速度在真空中传播，在浓密的介质中，它们的速度减小了，但在空气中速度的减小可忽略不计。辐射X射线与γ射线基本上相同的另一种电磁辐射称为X射线。两者之间的根本差别在于它们的来源。当原子的电子改变轨道时发射出X射线，而γ射线起因于原子核的变化。辐射

如图所示的实验装置，铅盒中放有放射物质在窄孔正上方若放有照像底片、底片有一处感光。若在照像底片与铅盒之间放一对带电金属板，照像底片上有三处感光。在电场力作用下，将一束分为三束。

α射线：偏向B板，带正电β射线：偏向A板，带负电，为高速电子流γ射线：不偏转，不带电,为频率极高的电磁波辐射中子

中子的质量略大于质子，它不带电荷。自由中子是不稳定的，它以半衰期T1/2＝12.8分发生β衰变。核衰变放射性原子核可以发射α粒子、β粒子和γ射线而发生变化，发射这些粒子和射线的过程称之为核衰变α衰变

β衰变

γ衰变

α衰变

α粒子的质量mα＝4.002604u。凡发生α衰变的放射性同位素，在衰变以后，质量数减少了4，原子序数减少了2。母体核素用X表示，衰变后新的子体用y表示，则α衰变可用下列方式表示

例如：

α衰变

式中的Q是衰变时放出的能量，以子体核和α粒子具有的动能形式表现出来。Q值可由衰变前后的质量差计算得到

根据质能关系式，原子核衰变时，母核的静止能量与子核和α粒子的静止能量之差就以动能的形式释放出来，这就是衰变能，其表示式为

Q＝931.5(mx－my－mHe)MeVα衰变X要能自发地发生衰变，必须是放能过程，即Q值为正。所以能够发生α衰变的核素，其原子质量必然大于子体的原子质量和氦原子质量之和。能发生α衰变的天然放射性核素，其原子序数绝大多数大于82。α衰变在α衰变过程中，有些较简单，只发生一组能量相同的α粒子。另一些较为复杂，它们发生二组或二组以上能量不同的α粒子α衰变

母体衰变时可以放射出分立的不同能量的α粒子。从特征α能量谱可获得有关子体核结构、核能级的信息。核衰变过程常用衰变图来描述，不同状态的子体还会放射γ射线最终返回到其基态。

β衰变有些放射性核素的原子核发射出负电子，但也有一些放射性核素的原子核发射出正电子，它们分别被称为β-衰变和β＋衰变。另外，原子核还能俘获一个核外轨道电子而发生变化，此时，虽然核内不发射出正负电子，但因俘获核外电子而使核内一个质子转变为中子，也认为这个过程属于β衰变的一种β衰变β-衰变β＋衰变轨道电子俘获（EC）β-衰变原子核内是不存在电子的，所以β-衰变可以理解为核内一个中子转变成质子，同时发射出一个电子。母核发生β-衰变时，子核的原子序数比母核增加1，衰变过程可用下式表示：

式中代表反中微子β-衰变衰变能由下式给出：Q＝(mx－my)·931.5MeV

β衰变有三种生成物，衰变时释放的衰变能由三种生成物共同分担。y带走的能量很小，对β-粒子的能量进行测定，发现它具有连续能谱，即E＝0到Eβmax＝Q间变化。通常给出的β粒子的能量是它的最高能量Eβmax。β-衰变某些放射性核素只发射β粒子，如3H，14C，32P，90Sr等，因而称为纯β放射性核素，大多数β衰变放射性核素在发射β粒子的同时，也伴有γ射线，如60Co，有些核素β衰变时可能发射多种能量的β粒子，如137Cs，131I等。一些β放射性核素的衰变图见图。β+衰变β+衰变时由原子核内发射出β+粒子，β+粒子的质量与电子的质量相等，但带有一个单位正电荷。可以把β+衰变看作原子核内一个质子转变成一个中子时发射出β+粒子和中微子的过程，即p→n＋β+＋vβ+衰变发生β+衰变时，母体和子体的质量数相同，但子体的原子序数小一个单位，衰变过程表示如下：

β+衰变β+衰变的衰变能按下式计算

Q＝(mx－my－2me)·931.5MeV说明发生β+衰变的必要条件为mx>my＋2meβ+粒子的能谱也是连续的。β+衰变β+衰变时，有的核素可以衰变到子核的基态，有的核素可衰变到子核的激发态，然后在伴随γ射线发射到达基态。例如：15O是单一的β衰变体，它发射出β+粒子后变成15N的基态。

14O发射出1.80MeV的β+粒子后，伴随着释放出2.30MeV的γ射线到达14N的基态。电子俘获（EC）电子俘获（EC）为原子核俘获一个核外电子的过程，其结果核内一个质子转变为一个中子和一个中微子，该过程表示如下：p＋e→n＋ν电子俘获（EC）电子俘获的过程可用下式表示：电子俘获过程的衰变能由下式计算

Q＝(mx―my)931.5MeV―εi

εi为电子的结合能β衰变能满足产生β+衰变条件，同时也可满足β-衰变和电子俘获条件，所以有些放射性核素可以发生β+、β-衰变和电子俘获三种过程γ衰变γ射线是由原子核内部发射出来的一种辐射，它是一种电磁波，其波长较短。原子核发生α、β等衰变形成的子核或者某种核反应形成的新核，它们可能处于激发态时，当它们退激时发射出γ射线，即原子核由高能态（能级E2）向低能（或基）态（能级E1）变化时，发射出γ射线，这个过程称γ跃迁或γ衰变γ衰变一般情况下，子核处于激发态的时间极短（约10-9s—10-19s）,可以认为γ衰变是与母核的α衰变或β衰变“同时”发生的。通常所说的γ放射源是指母核的名称，其半衰期就是母核的半衰期γ射线是不带电的，发射出γ射线时，原子核的原子序数和质量数均不发生变化γ衰变处于激发态的原子核，不一定非通过发射γ射线才能变化到基态，还有另一种途径可以变化到基态。原子核的激发能可以传递给一个核外电子，这个电子便从原子的电子轨道上逸出，这个过程称为内转换，逸出的电子称为内转换电子γ衰变内转换电子发射后，原子的某一轨道上留下一个空位，这个空位通常由外层电子跃迁填充，由于不同轨道上电子结合能不同，跃迁过程中发射出特征X射线。由于内转换电子的能量是单一的，且同时发射出特征X射线，故不会与β衰变相混淆。γ衰变内转换电子的动能Ee可用下式表示：

E

e＝E

γ－εi

Eγ是γ跃迁时γ射线的能量，εi是i壳层电子的结合能。由于不同核素的原子核具有特定的能级，测量它们的γ射线能谱，可以识别某种核素及其含量。放射性核素衰变规律在放射性核素的衰变过程中，并不是所有核素同时在某一瞬间完成衰变，而是有先有后，且相互独立。在某一瞬时究竟是哪些核发生了衰变是不确定的，是随机的。不过由于放射性核素的数目是大量的，从总体来看核衰变服从统计规律，放射性核素随时间有规律地不断减少。放射性核素衰变规律放射性核素在时间间隔t到t＋△t内衰变的原子核数目△N，它与△t及在t时刻没有衰变的原子核数目N成正比，即△

N＝－λN△t求解上式，得

N(t)＝N0e-λt

式中：N0是开始时的原子核数N(t)是t时刻的原子核数λ是放射性核素衰变常数衰变常数的物理意义如果将上式变为下式

λ＝-Δ

/

Δt则λ的物理意义为单位时间内、一个核素衰变的几率。放射性核素的半衰期放射性核素的半衰期T1/2是样品中的原子核衰减到一半所需要的时间，它与衰变常数的关系为T1/2＝0.693/λ

半衰期T1/2是放射性核素的特征值，不同的放射性核素有不同的半衰期。有的半衰期极短，如135CsmT1/2为2.8×10－10s；有的半衰期很长，如238U的T1/2为45亿年，238Th的T1/2为139亿年。放射性活度衰变规律

一定量放射性核素衰变变成子体的速度，称为放射性活度，它与衰变掉的原子核数目相对应，但相差一个负号，即

A(t)＝－Δ

/Δt＝λN(t)

λN(t)是单位时间内的核衰变数放射性活度衰变规律放射性活度随时间的变化也成指数关系

A(t)＝A0

e-λt

A0为t＝0时刻某放射性核素的放射性活度放射性活度的单位放射性活度的SI单位是s-1，专门名称是“Bq”，它的定义为1Bq＝1核衰变·秒-1

Becqueral这是一个很小的单位，常用kBq（103s-1），MBq（106s-1）和GBq（109s-1）。实际工作中常遇到质量活度（比活度）a，是指单位质量试样中某放射性核素的活度，它的单位为kBq·g-1等。天然放射性地球上现有天然放射性核素，都是由三个“祖核素”衰变而形成的。每个祖核素都有不同辈分的“子孙”，直到最后稳定的一代为止，这样就组成了一个放射系。这三个放射系分别称作钍系、铀－镭系和锕系，又称之为重衰变系铀－镭系的原始核是铀238，它共经过14次连续衰变，包括8次发射α粒子的衰变和6次发射β粒子的衰变，最后衰变为成为不带放射性的稳定核素铅206。天然放射性新发现的镎系其起始核是钚241，此放射系共经过13次连续衰变，包括8次α衰变和5次β衰变。终核是由半衰期为3.25小时的铅的同位素铅209衰变后，得到的稳定核素铋209。钍系衰变系的起始核是钍212，共经过10次连续衰变，包括6次α衰变，4次β衰变，最后衰变成的终核是稳定核素铅208。天然放射性铀－锕系衰变的起始核是铀的一种同位素铀235，共经过11次连续衰变，其中7次是α衰变和4次β衰变，终核是稳定核素铅207。我们知道，在α衰变中放射的是α粒子，其质量数和氦核相等，故衰变后的核质量数与原来要差4个单位。同时α粒子带2个单位正电荷，故衰变产物的原子序数要差2。而β衰变时，衰变产物的质量数不变，原子序数要增加1。

天然放射性由此可知，在衰变链中，各种衰变产物的原子量都和4的正整数倍有关。并可得出以下结论，即钍系衰变链产物的原子量符合4n(n为正整数)规则。铀系符合4n十2的规则，锕系符合4n十3的规则。于是人们推测一定还存在符合4n十l的放射系列。后来经过科学家的努力，结果在本世纪五十年代中期，找到了镎系衰变链的产物，的确能满足4n十1的规则。因此有人按照质量数规律将放射性核