辐射安全与防护培训放射性基础知识

辐射安全与防护培训班培训课程（放射性基础知识）清华大学工程物理系陈伯显10月课程重点：原子核的基本性质；原子核的放射性及放射性衰变规律；射线与物质互相作用的重要过程（带电粒子、X和辐射和中子）；辐射源的分类和核技术应用中的辐射源。规定：掌握基本概念（在工作中使用频率高），在后续课程中反复使用和训练。

第一节原子核的基本性质1.1原子与原子核“原子”源自希腊文，意思是“不可分割的”。按照现代的观点。原子作为物质构造的一种层次。研究原子的构成、构成物（重要是核外轨道电子）的运动规律、其互相作用的规律及化学周期表等。其表征特性为物质的物理、化学性质和光谱特性。“原子核”则是研究物质构造的另一种更深的层次，研究原子核的构成、性质、核力、核模型、核的蜕变及核能的运用等。其表征特性为原子核的放射性。

实际上元素符号X和原子序数Z具有唯一、确定的关系，因此用符号X足以表达一种特定的元素。元素的表达原子序数化学符号每一种原子从属于某一种元素，例如：氢原子，氘原子均属于氢元素，在元素周期表中为1号元素，一般表达为；元素的原子量是该元素各原子的原子质量的加权平均值。对：

(一)原子构造模型1871～193719诺贝尔化学奖19卢瑟福散射试验，19提出原子的核式模型。卢瑟福散射试验结论：正电荷集中在原子的中心，即原子核；线度为10–12~10-13cm量级，为原子的10–4量级；质量为整个原子的99.9%以上；从此建立了原子的有核模型。原子的电中性，规定：原子核所带电量与核外电子电量相等，核电荷与核外电子电荷符号相反。即：核电荷Ze，核外电子电荷–Ze。中子发现后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出：原子核由质子和中子构成，并得到试验支持。中子和质子统称为核子。中子不带电。质子带正电，电量为e。电荷数为的原子核具有个质子。1901～1976因量子力学方面奉献，获1935年诺贝尔物理奖。（二）原子核的构成1932年查德威克(J.Chadwick)发现中子。(据此获1935年诺贝尔物理学奖)

实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、确定的关系，因此用符号AX足以表达一种特定的核素。原子核的表达核子数质子数中子数元素符号例如：为三个核素，可表达为：现代原子构造原子核中子质子电子(电子云)+++（三）原子核物理常用术语及意义1).核素（nuclide）

具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子称为核素。核子数、中子数、质子数和能态只要有一种不一样，就是不一样的核素。

同量异位素，A同，Z、N不同。同中异荷素，N同，A、Z不同。同位素，Z同，A、N不同。同质异能素，A、Z同，能态不同。某元素中各同位素天然含量的原子数比例称为同位素丰度。不是所有同位素均构成同位素丰度；构成同位素丰度的原子可以是放射性原子。我们把具有相似质子数，但核子数不一样的核素所对应的原子称为某元素的同位素。同位是指该元素的多种原子在元素周期表中处在同一种位置，它们具有基本相似的化学性质。2).同位素（Isotope）和同位素丰度氢的三种同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%0.0055％、0.7200%、99.2745%3).人工放射性核素是指非天然和自然界的原因生成的放射性核素，而是在反应堆或加速器所生成。同位素技术中应用最广泛的放射源---钴源（）就是在反应堆中生成。将金属钴，即，其丰度，放在反应堆孔道内，运用中子照射，发生如下核反应：工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源（），其活度达几十万至百万居里（）。4).核素和核素图根据原子核的稳定性,可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在着亲密的关系。我们可以把核素排在一张所谓核素图上。核素图共包括个核素,其中天然存在332个核素(280为稳定核素),人工放射性核素1600多种。（一）原子质量单位：

1960年物理学国际会议通过采用：1.2原子核的质量与结合能第二部分

核与放射性的基本物理基础（二）质能联络定律—爱因斯坦相对论关系：其中为物体（粒子）的静止质量，为物体的运动速度，为真空中的光速。物体（粒子）的动能：

当原子核的质量用原子质量表达为为电子的质量；为原子核外轨道电子得结合能的总和；，核质量则可表达为：（三）原子质量和原子核质量核数据表中给出的均为原子质量（三）质量亏损所有的核都存在质量亏损，即

原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和的，少的那部分质量称为质量亏损(MassDefect)。表示为以氘核为例：式中为氘核的核质量。（四）原子核结合能的概念既然，则对应的能量就减少，表明当若干质子和中子结合成一种核时，将释放一部分能量，这个能量称为叫结合能。氘()由一种中子和一种质子所构成。(五)比结合能及比结合能曲线比结合能：（平均结合能）单位是MeV/Nu，Nu代表核子。比结合能的物理意义：原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子所做的平均功。或者说，它表达核子结合成原子核时，平均一种核子所释放的能量。比结合能表征了原子核结合的松紧程度：比结合能大，核结合紧，稳定性高；

比结合能小，核结合松，稳定性差。当结合比较松的核变为结合较紧的核时释放能量

比结合能曲线：裂变聚变8.797.071.112结论：对于质量数为中等数值的那些原子核，每一种核子的平均结合能最大；而质量数较大的重核区，或较小的轻核区的原子核中，核子的平均结合能都比较小。因此，当重原子核分裂成中等质量的核时，核子在较轻的核内会结合得更紧密，就也许会大量释放能量，这就是裂变能；当两个较轻的核发生聚合时，释放出的能量更大，就是聚变能。第二节原子核的放射性放射性---原子核的蜕变1896年，Becquerel（获19诺贝尔物理奖）在铀盐中发现放射性。原子核的蜕变包括原子核的核衰变、核反应和核裂变等过程，在这些过程中均会产生放射性。我们将重点论述核衰变过程。所谓核衰变就是不稳定的原子核自发的发射粒子而蜕变为新的子核。

2.1核衰变重要的类型:a,b,g衰变

TypeofRadiation

Charge/Mass

Penetration

a

粒子（氦核）+2q/4mp

空气（~几cm）

b电子或正电子

–q/meor+q/me

几mm铝片

g

光子nocharge几mm~cm铅

此外，尚有中子发射、质子发射、裂变等1.a衰变：由能量守恒：定义衰变能：发生衰变的条件2.

衰变

衰变（丰中子核发生）

衰变（欠中子核发生）EC--轨道电子俘获（欠中子核发生）

－衰变表达式：母核X衰变为子核Y、一种电子和一种反中微子.核中一种中子变为了质子。衰变前，母核X静止，根据能量守恒定律：衰变前静止质量衰变后静止质量衰变后动能定义：-衰变能E0

为反中微子和

粒子的动能之和，也就是衰变前后静止质量之差。即：衰变前后静止质量的质量亏损以原子质量代替核质量，并忽略电子结合能

有

－

衰变发生的条件：衰变前母核原子质量必须不小于衰变后子核原子质量。14C的衰变纲图：

＋衰变表达式：母核X衰变为子核Y、一种正电子和一种中微子.核中一种质子变为了中子。衰变前，母核X静止，根据能量守恒定律：衰变前静止质量衰变后静止质量衰变后动能

＋衰变能：以原子质量代替核质量，并忽略电子结合能

＋

衰变发生的条件：EC(轨道电子俘获)表达式母核俘获核外轨道上的一种电子，使母核中的一种质子转变为一种中子，同步放出一种中微子。K电子俘获最轻易发生。EC衰变能：以原子质量代替核质量，并忽略电子结合能

EC

衰变发生的条件：由于：因此，能发生＋衰变的原子核总可以发生轨道电子俘获，反过来不成立。EC衰变的后续过程：特性X射线；俄歇电子。3.

跃迁

衰变：原子核从激发态通过发射

光子(射线)或其他过程跃迁到较低能态的过程。该过程核电荷数不变、核子数不变。

发射

射线粒子能量在几KeV～十几MeV

半衰期范围为，10-16s～10-4s

跃迁的基本特点：

包括

跃迁和内转换电子两种形式。

核素的衰变纲图核素的衰变纲图是理解核素放射性的重要手段（1）母核发生衰变后，子核为，发生衰变和EC过程，子核为，子核分别左移两位和一位。在发生的状况下，子核为，子核为右移一位。（2）衰变纲图中用横的粗实线表达核素的基态，而用细实线表达该核素的激发态，激发态横线上的能量表达该激发态相对于基态的能量。图中的为对应过程的衰变能。用和表达粒子的能量和强度，对衰变又常称分支比。（3）

并用竖线表达跃迁过程，斜写在竖线右上方的数字分别为射线的能量、射线的绝对强度和与之相竞争的内转换电子强度。强度的定义为对100个母核发生衰变中，发出的光子数和内转换电子数。（4）母核右侧的时间为该核素的半衰期。至于在每个能态横线左端的为该能态的自旋与宇称，在我们这里就不深入讨论了，它决定跃迁能否发生及其概率的大小。2.2放射性衰变基本规律由于微观世界的记录性和全同行，不能预测某一原子核的衰变时刻，但可以记录得到放射源中总的放射性原子核数目的减少规律；详细到每个放射性原子核的衰变来说，就是服从一定规律进行衰变的一种随机事件，可以用衰变概率表达。(一)单一放射性的指数衰减规律222Rn的衰变曲线试验发现，放射性核素放出一种粒子，变成，而的数目每4天减少二分之一。由记录性，以放射源总体考虑衰减规律：设：t

时刻放射性原子核的数目为N(t)，求解t～t+dt

内发生的核衰变数目-dN(t)，它应当正比于N(t)和时间间隔dt，于是有：1.衰变常数分子表示：t时刻单位时间内发生衰变的核数目，称为衰变率，记作t

时刻放射性原子核总数衰变常数：一种原子核在单位时间内发生衰变的概率。放射性核素的特性量量纲为：[t]-1,如1/s，1/h，1/d，1/ab.当一种原子核有几种衰变方式时：a.

衰变率：定义分支比：2.半衰期

半衰期：放射性核数衰变二分之一所需的时间，记为。即：量纲为：[t],如s，h，d，a3.平均寿命

平均寿命＝总寿命/总核数特性量大小与核衰变的快慢1.放射性活度(Activity)即：定义：则：活度定义：一种放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。以A表达，表征放射源的强弱。

(二)放射性活度及其单位放射源发出放射性粒子的多少，不仅与核衰变数有关，并且和核衰变的详细状况直接有关。一般状况，核率变数不等于发出粒子数。

2.活度单位

常用单位居里(Ci)：1克226Ra所具有的放射性活度。

法定计量单位为贝可(Bq)：较小的单位尚有毫居(mCi)和微居(Ci)所以：3.比活度

(SpecificActivity)定义为：单位质量放射源的放射性活度。比活度反应了放射源中放射性物质的纯度。即：单位为：Bq/g

或Ci/g

求人体内含的0.2%的。已知的天然丰度为0.0118%，其半衰期。求体重为75kg的人体内的总放射性活度。

应用实例：已得求体内的原子数：

体内由的放射性活度：2.3递次衰变规律许多放射性核素并非一次衰变就到达稳定，而是它们的子核仍有放射性，会接着衰变……直到衰变的子核为稳定核素为止，这样就产生了多代持续放射性衰变，称之为递次衰变或级联衰变。递次衰变的表达：例如：递次衰变规律比较复杂，如需要可参照有关材料。2.4放射性规律的应用放射性的应用很广泛，这里只讨论衰变规律自身的应用例子。1、放射源活度修正2、确定放射源活度和制备时间3、