放射性基础知识

1、放射性辐射防护,RADIATION AND PROTECTION,放射性基础知识,1、原子核的组成 2、核衰变或核蜕变 3、解放射性衰变规律 4、放射性的应用,医疗照射问题,X照射 CT SPECT PET MRI 放疗 BNCT,CT,CT（electronic computer X-ray tomography technique）电子计算机X射线断层扫描技术,SPECT,单光子发射计算机断层成像术(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和是对从病人体内发射的射线成像，故统称发射型计算机断层成像术(Emission Compute

2、d Tomography，ECT)。 通过静脉注射放射性药物标记的化合物，观察此化合物在体内的分布情况，来判断脏器的功能情况及疾病的特征。其特点是能较高特异性地显示脏器或病变的血流、功能和代谢的改变，有利于疾病的早期诊断及特异性诊断。,PET,正电子发射型计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography），是核医学领域比较先进的临床检查影像技术。,MRI,MRI（Magnetic Resonance Imaging ） 也就是磁共振成像 利用人体组织中氢原子核（质子）在磁场中受到射频脉冲的激励而发生核磁共振现象，产生磁共振信号，经过电子计算机处理，重建

3、出人体某一层面的图像的成像技术。又称核磁共振成像术。英文简称MRI。,放疗,加速器（感应加速器、回旋加速器、直线加速器） 近距离后装治疗机 伽马刀,BNCT,硼中子俘获治疗（Boron Neutron Capture Therapy,简称BNCT）通过在肿瘤细胞内的原子核反应来摧毁癌细胞,原子模型,一、原子核的组成,原子核的组成,1,组成： 质子和中子,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：,实际上核素符号X和

4、质子数Z具有唯一、确定的关系，所以用符号AX足以表示一个特定的核素。,II. 原子核的表示,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个不同，就是不同的核素。,两种核素，A同，Z、N不同。,两种核素，N同，A、Z不同。,两种核素，Z同，A、N不同。,两种核素，A、Z、N同，能态不同。,某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。,具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。),2、同位素（isotope）和同位素丰度

5、,铀的二种同位素。,氢的三种同位素；,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,3、同中子异荷素（isotone）,4、同量异位素（isobar）,质量数A相同，质子数Z不同的核素。,中子数N相同，质子数Z不同的核素。,也称为同中子素或同中异位素。,5、同质异能素（isomer）,质子数 Z 和中子数 N 均相同，而能态不同的核素。,同质异能态： 同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。,激发态半衰期为2.81h。,！,Total energy,1 质量亏损,三.原子核结合能,From E = mc2,例1 求自由核子相对碳原子核的质量亏损,例：,某核电站每

6、年发电约为 1010度(=3.61016J)。若这些能量全部由静态质量转换而成，求每年耗损的核材料?,解：, 4109 kg coal,原子核结合能,2、 原子核结合能,自由状态的单个核子结合成原子核时所释放出来的能量，（或原子核分解成单个自由核子所需要的能量）称为原子核的结合能。,三.原子核结合能,3、 原子核的稳定性-平均结合能,Average binding energy,4、原子核的能级,原子核的放射性,1896年，Becquerel（获1903年诺贝尔物理奖）在铀矿物中发现射线。,分别叫做、射线。 1、 射线是氦核，带正电荷，贯穿本领小； 2、 射线是高速电子流，带负电，贯穿本领较大

7、； 3、 射线是波长很短的电磁波，贯穿本领大。,在磁场中发现，射线有三种成份： 一种在磁场中偏转，与带正电荷离子流相同； 一种在磁场中偏转，与带负电荷离子流相同； 一种在磁场中不偏转。,(18521908),放射性现象与原子核的衰变密切相关。 原子核的衰变：在没有外界影响的情况下，原子核自发地发射粒子并发生改变的现象。,能自发地发射各种射线的核素称为放射性核素，也称为不稳定核素。,放射性现象是由原子核的变化引起的，与核外电子状态的改变关系很小。,原子核自发地发射各种射线的现象，称为放射性。,原子核衰变的主要方式 衰变 衰变(包括衰变、衰变和电子俘获EC) 衰变(或跃迁)(包括内转换IC) 重核

8、的自发裂变等,原子核衰变的表示 衰变纲图 同位素表,137Cs核素衰变纲图,57Co核素衰变纲图,核衰变或核蜕变,2、核辐射的种类,、蜕变,92238U （24He）+90234Th,蜕变产物的确定用位移定律确定， 即：蜕变前后总质量数和总电荷数不变。,例如,1,蜕变：原子核放出粒子而发生蜕 变的现象叫做蜕变。一般只有质量数 大于200的重金属才发生蜕变。,4He nucleus emitted, particle gets the most decay energy,238U4He + 234Th,Parent nucleus, 衰变 238U 234Th,衰变 -衰变 原子核内质子相对缺少

9、时，一个中子转变为一个质子，同时从核内释放出的电子的过程。,蜕变：原子核放出粒子而发生蜕 变的现象叫做蜕变。,2,RaB（82214Pb ） （-10e）+RaC（83214Bi）,说明：核内本应无电子怎么会放出电子？这是因为蜕变的 实质是核内中子发生了如下变化：,01n 11p+ -10e +00 00为中微子，其质量比电子小得多。中微子与物质的相互作用很弱，故很难探测。 广义的蜕变还包括+蜕变与K俘获（天然放射性核素中很少遇到），后者实质是核内质子发生如下的变化： 11p+ -10e 00 + 01n,衰变 +衰变 原子核内中子相对缺少时，一个质子转变为一个中子，同时从核内释放出的正电子(

10、positron)的过程。, 衰变 22Na 22Ne,衰变电子俘获 原子核从核外俘获一个轨道电子，使核内一个质子转变为一个中子的衰变过程，简称EC衰变(orbital electron capture)。,电子俘获,A proton changes to neutron,Electron, 衰变, 射线特点： 1、光子是从原子核中发射的； 2、常常伴随在 、 衰变之后； 3、单能； 4、 射线的能量与原子核相关。, 衰变3He 3He,衰变内转换 有时原子核发生跃迁时不发射光子，而是把多余的能量交给核外绕行的电子（主要是K层电子），使它脱离原子核的束缚而放射出来，这种现象称为内转换（inte

11、rnal conversion ），电子的能量是固定的，近似于光子的能量。,内转换137Cs 137Ba,注意： 跃迁只改变核的状态，不改变核的组成，故又称同质异能跃迁，用符号：I.T.表示。 4、每一次蜕变放出的粒子情况有以下三种： 1）、一次蜕变放出某种粒子一个。例如238U每发生一次蜕变就放出能量为4.18MeV的粒子一个。 2）、分支蜕变。每次蜕变或放出这种或放出那种粒子一个，各占一定的比例，用百分数表示。如RaC每次蜕变有99.96%的几率放出粒子，有0.04%几率放出粒子。又如：226Ra每次蜕变有94.3%的几率放出4.793MeV的粒子，有5.7%的几率放出4.612MeV的粒

12、子。 3）、一次蜕变放出好几个光子。,例如，常用的钴源的蜕变。,大量实验表明，核反应过程遵守以下几个守恒定律：,(1) 电荷守恒,反应前后的总电荷数不变。,5、核反应中的守恒定律,（以 A(a,b)B 反应为例来说明。）,即：,(2) 质量数守恒,反应前后的总质量数不变。,即：,(3) 能量守恒,反应前后体系的总能量(静止能量和动能之和) 不变。,即：,(4) 动量守恒,反应前后体系的总动量不变。,即：,2.1 放射性衰变的基本规律,放射性衰变是一个统计过程。,不能预测某一原子核的衰变时刻，但可以统计得到放射源中总的放射性原子核数目的减少规律；具体到每个放射性原子核的衰变来说，就是服从一定规律

13、进行衰变的一个随机事件，可以用衰变概率表示。,1、放射性的指数衰减规律,由统计性，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)，,t t+dt 内发生的核衰变数目-dN(t)，,它应该正比于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：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。,2、放射性核素的特征量,量纲为：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a,b. 当一个原子核有几种衰变方式时：,a. 衰变率：,定义分支比：,(2)、半衰期 T1/2,半衰期：放射性核数衰

14、变一半所需的时间，记为T1/2 。,即：,量纲为：t,如s，h，d，a,(3)、平均寿命 ,平均寿命 总寿命 / 总核数,在 tt+dt 时间内衰变的原子核数为：,这些核的寿命均为 t，它们的总寿命为：,因此，平均寿命：,而 t 可能的取值为 ：0,所以，所有核的总寿命为：,特征量大小与核衰变的快慢,慢,快,衰变速度,核衰变,特征量,(1)、放射性活度 (Activity),即：,定义：,则：,活度定义：单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示，表征放射源的强弱。,3、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，而且和核衰变的具体情况直接相关。一般情况，核率变数不等于发出

15、粒子数。,射线强度：单位时间内放出某种射线的个数。,(2)、活度单位,常用单位居里(Ci)：,法定计量单位为贝可(Bq)：,较小的单位还有毫居(mCi)和微居(Ci),所以：,(3)、活度单位与其他几个单位的比较,(4)、比活度 (Specific Activity),定义为：单位质量放射源的放射性活度。,比活度反映了放射源中放射性物质的纯度。,即：,单位为：Bq/g 或 Ci/g,A=N = （0.693/T1/2 ）(Q/M) NA Here, Q:以克为单位的质量（g) M: 摩尔质量 NA:阿伏伽德罗常数=6.0231023mol,放射性活度与质量的关系：,1、求1g131I(T1/2

16、=8.3d)的放射性活度？,2、求1g226Ra(T1/2=1622a)的放射性活度。,作业,2.2 递次衰变规律,许多放射性核素并非一次衰变就达到稳定，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，这样就产生了多代连续放射性衰变，称之为递次衰变或级联衰变。,递次衰变的表示：,例如：,下面分析一下，递次衰变规律。,1、两次连续衰变规律,A B C（稳定）,初始条件：,A 和 B 的衰变常数分别为 1 和 2,C 的数目为0。,是单一放射性衰变，服从简单的指数规律。,即：,对于A：,这样t时刻，A的数目的变化为：,对于B：,不断衰变为C (减少)：,不断从A获得 (增加)：

17、,这样B的数目的变化为：,B,代入N1(t)等条件，解此微分方程，,可见，子体 B 的变化规律不仅与它本身的衰变常数 2 有关，而且还与母体 A 的衰变常数 1 有关，它的衰变规律不再是简单的指数规律。,已经假设 C 是稳定的，那么它的变化仅由 B 的衰变决定，即：,解此方程，得：,对于C：,当t ，N3(t) N10，母体A全部衰变成子体C。子体C是稳定的，不再发生衰变。,两次连续衰变规律总结如下：,A B C（稳定）,大家课后计算一下，,=1,2、多次连续衰变规律,A B CN（稳定）,参照两次连续衰变的规律，考虑子体C也不稳定，则子体C数目的变化量由它本身的衰变及子体B的衰变决定：,代入

18、N2(t)等条件，解此方程,其中，系数,为：,对于n代连续放射性衰变过程，其中第1到第n代核素具有放射性，而第n+1代核素为稳定核素。,设初始条件为：,各衰变常数为：,用同样的方法可以求出第 n 个核素随时间的变化规律：,其中，系数,为：,在连续放射性衰变中， 母体衰变是单一放射性衰变，服从指数衰减规律； 其余各代子体的衰变规律不再是简单指数规律，而与前面各代衰变常数都有关。,3、放射性平衡,对于两代连续 A B C（稳定）,我们来看子体 B 的变化情况，子体 B 的变化只取决于 1 和2。我们分三种情况讨论：,(1)、暂时平衡,母体A的半衰期不是很长，但比子体B的半衰期长，即,则在观察时间内

19、可看出母体 A 放射性的变化，以及子体 B 的核数目在时间足够长之后，将和母体的核数目建立一固定的比例，此时子体 B 的变化将按母体的半衰期衰减。这时建立的平衡叫暂时平衡。,由：,由于：,，当 t 足够大时，有：,现在来推导一下暂时平衡关系：,子母体的放射性活度的关系为：,即：当 t 足够大时，有：,暂时平衡( 1 2 )的例子：,1、母体按自己的衰变常数指数衰减。,2、子体开始时从无到有增加，但增加速度会减慢,a. 母体数减少，其衰变率减少，即子体生成率减小,b. 子体数增加，衰变率增加,时，子体数目最大。,a子体活度曲线,d子体单独存在时活度曲线,b母体活度曲线,c母子共同活度曲线,e,t

20、m,对于多代连续放射性衰变：,只要母体A1的衰变常数1 最小，就会建立起按A1的半衰期进行衰变的暂时平衡体系。,建立平衡之后，各代放射体的数量及活度之比不随时间变化，且均各代按 1 进行衰变。,(2)、长期平衡,当母体A的半衰期较长，且比子体B的半衰期长得多时，即,或,则在观察时间内，看不出母体A放射性的变化；在相当长时间以后，子体 B 的核数目和放射性活度达到饱和，并且子母体的放射性活度相等。这时建立的平衡叫长期平衡。,由：,由于：,，当 t 足够大时，有：,现在来推导一下长期平衡关系：,所以：,子母体的放射性活度的关系为：,即：当 t 足够大时，有：,长期平衡( 1 T1/2(99mTc)

21、 ，体系可建立暂时平衡。,当 t=tm 时，子核放射性活度最大，,辐射的危害,放射性对人体的危害 在大剂量的照射下，放射性对人体和动物存在着某种损害作用。如在400rad的照射下，受照射的人有5%死亡；若照射650rad，则人100%死亡。照射剂量在150rad以下，死亡率为零，但并非无损害作用，住往需经20年以后，一些症状才会表现出来。放射性也能损伤遗传物质，主要在于引起基因突变和染色体畸变，使一代甚至几代受害。,核能知识,1. 铀的同位素 铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235，它们所占的比例分别为99.3%和0.。除此之外，自然界中还有微量的铀-234

22、。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。 1）、1KgU-235完全裂变释放的能量相当与20000tTNT炸药的威力。 2）、1gU-2352.5t优质煤,重核裂变 重核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个中等原子量的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量。例如，当用一个中子轰击-235的原子核时，它就会分裂成两个质量较小的原子核，同时产生23个中子和、等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。 如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变,轻核聚变 轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)重氢核(氘核)与超重氢核(氘核)结合成

23、氦放出大量能量的过程，也称热核反应。它是取得核能的重要途径之一。由于原子核间有很强的静电排斥力，因此在一般的温度和压力下，很难发生聚变反应。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为“热核聚变反应”。,核能是可持续发展的能源 在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨和275万吨。轻核聚变的燃料是氘和锂，1升海水能提取30毫克氘，在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量，即“1升海水约等于300升汽油”，地球上海水中有40多万亿吨氘，足够人类使用百亿年。地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量，可供人类

24、使用上千亿年。,U-235的浓缩,浓缩后的铀中U-235的含量从0.72%99.99999%不等。 超过浓度3%的铀是用来发电 超过浓度90%的铀是用来造原子弹的。 浓缩技术：气体扩散法、离心分离法（以UF6的形式进行）、激光法、喷嘴法、电磁法分离法、化学分离法,乏燃料 是指在核反应堆内使用（辐照）达到计划的卸料比燃耗后,自堆内卸出的、不再在原核反应堆中使用的核燃料。,核工业的主要业务范围 核工业的主要业务范围包括：铀矿勘探、铀矿开采与铀的提取、燃料元件制造、铀同位素分离、反应堆发电、乏燃料后处理、同位素应用以及与核工业相关的建筑安装、仪器仪表、设备制造与加工、安全防护及环境保护。,核燃料循环

25、及其组成 核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。核燃料循环通常分为前端和后端两部分， 前端包括铀矿勘探、铀矿开采、矿石加工（包括选矿、浸出、提取和沉淀等工序）、精制、转化、浓缩、元件制造等； 后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物进行处理、贮存和处置。,放射性应用,一、同位素应用 1、工业同位素示踪 放射性同位素的探测灵敏度极高，这是常规的化学分析无法比拟的。利用微量同位素动态追踪物质的运动规律是放射性示踪不可替代的优势。目前，这一技术已广泛用于石油、化工、冶金、水利水文等部门，并取得显著的经济效益。,2、同位素电池 放射性同位素在进行核衰

26、变时释放的能量，可以用作制造特种电源同位素电池。这种电池是目前人类进行深空探索唯一可用的能源。空间同位素电池(如钚-238电池)的特点是：不需对太阳定向，小巧紧凑，使用寿命长。,3、同位素监控仪表 放射性同位素放出的射线作为一种信息源可取得工业过程中的非电参数和其他信息。根据这一原理制作的各种同位素监控仪表，如料位计、密度计、测厚仪、核子秤、水分计、射线探伤机和离子感烟火灾报警器等可用来监控生产流程，实现无损检测，以及探知火情等。,4、辐射加工方面 辐射加工是利用电离辐射作为一种先进的手段对物质和材料进行加工处理的一门技术。这种加工方式目前已在交联线缆、热缩材料、橡胶硫化、泡沫塑料、表面固化、

27、中子嬗变掺杂单晶硅、医疗用品消毒、食品辐照保藏以及废水、废气处理等领域取得显著成效，形成产业规模。,5、辐射育种 辐射育种，是利用射线等射线诱发作物基因突变，获得有价值的新突变体，从而育成优良品种。我国辐射突变育种的成就突出育成的新品种占世界总数的四分之一。特别是根、棉、油等作物的推广，取得了显著的增产效果。,6、示踪技术方面 同位素示踪在农业中的应用主要是从事肥料与农药的效用和机理、有害物质的分解与残留探测、畜牧兽医研究以及农用水利方面检查测定堤坝、水库的泄漏等。另外还可以用于生物固氮、家畜疾病诊断及其妊娠预测等方面的研究。,7、昆虫辐射不育 昆虫受到电离辐射照射可使昆虫丧失生殖能力，从而降

28、低害虫的数量，进一步达到防治甚至根除害虫的目的。昆虫辐射不育是一种先进的生物防治方法，不存在农药的环境污染问题。国外使用该技术在大面积根除地中海果蝇以及抑制非洲彩蝇方面取得了重大成果。而我国用此法对玉米螟、小菜蛾、柑桔大实蝇等害虫的辐射不育研究，也取得了较好的防治效果。,8、食品辐照保藏 食品辐照保藏，就是利用电离辐射对食品进行照射，以抑制发芽、杀虫灭菌、延长货架期和检疫处理等，从而达到保存食品的目的。经辐照彻底灭菌的食品是宇航员和特种病人最为理想的食品。目前，国外食品辐照已作为预防食源性疾病和开展国际农产品检疫的一种有效手段。,二、核医学诊断与癌症放射性治疗 核医学诊断是根据放射性示踪原理对患者进行疾病检查的一种诊断方式。在临床上可分为体