1、輻射安全與防護培訓(xùn)班 培訓(xùn)課程 （放射性基礎(chǔ)知識） 清華大學(xué)工程物理系 陳伯顯 2009年2月,課程重點： 原子核的基本性質(zhì)； 原子核的放射性及放射性衰變規(guī)律； 射線與物質(zhì)相互作用的主要過程（帶電粒子、X 和 輻射和中子）； 輻射源的分類和核技術(shù)應(yīng)用中的輻射源。 要求： 掌握基本概念（在工作中使用頻率高），在后續(xù)課程中反復(fù)使用和訓(xùn)練。,第一節(jié) 原子核的基本性質(zhì),1.1 原子與原子核 “原子”源自希臘文，意思是“不可分割的”。按照現(xiàn)代的觀點。原子作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個層次。研究原子的組成、組成物（主要是核外軌道電子）的運動規(guī)律、其相互作用的規(guī)律及化學(xué)周期表等。其表征特征為物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和光譜特

2、性。 “原子核”則是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一個更深的層次，研究原子核的組成、性質(zhì)、核力、核模型、核的蛻變及核能的利用等。其表征特征為原子核的放射性。,實際上元素符號X和原子序數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號X足以表示一個特定的元素。,元素的表示,原子序數(shù),化學(xué)符號,每一個原子隸屬于某一種元素，例如：氫原子，氘原子均屬于氫元素，在元素周期表中為1號元素，一般表示為 ； 元素的原子量是該元素各原子的原子質(zhì)量的加權(quán)平均值。對 ：,(一) 原子結(jié)構(gòu)模型,18711937,1908年諾貝爾化學(xué)獎,1909年盧瑟福散射試驗，1911年提出原子的核式模型。,盧瑟福散射實驗結(jié)論： 正電荷集中在原子的中心，即原子

3、核； 線度為1012 10-13 cm量級，為原子的104 量級； 質(zhì)量為整個原子的99.9%以上； 從此建立了原子的有核模型。,原子的電中性，要求： 原子核所帶電量與核外電子電量相等， 核電荷與核外電子電荷符號相反。 即：核電荷Ze，核外電子電荷Ze。,現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu),中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出：原子核由質(zhì)子和中子組成，并得到實驗支持。中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子。 中子不帶電。質(zhì)子帶正電，電量為e。電荷數(shù)為 的原子核含有 個質(zhì)子。,19011976,因量子力學(xué)方面貢獻(xiàn)，獲1935年諾貝爾物理獎。,（二）原子核的組成,1932年查德威克(J. Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子。(

4、據(jù)此獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎),實際上核素符號X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號AX足以表示一個特定的核素。,原子核的表示,例如：,為三個核素，可 表示為：,（三）原子核物理常用術(shù)語及意義,1).核素（nuclide）,具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。,核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個不同，就是不同的核素。,同量異位素，A同，Z、N不同。,同中異荷素，N同，A、Z不同。,同位素， Z同，A、N不同。,同質(zhì)異能素，A、Z同，能態(tài)不同。,某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。,我們把具有相同質(zhì)子數(shù)，但核子數(shù)不同的核素所對應(yīng)的原子稱為

5、某元素的同位素。同位是指該元素的各種原子在元素周期表中處于同一個位置，它們具有基本相同的化學(xué)性質(zhì)。,2).同位素（Isotope）和同位素豐度,鈾的三種同位素。,氫的三種同位素；,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,0.0055、0.7200%、99.2745%,99.985%、0.015%,3).穩(wěn)定核素和放射性同位素,其中，穩(wěn)定同位素為：,而 為放射性同位素，具有 放射性，放出最大能量為18KeV的 射線，其半衰期 。 它的產(chǎn)生是宇宙射線與空氣中的N和O發(fā)生核反應(yīng)，稱為宇生放射性。,氫的三種同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但其放射性卻不同。,4).核素和核素

6、圖 根據(jù)原子核的穩(wěn)定性, 可以把核素分為穩(wěn)定的核素和不穩(wěn)定的放射性核素。原子核的穩(wěn)定性與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之間的比例存在著密切的關(guān)系。 我們可以把核素排 在一張所謂核素圖上。 核素圖共包含2000 個核素,其中天然存在 332個核素(280為穩(wěn)定 核素),人工放射性 核素1600多個。,5). 人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素，而是在反應(yīng)堆或加速器所生成。同位素技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的放射源-鈷源（ ）就是在反應(yīng)堆中生成。 將金屬鈷，即 ，其豐度 ， 放在反應(yīng)堆孔道內(nèi)，利用中子照射 ，發(fā)生如下核反應(yīng)： 工業(yè)上應(yīng)用于食品和醫(yī)療器具的殺菌、消毒的鈷源（ ），其活度達(dá)幾十萬至百萬居里

7、（ ）。,（一）原子質(zhì)量單位 ： 1960年物理學(xué)國際會議通過采用：,1.2 原子核的質(zhì)量與結(jié)合能,第二部分 核與放射性的基本物理基礎(chǔ),（二）質(zhì)能聯(lián)系定律愛因斯坦相對論關(guān)系： 其中 為物體（粒子）的靜止質(zhì)量， 為物體的運動速度， 為真空中的光速。 物體（粒子）的動能：,當(dāng),原子核的質(zhì)量用,原子質(zhì)量表示為,為電子的質(zhì)量；,為原子核外軌道電子得結(jié)合能的總和 ；,，,核質(zhì)量則可表示為：,（三）原子質(zhì)量和原子核質(zhì)量,核數(shù)據(jù)表中給出的均為原子質(zhì)量,（三）質(zhì)量虧損,所有的核都存在質(zhì)量虧損，即,原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和的，少的那部分質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損(Mass Defect)。表示為,以

8、氘核為例：,式中 為氘核的核質(zhì)量。,（四）原子核結(jié)合能的概念,既然 ，則相應(yīng)的能量就減少，表明當(dāng)若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一個核時，將釋放一部分能量，這個能量稱為叫結(jié)合能。,氘( )由一個中子和一個質(zhì)子所組成。,(五)比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線,比結(jié)合能：,（平均結(jié)合能）,單位是 MeV/Nu，Nu代表核子。,比結(jié)合能的物理意義：原子核拆散成自由核子時，外界對每個核子所做的最小的平均功。 或者說，它表示核子結(jié)合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。,比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度： 比結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高； 比結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。,比結(jié)合能曲線：,8.79,7.07,1.112,結(jié)

9、論：對于質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一個核子的平均結(jié)合能最大；而質(zhì)量數(shù)較大的重核區(qū)，或較小的輕核區(qū)的原子核中，核子的平均結(jié)合能都比較小。 因此，當(dāng)重原子核分裂成中等質(zhì)量的核時，核子在較輕的核內(nèi)會結(jié)合得更緊密，就可能會大量釋放能量，這就是裂變能；當(dāng)兩個較輕的核發(fā)生聚合時，釋放出的能量更大，就是聚變能。,第二節(jié) 原子核的放射性,放射性-原子核的蛻變 1896年，Becquerel（獲1903年諾貝爾物理獎）在鈾鹽中發(fā)現(xiàn)放射性。 原子核的蛻變包括原子核的核衰變、核反應(yīng)和核裂變等過程，在這些過程中均會產(chǎn)生放射性。 我們將重點闡述核衰變過程。所謂核衰變就是不穩(wěn)定的原子核自發(fā)的發(fā)射粒子而蛻變?yōu)樾碌淖雍?/p>

10、。,2.1 核衰變主要的類型: a, b, g衰變,Type of Radiation Charge/Mass Penetration a 粒子（氦核） +2q/4mp 空氣（幾cm） b 電子或正電子 q/me or +q/me 幾 mm鋁片 g 光子 no charge 幾mmcm鉛,此外，還有中子發(fā)射、質(zhì)子發(fā)射、裂變等,1. a衰變：,由能量守恒：,定義衰變能 ：,發(fā)生 衰變的條件,2. 衰變,衰變（豐中子核發(fā)生）,衰變（欠中子核發(fā)生）,EC-軌道電子俘獲（欠中子核發(fā)生）,衰變,表達(dá)式：,母核X 衰變?yōu)?子核Y、一個 電子 和一個 反中微子. 核中一個中子變?yōu)榱速|(zhì)子。,衰變前，母核X靜止

11、，根據(jù)能量守恒定律：,定義：-衰變能E0 為 反中微子 和 粒子的動能之和，也就是衰變前后靜止質(zhì)量之差。,即：,有, 衰變發(fā)生的條件：,衰變前母核原子質(zhì)量必須大于衰變后子核原子質(zhì)量。,電荷數(shù)分別為Z和Z1的同量異位素，只要前者的原子質(zhì)量大于后者，就能發(fā)生-衰變。,14C的衰變綱圖：,衰變,表達(dá)式：,母核X 衰變?yōu)?子核Y、一個 正電子 和一個 中微子. 核中一個質(zhì)子變?yōu)榱酥凶印?衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：,衰變能：, 衰變發(fā)生的條件：,EC(軌道電子俘獲),表達(dá)式,母核 俘獲核外軌道上的一個電子，使母核中的一個 質(zhì)子 轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子， 同時放出一個中微子。,K電子俘獲最容易發(fā)生。,

12、EC衰變能：,EC 衰變發(fā)生的條件：,由于：,所以，能發(fā)生 衰變的原子核總可以發(fā)生軌道電子俘獲，反過來不成立。,EC衰變的后續(xù)過程：,特征X射線；,俄歇電子。,3. 躍遷,衰變：原子核從激發(fā)態(tài)通過發(fā)射光子(射線)或其他過程躍遷到較低能態(tài)的過程。該過程核電荷數(shù)不變、核子數(shù)不變。,發(fā)射射線粒子能量在幾KeV十幾 MeV,半衰期范圍為，10-16s10-4s, 躍遷的基本特點：,包括躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子兩種形式。,核素的衰變綱圖,核素的衰變綱圖是理解核素放射性的重要手段,（1）母核 發(fā)生 衰變后，子核為 ，發(fā)生 衰變和EC 過程，子核 為，子核分別左移兩位和一位。在發(fā)生 的情況下，子核為 ，子核為右移一

13、位。 （2）衰變綱圖中用橫的粗實線表示核素的基態(tài)，而用細(xì)實線表示該核素的激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)橫線上的能量表示該激發(fā)態(tài)相對于基態(tài)的能量。圖中的 為相應(yīng)過程的衰變能。用 和 表示粒子的能量和強度，對 衰變又常稱分支比。,（3） 并用豎線表示 躍遷過程，斜寫在豎線右上方的數(shù)字分別為 射線的能量、 射線的絕對強度和與之相競爭的內(nèi)轉(zhuǎn)換電子強度 。強度的定義為對100個母核發(fā)生衰變中，發(fā)出的光子數(shù)和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子數(shù)。 （4）母核右側(cè)的時間為該核素的半衰期 。至于在每個能態(tài)橫線左端的為該能態(tài)的自旋與宇稱 ，在我們這里就不深入討論了，它決定躍遷能否發(fā)生及其概率的大小。,2.2 放射性衰變基本規(guī)律,由于微觀世界的統(tǒng)計性和

14、全同行，不能預(yù)測某一原子核的衰變時刻，但可以統(tǒng)計得到放射源中總的放射性原子核數(shù)目的減少規(guī)律；具體到每個放射性原子核的衰變來說，就是服從一定規(guī)律進(jìn)行衰變的一個隨機事件，可以用衰變概率表示。,(一) 單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律,222Rn的衰變曲線,實驗發(fā)現(xiàn)，放射性核素 放出一個粒子，變成 ，而 的數(shù)目每4天減少一半。,由統(tǒng)計性，以放射源總體考慮衰減規(guī)律：,設(shè)：t 時刻放射性原子核的數(shù)目為N(t)，,t t+dt 內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)目-dN(t)，,它應(yīng)該正比于N(t) 和時間間隔dt ，,于是有：,1. 衰變常數(shù),分子表示：t 時刻單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目，稱為衰變率，記作,t 時刻放射性原子核總

15、數(shù),衰變常數(shù)：一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。,放射性核素的特征量,量綱為：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a,b. 當(dāng)一個原子核有幾種衰變方式時：,a. 衰變率：,定義分支比：,2. 半衰期,半衰期：放射性核數(shù)衰變一半所需的時間，記為 。,即：,量綱為：t,如s，h，d，a,3. 平均壽命 ,平均壽命 總壽命 / 總核數(shù),特征量大小與核衰變的快慢,1. 放射性活度 (Activity),即：,定義：,則：,活度定義：一個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。以A表示，表征放射源的強弱。,(二) 放射性活度及其單位,放射源發(fā)出放射性粒子的多少，不僅與核衰變數(shù)有關(guān)，而且和核衰變的具體

16、情況直接相關(guān)。一般情況，核率變數(shù)不等于發(fā)出粒子數(shù)。,2. 活度單位,常用單位居里(Ci)：1克226Ra所具有的放射性活度。,法定計量單位為貝可(Bq)：,較小的單位還有毫居(mCi)和微居(Ci),所以：,3. 比活度 (Specific Activity),定義為：單位質(zhì)量放射源的放射性活度。,比活度反映了放射源中放射性物質(zhì)的純度。,即：,單位為：Bq/g 或 Ci/g,求人體內(nèi)含的0.2%的 。已知 的天然豐度為0.0118%，其半衰期 。求體重為75kg的人體內(nèi)的總放射性活度。,應(yīng)用實例：,已得求體內(nèi) 的原子數(shù)：,體內(nèi)由 的放射性活度：,2.3 遞次衰變規(guī)律,許多放射性核素并非一次衰變

17、就達(dá)到穩(wěn)定，而是它們的子核仍有放射性，會接著衰變 直到衰變的子核為穩(wěn)定核素為止，這樣就產(chǎn)生了多代連續(xù)放射性衰變，稱之為遞次衰變或級聯(lián)衰變。,遞次衰變的表示：,例如：,遞次衰變規(guī)律比較復(fù)雜，如需要可參考有關(guān)材料。,2.4 放射性規(guī)律的應(yīng)用,放射性的應(yīng)用很廣泛，這里只討論衰變規(guī)律本身的應(yīng)用例子。,1、放射源活度修正,2、確定放射源活度和制備時間,3、確定放射源性質(zhì),4、確定遠(yuǎn)期年代,5、短壽命核素發(fā)生器,1、放射源活度修正,典型應(yīng)用：已知一個放射源某時的活度，求現(xiàn)在的活度。,根據(jù)：,若放射源已知，則 已知，根據(jù)已知條件 A(0) 和 t 可以求出現(xiàn)在或某時該源的活度。,例：單一放射性核素137Cs

18、 ， 1987年10月137Cs源的放射性活度： 半衰期T1/2=30.17年。 請計算該源今天的放射性活度。,當(dāng)前137Cs源的放射性活度：,解：,137Cs源經(jīng)過20年，其放射性活度減弱為原來的63。,2、確定放射源性質(zhì),典型應(yīng)用：在人工制備放射源時，確定其組成是很重要的，因這和其放射性活度及輻射的粒子密切相關(guān)。,這個過程會達(dá)到長期平衡，平衡后，原純90Sr源，變?yōu)?0Sr和90Y共存的源，并以母核的半衰期衰變。這時源活度是純90Sr源的兩倍，發(fā)射的粒子能量也有了變化。,由于：,例如要制備 放射源，,3、放射性鑒年法確定遠(yuǎn)期年代,14C斷代年代法,14C: 具有放射性，半衰期 5730 年

19、。主要用于考古學(xué)中的年代測定。,大氣中：,活生物體內(nèi)的12C與14C含量之比與大氣中相當(dāng)。,宇宙射線與大氣層中的氮核發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子。,可以算得： 1g有生命機體的C中含14C約61010個，每分鐘發(fā)生衰變的14C約14個。,當(dāng)生命結(jié)束后，生物體停止與大氣的C交換。其體內(nèi)14C不斷衰變，數(shù)目不斷減少。,而其體內(nèi)12C的數(shù)目保持不變。,斷代方法：,通過測量： 1、14C的放射性活度， 2、測量14C核素數(shù)目， 都可以測定生物體死亡距今的年代。,加速器質(zhì)譜(AMS)方法可以直接測量核素的數(shù)目。,將古代樣品含量比與現(xiàn)代參考樣品含量比比較，可以確定生物體死亡距今的時間 t ：,4、短壽命核素發(fā)生器

20、,核醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)學(xué)等需要短壽命的放射性核素，如99mTc(T1/2=6.02h)、113mIn(T1/2=104m)等。,問題是：如何將生產(chǎn)的這些短壽命放射性核素運輸?shù)结t(yī)院等需要使用它們的地方？,“母牛”：利用連續(xù)衰變系列。,母牛原理：壽命較長的核素不斷產(chǎn)生短壽命子體，需要時，將子體分離出來，而母體繼續(xù)不斷衰變生長出子體。,例如： “母?！薄?由于T1/2(99Mo)T1/2(99mTc) ，體系可建立暫時平衡。,當(dāng) t=tm 時，子核放射性活度最大，,工作原理 最常使用的醫(yī)用放射 性核素發(fā)生器是 發(fā)生器，它由的裂變產(chǎn)物 經(jīng)過多次分離純化，得到 99Mo鉬酸銨溶液，然 后裝入酸性Al2O3吸附

21、劑 的色譜柱上，發(fā)生如下 反應(yīng)。,注： 1. 為二價離子，在離子交換樹脂上結(jié)合得很牢固， 化合物為一價離子，而在離子交換樹脂上結(jié)合得不很牢固，用生理鹽水可以將絡(luò)合弱的單電荷的 淋洗下來。 2. (也可記作 )是 的同核異能素，它們核組成完全相同，但具有不同的半衰期。,2.5 放射系 地球年齡為10億年(即 年)。目前還能存在于地球上的放射性核素都只能維系在三個處于長期平衡狀態(tài)的放射系中。 這些放射系的第一個核素的半衰期都很長，與地球的年齡相近或比它更長。如釷系的 ,半衰期為1.411010年；鈾系的 ，半衰期為4.47109年；錒-鈾系的 ，其半衰期為7.04108年。 三個放射系中的其他核素

22、，在單獨存在時，衰變都較快，但它們維系在長期平衡體系內(nèi)時，都按第一個核素的半衰期衰變，因此可保存至今。,以鈾系為例： 從 核素開始，經(jīng)過14次連續(xù)衰變而達(dá)到穩(wěn)定核素 。 其中子核 為惰性氣體氡放射性核素。 該系核素質(zhì)量均為4n+2。,以鈾錒系為例： 從 核素開始，經(jīng)過11次連續(xù)衰變而達(dá)到穩(wěn)定核素 。 其中子核 為惰性氣體氡放射性核素。 該系核素質(zhì)量均為4n+3。,以釷系為例： 從 核素開始，經(jīng)過10次連續(xù)衰變而達(dá)到穩(wěn)定核素 。 其中子核 為惰性氣體氡放射性核素。 該系核素質(zhì)量均為4n。,第三節(jié) 射線與物質(zhì)相互作用,射線，指的是如X射線、射線、射線、射線等，本質(zhì)都是輻射粒子，又稱輻射。,射線與物

23、質(zhì)相互作用是輻射探測的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識微觀世界的基本手段。,本課程討論對象為致電離輻射，輻射能量大于10eV。即可使探測介質(zhì)的原子發(fā)生電離的能量。,射線與物質(zhì)相互作用的分類,（一）帶電粒子能量損失方式之一-電離損失,入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。,電離核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。,激發(fā)使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。,3.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用,（二）帶電粒子能量損失方式之二-輻射損失,入射帶電粒子與原子核之間的庫侖力作用，使入射帶電粒子的速度和方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射電磁輻射軔致輻射(B

24、remsstrahlung)。它是X射線的一種，具有連續(xù)的能量分布。,（三）能量損失率-入射帶電粒子在物質(zhì)中經(jīng)過單位路程上損失的能量，又稱阻止本領(lǐng) 其中 為電離損失率； 為輻射損失率。,對快電子而言，能量損失率是兩種能量損失率之和，兩這之比為：,E的單位為MeV,一般情況下所涉及快電子的能量E 一般不超過幾個MeV，所以，輻射能量損失只有在高原子序數(shù)(大Z)的吸收材料中才是重要的。,小結(jié)：重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點,重帶電粒子均為帶正電荷的離子；,重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量，同時使介質(zhì)原子電離或激發(fā)；,重帶電粒子在介質(zhì)中的運動徑跡近似為直線。,快電子與物質(zhì)相互作用的特點：,快電子

25、的速度大；,快電子除電離損失外，輻射損失不可忽略；,快電子散射嚴(yán)重,甚至發(fā)生反散射。,（四）帶電粒子在物質(zhì)中的射程,射程(Range)的定義帶電粒子沿入射方向所行徑的最大距離，稱為入射粒子在該物質(zhì)中的射程R。入射粒子在物質(zhì)中行徑的實際軌跡的長度稱作路程(Path)。,重帶電粒子的質(zhì)量大，與物質(zhì)原子相互作用時，其運動方向幾乎不變。因此，重帶電粒子的射程與其路程相近。,(1) 粒子在空氣中的射程,為粒子能量，單位為MeV。,公式適用范圍：,對 放射源發(fā)射的 粒子，,在空氣中的射程 ； 在肌肉內(nèi)的射程 。,(2) 快電子射程 單能電子在吸收介質(zhì)中的射程Rm(mg/cm2)與其能量E(MeV)之間的關(guān)

26、系：,經(jīng)驗公式：,例 發(fā)出的 的射程,(五) 正電子的湮沒,正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機制即電離損失和輻射損失與電子相同。但不同點在于：,高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被慢化，然后在正電子徑跡的末端，即停下來的瞬間與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒，放出光子； 或者，它與介質(zhì)中的一個電子結(jié)合成正電子素，即電子正電子對的束縛態(tài)，然后再湮沒，放出光子。,正電子湮沒放出光子的過程稱為正電子湮沒， 放出的光子稱為湮沒光子 。,而兩個湮沒光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射 是各向同性的。,從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒時，正、負(fù)電子的動能為零，所以，兩個湮沒光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量。即：,從動量守恒出發(fā)：湮沒前

27、正、負(fù)電子的總動量為零，則，湮沒后兩個湮沒光子的總動量也應(yīng)為零。即：,因此，兩個湮沒光子的能量相同：,射線與 射線的本質(zhì)電磁輻射,特征射線：,湮沒輻射：,核能級躍遷,正電子湮沒產(chǎn)生,特征X射線：,原子能級躍遷,軔致輻射：,帶電粒子速度或運動方向改變產(chǎn)生,3.2 射線與物質(zhì)相互作用,射線與物質(zhì)相互作用特點：,光子是通過次級效應(yīng)(一種“單次性”的隨機事件)與物質(zhì)的原子或原子核外電子作用，一旦光子與物質(zhì)發(fā)生作用，光子或者消失或者受到散射而損失能量，同時產(chǎn)生次級電子；,次級效應(yīng)主要的方式有三種，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。,射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面這個物理量來表示

28、作用概率的大小。而且，總截面等于各作用截面之和，即：,關(guān)于截面的概念： 射線與物質(zhì)發(fā)生上述三種相互作用都具有一定概率，用截面 這個物理量來表示作用概率的大小。 截面 的定義：一個入射光子與單位面積一個原子發(fā)生作用的概率，其量綱為面積，常用單位為“巴（b）”,（一）光電效應(yīng)： 光子與原子中的一個束縛電子作用，把能量全部交給電子，使電子從原子中發(fā)射出來，稱為光電子，光子消失。 光電子能量 其中， 為 層電子的結(jié) 合能，主要是K層電子。,光電子的能量,由能量守恒：,因此，光電子能量為：,光電效應(yīng)是光子與原子整體的相互作用，而不是與自由電子的相互作用。否則不能同時滿足能量和動量守恒。,（二）康普頓效應(yīng)

29、 光子核外層電子的非彈性碰撞。光子的一部分能量交給電子，使 電子從原子中發(fā)射出來， 光子的能量和方向發(fā)生 改變。 為散射角； 為反沖角。 反沖電子能量： 與 有關(guān)，且呈連續(xù)能量分布。,（三）電子對生成效應(yīng)： 光子從原子核旁經(jīng)過，在核的庫侖場作用下，光子轉(zhuǎn)化成為正負(fù)電子對。 正負(fù)電子對的能量： 所以，只有當(dāng) 射線 能量大于 才可能發(fā)生電子對效應(yīng)。,（四）三種效應(yīng)的相互關(guān)系,1)、對于低能射線和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢； 2)、對于中能射線和原子序數(shù)低的吸收物質(zhì)，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢； 3)、對于高能射線和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。,（五）物質(zhì)對射線的吸收,(1) 窄束射線強

30、度的衰減規(guī)律,為光子與吸收物質(zhì)作用的截面；,N為吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù)；,I0為射線入射強度；,D為吸收物質(zhì)厚度。,對上面的方程積分，初始條件,在x x+dx層內(nèi)單位時間光子數(shù)的變化為：,等于在該層物質(zhì)內(nèi)單位時間發(fā)生的作用數(shù)。,光子束通過物質(zhì)時的強度為：,其中：,為線性吸收系數(shù)又稱為宏觀截面,當(dāng)介質(zhì)厚度為D:,可以證明 ，又稱宏觀截面,線性衰減（吸收）系數(shù) 的物理意義為 射線單位厚度物質(zhì)時發(fā)生相互作用的概率。,定義：質(zhì)量衰減系數(shù)：,相應(yīng)質(zhì)量厚度表示為：,質(zhì)量衰減系數(shù)與 即物質(zhì)狀態(tài)無關(guān)。,用質(zhì)量厚度表示的優(yōu)點是便于測量。得到吸收規(guī)律的另一種更常用的表達(dá)式：,與帶電粒子不同， 射線沒有射程的概念

31、。窄束 射線強度衰減服從指數(shù)衰減規(guī)律，只有吸收系數(shù)及相應(yīng)的半吸收厚度的概念。,(2) 非窄束射線強度的衰減規(guī)律,稱為積累因子。,3.3 中子及其與物質(zhì)相互作用,（一）中子的分類及性質(zhì),2) 中能中子：1KeV0.5MeV。,1) 慢中子：01KeV。包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。,3) 快中子：0.5MeV10MeV。,4) 特快中子：10MeV。,熱中子：與吸收物質(zhì)原子處于熱平衡狀態(tài)，能量為0.0253eV，中子速度2.2103m/s.,（二）中子與物質(zhì)的相互作用,彈性散射 (n,n),中子與物質(zhì)的相互作用實質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。 1).中子的散射,出射粒子仍為中子、剩

32、余核仍為靶核。,出射中子的動能：,反沖核的動能：,2) 非彈性散射 (n,n),入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖，且使靶核處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時放出一個或幾個特征光子，在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。,當(dāng)反沖核為質(zhì)子(氫核)時，Mm，上式變?yōu)椋?當(dāng) = 0 時，反沖質(zhì)子能量最大，Tp = Tn,3). 中子的俘獲 (1) 中子的輻射俘獲 (n,),中子射入靶核后與靶核形成一個復(fù)合核，而后復(fù)合核通過發(fā)射一個或幾個特征光子躍遷到基態(tài)。這些特征 光子不同于 (n,n) 的特征 光子。由于這些 光子的發(fā)射與復(fù)合核的壽命相關(guān)，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)射線”，同樣在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)

33、用。,當(dāng)發(fā)生(n,)反應(yīng)后，新形成的核素是放射性的，就是常說的“活化”，測量活化核素的放射性可以用來測量中子流的注量率區(qū)分中子的能量范圍。,(2) 發(fā)射帶電粒子的中子核反應(yīng),如(n,)，(n,p)等，這些反應(yīng)在中子探測中應(yīng)用很多，成為探測中子的主要手段。,如(n,2n)，(n,np)等，這些反應(yīng)的閾能較高，在810MeV以上，只有特快中子才能發(fā)生。,(3) 裂變反應(yīng) (n,f),(4) 多粒子發(fā)射,第四節(jié) 核技術(shù)應(yīng)用中的 放射源,2.1 輻射源的分類,(一) 天然輻射源,1.原生放射性核素,自有地球以來就存在于地殼內(nèi)的放射性核素，稱為原生放射性核素。原生放射性核素可分為兩類，一類是有衰變系列的

34、核素,主要是鈾系（238U放射系）和釷系（232Th放射系）兩個系的一些核素。另一類是無衰變系列的放射性核素如40K、87Rb等。 原生放射性核素，廣泛存在于地球的巖石、土壤、江河、湖海中。這些元素的活度濃度和分布隨著巖石構(gòu)造的類型不同而變化?；◢弾r中的活度濃度最高。土壤和巖石中所含的鈾、釷、鐳、鉀等元素，以40K的活度濃度最高。,宇宙射線引起的鏃射,熱中子與大氣中的氮發(fā)生核反應(yīng) 反應(yīng)截面： 放射性核素 的半衰期 在大氣高空中形成的 是自然界的唯一來源。,3.宇生放射性核素，以 為主要。,若在人工制備放射源時，帶電粒子束或中子束的強度是一定的，則放射性核素的產(chǎn)生率P也是恒定的，而源在制備過程中同時又在衰變。,為樣品中被活化材料中元素的原子數(shù)，可視為常數(shù)。因此放射性核素的變化率為:,利用初始條件t =0時，N(t)=0，解方程得：,（二）人工輻射源,若要 A(t) 達(dá)到 P 的99，則需要時間為t = 6.65 T1/2。,則活度為：,定義：飽和因子S，,人工放射性生長曲線,人工放射性活度隨時間的變化 ：,以反應(yīng)堆生產(chǎn) 源為例： 將金屬鈷 （ ）放在反應(yīng)堆孔道內(nèi)，發(fā)生核反應(yīng) 反應(yīng)截面為 ， 的半衰期 , 這時 飽和的放射源活度為,源是核技術(shù)應(yīng)用中常用的放射源和輻照源，發(fā)射能量為1.17M