1、輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)班 培訓(xùn)課程 （放射性基礎(chǔ)知識(shí)） 清華大學(xué)工程物理系 陳伯顯 2009年2月,課程重點(diǎn)： 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(guò)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(diǎn)。原子作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次。研究原子的組成、組成物（主要是核外軌道電子）的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)際上元素符號(hào)X和原子序數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號(hào)X足以表示一個(gè)特定的元素。,元素的表示,原子序數(shù),化學(xué)符號(hào),每一個(gè)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(hào)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(duì) ：,(一) 原子結(jié)構(gòu)模型,18711937,1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),1909年盧瑟福散射試驗(yàn)，1911年提出原子的核式模型。,盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)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(jí)，為原子的104 量級(jí)； 質(zhì)量為整個(gè)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(hào)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(shí)驗(yàn)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(gè)質(zhì)子。,19011976,因量子力學(xué)方面貢獻(xiàn)，獲1935年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,（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(jiǎng)),實(shí)際上核素符號(hào)X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號(hào)AX足以表示一個(gè)特定的核素。,原子核的表示,例如：,為三個(gè)核素，可 表示為：,（三）原子核物理常用術(shù)語(yǔ)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(gè)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(duì)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(gè)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(gè)核素,其中天然存在 332個(gè)核素(280為穩(wěn)定 核素),人工放射性 核素1600多個(gè)。,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(wàn)至百萬(wàn)居里（）。

7、,（一）原子質(zhì)量單位 ： 1960年物理學(xué)國(guó)際會(huì)議通過(guò)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(ài)因斯坦相對(duì)論關(guān)系： 其中 為物體（粒子）的靜止質(zhì)量， 為物體的運(yùn)動(dòng)速度， 為真空中的光速。 物體（粒子）的動(dòng)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,以氘核為例

8、：,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(gè)核時(shí)，將釋放一部分能量，這個(gè)能量稱為叫結(jié)合能。,氘( )由一個(gè)中子和一個(gè)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(shí)，外界對(duì)每個(gè)核子所做的最小的平均功。 或者說(shuō)，它表示核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均一個(gè)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)論：對(duì)于

9、質(zhì)量數(shù)為中等數(shù)值的那些原子核，每一個(gè)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(shí)，核子在較輕的核內(nèi)會(huì)結(jié)合得更緊密，就可能會(huì)大量釋放能量，這就是裂變能；當(dāng)兩個(gè)較輕的核發(fā)生聚合時(shí)，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(jiǎng)）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(guò)程，在這些過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生放射性。 我們將重點(diǎn)闡述核衰變過(guò)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)樾碌淖雍恕?2.

10、1 核衰變主要的類型: a, b, g衰變,Type of Radiation Charge/MassPenetration 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(gè) 電子 和一個(gè) 反中微子. 核中一個(gè)中子變?yōu)榱速|(zhì)子。,衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量

11、守恒定律：,定義：-衰變能E0 為 反中微子 和 粒子的動(dòng)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(gè) 正電子 和一個(gè) 中微子. 核中一個(gè)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(gè)電子，使母核中的一個(gè) 質(zhì)子 轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子， 同時(shí)放出一個(gè)中微子。,K電子俘獲最容易發(fā)生。,EC衰變能

12、：,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(guò)來(lái)不成立。,EC衰變的后續(xù)過(guò)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(guò)發(fā)射光子(射線)或其他過(guò)程躍遷到較低能態(tài)的過(guò)程。該過(guò)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(diǎn)：,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(guò)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 ，子核為右移一位。 （2

13、）衰變綱圖中用橫的粗實(shí)線表示核素的基態(tài)，而用細(xì)實(shí)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(duì)于基態(tài)的能量。圖中的 為相應(yīng)過(guò)程的衰變能。用 和 表示粒子的能量和強(qiáng)度，對(duì) 衰變又常稱分支比。,（3） 并用豎線表示 躍遷過(guò)程，斜寫(xiě)在豎線右上方的數(shù)字分別為 射線的能量、 射線的絕對(duì)強(qiáng)度和與之相競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)轉(zhuǎn)換電子強(qiáng)度 。強(qiáng)度的定義為對(duì)100個(gè)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(shí)間為該核素的半衰期 。至于在每個(gè)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(jì)性和全同行，不

14、能預(yù)測(cè)某一原子核的衰變時(shí)刻，但可以統(tǒng)計(jì)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(gè)放射性原子核的衰變來(lái)說(shuō)，就是服從一定規(guī)律進(jìn)行衰變的一個(gè)隨機(jī)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放射性核素 放出一個(gè)粒子，變成 ，而 的數(shù)目每4天減少一半。,由統(tǒng)計(jì)性，以放射源總體考慮衰減規(guī)律：,設(shè)：t 時(shí)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(shí)間間隔dt ，,于是有：,1. 衰變常數(shù),分子表示：t 時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目，稱為衰變率，記作,t 時(shí)刻放射性原子核總數(shù),衰變常

15、數(shù)：一個(gè)原子核在單位時(shí)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(gè)原子核有幾種衰變方式時(shí)：,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(shí)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(gè)放射源在單位時(shí)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(qiáng)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情況直接相

16、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(jì)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：?jiǎn)挝毁|(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(shí)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就達(dá)到穩(wěn)定

17、，而是它們的子核仍有放射性，會(huì)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(jí)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(shí)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(gè)放射源某時(shí)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(shí)該源的活度。,例：?jiǎn)我环派湫院怂?37Cs ， 19

18、87年10月137Cs源的放射性活度： 半衰期T1/2=30.17年。 請(qǐng)計(jì)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(guò)20年，其放射性活度減弱為原來(lái)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(shí)，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(gè)過(guò)程會(huì)達(dá)到長(zhǎng)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(shí)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。主要用于

19、考古學(xué)中的年代測(cè)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(jī)體的C中含14C約61010個(gè)，每分鐘發(fā)生衰變的14C約14個(gè)。,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(guò)測(cè)量： 1、14C的放射性活度， 2、測(cè)量14C核素?cái)?shù)目， 都可以測(cè)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(cè)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(shí)間 t ：,4、短壽命核素發(fā)生器,核醫(yī)學(xué)、

20、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(wèn)題是：如何將生產(chǎn)的這些短壽命放射性核素運(yùn)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(zhǎng)的核素不斷產(chǎn)生短壽命子體，需要時(shí)，將子體分離出來(lái)，而母體繼續(xù)不斷衰變生長(zhǎng)出子體。,例如： “母牛”。,由于T1/2(99Mo)T1/2(99mTc) ，體系可建立暫時(shí)平衡。,當(dāng) t=tm 時(shí)，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(guò)多次分離純化，得到 99Mo鉬酸銨溶液，然 后裝入酸性Al2O3吸附劑 的色譜

21、柱上，發(fā)生如下 反應(yīng)。,注： 1. 為二價(jià)離子，在離子交換樹(shù)脂上結(jié)合得很牢固， 化合物為一價(jià)離子，而在離子交換樹(shù)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(lái)。 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(gè)處于長(zhǎng)期平衡狀態(tài)的放射系中。 這些放射系的第一個(gè)核素的半衰期都很長(zhǎng)，與地球的年齡相近或比它更長(zhǎng)。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(gè)放射系中的其他核素，在單獨(dú)存

22、在時(shí)，衰變都較快，但它們維系在長(zhǎng)期平衡體系內(nèi)時(shí)，都按第一個(gè)核素的半衰期衰變，因此可保存至今。,以鈾系為例： 從 核素開(kāi)始，經(jīng)過(guò)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(kāi)始，經(jīng)過(guò)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(kāi)始，經(jīng)過(guò)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。,射線與物質(zhì)相互作用

23、是輻射探測(cè)的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)微觀世界的基本手段。,本課程討論對(duì)象為致電離輻射，輻射能量大于10eV。即可使探測(cè)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(guò)庫(kù)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(jí)躍遷到高能級(jí)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(kù)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(Bremss

24、trahlung)。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(guò)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(duì)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(guò)幾個(gè)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(diǎn),重帶電粒子均為帶正電荷的離子；,重帶電粒子主要通過(guò)電離損失而損失能量，同時(shí)使介質(zhì)原子電離或激發(fā)；,重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。,快電子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：,快電子的速度大；

25、,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(shí)際軌跡的長(zhǎng)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(shí)，其運(yùn)動(dòng)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(duì) 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)系：,經(jīng)驗(yàn)

26、公式：,例 發(fā)出的 的射程,(五) 正電子的湮沒(méi),正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制即電離損失和輻射損失與電子相同。但不同點(diǎn)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(lái)的瞬間與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒(méi)，放出光子； 或者，它與介質(zhì)中的一個(gè)電子結(jié)合成正電子素，即電子正電子對(duì)的束縛態(tài)，然后再湮沒(méi)，放出光子。,正電子湮沒(méi)放出光子的過(guò)程稱為正電子湮沒(méi)， 放出的光子稱為湮沒(méi)光子 。,而兩個(gè)湮沒(méi)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(méi)時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以，兩個(gè)湮沒(méi)光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量。即：,從動(dòng)量守恒出發(fā)：湮沒(méi)前正、負(fù)電子

27、的總動(dòng)量為零，則，湮沒(méi)后兩個(gè)湮沒(méi)光子的總動(dòng)量也應(yīng)為零。即：,因此，兩個(gè)湮沒(méi)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(méi)輻射：,核能級(jí)躍遷,正電子湮沒(méi)產(chǎn)生,特征X射線：,原子能級(jí)躍遷,軔致輻射：,帶電粒子速度或運(yùn)動(dòng)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(diǎn)：,光子是通過(guò)次級(jí)效應(yīng)(一種“單次性”的隨機(jī)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(shí)產(chǎn)生次級(jí)電子；,次級(jí)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(duì)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(gè)物理量來(lái)表示作用概率的

28、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(gè)物理量來(lái)表示作用概率的大小。 截面 的定義：一個(gè)入射光子與單位面積一個(gè)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(gè)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(lái)，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(shí)滿足能量和動(dòng)量守恒。,（二）康普頓效應(yīng) 光子核外層

29、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(lái)， 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(duì)生成效應(yīng)： 光子從原子核旁經(jīng)過(guò)，在核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下，光子轉(zhuǎn)化成為正負(fù)電子對(duì)。 正負(fù)電子對(duì)的能量： 所以，只有當(dāng) 射線 能量大于 才可能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)。,（四）三種效應(yīng)的相互關(guān)系,1)、對(duì)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(shì)； 2)、對(duì)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(shì)； 3)、對(duì)于高能射線和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。,（五）物質(zhì)對(duì)射線的吸收,(1) 窄束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律

30、,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(qiáng)度；,D為吸收物質(zhì)厚度。,對(duì)上面的方程積分，初始條件,在x x+dx層內(nèi)單位時(shí)間光子數(shù)的變化為：,等于在該層物質(zhì)內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生的作用數(shù)。,光子束通過(guò)物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)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(shí)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(wú)關(guān)。,用質(zhì)量厚度表示的優(yōu)點(diǎn)是便于測(cè)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(méi)有射程的概念。窄束 射線

31、強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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、剩余核仍為靶核

32、。,出射中子的動(dòng)能：,反沖核的動(dòng)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(shí)放出一個(gè)或幾個(gè)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(shí)，Mm，上式變?yōu)椋?當(dāng) = 0 時(shí)，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(gè)復(fù)合核，而后復(fù)合核通過(guò)發(fā)射一個(gè)或幾個(gè)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)用。,當(dāng)發(fā)生

33、(n,)反應(yīng)后，新形成的核素是放射性的，就是常說(shuō)的“活化”，測(cè)量活化核素的放射性可以用來(lái)測(cè)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(cè)中應(yīng)用很多，成為探測(cè)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(lái)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核素,主要是

34、鈾系（238U放射系）和釷系（232Th放射系）兩個(gè)系的一些核素。另一類是無(wú)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。花崗巖中的活度濃度最高。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(lái)源。,3.宇生放射性核素，以 為主要。,若在人工制備放射源時(shí)，帶電粒子束或中子束的強(qiáng)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(guò)程中同時(shí)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(shí)，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(shí)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(zhǎng)曲線,人工放射性活度隨時(shí)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(shí) 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1.17Me