核物理基礎(chǔ)知識(shí)

1、核物理基礎(chǔ)知識(shí) 核輻射的基本性質(zhì)核輻射的基本性質(zhì)1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276 +1 +1 p p質(zhì)質(zhì) 子子 0 0 0 0 5.4865.4861010-4-4 1 1 e e 4.002794.00279 +2 +2 4 4He He 質(zhì)質(zhì) 量量 ( u )( u )電荷電荷（e)e)符號(hào)符號(hào)種類(lèi)種類(lèi) 第1頁(yè)/共53頁(yè) 核衰變 衰變衰變 原子核自發(fā)地放出原子核自發(fā)地放出粒子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。粒子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。 范圍：范圍： A140A140，T T49 MeV49 MeV，T T1/21/21010- -7 7s10s101515y

2、y 過(guò)程：QYXAZAZ42第2頁(yè)/共53頁(yè) UP23692u24094第3頁(yè)/共53頁(yè) 能譜第4頁(yè)/共53頁(yè)衰變衰變 原子核自發(fā)地放出原子核自發(fā)地放出粒子粒子(e(e+ +，e e- -) )或俘獲或俘獲一一個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。范圍：范圍：全周期表，全周期表，T T1/21/21010-7-7s10s101818y y，幾，幾MeVMeV過(guò)程：過(guò)程： - -： | |反中微子反中微子 + +： EC EC： YXAZAZ1YXAZAZ1YeXAZAZ1第5頁(yè)/共53頁(yè)第6頁(yè)/共53頁(yè)正電子發(fā)射斷層掃描第7頁(yè)/共53頁(yè)E EC C的伴隨過(guò)程的伴隨過(guò)程 特征X射線(xiàn)：

3、莫塞萊關(guān)系： 歐歇電子LkxWWhvEBAZv第8頁(yè)/共53頁(yè)圖.質(zhì)子誘導(dǎo)激發(fā)X熒光分析的周期表72種元素。樣品可以是固態(tài)、液態(tài)火薄膜。第9頁(yè)/共53頁(yè) 譜特點(diǎn)譜特點(diǎn) 連續(xù)分布連續(xù)分布 ， 對(duì)某種核素是對(duì)某種核素是確定的。確定的。 說(shuō)明說(shuō)明 ： 三個(gè)未知量?jī)H二個(gè)約束方程，因而是可三個(gè)未知量?jī)H二個(gè)約束方程，因而是可變的。變的。 max0TTTTT)cmm(mQRyx20pppRmaxT第10頁(yè)/共53頁(yè) r r躍遷 處于激發(fā)態(tài)的核向較低能態(tài)或基態(tài)退激時(shí)放出r r射線(xiàn)的過(guò)程. . 射線(xiàn)性質(zhì) 波長(zhǎng)較短 ( (0.1 )0.1 )的電磁波。 并行過(guò)程 內(nèi)轉(zhuǎn)換，激發(fā)能交給殼層電子，使其發(fā)出。核衰變核反應(yīng)

4、第11頁(yè)/共53頁(yè)E=h , =c / 電磁輻射譜第12頁(yè)/共53頁(yè) 1.21.2質(zhì)能聯(lián)系定理質(zhì)能聯(lián)系定理 愛(ài)因斯坦公式 質(zhì)量與能量是物質(zhì)同一屬性的兩個(gè)表象, ,具有質(zhì)量為m m的物體, ,便具有由愛(ài)因斯坦公式確定的能量： E=mcE=mc2 2 式中，m m為物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，m m0 0為物體的靜止質(zhì)量。20)/(1/cvmm第13頁(yè)/共53頁(yè) 質(zhì)能變化聯(lián)系質(zhì)能變化聯(lián)系 對(duì)愛(ài)因斯坦公式兩邊差分有： 更具體可寫(xiě)為: : 其中 是體系的廣義質(zhì)量虧損， 和 是體系變化前后的動(dòng)能。2mcE2)(CMMEEEffiiiifffiMMMiEfE第14頁(yè)/共53頁(yè)能量單位電子伏-一個(gè)電子在真空中通過(guò)1V電

5、位差所獲得的能量。一個(gè)電子的靜止能量一個(gè)原子質(zhì)量單位對(duì)應(yīng)的能量JVCev1919106021892. 11106021892. 11MevKevev6310101MevcmEee511. 0106 . 1)103(101 . 91328312MevucEu5 .931106021892. 1/)1099792458. 2(106605655. 11322272第15頁(yè)/共53頁(yè) 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例2), 1(),()(CmAZmAZmQeYxQeHeH323MeV0177. 05 .931)016030. 3016049. 3(2) 1(), 1(),(CmmZAZMZmAZMeeYeX2),

6、1(),(CAZMAZMYX233)()()(CHeMHMQYX第16頁(yè)/共53頁(yè)1.3 1.3 核衰變的一般規(guī)律核衰變的一般規(guī)律推證 由 積分定解，有 N = N0e-tNddNtNNt 00, 0NNt第17頁(yè)/共53頁(yè)放射性衰變的基本規(guī)律放射性衰變的基本規(guī)律1 1 指數(shù)衰減規(guī)律 N = N0e-t N0: （t = 0）時(shí)放射性原子 核的數(shù)目N: 經(jīng)過(guò)t時(shí)間后未發(fā)生衰變的放射性原子核數(shù)目: 放射性原子核衰變常數(shù) 大小只與原子核本身性質(zhì)有關(guān)，與外界條件無(wú)關(guān);數(shù)值越大衰變?cè)娇?。?8頁(yè)/共53頁(yè)放射性活度放射性活度 活度 單位時(shí)間發(fā)生衰變或躍遷的原子核個(gè)數(shù)。 定義: : 單位 國(guó)際：貝可勒爾

7、(Bq),1Bq(Bq),1Bq1 1次衰變/ /秒 專(zhuān)用: : 居里(Ci)(Ci)， 1Ci1Ci3.73.710101010BqBq 導(dǎo)出： 1Ci1Ci10103 3mCimCi10106 6CiCi 時(shí)刻的活度0000tAeAeNNdtdNAtt第19頁(yè)/共53頁(yè)有關(guān)常數(shù)有關(guān)常數(shù)q衰變常數(shù)q半衰期 核數(shù)目減少一半時(shí)所用時(shí)間 按定義: : , , 所以 單位時(shí)間一個(gè)核衰變的幾率dtNdN/2/1T2/1Tt 2/1002/TeNNN/2ln2/ 1T第20頁(yè)/共53頁(yè) 質(zhì)量與活度的關(guān)系質(zhì)量與活度的關(guān)系 式中：ff核素豐度，一種核素在其所屬的同位素中所占的原子百分?jǐn)?shù)；MM核素的摩爾原子量

8、；N NA A阿伏加德羅常數(shù)。 比活度f(wàn)afmTNmAaA2/1)2(ln)2ln/(2/1ANfMATm第21頁(yè)/共53頁(yè)1.4 1.4 電離輻射與物質(zhì)的相互作用電離輻射與物質(zhì)的相互作用輻射 非電離 能量低, ,不能使物質(zhì)電離，如紅外、微波等。 電離 能直接或間接使物質(zhì)電離，如、等帶電粒子和中子、光子等非帶電粒子。 第22頁(yè)/共53頁(yè)帶電粒子與物質(zhì)的作用1.1.電離和激發(fā) 電離 入射粒子 核外電子 激發(fā) 電離 原電離 由入射粒子直接產(chǎn)生的。 次級(jí)電離 由原電離產(chǎn)生的電子( (100eV100eV）進(jìn)一步產(chǎn)生的。 mPEtFP2/2第23頁(yè)/共53頁(yè)電離作用庫(kù)侖作用+e-物質(zhì)中原子被電離，在粒

9、子通過(guò)的路徑上形成許多離子對(duì)：正離子和自由電子 自由電子+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ - + 靶原子 正離子 + 電子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He第24頁(yè)/共53頁(yè)比電離帶電粒子在單位長(zhǎng)度徑跡上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)。式中： 電離能量損失率; ; - -平均電離能； v v，z z粒子的速度和電荷數(shù)； N N，Z Z介質(zhì)的原子數(shù)密度和原子序數(shù)。 NZzvwdxdESion221)/(iondxdE)/(w第25頁(yè)/共53頁(yè)不同射線(xiàn)電離密度示意圖線(xiàn) X線(xiàn) 線(xiàn)線(xiàn)細(xì)胞或生物大分子細(xì)胞或生物大分子第26頁(yè)/共53頁(yè)2.2.散射散射 受原子核的庫(kù)侖場(chǎng)或原子的極

10、化場(chǎng)作用，粒子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。 brZ1ermvZ2e粒子的散射軌道第27頁(yè)/共53頁(yè) 散射現(xiàn)象粒子徑跡基本是一條直線(xiàn) 電子徑跡是折線(xiàn)第28頁(yè)/共53頁(yè) 3.3.軔致輻射軔致輻射 在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下，帶電粒子做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)部分能量以連續(xù)電磁輻射形式放出的過(guò)程。能量損失率式中：m m、z z和EE入射粒子的質(zhì)量，電荷數(shù)及能量；N N、ZZ介質(zhì)原子數(shù)密度及原子序數(shù)。NEmZzdxdErad222第29頁(yè)/共53頁(yè) 討論1)1)在同一介質(zhì)，有：2)2) 在高原子序介質(zhì)中易產(chǎn)生軔致輻射。3)3) 與電離損失正好相反，高能時(shí)，粒子的輻射損失上升。TTmzdxdEr當(dāng),/228224222210

11、6 . 74)105 . 5(2/aeaerarmmzdxdEdxdE2ZdxdErEdxdEr第30頁(yè)/共53頁(yè) 討論 對(duì)粒子，有: 式中， E-MeV，對(duì)于鉛，Z=82，僅當(dāng)E=10Me時(shí),軔致輻射損失才與電離損失相同。800)/()(ZEdxdEdxdEionrad第31頁(yè)/共53頁(yè) 4.4.切倫科夫輻射切倫科夫輻射 帶電粒子在透明介質(zhì)以微弱可見(jiàn)光的形式輻射能量的過(guò)程。 發(fā)生條件 i)i)均速 ， ii)vii)vccc/nc/n。 物理過(guò)程 輻射由極化偶極子退激化產(chǎn)生的輻射相干迭加而成。 在水中(n=1.33),(n=1.33), minmin =1/n=0.75,能發(fā)生切倫科夫輻射的

12、 射線(xiàn)最小能量為: :MeVcvcmTe26. 0) 1)75. 0 (11(511. 0) 1)/(11(222第32頁(yè)/共53頁(yè) 切倫科夫輻射第33頁(yè)/共53頁(yè)5.射程與吸收 核子的射程 在介質(zhì)中沿運(yùn)動(dòng)方向所穿過(guò)的距離。在標(biāo)準(zhǔn)空氣的平均射程: : , ,誤差10%在其它介質(zhì)：式中：AA介質(zhì)原子的質(zhì)量數(shù);密度(gcm(gcm-3-3).).對(duì)于混合物：式中：W Wi i為第i i種元素原子重量含量百分?jǐn)?shù)。 4/30318.0aER)73(MevE)(192 . 304cmRARnAAWAWA 2211第34頁(yè)/共53頁(yè) 粒子的最大射程 在介質(zhì)中沿其入射方向所能達(dá)到的最大距離。對(duì)于鋁有： 質(zhì)量

13、厚度射程RmaxRmax與 線(xiàn)性射程的關(guān)系： RmaxRmax)(407. 0238. 1maxcmgERmMeVEMmev8 . 015. 0133. 0542. 0maxmERMeVEm8.0maxR第35頁(yè)/共53頁(yè)射線(xiàn)與物質(zhì)的作用射線(xiàn)與物質(zhì)的作用 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光子從原子中打出電子，本身消失的過(guò)程。 光電子的動(dòng)能：),(MLKiwhTie第36頁(yè)/共53頁(yè)光電效應(yīng) 作用機(jī)制 光子同(整個(gè))原子作用把自己的全部能量傳遞給原子殼層中某一電子，該電子獲得動(dòng)能克服原子束縛跑出來(lái),成為自由電子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光電子） A + X 射線(xiàn)原子自由電子受激原子第37頁(yè)

14、/共53頁(yè) 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 光子被散射的效應(yīng)。討論：1)2)所以， Te0(Te)max。0,00eTEE時(shí))21/()( ,180max0rereEcmET時(shí)康普頓電子譜第38頁(yè)/共53頁(yè) 電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng) 在核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下，光子轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)的過(guò)程。 因?yàn)?所以 才能發(fā)生。22cmTTheeeMeVcmhe02. 122第39頁(yè)/共53頁(yè)光子與物質(zhì)三種主要相互作用的相對(duì)重光子與物質(zhì)三種主要相互作用的相對(duì)重要性要性第40頁(yè)/共53頁(yè)射線(xiàn)對(duì)物質(zhì)的電離作用兩步過(guò)程三種作用效應(yīng) 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 電子對(duì)效應(yīng) 產(chǎn)生次級(jí)電子電離效應(yīng)電離效應(yīng)次級(jí)電子使次級(jí)電子使物質(zhì)原子電離物質(zhì)原子電離

15、第第 2 2 步步次級(jí)作用次級(jí)作用第第 1 1 步步初級(jí)作用初級(jí)作用射線(xiàn)第41頁(yè)/共53頁(yè)射線(xiàn)的吸收射線(xiàn)的吸收 射線(xiàn)通過(guò)一定厚度介質(zhì)，強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。 指數(shù)衰減規(guī)律 I(x)= I0 e-x 線(xiàn)性吸收系1）射線(xiàn)能量高 值小2） 原子序數(shù)高 值大能量能量（MeV) 鉛（鉛（Pb) cm-1 鋁（鋁（Al）cm-1 0.6 0.6 1.6 1.6 0.2 0.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.18 0.18 2.0 2.0 0.5 0.5 0.1 0.1第42頁(yè)/共53頁(yè)半吸收厚度(d1/2) 射線(xiàn)強(qiáng)度減弱1/2 所通過(guò)物質(zhì)層的厚度 射線(xiàn)的防護(hù)大都選用重金屬鉛、水泥等，構(gòu)成很厚的防護(hù)墻。 水

16、 水 泥 A l P b1 3 7C s 8 . 0 8 3 . 8 1 3 . 4 4 0 . 5 5 6 6 0C o 1 1 5 . 1 7 4 . 6 7 0 . 9 8 9物質(zhì)層厚度I/I0半吸收厚度 單位cm第43頁(yè)/共53頁(yè)對(duì)物質(zhì)電離作用的比較2 MeV 射程射程(m) (m) 離子對(duì)密度離子對(duì)密度/mm/mm 0.01 6000 0.01 6000 2-3 60 2-3 60 10 10 幾個(gè)幾個(gè)第44頁(yè)/共53頁(yè) 譜特點(diǎn)譜特點(diǎn) 連續(xù)分布連續(xù)分布 ， 對(duì)某種核素是對(duì)某種核素是確定的。確定的。 說(shuō)明說(shuō)明 ： 三個(gè)未知量?jī)H二個(gè)約束方程，因而是可三個(gè)未知量?jī)H二個(gè)約束方程，因而是可變的

17、。變的。 max0TTTTT)cmm(mQRyx20pppRmaxT第45頁(yè)/共53頁(yè) 1.21.2質(zhì)能聯(lián)系定理質(zhì)能聯(lián)系定理 愛(ài)因斯坦公式 質(zhì)量與能量是物質(zhì)同一屬性的兩個(gè)表象, ,具有質(zhì)量為m m的物體, ,便具有由愛(ài)因斯坦公式確定的能量： E=mcE=mc2 2 式中，m m為物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，m m0 0為物體的靜止質(zhì)量。20)/(1/cvmm第46頁(yè)/共53頁(yè)能量單位電子伏-一個(gè)電子在真空中通過(guò)1V電位差所獲得的能量。一個(gè)電子的靜止能量一個(gè)原子質(zhì)量單位對(duì)應(yīng)的能量JVCev1919106021892. 11106021892. 11MevKevev6310101MevcmEee511. 01

18、06 . 1)103(101 . 91328312MevucEu5 .931106021892. 1/)1099792458. 2(106605655. 11322272第47頁(yè)/共53頁(yè)有關(guān)常數(shù)有關(guān)常數(shù)q衰變常數(shù)q半衰期 核數(shù)目減少一半時(shí)所用時(shí)間 按定義: : , , 所以 單位時(shí)間一個(gè)核衰變的幾率dtNdN/2/1T2/1Tt 2/1002/TeNNN/2ln2/ 1T第48頁(yè)/共53頁(yè)不同射線(xiàn)電離密度示意圖線(xiàn) X線(xiàn) 線(xiàn)線(xiàn)細(xì)胞或生物大分子細(xì)胞或生物大分子第49頁(yè)/共53頁(yè)5.射程與吸收 核子的射程 在介質(zhì)中沿運(yùn)動(dòng)方向所穿過(guò)的距離。在標(biāo)準(zhǔn)空氣的平均射程: : , ,誤差10%在其它介質(zhì)：式中：AA介質(zhì)原子的質(zhì)量數(shù);密度(gcm(gcm-3-3)