06年4月環(huán)保上崗第一章電離輻射基礎ppt課件

1、放射性根底知識 趙福祥 江蘇省輻射環(huán)境監(jiān)測管理站 2006年4月2006年江蘇省核與輻射監(jiān)督管理和監(jiān)測技術人員上崗培訓 原子核由中子和質子組成，中子不帶電，質子帶單位正電荷。中子和質子質量相當，分別約等于一個原子質量單位。核中中子和質子統稱為核子，數目以A表示，A稱為核子數或質量數，核中質子數記為Z，中子數記為N。常用如下方式表示一個原子核：實踐上核素符號X和質子數Z具有獨一、確定的關系，所以用符號AX足以表示一個特定的核素。 原子核的表示核子數質子數中子數元素符號 原子核由中子和質子組成，中子不帶電，質子帶單位正電荷。中子和質子質量相當，分別約等于一個原子質量單位。核中中子和質子統稱為核子，

2、數目以A表示，A稱為核子數或質量數，核中質子數記為Z，中子數記為N。常用如下方式表示一個原子核：實踐上核素符號X和質子數Z具有獨一、確定的關系 ，所以用符號X足以表示一個特定的核素。原子的表示原子序數化學符號1湯姆遜模型1903年，湯姆遜提出模型：原子是一個半徑大約為10-10米的球體，正電荷均勻地分布于整個球體，電子那么稀疏地嵌在球體中。同年，長岡半太郎以為正負電子不能夠相互浸透，提出了電子均勻地分布在一個環(huán)上，環(huán)中心是一個具有大質量的帶正電的球，被他稱為“土星型模型構造。1原子構造模型3.原子構造進化表示圖現代原子構造盧瑟福散射實驗結論： 正電荷集中在原子的中心，即原子核； 線度為1012

3、cm量級，為原子的104量級； 質量為整個原子的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。中子、質子和電子的質量與電荷質量(u)電荷(e)中子0質子1電子1 原子核的大小P8 原子核的半徑,根據丈量方法：核力半徑和電荷分布半徑。它們結果相近，均與 A1/3 成正比。電荷半徑：核力半徑： 重要結論： 原子核半徑近似正比于A1/3，原子核體積近似正比于A。原子核的密度P8：代入：得：結論：原子核密度為常數，且非常大。原子的殼層構造 P2原子核核外電子又常稱為軌道電子，把電子看

4、成沿一定的軌道運動 最接近核的一個殼層稱為K層，在它外面依次為L殼層，M殼層，N殼層，O殼層等等。每個殼層最多可包容2n2個電子，以K殼層而言，最多可包容2個電子；L殼層最多可包容8個電子；M殼層為18個電子， 在正常形狀下，電子先充溢較低的能級 P3遭到內在或外來要素的作用時，處在低能級的電子有能夠被激發(fā)到較高的能級上稱為激發(fā)過程；或電子被電離到原子的殼層之外稱為電離過程。 特征X射線。圖2-1 原子能級圖和主要的 K系和L系特征X射線原子核物理常用術語P51).核素nuclide 具有一定數目的中子和質子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。 核子數、中子數、質子數和能態(tài)只需有一個不同，

5、就是不同的核素。 兩種核素，A同，Z、N不同。兩種核素，N同，A、Z不同。兩種核素，Z同，A、N不同。兩種核素，A、Z、N同，能態(tài)不同。 具有一樣原子序數但質量數不同的核素稱為某元素的同位素。(即Z一樣，N不同，在元素周期表中處于同一個位置，具有根本一樣化學性質。)表示方法:238U、U-238、鈾-2382).同位素isotope和同位素豐度鈾的二種同位素。氫的三種同位素； 某元素中各同位素天然含量的原子數百分比稱為同位素豐度。99.985%、0.015%99.756%、0.039%、0.205%3).同中子異荷素isotone4).同量異位素isobar質量數A一樣，質子數Z不同的核素。

6、中子數N一樣，質子數Z不同的核素。也稱為同中子素或同中異位素。5).同質異能素isomer 質子數 Z 和中子數 N 均一樣，而能態(tài)不同的核素。 同質異能態(tài)：同質異能素所處的能態(tài)，是壽命比較長的激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)半衰期為2.81hr。圖1-2 核素圖部分 圖1-3 穩(wěn)定核素分布圖穩(wěn)定核素幾乎全落在一條光滑曲線上或緊靠曲線的兩側，我們把這條曲線稱為穩(wěn)定曲線。 穩(wěn)定曲線上方的核素為豐中子核素，易發(fā)生-衰變。位于穩(wěn)定曲線下方的核素為缺中子核素，易發(fā)生+衰變原子核的結合能 質量和能量都是物質同時具有的兩個屬性，任何具有一定質量的物體必需與一定的能量相聯絡 E=mc2一個原子質量單位相聯絡的靜止質量相應的能

7、量為 931.494013MeV圖1-4 比結合能曲線獲得能量：一是重核裂變，即一個重核分裂成兩個中等質量的核，人們依托重核裂變的原理制造出原子反響堆與原子彈一是輕核聚變。依托輕核聚變的原理制造出氫彈和人們正在探求的可控聚變反響。 五 、核衰變P11 1896年貝可勒爾(A.H.Becquerel)發(fā)現了鈾的放射景象，這是人類第一次在實驗室里察看到原子核景象。在磁場中研討射線的性質時，證明它是由三種成分組成的。 一個成分在磁場中的偏轉方向與帶正電的離子流的偏轉方向一樣； 另一個成分與帶負電的離子流的偏轉方向一樣； 第三個成分那么不發(fā)生任何偏轉，繼續(xù)沿著直線方向前進。 分別叫做射線、射線和射線。

8、 核衰變主要的類型: a, b, g衰變 輻射類型 電荷數/質量 穿透身手 a = 氦核 +2q/4mp 紙片 b = electron or positron q/me 或 +q/me 幾毫米金屬 g = 高能光子 無 幾厘米鉛 此外，還有中子發(fā)射、質子發(fā)射、裂變等衰變 原子核自發(fā)地放射出粒子而發(fā)生的轉變，叫做衰變。經過衰變以后，原子核的質量數比母核減少4，原子序數減少2。 衰變特點 普通為重核普通能量小于7MeV半衰期極寬 二衰變 衰變：核電荷數改動而核子數不變的自發(fā)核衰變過程. 放射性核素普及整個元素周期表 衰變發(fā)射粒子能量在幾十KeV幾 MeV 衰變半衰期范圍為，10-3s1024a

9、衰變根本特點： 衰變主要包括-衰變、+衰變和軌道電子俘獲三種方式。Fermi 的 衰變實際(1934)： 中子和質子是核子的兩個不同形狀，它們之間的轉變相當于兩個量子態(tài)之間的躍遷，在躍遷過程中放出電子和中微子，它們事先并不存在于核內。 衰變的本質是核內一個中子變?yōu)橘|子， 和 EC的本質是一個質子變?yōu)橹凶樱瑢е庐a生電子和中微子的是弱相互作用。：EC：2、衰變表達式：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|子。3、衰變表達式：母核X 衰變?yōu)?子核Y、一個 正電子 和一個中微子. 核中一個質子變?yōu)榱酥凶印?、EC(軌道電子俘獲)表達式母核 俘獲核外軌道上的一個電子，

10、使母核中的一個 質子 轉變?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。EC衰變的后續(xù)過程：2.特征X射線1.俄歇電子三躍遷衰變：原子核從激發(fā)態(tài)經過發(fā)射光子或其他過程躍遷到較低能態(tài)的過程。該過程核電荷數不變、核子數不變。 躍遷發(fā)射粒子能量在幾KeV十幾 MeV 躍遷半衰期范圍為，10-16s10-4s 躍遷的根本特點： 躍遷包括躍遷和內轉換電子兩種方式。躍遷(發(fā)射光子的過程光子的性質：靜止質量 0能量（動質量）動量自旋（玻色子）六、原子核的衰變規(guī)律 P13在無外界影響下，原子核自發(fā)地發(fā)生轉變的景象稱為原子核的衰變，又叫放射性衰變。核衰變有多種方式，如衰變， 衰變，衰變，還有自發(fā)裂變及

11、發(fā)射中子、質子的蛻變過程。放射性衰變的根本規(guī)律 衰變是一個統計的過程大量的全同的放射性原子核會先后發(fā)生衰變，總的效果是隨著時間的流逝，放射源中的原子核數目按一定的規(guī)律減少 實驗發(fā)現: 加壓、加熱、加電磁場、機械運動等物理或化學手段不能改動指數衰減規(guī)律，也不能改動其衰變常數 。放射性衰變是由原子核內部運動規(guī)律所決議的。 單一放射性的指數衰減規(guī)律把一定量的氡射氣單獨存放大約4天之后氡射氣的數量減少一半經過8天減少到原來的1/4經過12天減天1/8一個月后就不到原來的1/100假設以氡射氣的數量的自然對數為縱坐標，以時間為橫坐標作圖 圖1-6 222Rn的衰變規(guī)律圖 設：t 時辰放射性原子核的數目為

12、N(t)，求解t t+dt 內發(fā)生的核衰變數目-dN(t)，它應該正比于N(t) 和時間間隔dt ，于是有： (1)、衰變常數分子表示：t 時辰單位時間內發(fā)生衰變的核數目，稱為衰變率，記作t 時辰放射性原子核總數衰變常數：一個原子核在單位時間內發(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一個原子核有幾種衰變方式時：定義分支比： (2)、半衰期 半衰期：放射性核數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 / 總核數在 tt+dt 時間內衰變的原子核數為：這些核的壽命均為 t，它們的總壽命為：因此，平均壽命

13、：而 t 能夠的取值為 ：0所以，一切核的總壽命為：放射性的活度和單位一個放射源的強弱不僅取決于放射性原子核的數量的多少，還與這種核素的衰變常數有關 一個放射源在單位時間內發(fā)生衰變的原子核數稱為它的放射性活度，通常用符號A表示 放射性活度的單位P17由于歷史的緣由，曾采用居里Ci為單位。每秒鐘有3.71010次核衰變定義為一個居里，即1Ci=3.71010/s有毫居里 (1mCi=10-3Ci) 微居里1Ci=10-6CiSI單位是秒的倒數s-1，叫貝可勒爾，簡稱貝可，符號Bq。1Bq等于放射性物質在1秒鐘內有1個原子核發(fā)生衰變。其表達式如下： lBq=1次衰變秒 1Bq=1/s顯見，1Ci=

14、3.71010Bq放射性活度僅僅是指單位時間內原子核衰變的數目，而不是指在衰變過程中放射出的粒子數目。例如Cs有100個原子核發(fā)生衰變，放出 1.17MeV的電子有6個； 0.512MeV的電子有94個； 并伴隨0.662MeV光子94個 共放出194個粒子。(4)、比活度 (Specific Activity)定義為：單位質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的純度。即：單位為：Bq/g ，或 Bq/kg 遞次衰變規(guī)律 許多放射性核素并非一次衰變就到達穩(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，這樣就產生了多代延續(xù)放射性衰變，稱之為遞次衰變或級

15、聯衰變。遞次衰變的表示：例如： 1.兩次延續(xù)衰變規(guī)律A B C穩(wěn)定初始條件：t = 0時，A 的數目為N10A 和 B 的衰變常數分別為 1 和 2B、C 的數目為0。 是單一放射性衰變，服從簡單的指數規(guī)律。即：對于A：這樣t時辰，A的數目的變化為：對于B：不斷衰變?yōu)镃 (減少)：不斷從A獲得 (添加)：這樣B的數目的變化為：B代入N1(t)等條件，解此微分方程， 可見，子體 B 的變化規(guī)律不僅與它本身的衰變常數 2 有關，而且還與母體 A 的衰變常數 1 有關，它的衰變規(guī)律不再是簡單的指數規(guī)律。 曾經假設 C 是穩(wěn)定的，那么它的變化僅由 B 的衰變決議，即：解此方程，得：對于C： 當t ，N

16、3(t) N10，母體A全部衰變成子體C。子體C是穩(wěn)定的，不再發(fā)生衰變。兩次延續(xù)衰變規(guī)律總結如下：A B C穩(wěn)定放射性平衡P21暫時平衡 當母體A的半衰期不是很長，但比子體B半衰期還是要長，即 T1T2 如10h，1h長期平衡 當母體A的半衰期比子體的長得多，T1T2如10a，1h不成平衡的情況 當母體A的半衰期小于子體的半衰期，T1T2 如1h，10h)a子體活度曲線d子體單獨存在時活度曲線b母體活度曲線c母子共同活度曲線etm醫(yī)院“母牛延續(xù)衰變 P23 B.長期平衡P23 當母體A的半衰期較長，且比子體B的半衰期長得多時，即或 那么在察看時間內，看不出母體A放射性的變化；在相當長時間以后，

17、子體 B 的核數目和放射性活度到達飽和，并且子母體的放射性活度相等。這時建立的平衡叫長期平衡。a子體活度曲線d子體單獨存在時活度曲線b母體活度曲線c母子共同活度曲線200如： 鈾-鐳平衡(或釷-鐳平衡) 在丈量樣品時，普通要求放射系處于平衡形狀。 普通丈量的樣品是不密封的，這時假設衰變系列中有處于氣體形狀的如各放射系中的氡射氣，RaRn，它會逸出而使長期平衡破壞。為此要把樣品密封起來達其半衰期的倍再進展丈量。222Rn的T1/2為3.8天 C.不成平衡逐代衰變 當母體A的半衰期比子體B的半衰期短時，即或 這時建立不起平衡，母體A按指數規(guī)律較快衰減；而子體B的數目從零逐漸添加，過極大值后較慢衰減

18、，當時間足夠長時，子體B那么按本人的衰變常數2衰變。這種情況也稱為逐代衰變。a 子體活度曲線d 子體單獨存在時活度曲線b 母體活度曲線c 母子共同活度曲線tm 天然放射系 P25地球年齡為10億年即109a 三個處于長期平衡形狀的放射系這些放射系第一個核素的半衰期都很長 如釷系的Th，半衰期為1.411010a； 鈾系的U，半衰期為4.47109a； 錒-鈾系的U，其半衰期為7.04108a。三個放射系中的其他核素，衰變都較快 釷系4n系釷系從 開場，經過延續(xù)10次衰變，最后到達穩(wěn)定核素是4的整數倍的質量數子體中半衰期最長為5.75a，所以釷系建立起長期平衡需求幾十年時間。 鈾系4n+2系鈾系

19、從 開場，經過延續(xù)14次衰變，最后到達穩(wěn)定核素是4的整數倍+2的質量數子體中半衰期最長為2.45105a，所以鈾系建立起長期平衡需求幾百萬年時間。 錒系4n+3系錒系從 開場，經過延續(xù)11次衰變，最后到達穩(wěn)定核素是4的整數倍+3的質量數子體中半衰期最長為3.28104a，所以錒系建立起長期平衡需求幾十萬年時間。 空缺4n+1系-發(fā)現镎系镎系從 開場，經過延續(xù)11次衰變，最后到達穩(wěn)定核素是4的整數倍+1的質量數天然放射系中短少4n+1放射系，人工呵斥Np的半衰期為2.14106a。衰變規(guī)律的一些運用 P26 1995年5月，各為10mCi的放射性核素226Ra、Cs、60Co和125I，到200

20、5年5月經過10年時它們的活度是多少？分別占原來活度的百分比。At=A0e-t = A0e-0.693t/T 第二節(jié) 電離輻射源 P29 輻射主要包括: 1. 電離輻射通常稱放射性 2. 電磁輻射非電離輻射人體遭到照射的輻射來源及其程度天然輻射是人類的主要輻射來源天然輻射宇宙射線宇生放射性核素原生放射性核素 普通場所： 天然本底為 2.3mSv/year, 多為內照射 (222Rn, 60%)一、天然本底照射宇宙射線引起的鏃射1.宇宙射線的來源初級宇宙射線：質子85.9、粒子12.7%、重帶電粒子(N,O,Ne,C,Si等核，1.4%)及少量電子。最高能量可達10GeV(1010eV)。 與大

21、氣 核作用，生成次極宇宙射線。 在緯度高于45度的海平面，宇宙射線平均注量率1/cm2min。隨高度變化，海平面為1，那么海拔2km為3，海拔12km為2030。次級宇宙射線：主要是中子、 介子， 介子、正負電子及高能 光子。在15 Km處完成轉換。 對公眾劑量有明顯奉獻的核素，14C、3H、22Na、7Be。以14C為例， 14C的生成過程： 次極宇宙射線中的熱中子與大氣中的N核發(fā)生核反響： 14C具有放射性， 14C與大氣中作用構成經過生物作用和自然界的交換，分布于大氣、海洋及生物界，總量達3000Mci。2.宇生放射性核素3.原生放射性核素： 以238U、232Th和235U為起始核素的

22、三個天然放射系，以及獨立的長壽命放射性核素如40K等。 以40K為例，以 為主40K的天然豐度為0.0118%。在人體內的放射性活度約為： 正常本底地域天然輻射源致人體的年有效劑量江蘇省天然輻射所致居民劑量 年有效劑量當量mSv 集體年有效劑量當量輻射類型 104人Sv 室 外 室 內 合 計陸地輻射 0.09 0.39 0.48 3.0宇宙射線 0.07 0.16 0.23 1.5天然貫穿輻射 0.16 0.55 0.71 4.5注:室內外居留因子取0.72/0.28，屏蔽因子取樓0.8/平0.9人工輻射源人工輻射源是用人工方法產生的輻射源。人工輻射源主要有核設備、核技術運用的輻射源和核實驗

23、落下灰等。P32密封源的種類很多。按輻射的射線可分為源、源、源、低能光子源、中子源等。按放射源的幾何外形可分為點源、線源、平面源、圓柱源、圓環(huán)源、針狀源、棒狀源等。按活度不確定度可分為檢查源、任務源、參考源、規(guī)范源等。按用途可分為醫(yī)療用、工業(yè)照相探傷用、核儀表用、射線輻照用、放射性測井用、放射性丈量及儀表刻度用等等。反響堆消費放射性同位素P39 反響堆是一個強中子源，將樣品置于反響堆輻照室或輻看管道內用中子輻照，利用(n，)、(n，)及(n，p)等反響，使樣品中的穩(wěn)定同位素變?yōu)榉派湫酝凰亍＠缦M60Co放射性同位素時，將金屬鈷絲(或鈷片、鈷棒)裝于不銹鋼殼內，用氬弧焊密封。放入反響堆中照射

24、，由59Co(n，)60Co反響得到放射性同位素60Co。加速器消費放射性同位素P40 由加速器產生的具有一定能量的帶電粒子，如質子、氘核和粒子轟擊靶料，經過(p，n)、(d，n)、(d,2n)、(d, )、(d,p)和( ，n)等反響得到放射性同位素。例如用CS一30型盤旋加速器產生的26MeV質子轟擊鋅靶，由68Zn(p，2n)67Ga反響得到放射性同位素鎵67Ga。 第三節(jié)電離輻射與物質的 相互作用 射線，指的是如X射線、射線、射線、射線等，本質都是輻射粒子。 射線與物質相互作用是輻射探測的根底，也是認識微觀世界的根本手段。 這里討論的對象為致電離輻射。輻射能量大于10eV，即可使探測介

25、質的原子發(fā)生電離的能量。 輻射: 帶電粒子輻射 非帶電粒子輻射 射線與物質相互作用的分類帶電粒子輻射不帶電粒子輻射重帶電粒子中子快電子X射線和 射線帶電粒子經過物質時，在同物質原子中的電子和原子核發(fā)生碰撞進展能量的傳送和交換：其中一種主要的作用是帶電粒子直接使原子電離或激發(fā)非帶電粒子那么經過次級效應產生次帶電粒子使原子電離或激發(fā)可以直接或間接引起介質原子電離或激發(fā)的核輻射通常叫做電離輻射 1 帶電粒子與物質相互作用 載能帶電粒子在靶物質中的慢化過程，可分為四種，其中前兩種是主要的：(a) 電離損失帶電粒子與靶物質原子中核外電子的非彈性碰撞過程。 (b) 輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過

26、程。(c) 帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞(d) 帶電粒子與核外電子彈性碰撞 1.1 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經過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。 電離核外層電子抑制束縛成為自在電子，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)形狀，退激發(fā)光。 1.2 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(Bremsstrahlung)。它是X射線的一種，具有延續(xù)的能量分布。射程P45 射程(Range)的定義帶電粒子沿入射方向所行

27、徑的最大間隔，稱為入射粒子在該物質中的射程R。入射粒子在物質中行徑的實踐軌跡的長度稱作路程(Path)。 重帶電粒子的質量大，與物質原子相互作用時，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。P45對重帶電粒子質量大，與物質原子的核外電子作用時，運動方向幾乎不變，因此，其射程與路程相近。5.3MeV的粒子空氣中射程3.84cm，生物肌肉組織中的射程僅為30-40m，人體皮膚的角質層就可把它擋住。 粒子的射程 由于電子容易物質原子的散射，其射程與途徑相差甚遠。延續(xù)能量分布，其射程不同于重帶電粒子。但與 粒子最大能量 相應存在一個最大射程 。 因此，兩個湮沒光子的能量一樣，各等于0.511MeV。 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。射線與 射線的本質電磁輻射特征射線：湮沒輻射：核能級躍遷正電子湮沒產生特征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動產生2 射線與物質相互作用P45 射線與物質相互作用特點： 光子是經過次級效應與物質的原子或原子核外