桂立明 guiliming@nuctech.com 核安全综合知识 第一章 原子核物理基础 清华大学工程物理系 辐射防护与环境保护研究室 桂立明 guiliming@nuctech.com 010-83186149/13671145451 2013年7月6日.

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1 桂立明 guiliming@nuctech.com
核安全综合知识 第一章 原子核物理基础 清华大学工程物理系 辐射防护与环境保护研究室 桂立明 / 2013年7月6日

2 注册核安全工程师执业资格考试大纲（2013年版）第二部分《核安全综合 知识》科目考试大纲
考试目的：通过本科目考试，检验参加考试人员对核物理、核能与核技术应用、辐射防护以及安全文化等方面知识的了解、熟悉或掌握的程度，使参加考试人员从总体上把握注册核安全工程师所需要的知识，并能利用这些知识解决实际问题。本科目是从事核安全审评、核安全监督、民用核设施操纵与运行、核质量保证、辐射防护、辐射环境监测和其它与核安全密切相关工作人员必备的知识。 考试内容： 一（第一章） 原子核物理基础 原子和原子核的基本性质、原子核的放射性、射线及其与物质相互作用和核反应。 了解

3 目 录 引言 第一节 原子和原子核的基本性质 第二节 原子核的放射性 第三节 核辐射射线及其与物质相互 作用 第四节 原子核反应

4 引言 引言 在1895年、1896年和1897年，相继发现了X射线、放射性和电子，这三大发现揭开了近代物理的序幕，物质结构的研究开始进入微观领域。其中，1896年法国科学家贝克勒尔（Becquerel A.H）发现的天然放射性现象是人类第一次观察到核变化的情况，通常人们把这一重大发现看成是核物理的开端。20世纪50年代，逐步形成了研究物质结构的三个分支学科，即原子物理、原子核物理和粒子物理，这三者各有独立的研究领域和对象，但又紧密关联。本章重点论述原子核物理这一领域。

5 引言 随着核能和核技术应用的发展，它们给人类带来巨大收益的同时，也给人类的生存和发展带来一定的负面影响，同时放射性及由此产生的各种辐射也成为人们关注的问题。为趋利避害，使核能和核技术更好地为人类服务，核安全便成为一个独立的学科而存在。核安全涉及的知识领域十分广泛，其中，对原子、原子核的基本性质的了解，对核衰变、核反应和核裂变的了解，是其重要的一个方面。在本章中，首先介绍有关原子核物理的基础知识。

6 第一节 原子和原子核的基本性质 第一节 原子和原子核的基本性质 一、原子的壳层结构 二、原子核及其稳定性

7 … ……………………… …………………… ………… ……… 第一节 原子和原子核的基本性质
万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。目前，人们已知一百二十种元素。  …  ……………………… …………………… …………   ………

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第一节 原子和原子核的基本性质   ………………… …………… ……  …………………… ……………

9 第一节 原子和原子核的基本性质 原子核的大小 电子带负电荷，电子电荷的值为：e= x10-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。电子的质量为me= x10-31kg。原子核带正电荷，集中了原子的全部正电荷。 原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征，原子可以设想为电子在以原子核为中心的、距核非常远的若干轨道上运行。原子的大小半径约为10-8cm的量级 。 原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。原子核的尺度只有几十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度高达108t.cm-3 。 物质的许多化学性质及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要与原子核有关 。

10 第一节 原子和原子核的基本性质

11 第一节 原子和原子核的基本性质 放射性现象 1896年法国科学家贝克勒尔(A. H. Becquerel)发现天然放射性现象，人类历史上第一次在实验室观察到核变化。这一重大发现是原子核物理的开端。 Nobel Prize in 1903

12 原子的组成 1898, 卢瑟福（Rutherford）
第一节 原子和原子核的基本性质 原子的组成 1898, 卢瑟福（Rutherford） 在“贝可勒尔射线”中发现了α、β粒子,后来证实了α射线是氦原子核，β射线是电子。 1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出原子由原子核和核外电子组成的假设。 1908年获诺贝尔奖。

13 题 例 单选题例：（只有一个答案是正确的） ♣原子物理学的主要内容是（A）。 A 核外电子的运动, B 原子核的裂变，
第一节 原子和原子核的基本性质 题 例 单选题例：（只有一个答案是正确的） ♣原子物理学的主要内容是（A）。 A 核外电子的运动, B 原子核的裂变， C 原子核的衰变， D 原子核中核子间的运动 。 ♣原子核半径的范围约为(D) A 1-10 mm, B 1-10 μm, C 1-10 nm, D 1-10fm 多选题例：（有多个答案可能正确，错一个为全错） 原子由原子核和核外电子组成，其中(ABCDE) A 电子带负电荷， B 原子核集中了原子的全部正电荷， C 原子的大小半径约为10-8cm的量级， D 原子核的质量远超过核外电子的总质量， E 原子核的尺度只有几十飞米。

14 一、原子的壳层结构 原子模型 核子 中子 质子 电子 第一节 原子和原子核的基本性质 +
由于原子核与电子之间相互作用力的制约，原子核周围每一个绕行电子都有它自己的一定轨道，这些确定的轨道组成一系列的壳层。最靠近原子核的叫K壳层，顺序往外称为L、M、N、O、P、Q壳层。在轨道上运行的电子具有与核能级相应的一定能量，K壳层的电子能量最低，越往外层的轨道电子能量越高。电子由一层轨道跳到另一层轨道时，将释放或吸收能量。常态时，既不吸收能量，也不放出能量。当电子吸收外来能量，从能量较低的轨道跃迁至能量较高的轨道，这时原子处于激发状态，它们带的能量比在常态时高。反之，如果能量较低轨道缺少电子时，位于能量较高轨道的电子也可跃迁到能量较低的轨道，而该电子多余的能量一般就以电磁波（光子）的形式辐射出来。电磁波的频率v取决与两个轨道能级的差： 原子直径10-10m， 原子核直径是原子直径的万分之一。 原子质量单位等于一个碳－12核素原子质量的1/12，记为u。1u= ×10-27 kg。 14 14

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第一节 原子和原子核的基本性质  ……………… …………………  ……………………

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第一节 原子和原子核的基本性质 ……………… ……………………………… ……………………………

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第一节 原子和原子核的基本性质  ………………………………  ……………………………… …

18 第一节 原子和原子核的基本性质 原子的壳层 原子的核外电子称为轨道电子。原子的轨道电子离核的距离是不能取任意值的，按照一定的规律形成彼此分离的壳层。 最靠近核的一个壳层称为K层，在它的外面依次为L、M、N、O壳层等，以此类推。通常用量子数n(n=1,2,3…)代表壳层，并分别对应K、L、M、N、O，…壳层。每个壳层可容纳2n2个电子。除了K层以外，其他壳层又可分成(2l+1，l=n-1)个支壳层，l是描述电子轨道的量子数。 处于不同壳层的电子具有不同的位能，当电子从无穷远处移动到靠近原子核的位置时是电场力作功，K层的能级最低。能级的能量大小就等于该壳层电子的结合能，要使该壳层电子脱离核的束缚成为自由电子所需做的功。结合能是负值，通常以KeV为单位，K壳层电子的结合能的绝对值最大。

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第一节 原子和原子核的基本性质 ………………………  ………………… ……………………… …………………… ………………

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21 第一节 原子和原子核的基本性质 原子结构及电子壳层

22 第一节 原子和原子核的基本性质 题例 单选题例： 原子的核外电子称为（B）。 A 自由电子 B 轨道电子 C 俄歇电子 D 康普顿电子 多选题例： 电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层，其中各层最多可容纳的电子数分别是(BCE)。 A K层1个 B K层2个 C L层8个 D M层10个 E M层18个

23 第一节 原子和原子核的基本性质 二、原子核及其稳定性

24 第一节 原子和原子核的基本性质 1.原子核的组成及其表示方法

25 原子核的表示方法 核子数 元素符号 例如： 质子数 中子数  为三个核素，可 表示为
第一节 原子和原子核的基本性质 原子核的表示方法 核子数 质子数 中子数 元素符号 例如： 为三个核素，可 表示为 右下角N表示核内中子数；左下角Z表示质子数或称电荷数；左上角A（A=N+Z）称为核内的核子数，又称质量数。实际上核素符号X和质子数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。  核素是指在其核内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。

26 第一节 原子和原子核的基本性质 同位素 同位素实际上就是Z相同而A不同的各核素的总称。同位素是指元素周期表中处于同一个位置，它们具有相同的化学性质。例如 （氕）、 （氘）、 （氚）。 氕原子核内仅有 一个质子即氢 氘原子核内有一 个质子一个中子 氚原子核内有一 个质子二个中子 它们都在第一号位置，所以记作1H，由于质量数不同，在 左上角表示， 简写成1H、2H、3H。 26

27 1932, 查德威克（Chadwick） 发现中子 1935年获诺贝尔奖。
第一节 原子和原子核的基本性质 1932, 查德威克（Chadwick） 发现中子 1935年获诺贝尔奖。 海森堡提出原子核由质子和中子组成的假设 。中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。

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第一节 原子和原子核的基本性质  ……………………… …………… ……………………………

29 常用术语 ………………………………………… ……………………………… （1）核素（nuclide）
第一节 原子和原子核的基本性质 常用术语 （1）核素（nuclide） 核素是指在其核内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。例如： 和 是独立的两种核素，它们有相同的质量数但原子核内含有不同的质子数； 和 是原子核内含有不同的质子数和相同的中子数的独立的两种核素； 和 是独立的两种核素，它们的原子核内含有相同的质子数和中子数，但核所处的能态是不同的。 ………………………………………… ………………………………

30 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。
第一节 原子和原子核的基本性质 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。 30

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第一节 原子和原子核的基本性质  …………………………… …… ………………………

32 同位素丰度 …… ………… 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。  99.985%、0.015%
第一节 原子和原子核的基本性质 同位素丰度 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。  …… ………… 99.985%、0.015% 99.756%、0.039%、0.205% 0.724%、99.276%

33 第一节 原子和原子核的基本性质 原子核的稳定性  ………………………………………… ……………………… ……

34 放射性同位素 其中，稳定同位素为： 而 为放射性同位素，具有β放射性，放出最大能量为～18KeV的β射线，其半衰期 。
第一节 原子和原子核的基本性质 放射性同位素 氢的三种同位素具有相同的化学性质，但其放射性却不同。 其中，稳定同位素为： 99.985%、0.015% 而 为放射性同位素，具有β放射性，放出最大能量为～18KeV的β射线，其半衰期 。 它的产生是宇宙射线与空气中的N和O发生核反应，称为宇生放射性。

35 第一节 原子和原子核的基本性质 稳定性同位素和放射性同位素 根据原子核的稳定性，可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在密切的关系。 由于极大多数元素都具有同位素，虽然现在世界上只发现了近120种元素，但其同位素已发现了2000多种，即2000多种核素。 同位素的种类如此繁多，按不同的分类标准有不同的分类方法。若按原子核的稳定性来划分，则可以分为稳定的同位素和不稳定的同位素，不稳定的同位素又叫做放射性同位素。 35

36 人工放射性核素 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，而是在反应堆或加速器所生成。同位
第一节 原子和原子核的基本性质 人工放射性核素 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，而是在反应堆或加速器所生成。同位 素技术中应用最广泛的放射源---钴源（60Co ）就 是在反应堆中生成。 将金属钴，即 59Co ，其丰度100％ ，放在反应堆 孔道内，利用中子照射 59Co，发生如下核反应： 工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源 （60Co），其活度达几十万至百万居里（Ci）。

37 题 例 单选题例： 多选题例： ♣根据原子核的（ C ）性，可以把核素分为稳定的核素和 不稳定的核素。
第一节 原子和原子核的基本性质 题 例 单选题例： ♣根据原子核的（ C ）性，可以把核素分为稳定的核素和 不稳定的核素。 A 裂变 B 衰变 C 稳定 D 不稳定 ♣某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为（ A ）。 A 同位素丰度 B 同位素质量 C 元素的质量 D 核素的质量比值 ♣原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在 （ D ）的关系。 A 没有 B 稍有 C 较大 D 密切 ♣ 59Co放在反应堆孔道内照射而成60Co，其核反应是由（ B ）引起。 A（p，γ） B（n，γ） C（α，γ） D（β，γ） 多选题例： ♣ 核素是指在其核内具有一定数目的（B C E）的一种原 子核或原子。 A 电子 B 中子 C 质子 D 原子 E 特定能态

38 第一节 原子和原子核的基本性质 3.质能联系定律  ………………… …………

39 4.比结合能 ………………………… …………………………………… ………… ……………………………… ………………………………… 
第一节 原子和原子核的基本性质 4.比结合能  ………………………… …………………………………… ………… ……………………………… …………………………………

40 第一节 原子和原子核的基本性质  ………………………………………… …

41 第一节 原子和原子核的基本性质

42 平均结合能（比结合能）曲线 7.07 8.79 裂变 聚变 1.112 42

43 （1）轻核区 由上图可知：平均结合能（比结合能）大约6-9 MeV范围内变化
第一节 原子和原子核的基本性质 由上图可知：平均结合能（比结合能）大约6-9 MeV范围内变化 （1）轻核区 若将平均结合能小的原子核结合成平均结合能大的原子核时，会伴随能量释放。例如2H原子核的平均结合能为1.112MeV，4He原子核的平均结合能为7.074MeV，将两个2H原子核聚变为一个4He核时会释放出很大的能量。同理，将一个2H原子核与一个3H原子核聚变成一个4He原子核并放出一个中子时，也会放出能量。这正是聚变堆的物理基础。 （2）质量数A40-120的中等原子核区 其平均结合能大，且几乎接近一个常数，8.6MeV。 43

44 （3）重核区 比结合能随质量数的变化特征，是核能利用的基础。
第一节 原子和原子核的基本性质 （3）重核区 平均结合能比中等核小，例如铀核的平均结合能为7.6MeV，当重核裂变成两个中等核时，伴随很大的能量释放。若将A236的重原子核分裂成两个质量数为A118的原子核时，则每个核子的结合能可由7.6MeV增至8.6MeV。即一个具有236个核子的原子核，分裂成两个具有118个核子的原子核，要释放出236MeV的能量。这正是裂变反应堆的物理基础。 比结合能随质量数的变化特征，是核能利用的基础。

45 第一节 原子和原子核的基本性质 

46 第一节 原子和原子核的基本性质 结 论 对于质量数为中等数值的那些原子核，每一个核子的平均结合能最大；而质量数较大的重核区，或较小的轻核区的原子核中，核子的平均结合能都比较小。 因此，当重原子核分裂成中等质量的核时，核子在较轻的核内会结合得更紧密，就可能会大量释放能量，这就是裂变能；当两个较轻的核发生聚合时，释放出的能量更大，就是聚变能。

47 题例 单选题例： ♣在原子核的质量亏损算式中，m(Z, A)为原子核的（B）。 A 核子数 B 核质量 C 中子数 D 原子序数
第一节 原子和原子核的基本性质 题例 单选题例： ♣在原子核的质量亏损算式中，m(Z, A)为原子核的（B）。 A 核子数 B 核质量 C 中子数 D 原子序数 ♣组成氘核的质子和中子质量之和（C）氘核的质量。 A小于 B 等于 C 大于 D 等于两个 ♣E=mc2称为(A)定律。 A 质能联系 B 万有引力 C 宇称守恒 D 库仑 多选题例： ♣原子能是指原子核结合能发生变化时释放的能量， 原子能利用的实例有（ABC）。 A 核反应堆 B 原子弹 C 氢弹 D 激光器 E 氢气复合器

48 第二节 原子核的放射性 第二节 原子核的放射性 一、放射性衰变的基本规律  ……………………… …………  …………

49 第二节 原子核的放射性 1.单一放射性的指数衰减规律

50 第二节 原子核的放射性

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第二节 原子核的放射性 …………………………… … ……………………… ……… …………………………  ………………………  ………………………………………… ………………

52 第二节 原子核的放射性 放射性衰变的统计规律 放射性核素的核衰变，不受任何外来的物理和化学因素的影响，它完全由原子核的不稳定性来决定。假定某种放射性原子是高度不稳定的，那么它将迅速的衰变；如果是稍微有点不稳定，那么它就衰变得比较慢。对于一个具体的不稳定的核来说，谁也无法预先知道它将在什么时候发生核衰变。但是对于同一种特定的核素来说，它的每一个不稳定的核，在某一时刻发生核衰变的几率都是相等的，所以核衰变从总体上说是服从统计规律的。 实验发现，用加压、加热、加电磁场、机械运动等物理或化学手段不能改变指数衰减规律，也不能改变其衰变常数。这表明，放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的 。 52

53 第二节 原子核的放射性 放射性衰变的统计规律 也就是说，当同一类核素的许多放射性原子核放在一起时，我们不能预测某个原子核在某个时刻将发生衰变。对于许多个放射性原子核来说，它们不会同时发生衰变，有的早，有的晚。所以，在实际上，衰变是一个统计的过程，大量的相同的放射性原子核会先后发生衰变，总的效果是随着时间的推移而不断减少，即放射源中的原子核数目按一定的规律减少。 53

54 第二节 原子核的放射性 放射性衰变的指数衰减规律 放射性核素的核衰变服从负指数衰减规律。任何放射性核素，不管放射任何射线，也不管放射性衰变的快慢，都服从负指数衰减规律，这是一个普遍规律。 A=Aoe- λt 式中：Ao—在t＝０时，即原始的放射性核素 的活度，Bq ； A—在t时刻，该放射性核素经核衰变 后剩余的活度，Ｂq； λ—放射性核素的衰变常数，1/s ； t—经过的时间，s 。 54

55 第二节 原子核的放射性 题例 单选题例： ♣在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象 称原子核的（A） A 衰变 B 诱发裂变 C 聚变 D 散裂 ♣会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴 随发射一些粒子或碎片的原子核是(B) A 散射靶核 B放射性原子核 C 裂变核 D 散裂核 多选题例： ♣原子核衰变有多种形式，如（ABCDE）。 A α衰变 B β衰变 C γ衰变 D 自发裂变 E 发射质子的蜕变

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2.衰变常数、半衰期和平均寿命 ………………………  ……… ……… …… ………………………

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第二节 原子核的放射性 …………………… …………  ……………………… ……………………… …………… 

58 半衰期T1/2（1） 半衰期是指一种放射性原子核总数中有一半发生了衰变所需的平均时间，用T1/2表示，单位为s、h等。
第二节 原子核的放射性 半衰期T1/2（1） 除了λ外，还可用半衰期T1/2表征放射性 衰变的快慢。 半衰期是指一种放射性原子核总数中有一半发生了衰变所需的平均时间，用T1/2表示，单位为s、h等。 实际上，从上述公式，可得： 58

59 第二节 原子核的放射性 半衰期T1/2（2） 由此可见，T1/2与λ成反比，放射性核素的半衰期与衰变常数有一一对应的关系。知道了半衰期也就等于知道了衰变常数；反之，也是一样。T1/2越大，衰变越慢；T1/2越小，衰变越快。 例举一些放射性核素的T1/2数值。 137Cs T1/2=30.17a Cs T1/2=2.8×10-10s； 60Co T1/2=5.271a； C T1/2=5730a； 238U T1/2=4.5×109a。 59

60 第二节 原子核的放射性  ……………………

61 第二节 原子核的放射性 平均寿命 原子核平均能够存在的时间。它是衰变常数的倒数。 

62 第二节 原子核的放射性 3.放射性的活度和单位  ……………………… …………… ………………………

63 放射性核素的放射性活度，过去也称放射性强 度。它是表征放射性核素特征的物理量之一。
第二节 原子核的放射性 放射性活度 放射性核素的放射性活度，过去也称放射性强 度。它是表征放射性核素特征的物理量之一。 放射性活度是指在单位时间内，放射性核素发生 衰变的原子核数，用符号A表示。 放射性活度的国际单位（SI）是s-1，称为贝可勒尔,简称贝可,用符号Bq表示。 规定 Bq=1s-1 即每秒衰变1次为1贝可。 以往的专用单位为居里，记作Ci， 1Ci=3.7×1010Bq 63

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第二节 原子核的放射性  ……… … …………………………………  ……… …

65 第二节 原子核的放射性 137Cs的衰变纲图 65

66 第二节 原子核的放射性 60Co的衰变纲图 66

67 第二节 原子核的放射性  ……………………… 

68 比活度 第二节 原子核的放射性 在实际工作中还经常用到“比放射性活度”或“比活 度”的概念。比放射性活度就是单位质量放射源的放 射性活度，即： a=A/m 式中 m为放射源的质量， 比放射性活度的单位为Bq/g 。 衡量一个放射源或放射性样品的放射性的强弱的物 理量，除放射性活度外，还常用“衰变率”这一概 念。设t时刻放射性样品中，某一放射性核素的原子 核数为N(t)，该放射性核素的衰变常数为λ ，我们 把这个放射源在单位时间内发生衰变的核的数目称 为衰变率J(t) ，则 J(t)=λN(t)

69 第二节 原子核的放射性 题例 单选题例： ♣1微居里等于（A）Bq。 A 3.7x104，B 3.7x107，C 3.7x1010，D 3.7x1012 ♣平均寿命与衰变常数关系是（ D ）。 A 等于 B 大于 C 小于 D 倒数 ♣λ的单位或量纲为（B）。 A 时间 B 时间的倒数 C 长度 D 长度的倒数 多选题例： ♣（ABCDE）等手段不能改变放射性核素的衰变常数。 A 加压 B 加热 C 加电磁场 D 机械运动 E 化学反应 ♣表征该放射性核素衰变的快慢的参数是（ACD）。 A 衰变常数 B 射线能量 C 平均寿命 D 半衰期 E 平均自由程

70 第二节 原子核的放射性 题例 单选题例： ♣辐照生产放射性核素一般只需要照射半衰期的（C）倍时间，即可得到放射性活度为的99%的放射源。 A 1-2 B 3-4 C 6-7 D 9-10

71 二、放射系 1.钍系（4n系） 钍系从 开始，经过连续10次衰变，最后到达稳定核素
第二节 原子核的放射性 1.钍系（4n系） 钍系从 开始，经过连续10次衰变，最后到达稳定核素 。 由于 的质量数A为232＝4×58，是4的整倍数，故称4n系。 2.铀系（4n＋2系） 铀系由238U开始，经过14次连续衰变而到达稳定核素 。该系的核素质量数皆为4n＋2，故称4n＋２系。 3.锕-铀系（4n＋3系） 锕-铀系是从 开始的，经过11次连续衰变，到达稳定核素 。该系核素的质量数可表示为4n ＋3 。 在天然存在的放射系中，缺少了4n＋1系。后来由人工方法才发现了这一放射系，以其中半衰期最长的 （镎）命名，称为镎系（4n＋1系）。 的半衰期为2.14×106a。

72 1、钍系（4n系） 1896年，becqule发现天然放射性时是用的铀盐，
质量数除以4 72

73 2、铀系（4n＋2系） 73

74 3、锕系（4n＋3系）

75 三个天然放射性系的特点 (1)第一个成员有非常长的寿命； (2)都有气体成员，且是氡的同位素； (3)最终的产物都是铅；
第二节 原子核的放射性 三个天然放射性系的特点 (1)第一个成员有非常长的寿命； (2)都有气体成员，且是氡的同位素； (3)最终的产物都是铅； (4)只有最后一个元素是稳定的。

76 4、镎系（4n＋1系）

77 题例 单选题例： A 4n B 4n+1 C 4n+2 D 4n+3 衰期最长核素237Np的半衰期为 (A)。
第二节 原子核的放射性 单选题例： ♣锕-铀放射系又称为（D）系。 A 4n B 4n C 4n D 4n+3 ♣由人工方法发现的4n+1放射系称为镎系，其中半 衰期最长核素237Np的半衰期为 (A)。 A 2.14×106a B 7.04×108a C 4.47×109a D 1.41×1010a 多选题例： ♣地球上的原生放射性核素都只能维系在处于长期 平衡状态的（ACD）放射系中 。 A 锕-铀系 B 镎系 C 铀系 D 钍系 E 钚系

78 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 第三节 核辐射射线及 其与物质相互作用

79 一、常用的射线类型及其特征 ………………………………………… ……………………… …………………………… ……… ………………………………
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 一、常用的射线类型及其特征  ………………………………………… ……………………… …………………………… ……… ………………………………

80 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用

81 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 1. α射线 ……………………… ……

82 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 2. β射线 ……………………………… ……… ……… ………

83 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用

84 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 +粒子 原子核+衰变会有正电子产生，快速运动的正电子通过物质时，与负电子一样，同核外电子和原子核相互作用，产生电离损失、轫致辐射损失和弹性散射。能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同，但自由正电子是不稳定的。正电子与介质中的电子碰撞会发生湮灭过程： e- + e+→γ(0.511MeV)+γ(0.511MeV)因此，快速运动的正电子通过物质除了发生与电子相同的效应外，还会产生0.511Me的湮灭辐射，在防护上还要注意对射线的防护 。

85 3.X射线和γ射线 ………………………………………… … … …………………………………………… …………………………………… 
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 3.X射线和γ射线  ………………………………………… … … …………………………………………… ……………………………………

86 4.中子 ………………………………………… …………………………………………… … ……………………………… …
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 4.中子 …………………………………………  …………………………………………… … ……………………………… …  ………………………………………… ……………………… ………………………………………… ………………………………

87 题例 单选题例： ♣受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做（A）。 A 原子辐射 B 原子核辐射 C 核辐射 D 热辐射
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 题例 单选题例： ♣受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做（A）。 A 原子辐射 B 原子核辐射 C 核辐射 D 热辐射 ♣电子的静止质量约为质子质量的（A）。 A 1/ B 4倍 C 12倍 D 1846倍 ♣β-射线是带有一个单位 (A)电子。 A负电荷的负 B正电荷的负 C正电荷的正 D负电 荷的正 多选题例： ♣常见核辐射 包括（ABCD）。 A α辐射 B β辐射 C γ辐射 D 中子辐射 E 受激原子退激时发射的X射线 ♣产生中子的基本方法有（ABC） A 同位素中子源 B 加速器中子源 C 反应堆中子源 D 核磁共振 E 电加热

88 二、射线与物质相互作用 ………………………………………… …………………… ……………………… ………… 
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 二、射线与物质相互作用  ………………………………………… …………………… ……………………… …………

89 ……… ………………………………………… ………………………………………… ……… …………………………………………
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 1.带电粒子与物质相互作用   ……… ………………………………………… ………………………………………… ……… ………………………………………… ………………………………………… ……

90 ………………………………………… ………………………………………… ……… ………………………………………… ………
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用  ………………………………………… ………………………………………… ……… ………………………………………… ……… ………………………………………… …………………………………………… …………………………………………… …  ………

91 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用  ………………………………………… ………………… 

92 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用

93 轫致辐射 带电粒子能量损失方式之二是辐射 损失。
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 轫致辐射 带电粒子能量损失方式之二是辐射 损失。 韧致辐射：带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速，其部分或全部动能，转变为连续谱的电磁辐射。其能量损失称为辐射损失。  带电粒子－－在原子核旁经过时，由于库仑作用而获得加速度，伴随发射电磁波即韧致辐射 b<<a 由经典电动力学，在库仑场中受到减速或加速的带电粒子，其部分或全部动能，将转变为连续谱的电磁辐射，这就是轫致辐射。这种能量损失称为辐射损失。 93

94 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用

95 轫致辐射 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 由经典电磁理论可知，高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电磁辐射，通常称做轫致辐射，能量最小值为0，最大值为电子的最大动能。X射线管和X光机产生的X射线就是轫致辐射。电子的轫致辐射能量损失率比质子、粒子等大得多。例如在速度相同的条件下，质子的轫致辐射比 电子要小18402=3.4×106倍。所以对重带电粒子的轫致辐射能量损失一般忽略不计。由于轫致辐射损失与Z 2成正比，因此，在原子序数大的物质(如铅, Z=82)中，其轫致辐射能量损失比原子序数小(如铝Z=13)的物质中大得多 。 

96 …… ………………………………………… ………………………… ………………………………
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用  …… ………………………………………… …………………………  ………………………………

97 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用  ………… 

98 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 2. γ射线与物质相互作用 …………………………………… 

99 窄束射线强度的衰减规律 】 辐射源 探测器 准直器 屏蔽物 图1-6 窄束射线强度的衰减示意图 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 窄束射线强度的衰减规律 】  sigma 辐射源 探测器 准直器 屏蔽物 图1-6 窄束射线强度的衰减示意图 99

100 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用

101 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 由此可知，γ射线穿过物质时其注量率随着穿过的厚度x的增加而指数衰减。Μ称做线性吸收系数，其单位为cm-1，它表示γ射线穿过单位厚度物质时发生相互作用的概率（或被吸收的概率）。Μ与前面所述的作用截面σ的关系为： μ＝σ·N 式中N为吸收物质的原子密度，即单位体积的原子数。与作用截面一样，线性吸收系数μ包含了光电效应、康普顿效应和电子对效应三者总的贡献。由于三种效应的作用概率都与入射光子的能量和作用物质的原子序数有关，所以μ值也随光子能量hν和介质原子序数Z而变化。γ光子能量增高，吸收系数μ值减小；介质原子序数高、密度大的物质，线性吸收系数也高。  

102 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 2. 射线与物质作用 能量在几十keV和几十MeV的射线通过物质时主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应等三种作用过程。这三种效应的发生都具有一定的概率。射线与物质作用的总截面 = ph+ c + p 。 102

103 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 （1）光电效应 在光电效应中，入射光子能量的一部分用来克服被击中电子的结合能，另一部分转化为光电子动能；原子核反冲能量很小，可忽略不计。原子中束缚得越紧的电子参与光电效应的概率也越大。因此，K壳层上打出光电子的概率最大，L层次之，M、N层更次之。如果入射光子能量超过K层电子结合能，大约80%的光电效应发生在K层电子上 。

104 (1)光电效应 光电子动能： Ee＝h－Bi （ i＝K，L，M…） 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 Be是轨道电子的结合能
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 (1)光电效应 光电子动能： Ee＝h－Bi （ i＝K，L，M…） Be是轨道电子的结合能 条件：入射光子的能量必须大于某壳层电子的结合能。 K、L层的电子发生光电效应的几率最大。 104

105 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 第 I 阶段： 原子吸收了光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。因此，光电子的动能就是入射光子能量与该束缚电子所处电子壳层的结合能之差。对于能量足够高的入射光子，光电子最可能来自原子中结合得最紧的K壳层。 光电效应的几率与原子序数 Z5成正比； 光电效应的几率与光子能量h或h3.5成反比； 低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势； 光电效应主要发生在K层及L层电子。 什么是截面？一个光子与一个原子或电子发生反应的几率。 105

106 第 II 阶段： 特征X射线 激发态退激 俄歇电子
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 第 II 阶段： 特征X射线 激发态退激 俄歇电子 俄歇效应是指处于激发态的正离子，退激时自发地发射出一个电子的过程。形成激发态的正离子的方式有（1）光电效应（2）内转换（3）轨道电子俘获等 次级电子（光电子、俄歇电子）的动能 入射光子的能量 106

107 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 （2）康普顿效应 入射光子同原子中外层电子发生碰撞，入射光子仅有一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子；而光子能量减小，变成新光子，叫做散射光子，运动方向发生变化，这一过程叫康普顿散射或效应。hν和hν’分别为入射光子和散射光子的能量；θ为散射光子和入射光子间的夹角 ，Φ称做散射角，为反冲电子的反冲角 。反冲电子具有一定动能，等于入射光子和散射子光子能量之差。反冲电子在物质中会继续产生电离和激发等过程，对物质发生作用和影响；散射光子有的可能从物质中逃走，有的留在物质中再发生光电效应或康普顿效应，最终一部分被物质吸收，一部分逃逸出去 。

108 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 （2）康普顿效应

109 动能守恒、动量守恒 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 当具有能量为h的光子与原子内一个轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成角散射（康普顿散射光子），获得足够能量的轨道电子与光子入射方向成角方向射出（康普顿反冲电子），此效应称为康普顿效应。 实际处理时，忽略轨道电子的结合能，康普顿效应看成是入射光子和自由电子的弹性碰撞。 散射电子不可能以>90的散射角散射 动能守恒、动量守恒 109

110 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 （3）电子对效应  当一定能量的光子进入物质时，光子在原子核库仑场作用下会转化为一对正负电子，这一现象称做电子对效应。电子对效应发生是有条件的。在原子核库仑场中，只有当入射光子的能量≥1.02MeV时才有可能。入射光子的能量首先用于转化为正负电子对的静止能量(0.51MeV MeV = 1.02MeV)，剩下部分赋予正负电子的动能。 在原子核场或原子的电子场中，一个光子转化成一对正、负电子，这就是电子对效应。 电子对效应中入射光子的能量转化成两部分，一部分转化成正、负电子的动能，份额为（1-2mc2/h）；另一部分转化为次级电子的能量，份额为2mc2/h。  原子核场：能量大于1.02MeV，发生几率大； 电子场 ：能量大于2.04MeV，发生几率很小。 110

111 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 “窄束” 射线进入物质主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失其能量。这些效应的发生使原来的光子或者不复存在，或者改变了能量成为新的光子，偏离了原来的入射方向。因此，我们可以说，入射的光子一旦同介质发生作用就从入射束中移去；只有没有同介质发生任何作用的光子才沿着原来的方向继续前进。入射的光子束中由于同介质作用而被移去的光子称做介质对光子的吸收。只有理想的准直束才能满足这种要求，称为“窄束”。

112 第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 （4）射线的吸收 射线穿过物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数衰减。称做线性吸收系数，其单位为cm-1，它表示射线穿过单位厚度物质时发生相互作用的概率（或被吸收的概率），它包含了光电效应、康普顿效应和电子对效应总的贡献。由于三种效应的作用概率都与入射光子的能量和作用物质的原子序数有关，所以线性吸收系数值也随光子能量和介质原子序数Z而变化。光子能量增高，吸收系数值减小；介质原子序数高密度大的物质，线性吸收系数也高。

113 3.中子与物质相互作用 ………………………… ………………………………………… ………………………………………… …… 
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 3.中子与物质相互作用 ………………………… …………………………………………  ………………………………………… ……

114 中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核相互作用
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核相互作用 非弹性散射 如：快中子与重介质 γ 散射 弹性散射 如：快中子与轻介质 中子 快中子减速成为能量较低的中子的过程称为中子的慢化，中子一般只有慢化后才能有效地被物质吸收。 吸收 辐射俘获 γ 114

115 ………………………………………… …… …………………………………………
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用  ………………………………………… …… ………………………………………… …………………

116 ………………………………………… …………
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用  ………………………………………… …………

117 题 例 多选题例： 单选题例： ♣带电粒子通过物质时，与物质的主要的作用是（A）。 A直接电离 B 化合反应 C 间接电离 D 光合作用
第三节 核辐射射线及其与物质相互作用 题 例 单选题例： ♣带电粒子通过物质时，与物质的主要的作用是（A）。 A直接电离 B 化合反应 C 间接电离 D 光合作用 ♣高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具 有连续能量的电磁辐射称为（B） A 电离辐射 B 轫致辐射 C γ射线 D 激光 ♣即使很低能量也易深入到原子核内部被俘获而形成复 合核并引起其他核反应的粒子是（C）。 A γ光子 B β粒子 C 中子 D α粒子 多选题例： ♣带电粒子通过物质时，与物质的主要直接作用是（ABC）。 A 直接电离 B 原子激发 C 轫致辐射 D 光合作用 E 光电效应 ♣γ射线通过物质时，直接作用的物理现象主要包括（ABC）。 A 光电效应 B 电子对效应 C 康普顿效应 D 特征X射线 E 俄歇电子

118 第四节 原子核反应 第四节 原子核反应  …………………………

119 第四节 原子核反应 一、核反应的一般描述 1.核反应与反应道  ……………………… ………

120 ………………………………………… …… …………………………………………
第四节 原子核反应  ………………………………………… …… …………………………………………

121 第四节 原子核反应 2.核反应分类  A（a，a´）A*

122 第四节 原子核反应  （p，p´）12C*

123 ………………………………………… ………………………………………… ………
第四节 原子核反应  ………………………………………… ………………………………………… （n，γ） ………

124 第四节 原子核反应 以及（p，γ）反应等。

125 第四节 原子核反应 …………………………………

126 二、核反应能 第四节 原子核反应 ……………………  ………………………………………… …………………

127 三、核反应截面 第四节 原子核反应 

128 ………………………………………… …………
第四节 原子核反应  ………………………………………… …………

129 第四节 原子核反应   ………………………

130 第四节 原子核反应

131 第四节 原子核反应 题例 单选题例： ♣核反应式A (a, b) B中, b表示( B )。 A 入射粒子 B 出射粒子 C 剩余核 D 靶核 ♣(γ,n)属于( A )反应。 A 光核反应 B 中子反应 C 电子核反应 D 非弹性散射 多选题例： ♣通常核反应按（ ABC ）分类。 A 出射粒子 B 入射粒子 C 入射粒子能量 D 出射粒子的电荷 E 靶核的稳定性 ♣典型的中子核反应有( ABCDE ) A (n, p) B (n,2n) C (n, γ) D (n, n’) E (n, α) ♣核反应能可表示为核反应前后系统( ABCD )。 A 动能的变化量 B 结合能的变化量 C 质量亏损等效的能量 D 总质量差对应的能量 E 库伦势能的变化

132 题例 ♣ 单选题例： ♣对吸能反应而言，能发生核反应的最小入射粒子动能是 ( A )。 A 核反应阈能 B 核反应能
第四节 原子核反应 单选题例： ♣对吸能反应而言，能发生核反应的最小入射粒子动能是 ( A )。 A 核反应阈能 B 核反应能 C 入射粒子的结合能 D 反应产物的动能 ♣核反应前后系统动能的变化量称为( B )。 A 核反应阈能 B 核反应能 C 入射粒子的结合能 D 反应产物的动能 ♣核反应中的各种截面均与入射粒子（ C ）有关。 A质子数 B电荷量 C能量 D中子数 ♣反应截面的物理意义为：一个入射粒子入射到单位面积内 只含有一个靶核的靶子上所发生反应的（ B ）。 A次数 B概率 C迟早 D快慢 ♣