原子核与放射性 信息工程学院 数理教研室.

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1 原子核与放射性 信息工程学院 数理教研室

2 原子与原子结构 1990年代 1932海森堡 1964夸克 轻子 12 夸克 36 媒介子 13 希格斯粒子 1 合计 62
轻子 夸克 媒介子 希格斯粒子 1 合计 其中 2个粒子尚未发现：引力子和希格斯粒子。 1932海森堡 1964夸克

3 原子核与原子核的基本性质 n (udd) P (uud)
1. 现代原子核的组成 n (udd) 中子 P (uud) 质子

4 核素及符号表示 核素表示符号 核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素 核素是原子核的一种统称 核 素 质子数 中子数 质量数 符 号
　　　核素是原子核的一种统称 核 素 质子数 中子数 质量数 符 号 氦-4 2 4 4He 碳-12 6 12 12C 碳-13 7 13 13C 碳-14 8 14 14C 核素表示符号

5 最常用的两个术语：核素和同位素 名称 质子数 中子数 质量数 举例 同位素 相同 不同 1H 2H 3H 同中子素 2H 3He 同量素
其它： 稳定核素和不稳定核素 稳定同位素和不稳定同位素 放射性核素和非放射性核素

6 原子核的大小 R 实验发现:原子核内的质子+中子紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同). 稳定原子核基本上类似与球体
原子核的半径 R = r0A1/3 原子核半径常数 r0 = 1.2  m = 1.2 fm A 原子核的质量数 例如：238U fm R

7 原子核的质量 电子 me = 9.1×10-31 kg = 5.48×10-4 u = 0.511 MeV/c2
质子 mp = u = MeV/c2 中子 mn = u = MeV/c2 原子核质量 = 原子质量 — 全部电子的质量 MN(Z,A) = Ma(Z,A) — Z me 忽略了电子的结合能 （ eV 量级） 原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查) 原子核质量可以精确确定

8 核物质密度 密度比较 g/cm3 原子核中核子紧密挤在一起 根据  = M/V 计算 核物质密度 :
黑 洞 核物质 中子星 白矮星 水 原子核中核子紧密挤在一起 根据  = M/V 计算 核物质密度 :  ~ 2.3  1014 g/cm3 1 cm3 核物质 2 亿吨重 ! 密度比较 g/cm3

9 原子核结合能和原子核稳定性 天平为何倾斜? 轻 重

10 氦原子核（ 4He）由2个质子 + 2个中子构成 2 x 1.007276 + 2 x 1.008665 - 4.002603 质量亏损
ΔM (4He) = = u 亏损的质量哪里去了? 质能关系 E = M C 2 ΔE(4He)= Δ M (4He) C2 = MeV 亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是 MeV

11 原子核结合能 比结合能 (原子核结合能/核子数)
定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量 原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定 比结合能 (原子核结合能/核子数) 核素 比结合能MeV 核 素 2H 1.112 12C 7.68 235U 7.59 3He 2.573 16O 7.98 238U 7.57 4He 7.07 56Fe 8.79 最大 6Li 5.33 107Ag 8.55 7Li 5.61 208Pb 7.87

12 估算裂变释放的能量 n + 235U (236U)  X + Y + E 假设裂变成质量相等的两块 质量数各约为118
235U 核子平均结合能 MeV 质量数为118的原子核平均结合能 8.6 MeV 两者平均结合能差 1 MeV 230多个核子 总的 E = 200 MeV 比较 : 裂变能 n U  X + Y+ E MeV 化学能　 C + O2  CO2 + E ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放 　 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子 　　 eV

13 放射性衰变及其表示 什麽是核辐射 不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子，有的带电有的不带电。 αβγ 中子 质子 裂变碎片等
1）亚原子粒子 ( 原子大小 ～ m） α 射线 氦原子核（4He） x m β 射线 电子(e)经典电子半径 2.8 x m γ 射线 光子(电磁辐射） 质子和中子 x m 原子核 Au (金） x m

14 载能（几十keV — MeV 量级或更高） 226Ra α 衰变发射 α 射线的能量 4.785 MeV 带电和不带电 不稳定原子核衰变
X Y b ΔE 母核 子核 发射射线 衰变能量 载能（几十keV — MeV 量级或更高） 226Ra α 衰变发射 α 射线的能量 MeV

15 1）α衰变 放射性衰变的三种基本类型： 衰变  衰变  衰变 α (4He) 母核 子核 发射射线 衰变能量
放射性衰变的三种基本类型： 衰变  衰变  衰变 1）α衰变 α (4He) 母核 子核 发射射线 衰变能量 226Ra → 222Rn He MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) 　 ( 2,4 ) 衰变能在反冲核与 α 粒子间按动量能量守恒分配 原子核变化发射的载能的亚原子粒子—— 放射性粒子。

16 2）-衰变 母核 子核 -射线 衰变能量 14 C → 14N + 0e + (Z,A) ( 6,14 ) ( 7,14 ) ( -1,0 ) ( 0,0 ) 负电子 反中微子

17 n 发生β-衰变的原因 ：原子核中中子数太多 14 C原子核中的中子发生 β-衰变， 中子β-衰变： n → p + e- + p 原子核
发生β-衰变的原因 ：原子核中中子数太多 原子核 N / Z 比值 稳定性 12 C 6/6 = 1 稳定 14 C 8/6 = 1.33 不稳定 14 C原子核中的中子发生 β-衰变， 　　　　　　　　　　　产生一个质子，一个负电子和一个反中微子 中子β-衰变： n → p + e- + n p

18 3） 衰变 母核 -衰变  衰变 137 Ba +  射线（661.7 keV） 子核（基态） （0.0） 光子是什麽？
137 Cs Ba* （激发态） 母核 -衰变  衰变 137 Ba +  射线（661.7 keV） 子核（基态） （0.0） 光子是什麽？  射线就是高能量的光子 ：几百keV-MeV 量级  衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃迁，在这个过程中发射 射线，原子核能态降低。  射线是高能量的电磁辐射——  光子

19 α 衰变 β- 衰变 β+ 衰变  衰变

20 放射性衰变基本规律 N = N0e-t 指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目
:放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快 N = N0e-t

21 半衰期 (T1/2) 定义：一定量的某种放射性原子核，其中有一半发生了衰变所经过的时间。
1 2 3 4 5 n 放射性原 子核数目 N0 N0 /2 N0 /4 N0 /16 N0 /32 N0 /64 N0 /2n 经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n

22 半衰期与衰变常数的关系   和 T1/2 两者有一一对应关系 N = N0e-t 由半衰期定义 t = T1/2 ， N=N0/2
代入计算得到 T1/2 = ln 2/  T1/2 = /    和 T1/2 两者有一一对应关系 理论研究中多用衰变常数 实际应用中一般用半衰期

23 核辐射通过物质时的作用和效应 一 核辐射与物质的基本作用 二 带电粒子通过物质 三 γ射线通过物质 四 γ射线的吸收 五 中子与物质的作用
一 核辐射与物质的基本作用 二 带电粒子通过物质 三 γ射线通过物质 四 γ射线的吸收 五 中子与物质的作用 核辐射量度及其单位 1 放射性活度（A） 2 吸收剂量(D) 3 剂量当量（H）

24 核辐射的基本性质 1.008665 n 中 子 1.007276 +1 p 质 子  5.486×10-4 ±1 e± β 4.00279
n 中 子 +1 p 质 子  5.486×10-4 ±1 e± β +2 4He α 质 量 ( u ) 电荷 （e) 符号 种类

25 核辐射与物质的基本作用 。。。。。。 。。。原子。。。 αβ γ n 微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应
物 质：气体 液体 固体 包括人体 等 。。。。。。 。。。原子。。。 αβ γ n 微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应

26 带电粒子通过物质 α + 靶原子 → 正离子 + 电子 + α e- + 物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：
正离子和自由电子 带电粒子通过物质 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - 自由电子 + - + - + - e- + - 库仑作用 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + 正离子 + - + - + - + - α + 靶原子 → 正离子 + 电子 + α 4He Ar → Ar e He

27 α 电离作用强 α 射线与β射线电离效应比较 α 射线 β 射线 径迹 粗 直 细 弯 电离作用  Z1Z2 /v2
α 射线 β 射线 径迹 粗 直 细 弯 电离作用  Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z1 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度 α 电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多 实验结果

28 α粒子径迹是一条直线 5.3 MeVα粒子在空气中 的射程3.83 cm 电子径迹是折线

29 γ射线通过物质 1 γ射线是什麽 2 γ射线的电离作用 3 轫致辐射 4 正电子湮灭

30 γ射线是什麽？ 能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。
γ射线是波长很短能量高的电磁辐射 （ ﹤ 米，keV，MeV），来自原子核γ衰变, 不带电， 静止质量为0 能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。

31 γ射线对物质的电离作用：两步过程 第 2 步 次级作用 三种作用效应 γ射线 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子 电离效应
第 1 步 初级作用 第 2 步 次级作用 三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子 γ射线 电离效应 次级电子使 物质原子电离

32 作用机制 光电效应 自由电子 原子 γ + A  A* + e- （光电子） 受激原子 原子  A + X 射线
光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 γ A  A* e- （光电子） 原子  A X 射线

33 电子对效应 M ＋ γ → M + e+ + e- → γ1 + γ2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV
与原子核作用可能产生一对正-负电子 能量转化成质量 M = E /C2 M ＋ γ → M + e e- → γ γ2 1.02 MeV me me MeV MeV 基本条件： γ射线能量 Eγ 1.02 MeV

34 3 轫致辐射 应注意玻璃含有40K U Th 电子打在荧光屏上产生X射线 电视机显像管 产生机制 特征: x 射线能量连续
0 – EMax(电子能量) 电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 keV 原子核 应注意玻璃含有40K U Th

35 4 正电子湮灭 e+ + e- → γ + γ 正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 γ光子。
4 正电子湮灭 正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 MeV的 γ光子。 e e → γ γ me me = MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %）

36 γ射线的吸收 γ射线通过介质时由于同物质的作用,γ光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对γ射线的吸收。 I I0 厚 度 X I(x)= I0 e-μx 实验发现：γ射线强度随通过介质层厚度增加而减小，服从指数衰减规律。

37 指数衰减规律 I(x)= I0 e-μx μ指数衰减因子 线性吸收系 1）γ射线能量高 μ值小 2） 原子序数高 μ值大 能量（MeV)
μ指数衰减因子 线性吸收系 1）γ射线能量高 μ值小 2） 原子序数高 μ值大 铅和铝吸收系数 能量（MeV) 铅（Pb) cm-1 铝（Al）cm-1 0.6 1.6 0.2 1.0 0.8 0.18 2.0 0.5 0.1

38 半吸收厚度(d1/2) 半吸收厚度 单位：cm γ射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 γ射线的防护大都选用 重金属铅、水泥等，
0 I / I γ射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 γ射线的防护大都选用 重金属铅、水泥等， 构成很厚的防护墙。 物质层厚度 半吸收厚度 单位：cm

39 αβγ对物质电离作用的比较 2 MeV 射程(m) 离子对密度/mm α β γ 几个

40 1 MeV 的粒子穿透物质能力 α 页 β 页/本 γ 4580本 n 铅 地 下 1-2 米深 中子源 铅室

41 αβγ射线穿透物质能力    αβγ 射线穿透 人体皮肤情况

42 中子与物质的作用 中子不带电不能直接使原子电离，但中子容易进入原子核内，同原子核发生作用引起核反应 1）与 H 原子核的弹性碰撞
传递能量 质子跑出来 中子被慢化 　 n + H → n + p 第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O) 重水(2D2O)

43 n 14N 14C 人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重 2） 中子核反应 例如( n,p)反应
n + 14N → 14C + p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用 n 14N 1 p 电离 14C 2 人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重

44 电离辐射和非电离辐射 电离辐射 非电离辐射 紫外线、红外线、微波等 这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 ～ eV 量级
　电离辐射和非电离辐射 　　电离辐射 直接或间接使介质发生电离 效应的带电或不带电的射线 或粒子 (能量 ﹥keV ) α、β、γ、 x、 n、p、 裂变碎片  介子等 　　来 源　 1)放射性物质 (人造 天然） 2)加速器 3)反应堆 4)宇宙射线 5)地球环境 　 非电离辐射 紫外线、红外线、微波等 这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 ～ eV 量级 移动电话 MHz ﹤0.01 eV (没有电离作用）

45 核辐射量度及其单位 1 放射性活度（ A ） 定义：样品中放射性原子核在单位时内发生衰变 的原子核数目。
单位： 1贝可 = 1 次核衰变/秒 1 Bq = 1 次核衰变/秒 2 吸收剂量( D ) 定义： 单位质量受照射物质所吸收的平均电离辐射能 单位： 1 戈瑞 = 1焦耳 / 千克 1 Gy = 1 J/ kg

46 3 剂量当量（H） 意义：表示电离辐射 引起生物效应 的大小 H = Q D Q 电离辐射的品质因数 生物放大效应 D 吸收剂量（戈瑞）
严重 25 α射线 质子 离子 有 2 氚的β 射线 中子 1 β e±（﹥30keV) X  (﹥30keV) 放大效应 Q 因子 电离辐射类型 意义：表示电离辐射 引起生物效应 的大小 H = Q D Q 电离辐射的品质因数 生物放大效应 D 吸收剂量（戈瑞） 量度单位： 1希沃特 = 1焦耳/千克 1 Sv = 1 J/kg

47 放射性活度(A) 吸收剂量(D) 剂量当量(H)
三者意义和区别 任何物质 吸收剂量(D) 1戈瑞 = 1焦耳/千克 1 Gy = 1 J/kg 有机体 剂量当量(H) H = Q D 1希沃特 = 1 焦耳/千克 放射源 活度(A) 1贝克=1次核衰变/秒

48 小 结 1 核辐射同物质作用，仅当把能量和动量传递给物质才发生；没有能量和动量传递就没有作用。
小 结 1 核辐射同物质作用，仅当把能量和动量传递给物质才发生；没有能量和动量传递就没有作用。 2 通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会对物体产生一系列的影响，人体也不例外。 3 剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。 4 不同种类的核辐射给出相同的能量时，可能会对物体造成不同的辐射损伤。

49 谢谢！