核辐射物理及探测学

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核辐射物理与探测学

定义反应能Q 为： Q Tb TB Ta TA
Mmaa
mA c2
MA c2
mb
Mb
mB
MB
c2
c 2
a A b B
Q > 0 为放能反应； Bb BB Ba BA
Q < 0 为吸能反应。
4.2 核反应能和Q方程
当出射粒子为射线时，称这类核反应为辐射俘获。
197Au( p, )198Hg 59Co(n, )60Co
2) 按入射粒子分类
(a) 中子反应由中子入射引起的核反应。
中子反应的特点：中子不带电，与核作用时，不存在库仑位垒，能量很低的中子就能引起核反应。
4.1 核反应概述
根据出射粒子的不同，中子反应有： (n, n),(n, n),(n, ),(n, p),(n, ),(n,2n)......
即： 1l f 1 l f 只能取偶数。
综合考虑角动量守恒和宇称守恒：l f 可取值为 2 或 4 。
4.2 核反应能和Q方程
第四章原子核反应
1、核反应能 Q 对核反应： a A B b
静止质量: ma mA mB mb
由能量守恒：
相应动能: Ta TA
TB Tb
(ma mA )c2 (Ta TA ) (mB mb )c2 (Tb TB )
线为电子; 提出了原子的核式模型;首次实现人工核反应;培养了10位诺贝尔奖获得者.
第四章原子核反应
4.1 核反应概述
核反应的一般表达式： A a, b1, b2 , b3,... B 或：a A B b1 b2 A 为靶核； a 为入射粒子； B 为剩余核；b1,b2…为出射粒子。对于出射粒子为一个的情况：

核辐射物理与探测学

根据：
2z e I E b 2 2 m0v b
2
2 4
b bmax
bmax
ze v
2 m I 0
1/ 2
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
2 4 dE 4πNZz e bmax 对： ln 2 b dx ion m0 v min 代入 bmax 和 bmin ，可得到电离能量损失率为：
z --入射粒子电荷数 v --入射粒子速度
m0为电子静止质量
N--靶物质单位体积的原子数
2m 0 v 2 v2 v2 其中： B Z ln I ln 1 c 2 c 2
靶物质平均等效电离电位靶物质原子的原子序数
dE S dx
按能量损失作用的不同，能量损失率可分为 “电离能量损失率”和“辐射能量损失率”。
S S ion S rad dE dE dx ion dx rad
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。
根据：
2z e 2m 0 v 2 E b n
ze 2 2 m0 v
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
bmax 对应电子获得最小能量的情况，可以由电子在原子中的结合能来考虑。入射粒子传给电子的能量必须大于其激发能级值，才能使其激发或电离，否则将不起作用。也就是说，电子只能从入射粒子处接受大于其激发能级 I的能量。
4πz e NZ 2m0v dE ln 2 I dx ion m0v
2 4
2

核辐射物理与探测学

放射性现象与原子核的衰变密切相关。
原子核的衰变：在没有外界影响的情况下，原子核自发地发射粒子并发生改变的现象。
第二章原子核的放射性
·原子核衰变的主要方式
衰变
衰变 (包括－衰变、＋衰变和电子俘获EC)
衰变 (或跃迁)(包括内转换IC)
重核的自发裂变等
137Cs核素衰变纲图
•原子核衰变的表示衰变纲图同位素表
N (0)
在 t~t+dt 时间内衰变的原子核数为：
dNt N t dt
这些核的寿命均为 t，它们的总寿命为：
t N t dt
2.1 放射性衰变的基本规律
而 t 可能的取值为：0～
t N t dt
所以，所有核的总寿命为：
N t N 0et
(2)
1/ 2
1/ 2
1
时，
2
则在观察时间内可看出母体 A 放射性的变化，以及子体 B 的核数目在时间足够长之后，将和母体的核数目建立一固定的比例，此时子体 B 的变化将按母体的半衰期衰减。这时建立的平衡叫暂时平衡。
2.2 递次衰变规律
现在来推导一下暂时平衡关系：
由：
N2(t)
1 2 1
2.1 放射性衰变的基本规律
1、放射性的指数衰减规律
222 86
Rn
——氡射气
实验发现，放射性核素
222 86
Rn
放出一个粒子，
变成 28148Po，而 28262Rn 的数目每4天减少一半。
222Rn的衰变曲线
2.1 放射性衰变的基本规律
由统计性，以放射源总体考虑衰减规律：
设：t 时刻放射性原子核的数目为N(t)，
dN3 (t ) 2 N 2 (t )dt

核辐射物理电子讲义第一章

核辐射物理及探测学辐射的定义（R a d i a t i o n）:以玻或运动粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、α辐射、β辐射、中子辐射等）的统称。

通常论及的“辐射”概念是狭义的，它不包括无线电波和射频波等低能电磁辐射，也不包括声辐射和热辐射，而仅是指高能电磁辐射（光辐射）和粒子辐射。

这种狭义的“辐射”又称为“射线”。

按照其来源，辐射（射线）可以分为核辐射、原子辐射、宇宙辐射等，又可分为天然辐射、人工辐射等。

按照其荷电情况和粒子性质，辐射（射线）又可分为：带电粒子辐射，如α、p、D、T、±π、±μ、±e等；中性粒子，如n、ν、︒π等；电磁辐射，如γ射线和X射线等。

课程介绍：核辐射物理及探测学是工程物理系本科生的一门主干专业基础课。

本课程要使学生对于核辐射物理学、辐射探测器的原理、性能和应用以及探测辐射的基本理论与方法具有深入明确的了解，并具有创造性地灵活应用的能力。

经过后续实验课的学习，学生在辐射探测实验技术方面将进一步获得充分的训练。

核辐射物理及探测学是一门内容非常丰富与科学实验关系极其密切的课程。

核辐射物理涉及原子核的基本性质、各种辐射的产生、特征，辐射与物质的相互作用及微观世界的统计概率特性等，是核科学及核工程的基础。

辐射探测学是近百年来核科学工作者在实践中发明、发展的探测器与探测方法的归纳和总结。

通过课程学习应当培养学生掌握如何从实际出发分析问题、解决问题，以及如何综合应用基础理论和所学的各种知识的思维方法和能力，本课程中讲授的核辐射物理、辐射探测器与探测方法方面的知识，将为学生将来从事核能与核科学科研、生产、管理等工作打下良好的基础。

本课程主要由三部分组成：（1）核辐射物理学。

（第一章～第六章）这既是辐射探测的物理基础，又是其他专业课的基础。

22学时（2）辐射探侧器件与装置的原理、性能和应用。

（第七章～第十章）26学时（3）探测辐射的理论和方法。

核辐射物理及探测学答案

核辐射物理及探测学答案核辐射物理及探测学是研究核辐射的性质、产生机制、相互作用规律以及辐射测量和探测技术的学科。

下面是核辐射物理及探测学的答案参考：1. 什么是核辐射？核辐射是指核物质发生放射性衰变时释放出的高能粒子或电磁波的过程。

常见的核辐射有α粒子、β粒子和γ射线。

2. 核辐射的产生机制是什么？核辐射的产生机制主要包括原子核的自发衰变和核反应两种形式。

自发衰变是核物质内部没有外界原因的情况下自动发生的衰变过程，而核反应是核物质与其他物质相互作用时发生的核变化过程。

3. 核辐射与物质的相互作用规律有哪些？核辐射与物质的相互作用规律包括电离作用、激发作用和相互作用距离的特性。

电离作用是指核辐射通过与物质内部原子或分子的相互作用，将其电子从原子或分子中脱离的过程；激发作用是指核辐射使物质原子或分子的能级发生变化，但并没有电离的过程；相互作用距离的特性指的是不同类型的核辐射在物质中的相互作用长度和穿透深度的区别。

4. 核辐射的测量与探测技术有哪些？核辐射的测量与探测技术主要包括电离室、半导体探测器、闪烁体探测器、核废液谱仪等。

电离室是一种通过测量核辐射在气体中电离产物的形成量来确定辐射强度的装置；半导体探测器利用半导体材料特殊的电子结构对核辐射进行测量；闪烁体探测器则是利用某些材料在受到核辐射后会产生可见光信号的特性进行测量；核废液谱仪是一种用于测量放射性废弃物中放射性核素种类和浓度的仪器。

5. 核辐射的应用有哪些？核辐射的应用涉及核能、医学、工业等领域。

在核能方面，核辐射被用于核电站的能源生产；在医学方面，核辐射被用于放射治疗、核医学诊断等；在工业方面，核辐射被用于材料检测、气候变化研究等。

此外，核辐射还被用于食品辐照处理、碳测年等。

核辐射物理与探测学复习

核辐射物理与探测学复习注：本提纲中的问题覆盖范围并不完备，因此不能完全替代书本复习，仅作参考之用！一、关于载流子1) 无论是气体探测器，还是闪烁、半导体探测器，其探测射线的本质都是将射线沉积在探测器灵敏体积内的能量转换为载流子。

这三种探测器具有不同的载流子，分别是：气体（），闪烁体（），半导体（）；答：气体：电子－离子对；闪烁体：第一个打拿极收集到的光电子；半导体：电子－空穴对；2) 在这个转换过程中，每产生一个载流子都要消耗一定的能量，称之为（），对于三种探测器来说，这个能量是不同的，分别大概是多少？气体（），闪烁体（），半导体（）。

这个能量是大些好，还是小些好？为什么？答：平均电离能；30eV，300eV，3eV；这个能量越小越好，因为平均电离能越小，产生的载流子就越多，而载流子的数目服从法诺分布，载流子越多则其数目的相对涨落越小，这会导致更好的能量分辨率；3) 在这个转换过程中，射线沉积在探测器中的能量是一个（）变量，而载流子的数目是一个（）变量，载流子的数目是不确定的，它服从（）分布，该分布的因子越是大些好，还是小些好？为什么？答：连续型变量；离散型变量；法诺分布；法诺因子越小越好，小的法诺因子意味着小的统计涨落，导致好的能量分辨率；二、关于探测效率1) 对于不带电的粒子（如γ、中子），在探测器将射线沉积在其灵敏体积中的能量转换为载流子之前，还需要经历一个过程，如果没有该过程，则探测器无法感知射线。

以γ射线为例，这个过程都包含哪些反应（）？这个过程的产物是什么（）？对于1个1MeV 的入射γ射线，请随便给出一个可能的该产物能量（）？答：对于γ射线，这些反应包括光电效应、康普顿散射以及电子对效应（如果γ射线的能量>1.022MeV）；这些反应的产物都是次级电子；对于1个1MeV的γ射线，次级电子的能量可以是几十keV～几百keV，也可以是接近1MeV；2) 这个过程发生将主要地决定探测器的探测效率，那么影响探测效率（本征）的因素都有哪些（）？在选择探测器的时候，为了得到高的探测效率（本征），应该做什么考虑（）？答：影响本征探测效率的因素有：探测器的原子序数、密度、体积、形状，以及γ射线的能量，甚至还包括射线射入探测器的位置、角度；在选择探测器时，为了得到高的本征探测效率，应该选择那些原子序数高、密度大的探测器，探测器的体积要大并且探测器的形状合理（例如正圆柱形）；3) 绝对探测效率和本征探测效率的区别是什么？答：绝对探测效率考虑的是对每一个源发射出的粒子，探测器测量到的计数值；本征探测效率考虑的是对每一个射入探测器的粒子，探测器测量到的计数值。

核辐射物理及探测学

习题集第一章习题1-1 当电子的速度为2.5×108m ·s -1时, 它的动能和总能量各为多少MeV? 1-2 将α粒子的速度加速至光速的0.95时, α粒子的质量为多少u? 合多少g?1-3 t=25℃, p=1.013×105Pa 时, S+O 2→SO 2的反应热q=296.9kJ ·mol -1, 试计算生成1molSO 2时体系的质量亏损。

1-4 1kg 的水从0℃升温至100℃, 质量增加了多少? 1-5 试计算239U, 236U 最后一个中子的结合能。

已知：()MeV 307.47238,92=∆；()MeV 572.50239,92=∆；()MeV 916.40235,92=∆；()MeV 442.42236,92=∆。

1-6 当质子在球形核里均匀分布时，原子核的库仑能为RZ Z e E c 024)1(53πε-=Z 为核电荷数，R 为核半径，0r 取m 15105.1-⨯。

试计算C 13和N 13核的库仑能之差。

1-7 已知：()MeV 125.313,6=∆；()MeV 346.513,7=∆。

计算C 13和N 13核的结合能之差； 1-8 利用结合能半经验公式，计算236U, 239U 最后一个中子的结合能, 并把结果与1-5题的结果进行比较1-9 计算K 42原子核每一个核子的平均结合能？1-10利用结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进行比较, 说明质量公式的应用范围。

u Cu M 929756.63)(64=；u Ag M 905091.106)(107=；u Ce M 905484.139)(140=；u U M 050786.238)(238=；1-10利用结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进行比较, 说明质量公式的应用范围。

核辐射物理及探测学

核辐射物理及探测学习题集第⼀章习题1-1 当电⼦的速度为2.5×108m ·s -1时, 它的动能和总能量各为多少MeV? 1-2 将α粒⼦的速度加速⾄光速的0.95时, α粒⼦的质量为多少u? 合多少g?1-3 t=25℃, p=1.013×105Pa 时, S+O 2→SO 2的反应热q=296.9kJ ·mol -1, 试计算⽣成1molSO 2时体系的质量亏损。

1-4 1kg 的⽔从0℃升温⾄100℃, 质量增加了多少? 1-5 试计算239U, 236U 最后⼀个中⼦的结合能。

已知：()MeV 307.47238,92=?；()MeV 572.50239,92=?；()MeV 916.40235,92=?；()MeV 442.42236,92=?。

1-6 当质⼦在球形核⾥均匀分布时，原⼦核的库仑能为RZ Z e E c 024)1(53πε-=Z 为核电荷数，R 为核半径，0r 取m 15105.1-?。

试计算C 13和N 13核的库仑能之差。

1-7 已知：()MeV 125.313,6=?；()MeV 346.513,7=?。

计算C 13和N 13核的结合能之差； 1-8 利⽤结合能半经验公式，计算236U, 239U 最后⼀个中⼦的结合能, 并把结果与1-5题的结果进⾏⽐较1-9 计算K 42原⼦核每⼀个核⼦的平均结合能？1-10利⽤结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进⾏⽐较, 说明质量公式的应⽤范围。

u Cu M 929756.63)(64=；u Ag M 905091.106)(107=；u Ce M 905484.139)(140=；u U M 050786.238)(238=；1-10利⽤结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进⾏⽐较, 说明质量公式的应⽤范围。

核辐射物理及探测学期末总结

(3) 比。所以当吸收材料原子序数大、密度大时，辐射损失大。当要吸收、屏蔽β射线时，不宜选用重材料。当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。
S rad NZ 2 ：辐射损失率与吸收物质的NZ2成正
电子的散射与反散射
电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射。电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。
不同材料法诺因子不同， F由实验测定。
把这种分布称为法诺分布。
粒子束脉冲的总电离电荷量的涨落
n1代表一个入射粒子束脉冲中包含的粒子数，是一个服从泊松分布的随机变量。每个入射带电粒子在探测器内产生n2个离子对，也是一个随机变量，且服从法诺分布。
输出信号 N是n1和n2 的串级型随机变量
由于n1服从泊松分布，n2服从法诺分布
(C)相互独立的随机变量的“和”与 “差”的方差，是各随机变量方差的 “和” ，即： D X D X D X X
1 2 1 2
(D)相互独立的遵守泊松分布的随机变量之“和”仍服从泊松分布。
但是相互独立的遵守泊松分布的随机变量之“差”，不服从泊松分布。
串级随机变量的主要特点：
(3)
y x1 x2
2 y
或
2 x1
y x1 / x2
2 x2
2
v v v
2 2
y x1 x2 y x x 1 2
x y x1 x2 1 x1 x2 x 2
ns nb t s tb
(6) 不等精度独立测量值的平均如果对同一量进行了k次独立测量，各次测量的时间为ti，计数为Ni。这是不等精度测量。这时，简单的求平均不再是求单次“最佳值”的适宜方法。需要进行加权平均，使测量精度高的数据在求平均值时的贡献大，精度低的贡献小。

核辐射物理与探测学课后习题

核辐射物理与探测学课后习题第一章原子核的基本性质1-1 当电子的速度为18105.2-?ms 时，它的动能和总能量各为多少？1-2 将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？ 1-5 已知()()92,23847.309,92,23950.574MeV MeV ?=?= ()()92,23540.921,92,23642.446MeV MeV ?=?=试计算239U ，236U 最后一个中子的结合能。

1-8 利用结合能半经验公式，计算U U 239236,最后一个中子的结合能，并与1－5式的结果进行比较。

第二章原子核的放射性2.1经多少半衰期以后，放射性核素的活度可以减少至原来的3%,1%,0.5%,0.01%?2.7 人体内含%18的C 和%2.0%的K 。

已知天然条件下C C 1214与的原子数之比为12102.1，C 14的573021=T 年；K 40的天然丰度为%0118.0，其半衰期a T 911026.1?=。

求体重为Kg 75的人体内的总放射性活度。

2-8 已知Sr 90按下式衰变：Zr Y Sr h a 9064,901.28,90??→→?--ββ(稳定) 试计算纯Sr 90放置多常时间，其放射性活度刚好与Y 90的相等。

2-11 31000cm 海水含有g 4.0K 和g 6108.1-?U 。

假定后者与其子体达平衡，试计算31000cm 海水的放射性活度。

第三章原子核的衰变3.1 实验测得Ra 226的α能谱精细结构由()%95785.41MeV T =α和()%5602.42MeV T =α两种α粒子组成，试计算如下内容并作出Ra 226衰变网图（简图）（1）子体Rn 222核的反冲能；（2）Ra 226的衰变能；（3）激发态Rn 222发射的γ光子的能量。

3.2 比较下列核衰变过程的衰变能和库仑位垒高度：Th He U 2304234+→；Rn C U 22212234+→；Po O U 21816234+→。

核辐射物理及探测学

核辐射物理及探测学概述核辐射物理及探测学是研究核辐射现象的一门学科，主要涉及核辐射的性质、产生机制、相互作用以及探测技术等方面的内容。

核辐射是指从原子核中放射出的高能粒子或电磁波。

了解和研究核辐射物理及探测学对于核能安全、医学影像学、环境监测等领域都具有重要意义。

核辐射的种类和性质核辐射主要分为三种类型：α粒子、β粒子和γ射线。

α粒子由两个质子和两个中子组成，具有正电荷，解离能力强，穿透能力弱；β粒子可分为β-粒子和β+粒子，分别由电子和正电子组成，具有中等穿透能力；γ射线是一种高能电磁波，没有电荷，穿透能力最强。

核辐射还具有放射性衰变的特点，即原子核在放射过程中会改变自身的组成。

放射性衰变可以分为α衰变、β衰变和γ衰变三种形式，每种衰变形式对应不同的核辐射类型。

核辐射的产生机制核辐射的产生主要有两种方式：放射性衰变和核聚变/核裂变。

放射性衰变是指某些核素原子在放射过程中发出核辐射，以减少其相对不稳定的核子比例，达到更加稳定的状态。

放射性衰变的速率由半衰期决定，半衰期越短，衰变速率越快。

核聚变和核裂变是通过外界的能量输入使得原子核发生变化的过程。

核聚变是指两个轻核聚合成一个更重的核，核裂变是指一个大的核分裂成两个或多个较小的核。

聚变和裂变释放出大量的能量和核辐射。

核辐射与物质的相互作用核辐射与物质之间的相互作用是核辐射物理及探测学中的一个重要研究内容。

核辐射与物质的相互作用方式主要有电离作用和激发作用。

电离作用是指核辐射与物质中的原子或分子作用，使其失去或获取电子，形成带电粒子。

这种作用导致原子或分子的离子化，产生电离辐射。

激发作用是指核辐射能量被传递给物质中的原子或分子，使其电子处于激发状态。

激发态的电子会经过一系列的跃迁过程，放出电磁辐射。

核辐射的电离作用和激发作用对人类和环境都有一定的危害，因此需要开展核辐射监测和防护工作。

核辐射探测技术核辐射探测技术是用于测量和检测核辐射的一系列技术方法和装置。

核辐射物理与探测学

基本要求及评分标准
基本要求： ●掌握核辐射及探测的基本概念，掌握射线与物质相互作用的基本规律，各类射线被探测的基本原理。 ●掌握常用的三种探测器的基本结构、主要性能及应用。 ●完成每章相应习题及作业评分标准：平时（考勤、作业） 20% 期末考试（闭卷） 80%
本课程的主要内容
本课程主要由三部分组成:
●核辐射物理学。 ( 第一章～第七章 ) 这既是辐射探测的物理基础 ,又是其他专业课（如辐射防护）的基础。介绍各种辐射探测的所涉及的基本概念和基础知识，包括：原子核的基本性质、原子核的放射性、原子核的衰变、原子核反应、射线与物质的相互作用、辐射探测中的概率统计问题等。
工业、安全
右：行李检测系统。
下：钴60集装箱检测系统。
科学实验
高能物理、核物理实验
大型谱仪
材料科学、凝聚态物理
X射线散射、中子散射
高能物理实验
北京正负电子对撞机（BEPC）探测器系统 ——北京谱仪（BES）
BESIII Detector
材料科学
以X射线、中子为探针，观测物质内部微观结构及其动力学特征； X射线、中子散射（衍射）。
核辐射物理及探测学
任课教师：普拉提 · 艾合买提
1
教教材及参考书
1、《核辐射物理及探测学》，哈尔滨工业大学出版社，2011年（使用教材） 2、《核辐射物理基础》暨南大学出版社， 2010年 3、《辐射物理》北京大学出版社，2004年 4、《原子核物理实验方法》复旦 , 清华、北大合编
2
核辐射物理及探测学绪论
主要内容：
核辐射物理及探测学的研究对象及特点核辐射探测学的应用领域本课程的主Leabharlann 内容和要求3辐射定义

原子核物理及辐射探测学 1-4章答案

第一章习题答案1-1 当电子的速度为18105.2-⨯ms 时，它的动能和总能量各为多少？答：总能量 ()MeV ....c v c m mc E e 924003521511012222=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-==；动能 ()MeV c v c m T e 413.011122=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--= 1-2.将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？答：α粒子的静止质量()()()u M m M m e 0026.44940.9314,244,224,20=∆+=≈-= α粒子的质量 g u m m 2322010128.28186.1295.010026.41-⨯==-=-=βα1-4 kg 1的水从C 00升高到C 0100，质量增加了多少？答：kg 1的水从C 00升高到C 0100需做功为J t cm E 510184.41001184.4⨯=⨯⨯=∆=∆。

()kg c E m 1228521065.4100.310184.4-⨯=⨯⨯=∆=∆ 1-5 已知：()();054325239;050786238239238u .U M u .U M ==()()u .U M ;u .U M 045582236043944235236235==试计算U-239,U-236最后一个中子的结合能。

答：最后一个中子的结合能()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 774845126023992238922399222==⋅-+=()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 54556007027023692235922369222==⋅-+= 也可用书中的质量剩余()A ,Z ∆：()()()()MeV ....,n ,,B n 806457250071830747239922389223992=-+=∆-∆+∆= ()()()()MeV ....,n ,,B n 545644242071891640236922359223692=-+=∆-∆+∆=其差别是由于数据的新旧和给出的精度不同而引起的。