辐射安全基础知识

(3)原子的核式模型 1909年卢瑟福散射试验，1911 年提出原子的核式模型。
1871～1937 1908年诺贝尔化学奖
卢瑟福散射实验结论：
• 正电荷集中在原子的中心，即原子核； • 线度为10–12 ~10-13 cm量级，为原子的10–4
量级； • 质量为整个原子的99.9%以上； 从此建立了原子的有核模型。
生
变过程
模
型
(5)
中
子
射
线
的
产
光量子
生
模
型
2.3 放射性衰变基本规律
由于微观世界的统计性，不能预测某一原 子核的衰变时刻，但可以统计得到放射源中 总的放射性原子核数目的减少规律；具体到 每个放射性原子核的衰变来说，就是服从一 定规律进行衰变的一个随机事件，可以用衰 变概率表示。
2.3.1 单一放射性的指数衰减规律
衰变
ZAX Z A 42Y24He
衰变
衰变（丰中子核发生） Z A X Z A 1 Ye~
衰变（欠中子核）
Z AX Z A 1Ye
轨道电子俘获（欠 中子核）
Z A Xe Z A 1 Y~
跃迁：高激发态到低激发态或基态的跃迁。
(1) 衰变 Alpha decay Z AX A Z － － 4 2YH2 4 eQ
• 1kg TNT爆炸释能： 4.2×106 焦耳(J) • 1kg 235U全部裂变释能： 8.2 ×1013 焦耳(J)
其威力约为2万吨TNT(相当于TNT的2 ×106 倍)
E : (W/MA) ×NA×200MeV= (1000/235) ×6.023 ×1023 ×200 = 5.126 ×1026 MeV
同位素丰度。
1 1
H
2 1
H
99.985%、0.015%
1 6 O 1 7 O 1 8 O 99.756%、0.039%、0.205%
U 2 3 5
92
U 2 3 8
92
0.724%、99.276%
(3) 稳定核素和放射性同位素
11H,12H,13H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：
1 1
H
2 1
H
99.985%、0.015%
而 3H 为放射性同位素，具有 放射性，
放出最大能量为~18keV的 射线，其半
衰期 T12 12.3a。 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。
(4) 核素和核素图
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着密 切的关系。
(2) 同位素（Isotope）和同位素丰度
具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素 的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于 同一个位置，具有基本相同化学性质。)
1 1
H
2 1
H
3 1
H
氢的三种同位素；
U 2 3 5
92
U 2 3 8
92
铀的二种同位素。
某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为
即： A d d (tN ) t d (N d 0 e tt)N 0 e tN (t)
定义：
A0 N0
则：
AA0et
放射源发出放射性粒子的多少，不仅与核衰 变数有关，而且和核衰变的具体情况直接相关。 一般情况，核衰变数不等于发出粒子数。
射线强度：单位时间内放出某种射线的个数。
(2) 放射性活度单位 法定计量单位为贝可(Bq)：
1.1 原子结构模型
(1) 电子的发现 J.J.汤姆逊1897年， 利用阴极射线管发现电 子，成为人类向原子世 界进军的里程碑。 电子电荷为基本电荷：
e1.60 12 0 1C 9
电子质量：为氢原子 质量的1/1837，即
m e9.109 1 4 0 2g 8
(2) 原子的汤姆逊模型 由于原子呈电中性，及气体 原子的电离现象，1903年，汤 姆逊提出了新的原子构造模型： 原子是一个半径大约为10-8 厘 米的球体，正电荷均匀地分布 于整个球体，电子则稀疏地嵌 在球体中，这是一个类似葡萄 干面包的原子模型。
电
子
俘
获
模
型
光量子
(3) 辐射 Gamma radiation
处于激发态的原子核通过发射电磁辐 射释放激发能
通过量子跃迁使核能级到达较低的能 级，释放的辐射呈分离的能谱分布
内转换过程：激发能转移给轨道电子， 轨道电子接受的动能为：
Ee EBK,L,...
射
线
产
生
模
型
光量子
辐射放射性核素特性
核素 Na-24 Co-60 I-131 Cs-137
半衰期 14.96 h 5.272 y 8.02 d 30.17 y
E（MeV） 2.754; 1.369 1.332; 1.173 0.637; 0.364; 0.284
0.661
(4)
质
子
1919年卢瑟福
射
实验
线
的
人类第一次观
产
测到人为核转
实验发现，放射性核素
222 86
Rn
放
出
一
个
粒
子
，
变成
218 84
Po，而
222 86
Rn
的数目每3.825天减少一半。
222Rn的衰变曲线
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)， t～ t+dt 内发生的核衰变数目-dN(t)，
它应该正比于N(t) 和时间间隔dt ，
1
2 6
C
12 C
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。
20886Tl
90 38
Sr
60C o
208 82
Pb
Y91
39
58C o
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。
60C o 60C o m
两种核素，A、Z、N同，能态不同。
即：
NT 12 N0eT121 2N (0)
eT1 2
1
2
T1 2
ln20.693
量纲为：[t],如s秒，h小时，d天，a年
放
射
性
核
素
的
半
衰
光量子
期
示
意
图
2.4 放射性活度及其单位
(1) 放射性活度 (Activity) 定义：一个放射源在单位时间内发生衰变的原
子核数。以A表示，表征放射源的强弱。
2.2 放射性---原子核的蜕变
1896年，Becquerel（获 1903年诺贝尔物理奖）在 铀盐中发现放射性。
原子核的蜕变包括原子 核的衰变、核反应和核裂 变等过程，在这些过程中 均会产生放射性。
重点阐述核衰变过程。
所谓核衰变就是不稳定的 原子核自发的发射粒子而 蜕变为新的子核。
2.2.1 核衰变主要的类型: , , 衰变
入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用， 使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随 着发射电磁辐射—轫致辐射(Bremsstrahlung)。它 是X射线的一种，具有连续的能量分布。
(W.Heisenberg)很快提出：原子核 1901～1976
由质子和中子组成，并得到实验支
因量子力学方面
持。中子和质子统称为核子。
贡献，获1932年
中子不带电。质子带正电，电量 诺贝尔物理奖。
为e。电荷数为 Z的原子核含有Z Z
个质子。
235U原子核裂变模 型
光量子
235U原子核裂变的释能计算
将金属钴，即 59Co ，其丰度 10% 0 ，
放在反应堆孔道内，利用中子照射 59Co ， 发生如下核反应：
5C 9 on,6C 0 o
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 ）。
2 电离辐射场与放射性
2.1 电离辐射和非电离辐射
电离 从原子、分子或其他束缚态中释放出电 子的过程（Ionization）
186O,187O,188O
为三个核素，可 表示为
16O,17O,18O
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。
1.3 原子核物理常用术语及意义
(1) 核素（nuclide）
具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种 原子核或原子称为核素。
A Z
X
N
C 1 2 66
入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库 仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或 激发。
电离——核外层电子克服束 缚成为自由电子，原子成为 正离子。
激发——使核外层电子由低能级 跃迁到高能级而使原子处于激发
状态，退激发光。
粒子与物质的作用：电离
粒子与物质作用：激发
（2）带电粒子能量损失方式之二---辐射损失
本课程讨论对象为致电离辐射，辐射 能量大于10eV。即可使探测介质的原子发
生电离的能量。
3 电离辐射与物质相互作用
射线与物质相互作用的分类
带电粒子辐射
重带电粒子
,p,d,T, f
快电子
e
不带电辐射 中子
X-射线 和 -射线
3.1 带电粒子与物质相互作用 (1) 带电粒子能量损失方式之一---电离损失
原子的电中性，要求：
• 原子核所带电量与核外电子电量相等， • 核电荷与核外电子电荷符号相反。
即：核电荷Ze，核外电子电荷–Ze。
现代原子结构
原子核
中子
++
+
质子
电子 (电子云)
1.2 原子核的组成
1932年查德威克(J. Chadwick) 发现中子。(据此获1935年诺贝尔 物理学奖)
中子发现后，海森堡
我们可以把核素排 在一张所谓核素图上。
核素图共包含2000 个核素,其中天然存在 332个核素(280为稳定 核素),人工放射性 核素1600多个。
(5) 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。
E
m mm
Q
重原子核：A 170 典型例子：U-235、Pu-239 原子核能级：基态、激发态
衰射 变线 模的 型产 示生 意模 图型
(2) 衰变 Beta decay
-衰变 Z A K Z A 1KQ
++衰衰变变 Z A K Z A 1 K Q E-俘获 Z A K e Z A 1 K Q
：中微子(neutrino)/(antineutrino)反中微子
衰 变 模 型
+ 衰 变 模 型
粒 子 能 量 分 布
Wmean =1/3 Wmax
电子俘获
电子俘获是质子转变为中子的第 二种可能性
被俘获的内层电子在内层轨道上 留下的空缺将被外层电子填充， 因此，电子俘获过程伴随有特征 X射线。
Type of Radiation 粒子（氦核） 电子或正电子 光子
Charge/Mass Penetration +2q/4mp 空气（~几cm）
–q/me or +q/me 几 mm铝片 no charge 几mm~cm铅
此外，还有中子发射、质子发射、裂变等
2.2.2 , , 衰变的过程：
(1MeV=1.6 ×10-13 J)
= 8.2 ×1013 J
•1kg 3T完全燃烧(聚变)释能： 7.38 ×1014 焦耳
(J)
其威力约为18万吨 TNT(相当于TNT的1.8×108 倍)
图1.6-1 核燃料循环示意图
原子核的表示
核子数 质子数
元素符号
A Z
X
N
X A 中子数
ZN
例如：
于是有： dN t N tdt
求解
N(t) = N(0) e -λt
lN n t t lN n 0
2.3.2 放射性核素的特征量
(1) 衰变常数
dN(t)/
Nt
dt
分子表示：t 时刻单位时 间内发生衰变的核数目，
称为衰变率，记作 Jt
t 时刻放射性原子核总数
衰变常数：一个原子核在单位时间内发生 衰变的概率。
1Bq1次核衰/秒 变
常用单位居里(Ci)：1 C i 3 .7 1 0 1 0 次 核 衰 变 /秒
较小的单位还有毫居(mCi)和微居(Ci)
1Ci3.71010Bq
射线，指的是如X射线、射线、射 线、射线等，本质都是辐射粒子，又称
辐射。
射线与物质相互作用是辐射探测的
基础，也是认识微观世界的基本手段。
量纲为：[t]-1,如1/s，1/h，1/d，1/a
a. 衰变率：
J t d(tN ) d [N (0 )e t]N (t)
dt
dt
Baidu Nhomakorabea
b. 当一个原子核有几种衰变方式时：
i
i
定义分支比： Ri i /
(2) 放射性半衰期 T1/2
放射性半衰期：放射性核数衰变一半所 需的时间，记为 T1/2 。
电离辐射 能够引起电离的带电粒子和不带电 粒子（ionizing radiation） 原子释放一个价电子需要能量 4~25eV 将能量大于10eV的光子视为电离辐射；
而将能量小于10eV的光子称为非电离辐射。
直接电离辐射和间接电离辐射
直接电离辐射 快带电粒子穿过物质时，通过库 伦相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。 这种通过初级过程引起电离的粒子称为直接电 离辐射。 间接电离辐射 不带电粒子（例如光子和中子） 穿过物质时，首先将能量转移给带电粒子，随 后这些次级快带电粒子再沉积能量和引起电离。 这种通过次级过程引起电离的不带电粒子称为 间接电离辐射。