核物理基础知识

核基础知识：
一、电磁辐射（Electromagnetic Radiation）
电磁辐射：带净电荷的粒子被加速时，所发出的辐射称为电磁辐射（又称为电磁波）。

电磁辐射：能量以电磁波形式从辐射源发射到空间的现象。

电磁频谱中射频部分是指：频率约由3千赫(KHZ)至300吉赫(GHZ)的辐射。

包括形形色色的电磁辐射，从极低频的电磁辐射至极高频的电磁辐射。

两者之间还有无线电波、微波、红外线、可见光和紫外光等。

电磁辐射有近区场和远区场之分，它是按一个波长的距离来划分的。

近区场的电磁场强度远大于远区场，因此是监测和防护的重点。

电磁污染：分为天然电磁辐射和人为电磁辐射两种。

大自然引起的如雷、电一类的电磁辐射属于天然电磁辐射类，而人为电磁辐射污染则主要包括脉冲放电、工频交变磁场、微波、射频电磁辐射等。

电磁辐射危害人体的机理，电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和累积效应等。

1、热效应：人体70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到体内器官的正常工作。

2、非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏，人体也会遭受损伤。

3、累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前，再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态，危及生命。

电磁辐射作用:
（1）医学应用：微波理疗活血，治疗肿瘤等
（2）传递信息：通信、广播、电视等
（3）目标探测：雷达、导航、遥感等
（4）感应加热：电磁炉、高频淬火、高频熔炼、高频焊接、高频切割等
（5）介质加热：微波炉、微波干燥机、塑料热合机等
（6）军事应用：电子战、电磁武器等
《电磁辐射防护规定》具体标准如下：
职业照射：在每天8小时工作期间内，任意连续6分钟按全身平均的比吸收率（SAR）小于0.1W/kg。

公众照射：在一天24小时内，任意连续6分钟按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.02W/kg。

二、电离辐射（放射性辐射）
电离辐射：一切能引起物质电离的辐射总称。

其种类很多，高速带电粒子有α粒子、β粒子、质子，中子，各种粒子束，宇宙射线，等等。

不带电粒子有种子以及X射线、γ射线。

电离辐射中的γ射线，X射线，本质是能量非常高的电磁波，有很强的致电离能力。

而我们通常说的电磁波一般情况下没有致电离能力或致电离能力非常弱。

α射线：是一种带电粒子流，由于带电，它所到之处很容易引起电离。

α射线有很强的电离本领，这种性质既可利用。

也带来一定破坏处，对人体内组织破坏能力较大。

由于其质量较大，穿透能力差，在空气中的射程只有及厘米，只要一张
纸或健康的皮肤就能挡住。

β射线：也是一种高速带电粒子，其电离本领比α射线小得多，但穿透本领比α射线大，但与X、γ射线比β射线的射程短，很容易被铝箔、有机玻璃等材料吸收。

X射线、γ射线：二者性质大致相同，是不带电波长短的电磁波，因此把他们统称为光子。

两者的穿透力极强，要特别注意意外照射防护。

电离辐射各种射线有四个共同特点：
a.有一定的穿透能力；
b.人的五官不能感知，只有专门的仪器才能探测到；
c.照射到某些特殊物质上能发出可见的荧光；
d.透过物质时能产生电离作用。

电离辐射的来源：放射性核素（包括天然的和人工生产的）、核反应装置，如反应堆、对撞机、加速器、核聚变装置等等、用于医学诊断和治疗的X 射线机。

辐射对人的危害：高能电磁辐射毫无疑问，将对人造成危害；而粒子辐射的情况要复杂一些；阿尔法辐射和贝塔辐射本身都非常弱，穿透力很差，一般不能直接对人体造成危害，但可以产生电离辐射；但快中子毫无疑问将对人造成非常大的威胁。

电离辐射产生的二次辐射本身也并不很强，但容易形成带若放射性的空气，被人吸入后产生较大威胁，关键是电离辐射往往在放射源关闭后仍能存在一定时间，且容易被忽视。

三、X射线（或γ射线）等电磁辐射与物质相互作用及带电粒子与物质的作用机制
X射线和γ射线：都是一定能量范围的电磁辐射，又称光子。

光子静止质量为0，不带任何电荷。

X射线和γ射线的唯一区别是起源不同。

从原子来说，X射线来源于核外电子的跃迁，而γ射线来源于原子核本身高激发态（或基态）的跃迁或粒子的湮灭辐射。

辐射可以分为带电粒子辐射和非带电粒子辐射。

其中带电粒子通过物质时，在物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的传递和交换：其中一种主要的作用是带电粒子直接使原子电离或激发。

而非带电粒子则通过次级效应产生次带电粒子使原子电离或激发。

能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射通常叫做电离辐射。

带电粒子与物质的相互作用：（1）带电粒子能量损失方式之一—电离损失；（2）带电粒子能量损失方式之二—辐射损失；另外，正电子除以上两类损失外，还会产生正电子湮灭辐射。

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0.511Mev的γ湮灭辐射，在防护上还要注意γ射线的防护。

γ射线与物质相互作用有以下几种基本的次级效应：①光电效应：当γ光子通过物质时，与物质原子中束缚电子发生作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，这种过程叫光电效应；发生光电效应后，原子内层轨道形成空轨道，外层轨道电子很快填充到空轨道，从而释放出特征X射线或俄歇电子。

光电效应发生的几率与入射光子的能量以及介质原子序数有关, 当光子的能量等于或略高于轨道电子的结合能时，发生光电效应的概率最大，光电效应发生的几率随原子序数的增高明显增大。

②康普顿效应：入射γ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；而光子能量减少，变成新光子，叫做散射光子，运动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应；康普顿效应发生的几率与光子的能量和介质的密度有关，当g 光子的能量为500～1000keV时，康普顿效应比较明显；介质的密度越高，康普
顿效应越明显。

③电子对效应：当一定能量的γ光子进入物质时，γ光子在原子核库仑场作用下会转变为一对正负电子，这一现象称做电子对效应；电子对生成的几率大约与原子序数的平方成正比。

④γ射线的吸收。

γ射线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对生成而损失能量，并逐渐被物质吸收。

物质对γ光子阻挡能力用半值厚度(half value layer)表示，半值厚度即使γ光子活度减弱一半所需要的物质厚度。

半值厚度与入射光子能量和介质密度有关，入射光子能量越低，介质密度越大则半值厚度越小，即物质对射线的阻挡作用越强。

故g射线常用密度大的物质进行防护。

电离作用:当带电粒子（α、ß粒子）通过物质时，和物质原子的核外电子发生静电作用，使电子脱离原子轨道形成一个带负电荷的自由电子，失去核外电子的原子带有正电荷，与自由电子形成一离子对。

这一过程称为电离(ionization) 带电粒子电离能力的大小可用带电粒子在单位路径上形成离子对的数目表示，称为电离密度(ionization density)或比电离。

电离密度与带电粒子的电量、速度以及物质密度有关，带电粒子的电量越大，其与物质原子核外电子发生静电作用越强，电离密度越大；带电粒子的速度越慢，其与核外电子作用的时间越长，电离密度越大。

激发作用:当带电粒子（α、ß粒子）通过物质时，和物质原子的核外电子发生静电作用，使核外电子获得能量，由能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，使整个原子处于能量较高的激发态，称为激发(excitation)。

激发的原子不稳定，退
激后可释放出光子或热量。

散射作用:带电粒子与物质的原子核碰撞而改变运动方向和/或能量的过程称为散射(scattering)。

仅运动方向改变而能量不变者称为弹性散射。

运动方向和能量都发生变化者称为非弹性散射。

散射作用强弱与带电粒子的质量有关，带电粒子的质量越大，散射作用越弱，α粒子散射一般不明显，ß粒子散射较为明显。

韧致辐射:带电粒子受到物质原子核电场的作用，运动方向和速度都发生变化，能量减低，多余的能量以X射线的形式辐射出来，称为韧致辐射(bremsstrahlung)。

韧致辐射实际上是一种非弹性散射。

韧致辐射释放的能量与介质的原子序数的平方成正比，与带电粒子的质量成反比，并且随带电粒子的能量增大而增大。

α粒子质量大，一般能量较低，韧致辐射作用非常小，可以忽略。

ß粒子的韧致辐射在空气和水中很小，但在原子序数较大介质中不可忽略，因此，在放射防护中，屏蔽ß射线应使用原子序数较小的物质，例如塑料、有机玻璃、铝等。

湮灭辐射:ß+衰变产生的正电子可在介质中运行一定距离，能量耗尽时和物质中的自由电子结合，两个电子的静止质量（相当于1022keV的能量）转化为两个方向相反、能量各为511keV的g光子而自身消失，叫做湮灭辐射(annihilation radiation)。

吸收作用:带电粒子通过物质时，与物质相互作用, 能量不断损失，当射线能量耗尽后，带电粒子就停留在物质中，射线则不再存在，称为吸收(absorption)。

射线被吸收前在物质中所行经的路程称为射程(range)。

射线的射程与射线的种类、射线能量、介质密度有关, ß射线比α射线射程长。

射线能量越高射程越长，介质密度越大射程越短，对射线吸收作用越强。

四、原子核基础知识
原子核物理：是研究原子核(atomic nucleus)的特性、结构及其相互转变的学科。

原子核的核子之间存在着很强的引力，称为核力，核力使原子核中的核子结合在一起，同时，原子核中又存在质子间的静电排斥力等不稳定因素，原子的稳定性由核子之间的核力产生的稳定效应和质子之间的静电排斥力等不稳定效应的相
对大小决定,与核子数目及质子与中子的比例有关。

核素：质子数、中子数均相同，并处于同一能量状态的原子，称为一种核素(nuclide)。

核素用表示，X为元素符号、Z为质子数、A为质量数，质量数即质子数与中子数（N）之和。

常简写为AX，如果核素处于激发态，则在右上角
加m。

稳定核素：原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素。

放射性核素：原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素,称为放射性核素（radionuclide）。

同位素(isotope)：质子数相同，但中子数不同的核素，它们在元素周期表中占据相同的位置。

同质异能素(isomer)：具有相同的质子数和中子数，处于不同核能态的核素互称为同质异能素。

基态的原子和激发态的原子。

核衰变(nuclear decay)：放射性核素由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种核素的过程。

核衰变方式：
α衰变：释放出a射线的衰变方式称为a衰变(a decay)。

a 衰变发生于原子序数 > 82的核素。

ß-衰变：释放出b-射线的衰变方式称为 b-衰变(b- decay) 。

b-衰变发生于富中子核素，实质上是原子核的一个中子转化为质子。

b＋衰变：释放出b＋粒子的衰变方式称为b＋衰变(b＋ decay)。

b＋粒子即带一个单位正电荷、质量与电子相同的粒子，也叫正电子(positron)。

b＋衰变发生于贫中子核素，实质上是原子核的一个质子转化为中子。

电子俘获 (electron capture)：原子核从核外俘获一个轨道电子。

电子俘获也发生在贫中子核素，由于核内中子相对不足而从核外内层的电子轨道上俘获一个电子，使其一个质子转化为中子。

γ衰变：原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时，放出g射线的衰变过程称为g衰变。

发生g衰变(g decay)时，原子核的激发能也可以直接传递给核外的内层电子，使之脱离轨道成为自由电子，这一过程称为内转换(internal conversion)，发射的电子叫做内转换电子(internal conversion electron)。

发生内转换后该层轨道的空缺随后由外层电子填补，从而发射特征 X射线(characteristic X ray)和俄歇电子(Auger electron) 。

裂变：裂变(fission)包括自裂变与诱发裂变。

自裂变：原子核在没有受到外界激发之下自行分裂。

诱发裂变：重原子核在外界激发下分裂为轻的原子核(图14)。

衰变常数:放射性核素在单位时间内衰变的百分数。

是反映放射性核素衰变速度的物理量，是放射性核素的一个重要特征参数。

衰变常数越大，放射性核素衰变速度越大。

单位：h-1, min-1, s-1。

物理半衰期:物理半衰期(physical half life)指放射性核素减少一半所需要的时间（T1/2）。

是放射性核素的一个重要特征参数。

物理半衰期越短表明放射性核
素衰变越快。

单位：h, min, s。

生物半排期:生物半排期（biological half life）指生物体内的放射性核素经各种途径从体内排出一半所需要的时间（T b）。

单位：h, min, s。

有效半减期: 有效半减期（effective half life）指生物体内的放射性核素由于从体内排出和物理衰变两个因素作用，减少至原有放射性活度的一半所需的时间（Teff ）。

单位：h, min, s。

有效半减期与物理半衰期及生物半排期的关系： T eff = T1/2 ∙T b/( T1/2+ T b)
放射性活度:单位时间内原子核的衰变数量。

是核医学中常用的反映放射性强弱的物理量。

国际制单位：Bq（贝克），KBq（103 Bq），MBq（106Bq），GBq（109 Bq）
旧的专用单位：Ci（居里），mCi（10－3 Ci），mCi（10－6Ci）
1Bq = 1次衰变/秒
1Ci=3.7*1010 Bq
照射量:X射线或γ射线在质量为dm的空气中释放出的全部正、负电子，完全被空气所阻止时形成的同种符号离子的总电荷绝对值dQ与空气质量dm之比,称为照射量(exposure)。

即： X=dQ/dm照射量是直接度量X射线或γ射线对空气电离能力的量。

照射量的国际制单位：C • kg-1（库仑•千克-1）
旧的专用单位：R（伦）、mR或mR
1 C • kg-1 = 3.876*103 R
吸收剂量:电离辐射授予单位质量物质的平均能量dε与该单位物质的质量dm之比，称为吸收剂量(absorbed dose)即： D= dε/dm
吸收剂量是反映被照射物质吸收电离辐射能量大小的物理量。

吸收剂量的国际制单位：Gy（戈瑞），1Gy即1kg被照射物质吸收1J的辐射能量（1Gy=1J • kg-1）旧的专用单位：rad（拉德）1 Gy =100 rad
当量剂量(equivalent dose):反映各种射线或粒子被吸收后引起的生物效应强弱的电离辐射量。

它不仅与吸收剂量有关，而且与射线种类、能量有关，当量剂量是在吸收剂量的基础上引入一与辐射类型及能量有关的权重因子（ωR）得到： H T.R=ωR*D T.R式中，D T.R称器官剂量，是辐射R在组织或器官T中产生的平均吸收剂量。

国际制单位：Sv（希沃特），1Sv=1J∙ kg-1。

旧的专用单位：rem（雷姆）1Sv=100rem。