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。

（第十一章，第十二章）16学时教科书：《核辐射物理与探测学》（讲义）陈伯显编著《致电离辐射探测学》（讲义）安继刚编著参考书：《原子核物理实验方法》复旦,清华,北大合编出版社：原子能出版社《辐射探测与测量》(美)格伦F.诺尔著出版社：原子能出版社《N u c l e a r R a d i a t i o n P h y s i c s》 R a l p h E. L a p p a n d H o w a r d L. A n d r e w s, P r e n t i c e-H e l l, I n c, E n d l e w o o d C l i f f s, N e w J e r s e y, 1997.第1章 原子核的基本性质1.1 原子核的组成及其稳定性 1.为什么不能由质子和电子组成？ 氦核的大小 d =λ2，fm d 5≈，所以fm 10=λ由不确定关系fm ccfm MeV fm c hc h p 124101240=⋅⋅≥λ=λ=由相对论方程()()22022c m pc E +=()2pc ≈所以MeV pc E124=≈不成立，从原子核的自旋也无法解释。

2.常用术语1)核素（n u c l i d e ）―特定中子、质子数；特定的能态(一般为基态)。

2)同位素(i s o t o p e s )―相同的质子数Z 。

如氧的三种天然同位素OO O 188178168,,。

其天然含量的百分比即同位素的丰度分别为%.205.0%,039.0%,756.99=ρ各种元素的同位素丰度可由手册查得。

3)同中子异荷素（i s o t o n e s ）—相同的中子数N ，如163115163014,P Si 。

4)同量异位素（i s o b a r ）—相同的核子数A ，如Y Sr 90399038,。

5)同质异能素（i s o m e r ）―中子数质子数相同，但能态不同。

同质异能素所处状态为同质异能态即较长的激发态。

如Sr m8738的半衰期为2.81小时，为Sr 8738的同质异能素。

6)偶A 核－ 偶偶核（e -e 核）；奇奇核（o -o ）核； 奇A 核－偶奇核（e -o 核）；奇偶核（o -e ）核。

3.核素图什么是核素图？即Z （质子数）-N （中子数）的直方图。

其特点：１).核素图包括300多个天然存在的核素（其中稳定核素280多个，放射性核素30多个及1600多个人工放射性核素。

２).稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定曲线在轻核靠近N Z =线，而对重核则偏离N Z =线。

3).偏离稳定曲线上方的核素为丰中子，易发生-β衰变；下方的核素为缺中子，易发生+β衰变。

1.2原子核的大小根据测量方法有核力半径和电荷分布半径，有如下关系：10A r R =()fm A 3130.020.1±= （电荷半径）()fm A3110.040.1±= （核力半径）1.3原子核的结合能 1.结合能的概念：当若干质子和中子结合成一个核时，由于是核力的作用，将释放一部分能量叫结合能。

以m 表示原子核的质量，p m 表示质子的质量，n m 表示中子的质量，B 表示结合能，则有2c BNm Zm m n p -+=以原子质量M 表示，且忽略原子的结合能，则2c B Zm Zm Nm M e p n -++=即可得到比结合能AB，（Z N A +=）：()Ac Zm Zm Nm A Be p n 2⋅++=.而得到比结合能曲线。

比结合能小即核之间结合较松，比结合能大即核之间结合较紧，指出了核能的基本原理。

2.质量亏损与质量过剩原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和。

例如，He 核的质量比组成它的两个质子和中子质量之和要小。

两者之差为()4,222m m m mn p -+=∆。

组成原子核的Z 个质子和()Z A -个中子的质量和与该原子核质量之差称为该原子核的质量亏损(M a s s D e f e c t )()A Z m ,∆：()()()A Z m m Z A Zm A Z m n p ,,--+=∆式中()A Z m ,为质量数为A ，质子数为Z 的核质量。

在计算中，略去电子结合能的差别，以原子质量()A Z M ,代替核质量：()()()()A Z M m Z A H ZM A Z m n ,,--+=1∆ 对于He 核()()()4,2224,21M m H M m n -+=∆MeV u 30.28030379.0==所有的核都存在质量亏损，即()0,>∆A Z m 。

为了计算方便，定义：()()[]2,,c A A Z M A Z ⋅-=∆为质量过剩（或称质量盈余）（M a s s E x c e s s e s ),()A Z ,∆的单位为MeV 。

在常用手册中，给出()A Z ,∆而求出原子质量： ()()5016.931,,A Z A A Z M ∆+=。

一些核素的值和原子质量Li N Fe Pb3.比结合能曲线原子核的结合能()A ,Z B 除以质量数A 所得的商，称为平均结合能或比结合能， 即 ()()A A ,Z B A ,Z =ε 比结合能ε的单位是Nu MeV，Nu 代表核子。

比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子所做的最小的平均功。

或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。

因此，ε表征了原子核结合的松紧程度。

ε大，核结合紧，稳定性高；ε小，结合松，稳定性差。

从图1-4可见, 比结合能曲线两头低、中间高，换句话，中等质量的核素的A B比轻核、重核都大。

比结合能曲线在开始时有些起伏，逐渐光滑地达到极大值（约8兆电子伏）,然后又缓慢地变小。

当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松的核变到结合得紧的核，就会释放能量。

从图1-4可以看出, 有两个途径可以获得能量：一是重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核；一是轻核聚变。

人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子弹，依靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变反应。

由此可见，所谓原子能，主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量。

从图1-4 还可见，当30<A 时，曲线在趋势是上升的同时，峰的位置都位于A 为四的整数倍的地方，如He 4、C 12、O 16、Ne 20和Mg 24等偶偶核，并且有Z N =。

这表明对于轻核可能存在α粒子的集团结构。

4. 原子核最后一个核子的结合能原子核最后一个核子的结合能，是一个自由核子与核的其余部分组成原子核时所释放的能量。

也就是从核中分离出一个核子所需要给予的能量。

显然，质子与中子的分离能是不等的。

最后一个质子的结合能定义为()()()()[]2111c A ,Z M H M A ,Z M A ,Z S p -+--≡()()()A ,Z H A ,Z ∆∆∆-+--=111 或 ()()()11---=A ,Z B A ,Z B A ,Z S p 最后一个中子的结合能定义为()()()[]21c A ,Z M m A ,Z M A ,Z S n n -+-≡()()()A ,Z n A ,Z ∆∆∆-+-=1或 ()()()1--=A ,Z B A ,Z B A ,Z S n 原子核最后一个核子的结合能的大小，反映了这种原子核对邻近的那些原子核的稳定程度。

5. 核结合能的经验公式－核的液滴模型核模型即提出各种模型来解释各种核现象，如结合能、核力、核衰变、核反应等。

液滴模型即最早用来解释比结合能的模型。

原子核的比结合能p sym C S V B B B B B B ++--=。

其中：V B 为体积能项。

与水滴一样，它正比于其体积331033434⎪⎭⎫ ⎝⎛π=π=∝A r R V B V 所以 A a B V V =。

S B 为表面能项。

表面核的核力没有饱和。

表面的结合能要结合弱，要从体结合能减去一部分2310244⎪⎭⎫ ⎝⎛π=π=∝A r R S B S , 所以32Aa B S S =。

C B 为库仑能项。

核内有Z 个质子，它们之间为库仑斥力，使结合能变小，为负项。

由电场力作功可求得312-=AZ a B C C 。

s y m B 为对称能项。

反映核内的中子数与质子数是否相等，若它们相等时为零，()12--=A N Z a B sym sym 。

P B 为对能项。

由核中Z N ,的奇偶性确定，不同的奇偶性的核有不同的对能项。

21-A a P 偶偶核=P B ０ 奇偶核21--Aa P 奇奇核。

且由实验求出：MeV a MeV a MeV a MeV a MeV a P sym C S V 2.11,2.23,72.0,3.18,8.15=====1.4 核力及核势垒1.核力的特点：短程力；饱和性；吸引力（排斥芯）；强相互作用。