第一章放射物理基础
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能级的划分是因为电子能量不同，一般来 说，电子先排在能量较低的轨道，再排能量 高的轨道
电子在原子中处于不同的能层
电子在原子中如何分布？
s能级的原子轨道图 ns能级的各有1个轨道,呈球形
p能级的原子轨道图
np能级的各有3个轨道，呈哑铃 形， 3个轨道相互垂直
原子核外电子排布规律
人们根据电子的能量差异和主要运动区域的不同，认为核 外电子分别处于不同的电子层上。这些电子层分别是：K、 L、M、N…等. 处于同一电子层的核外电子，可以在不同类型的原子轨道 上运动。有四种不同的原子轨道分别用s、p、d、f表示不 同形状的轨道。 形状相同的原子轨道在原子核外空间还有不同的伸展方向。 S轨道有一种伸展方向，p轨道有3种、d轨道5种、f轨道7 种。 核外电子的自旋有两种不同的自旋状态，通常用向上箭头 “↑”和向下的箭头“↓”来表示这两种不同的自旋状态。
0.693
s1 1.41011s1
T 1600365 243600
A
N
m M
NA
1.41011
1 6.021023Bq 226
3.7 1010 Bq 1Ci
例题
一铀 238 92
U
放射性样品，质量为5.76g，实
测得放射性活度为0.52μCi，29328 U半衰期为
N
ln 2t
N0e T
N0
1 t 2
T
有效半衰期： 当放射性核素引入体内时，将同时参与两种
衰变：生理衰变和物理衰变
e b
由：T 0.693
可得： 1 1 1 Te T Tb
2、放射性活度
1.放射性强度（放射性活度）:单位时间内衰变的原子核数。
原子核的组成
一、原子核的组成
质子
统称核子
中子
元素符号
质量数A （核）电荷数Z
A Z
X
10－15m
1 1
HBiblioteka Baidu
4 2
He
235 92
U
电荷数
质子数（核外电子 数）
原子序数
质量数
核子数
中子+质子
•在对各种原子核进行的实验中，发现 质子和中子是组成原子核的两种基本粒
子统称核子
各种原子核内质子的个数（核的电荷数）和核外 电子的个数都相同，它也等于该种元素在元素周 期表中的原子序数； 原子核内质子和中子的总数叫做核的质量数，它 等于该元素原子量的整数部分.
例如：99Mo(66.0h)→99mTc(6.0h)
不成平衡
条件：T1 T2 1 2 t 7T1
结果：
N2
1 1 2
N10e 2t
A2
2 1 2
A10e 2t
例如： “冷却”反应堆裂变产物
放射平衡小结
三种平衡的共同点在于：达到平衡后，衰 变规律随半衰期较长的核素
2、玻尔的氢原子模型
1913年，玻尔建立了核外电子分层排布 的原子结构模型
1、玻尔原子结构模型要点：
（1）电子在具有确定半径圆周轨道上绕原 子核运动，并且不辐射能量； （2）在不同轨道上运动的电子具有不同的 能量，能量是量子化的。 （3）电子发生跃迁时，才会不连续的辐射 或吸收能量
n=4 n=3 n=2 n=1
③每一种放射性核素都有各自的λ值。
④若一种核素同时发生n 种类型的核衰变，则 多种衰变同时进行，互不影响：
1 2 n
半衰期:放射性核的数量因发生自发核衰 变而减少到原来核数一半所需的时间
N0 2
N0eT
可得：T ln 2 0.693
用半衰期表示衰变方程:
卢瑟福的核式模型
原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核 (原子核),它所带的正电量Ze ,它的体积极小但质量 很大,几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有Z 个电子围绕它运动。
卢瑟福原子模型弊端：
卢瑟福原子模型的电子绕核旋转，加速运 动。因此，电子将不断向四周辐射电磁波，能 量不断减小从而将逐渐靠近原子核，最后落入 原子核中。这表明原子处于不稳定的状态，但 是氢原子的光谱实验表明原子相当稳定。
学习目标
熟练掌握放射性衰变的基本类型和基本规律，X线 谱的产生机制，X(γ ）线在物质中的衰减系数及 衰减规律。 理解X线辐射场的空间分布规律,X线的准直与滤过。 了解X线的基本性质。 了解原子与原子核结构及其基本特征。
第一节 放射性与核衰变
一、原子的基本特征 1、原子结构
卢瑟福的原子模型 玻尔的氢原子模型 核外电子结构
1、卢瑟福的原子模型
α 粒子的散射实验
目的：检验汤姆逊模型的正确性 原理：带电粒子射向原子,探测出射粒子的角 分布。
实验装置和模拟实验
R:放射源； F:散射箔； S:闪烁屏； M：显微镜
B:圆形金属匣
（a)侧视图
(b)俯视图
α 粒子：放射性元素发射出的高速带电粒 子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的 电荷，质量约为4MH。
A dN dt
N N0et
A0et
式中A0为t=0时刻的放射性活度，N为母核数。放 射性活度随时间变化规律也是指数衰减规律
2.国际单位：贝可: 1Bq = 1s1 居里：1Ci 3.7 1010 Bq
例题
镭的半衰期是1600年，求1g纯镭的放射性活度。
0.693
长期平衡与暂时平衡：平衡后，子核按母 核的半衰期（较长）衰变 不成平衡：平衡后，母核消失，子核按自 身的半衰期（较长）衰变
三、放射衰变类型
放射性不是少数几种元素才有的， 研究发现，原子序数大于等于83的 所有元素，都能自发的放出射线， 原子序数小于83的元素，有的也具 有放射性。
根据放射性核衰变放出射线的不同， 分为α衰变、β衰变、γ衰变。
不稳定的原子核能自发放出射线而变成另一种元 素的原子核，这种现象叫放射衰变 具有这种放射性的核素称为放射性核素； 放射性核素分为天然的和人工的
放射性不是少数几种元素才有的， 研究发现，原子序数大于等于83的 所有元素，都能自发的放出射线， 原子序数小于83的元素，有的也具 有放射性。
根据放射性核衰变放出射线的不同， 分为α衰变、β衰变、γ衰变。
对递次衰变系列(T1»Ti, i=2,3,···)，有：
1N1 2 N 2 n N n
暂时平衡(transient equilibrium)
条件：
T1
T2 1
2
t 7 T1T2 T1 T2
结果： N 2 1 N1 2 1
A2 2 A1 2 1
1.放射性衰变定律：
单位时间内衰变掉的母核数dN/dt（即衰变率） 与现有的母核数N在数量上成正比。
dN N
dt
N N0et
λ 为衰变常数，N为t时刻尚未衰变的 原子数目
衰变常量λ：
①表征衰变快慢的物理量，λ越大，衰变越快。
②由原子核本身性质决定，与其化学状态无关， 不受温度、压力等物理因素的影响。
A z
X
如质子数相同，中子数不 同，（质量数当然不同）， 则互为同位素。
11H (氢)
2 1
H
(重氢)
3 1
H
(氚)
将核子结合在一起的作用力是什么力？有什么特点？
原子核结合能的计算
物体的能量和质量之 间存在密切的联系， 他们的关系是：
E mc2
核子在结合成原子核 时出现质量亏损，要 放出能量，大小为：
第一章 放射物理基础
李科
放射防护学的概念、任务、目的
概念：研究人类在生存、生产活动中，对 辐射危害进行的合理、科学的防护措施与 对策的学科。 任务：既要积极进行有益于人类的伴有电 离辐射的实践活动，促进核能利用及其新 技术的迅速发展；又要最大限度预防和缩 小电离辐射对人类的危害
目的：防止确定性效应的发生；限制随机 性效应的发生率，使之达到被认为可以接 受水平，确保放射工作人员、公众及其后 代的健康和安全。
4、放射性平衡 研究对象：（第一代）子核与母核的数目 及活度关系 长期平衡 暂时平衡 不成平衡
长期平衡(secular equilibrium)
条件： T1 T2 1 2
t 7T2
结果： N 2 1 T2
N1 2 T1
A2 A1
例如：68Ge(280d)→68Ga(68m)
吸收能量
核外电子从一个电子 层跃迁到另一个电子 层时，吸收或释放一 定的能量，就会吸收 或释放一定波长的光，
释放能量
所以得到线状光谱。
电子在原子中如何分布？
密集的、带正电荷的原子核包含了原子的大部分质量，它被 带负电荷的电子包围
电子在原子中如何分布？
原子核外的电子是分层排布的，每一层都 可以叫做能层，可以分为K.L.M.N.O.P.Q这 7个能层，每个能层最多能排2n2个电子，每 个能层又可以为多个能级。
质 能 方 爱因斯坦 程
E mc2
结合能： 将原子核拆散成单个核子需要吸 收的能量或是将分散的核子结合 成原子核所放出的能量
质量亏损： 在物理上，原子核的质量总是小于 组成该核的全部核子独自存在时的 总质量，这两者的差额叫做质量亏 损
结合能越大，原子核越稳定？ 原子核的稳定性通常用比结合能来描述
比结合能（平均结合能）
比结合能
=
结合能 核子数
1.概念：原子核的结合能与核子数之比
2.理解：核子结合成原子核时，平均每个核子所 释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核 子时，外界必须提供给每个核子的平均能量。
3.意义： 它反映了一个原子核稳定程度。比结 合能越大，核越稳定。
二、放射性核素的基本规律
3.911021
0.693
0.693
NM m ＝NA m总 m总
3.911021 238 6.021023 5.76
0.269 26.9%
3、放射性统计涨落
一方面，某种元素有一定的半衰期，但另一方面，放射性 元素的衰变又存在随机性，这表现在两方面，首先，对于这种 元素的不同原子来说，哪个先衰变哪个后衰变是不确定的，随 机的；其次，虽然某一种元素的衰变速度是一定的，但并非每 一个确定时间间隔期都有相同数的原子衰变，而是某一时刻有 较多的原子衰变，而另一时间衰变的原子却比较少，一定时间 间隔内衰变的原子数相对于其理论值有一定波动（涨落），这 种涨落服从统计规律，称为放射性测量的统计涨落现象
散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作 用而改变原来的运动方向的现象。
实验结果：大多数散射角很小，约 1/8000散射角大于90°； 极个别的 散射角等于180°。
用卢瑟福自己的话说:
“这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难 以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果 却被顶了回来打在自己身上，而当我做出计算时看到， 除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内 的系统，是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是 我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想 法。”
放射物理学、放射剂量学、放射防护学基 本知识是学好该学科的必备的物理学基础。
这张照片是1927年10月24-29日在比利时布鲁塞尔召开的第五次索尔未会议的物理学家们的一张 合影。毫无疑问，他们是物理学史上创造新纪元的精英，29个人之中有15人是诺贝尔奖的获得者， 也可以毫不夸张地说，他们是二十世纪科学进步的开拓者与奠基人。
1.α衰变：原子核放射出氦核的衰变。
226 Ra（镭）
88
α2 4.6MeV
γ 0.185MeV
α1 4.785MeV
222 86
Rn（氡）
α衰变的位移定则
A Z
X
AZ42Y+
4 2
He+Q
*衰变能被子核和α粒子共同分 享;其中绝大部分转化为α粒子 的动能，子核所占的动能很小。 *多数子核处于激发态或基态， α粒子的能谱是不连续的线状谱， 而且常伴有γ射线 。
4.47×109年，求该样品中铀
238 92
U 的百分含量。
解： A 0.52μCi＝0.52 3.7 104 Bq=1.92104 Bq
T 4.47109 a=4.47109 365243600 s 1.411017s
N
AT
1.92104 1.411017
人类认识原子的历史
道
尔
顿
原
子
模
型
19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代
原子学说，他认为原子是微小的不可分
割的实心球体。
人类认识原子的历史
1903年，汤姆逊发现电子，并提出原子结 构的“葡萄干布丁”模型，开始涉及原子 内部的结构
人类认识原子的历史
卢 瑟 福 原 子 模 型
1911年，卢瑟福根据α 粒子散射实验，提出 “核式”原子结构模型
电子在原子中处于不同的能层
电子在原子中如何分布？
s能级的原子轨道图 ns能级的各有1个轨道,呈球形
p能级的原子轨道图
np能级的各有3个轨道，呈哑铃 形， 3个轨道相互垂直
原子核外电子排布规律
人们根据电子的能量差异和主要运动区域的不同，认为核 外电子分别处于不同的电子层上。这些电子层分别是：K、 L、M、N…等. 处于同一电子层的核外电子，可以在不同类型的原子轨道 上运动。有四种不同的原子轨道分别用s、p、d、f表示不 同形状的轨道。 形状相同的原子轨道在原子核外空间还有不同的伸展方向。 S轨道有一种伸展方向，p轨道有3种、d轨道5种、f轨道7 种。 核外电子的自旋有两种不同的自旋状态，通常用向上箭头 “↑”和向下的箭头“↓”来表示这两种不同的自旋状态。
0.693
s1 1.41011s1
T 1600365 243600
A
N
m M
NA
1.41011
1 6.021023Bq 226
3.7 1010 Bq 1Ci
例题
一铀 238 92
U
放射性样品，质量为5.76g，实
测得放射性活度为0.52μCi，29328 U半衰期为
N
ln 2t
N0e T
N0
1 t 2
T
有效半衰期： 当放射性核素引入体内时，将同时参与两种
衰变：生理衰变和物理衰变
e b
由：T 0.693
可得： 1 1 1 Te T Tb
2、放射性活度
1.放射性强度（放射性活度）:单位时间内衰变的原子核数。
原子核的组成
一、原子核的组成
质子
统称核子
中子
元素符号
质量数A （核）电荷数Z
A Z
X
10－15m
1 1
HBiblioteka Baidu
4 2
He
235 92
U
电荷数
质子数（核外电子 数）
原子序数
质量数
核子数
中子+质子
•在对各种原子核进行的实验中，发现 质子和中子是组成原子核的两种基本粒
子统称核子
各种原子核内质子的个数（核的电荷数）和核外 电子的个数都相同，它也等于该种元素在元素周 期表中的原子序数； 原子核内质子和中子的总数叫做核的质量数，它 等于该元素原子量的整数部分.
例如：99Mo(66.0h)→99mTc(6.0h)
不成平衡
条件：T1 T2 1 2 t 7T1
结果：
N2
1 1 2
N10e 2t
A2
2 1 2
A10e 2t
例如： “冷却”反应堆裂变产物
放射平衡小结
三种平衡的共同点在于：达到平衡后，衰 变规律随半衰期较长的核素
2、玻尔的氢原子模型
1913年，玻尔建立了核外电子分层排布 的原子结构模型
1、玻尔原子结构模型要点：
（1）电子在具有确定半径圆周轨道上绕原 子核运动，并且不辐射能量； （2）在不同轨道上运动的电子具有不同的 能量，能量是量子化的。 （3）电子发生跃迁时，才会不连续的辐射 或吸收能量
n=4 n=3 n=2 n=1
③每一种放射性核素都有各自的λ值。
④若一种核素同时发生n 种类型的核衰变，则 多种衰变同时进行，互不影响：
1 2 n
半衰期:放射性核的数量因发生自发核衰 变而减少到原来核数一半所需的时间
N0 2
N0eT
可得：T ln 2 0.693
用半衰期表示衰变方程:
卢瑟福的核式模型
原子序数为Z的原子的中心,有一个带正电荷的核 (原子核),它所带的正电量Ze ,它的体积极小但质量 很大,几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有Z 个电子围绕它运动。
卢瑟福原子模型弊端：
卢瑟福原子模型的电子绕核旋转，加速运 动。因此，电子将不断向四周辐射电磁波，能 量不断减小从而将逐渐靠近原子核，最后落入 原子核中。这表明原子处于不稳定的状态，但 是氢原子的光谱实验表明原子相当稳定。
学习目标
熟练掌握放射性衰变的基本类型和基本规律，X线 谱的产生机制，X(γ ）线在物质中的衰减系数及 衰减规律。 理解X线辐射场的空间分布规律,X线的准直与滤过。 了解X线的基本性质。 了解原子与原子核结构及其基本特征。
第一节 放射性与核衰变
一、原子的基本特征 1、原子结构
卢瑟福的原子模型 玻尔的氢原子模型 核外电子结构
1、卢瑟福的原子模型
α 粒子的散射实验
目的：检验汤姆逊模型的正确性 原理：带电粒子射向原子,探测出射粒子的角 分布。
实验装置和模拟实验
R:放射源； F:散射箔； S:闪烁屏； M：显微镜
B:圆形金属匣
（a)侧视图
(b)俯视图
α 粒子：放射性元素发射出的高速带电粒 子，其速度约为光速的十分之一，带+2e的 电荷，质量约为4MH。
A dN dt
N N0et
A0et
式中A0为t=0时刻的放射性活度，N为母核数。放 射性活度随时间变化规律也是指数衰减规律
2.国际单位：贝可: 1Bq = 1s1 居里：1Ci 3.7 1010 Bq
例题
镭的半衰期是1600年，求1g纯镭的放射性活度。
0.693
长期平衡与暂时平衡：平衡后，子核按母 核的半衰期（较长）衰变 不成平衡：平衡后，母核消失，子核按自 身的半衰期（较长）衰变
三、放射衰变类型
放射性不是少数几种元素才有的， 研究发现，原子序数大于等于83的 所有元素，都能自发的放出射线， 原子序数小于83的元素，有的也具 有放射性。
根据放射性核衰变放出射线的不同， 分为α衰变、β衰变、γ衰变。
不稳定的原子核能自发放出射线而变成另一种元 素的原子核，这种现象叫放射衰变 具有这种放射性的核素称为放射性核素； 放射性核素分为天然的和人工的
放射性不是少数几种元素才有的， 研究发现，原子序数大于等于83的 所有元素，都能自发的放出射线， 原子序数小于83的元素，有的也具 有放射性。
根据放射性核衰变放出射线的不同， 分为α衰变、β衰变、γ衰变。
对递次衰变系列(T1»Ti, i=2,3,···)，有：
1N1 2 N 2 n N n
暂时平衡(transient equilibrium)
条件：
T1
T2 1
2
t 7 T1T2 T1 T2
结果： N 2 1 N1 2 1
A2 2 A1 2 1
1.放射性衰变定律：
单位时间内衰变掉的母核数dN/dt（即衰变率） 与现有的母核数N在数量上成正比。
dN N
dt
N N0et
λ 为衰变常数，N为t时刻尚未衰变的 原子数目
衰变常量λ：
①表征衰变快慢的物理量，λ越大，衰变越快。
②由原子核本身性质决定，与其化学状态无关， 不受温度、压力等物理因素的影响。
A z
X
如质子数相同，中子数不 同，（质量数当然不同）， 则互为同位素。
11H (氢)
2 1
H
(重氢)
3 1
H
(氚)
将核子结合在一起的作用力是什么力？有什么特点？
原子核结合能的计算
物体的能量和质量之 间存在密切的联系， 他们的关系是：
E mc2
核子在结合成原子核 时出现质量亏损，要 放出能量，大小为：
第一章 放射物理基础
李科
放射防护学的概念、任务、目的
概念：研究人类在生存、生产活动中，对 辐射危害进行的合理、科学的防护措施与 对策的学科。 任务：既要积极进行有益于人类的伴有电 离辐射的实践活动，促进核能利用及其新 技术的迅速发展；又要最大限度预防和缩 小电离辐射对人类的危害
目的：防止确定性效应的发生；限制随机 性效应的发生率，使之达到被认为可以接 受水平，确保放射工作人员、公众及其后 代的健康和安全。
4、放射性平衡 研究对象：（第一代）子核与母核的数目 及活度关系 长期平衡 暂时平衡 不成平衡
长期平衡(secular equilibrium)
条件： T1 T2 1 2
t 7T2
结果： N 2 1 T2
N1 2 T1
A2 A1
例如：68Ge(280d)→68Ga(68m)
吸收能量
核外电子从一个电子 层跃迁到另一个电子 层时，吸收或释放一 定的能量，就会吸收 或释放一定波长的光，
释放能量
所以得到线状光谱。
电子在原子中如何分布？
密集的、带正电荷的原子核包含了原子的大部分质量，它被 带负电荷的电子包围
电子在原子中如何分布？
原子核外的电子是分层排布的，每一层都 可以叫做能层，可以分为K.L.M.N.O.P.Q这 7个能层，每个能层最多能排2n2个电子，每 个能层又可以为多个能级。
质 能 方 爱因斯坦 程
E mc2
结合能： 将原子核拆散成单个核子需要吸 收的能量或是将分散的核子结合 成原子核所放出的能量
质量亏损： 在物理上，原子核的质量总是小于 组成该核的全部核子独自存在时的 总质量，这两者的差额叫做质量亏 损
结合能越大，原子核越稳定？ 原子核的稳定性通常用比结合能来描述
比结合能（平均结合能）
比结合能
=
结合能 核子数
1.概念：原子核的结合能与核子数之比
2.理解：核子结合成原子核时，平均每个核子所 释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核 子时，外界必须提供给每个核子的平均能量。
3.意义： 它反映了一个原子核稳定程度。比结 合能越大，核越稳定。
二、放射性核素的基本规律
3.911021
0.693
0.693
NM m ＝NA m总 m总
3.911021 238 6.021023 5.76
0.269 26.9%
3、放射性统计涨落
一方面，某种元素有一定的半衰期，但另一方面，放射性 元素的衰变又存在随机性，这表现在两方面，首先，对于这种 元素的不同原子来说，哪个先衰变哪个后衰变是不确定的，随 机的；其次，虽然某一种元素的衰变速度是一定的，但并非每 一个确定时间间隔期都有相同数的原子衰变，而是某一时刻有 较多的原子衰变，而另一时间衰变的原子却比较少，一定时间 间隔内衰变的原子数相对于其理论值有一定波动（涨落），这 种涨落服从统计规律，称为放射性测量的统计涨落现象
散射：一个运动粒子受到另一个粒子的作 用而改变原来的运动方向的现象。
实验结果：大多数散射角很小，约 1/8000散射角大于90°； 极个别的 散射角等于180°。
用卢瑟福自己的话说:
“这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难 以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果 却被顶了回来打在自己身上，而当我做出计算时看到， 除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内 的系统，是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是 我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想 法。”
放射物理学、放射剂量学、放射防护学基 本知识是学好该学科的必备的物理学基础。
这张照片是1927年10月24-29日在比利时布鲁塞尔召开的第五次索尔未会议的物理学家们的一张 合影。毫无疑问，他们是物理学史上创造新纪元的精英，29个人之中有15人是诺贝尔奖的获得者， 也可以毫不夸张地说，他们是二十世纪科学进步的开拓者与奠基人。
1.α衰变：原子核放射出氦核的衰变。
226 Ra（镭）
88
α2 4.6MeV
γ 0.185MeV
α1 4.785MeV
222 86
Rn（氡）
α衰变的位移定则
A Z
X
AZ42Y+
4 2
He+Q
*衰变能被子核和α粒子共同分 享;其中绝大部分转化为α粒子 的动能，子核所占的动能很小。 *多数子核处于激发态或基态， α粒子的能谱是不连续的线状谱， 而且常伴有γ射线 。
4.47×109年，求该样品中铀
238 92
U 的百分含量。
解： A 0.52μCi＝0.52 3.7 104 Bq=1.92104 Bq
T 4.47109 a=4.47109 365243600 s 1.411017s
N
AT
1.92104 1.411017
人类认识原子的历史
道
尔
顿
原
子
模
型
19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代
原子学说，他认为原子是微小的不可分
割的实心球体。
人类认识原子的历史
1903年，汤姆逊发现电子，并提出原子结 构的“葡萄干布丁”模型，开始涉及原子 内部的结构
人类认识原子的历史
卢 瑟 福 原 子 模 型
1911年，卢瑟福根据α 粒子散射实验，提出 “核式”原子结构模型