核辐射物理与探测学
《核物理》核辐射探测特征
¡ 用 NaI晶体测量137Cs源得到的。
137Cs→ 137mBa+β-
137mBa→137Ba+γ(0.662MeV)
21
¡ 但由于谱仪存在一定的能量分辨率，实际测的能谱
相对于上图中单线存在一定的能量宽度。
22
第 二节 能 谱 测量 一、 典型 能 谱
第二节 能谱测量
X射线峰 计 数 率 反散射峰
σ− =
N
N k
12
−
2
第一节 核辐射探测的统计学 7、多次 测量结果的误差 ¡ 该平均值的相对误差为：
第一节 核辐射探测的统计学 7、多次 测量结果的误差 ¡ 平均计数率 n = N / t 的绝对误差和相对误差为
− −
δ− =
N
1 kN
δ− =
n
−
σ− =
n
N kt
−
k N =ΣNi=Nt
−
δ =
第一节 核辐射探测的统计学
第一节 核辐射探测的统计学 二、核辐射测 井中的统计误差
二、核辐射测井中的统计误差
1、定义：测量平均值与真值之间的偏差为统计误差， 又称涨落误差。
¡ 该误差是由放射性核衰变的统计性引起的。
3、标准误差：
v在有限次测量中，标准误差可以用标准偏差来估算。
由Bessel公式，标准偏差为 1 k − ∑ ( N − Ni )2 k − 1 i =1
19
20
第 二节 能 谱 测量 一、 典型 能 谱
第 二节 能能 谱谱 测量 一、 典型 ¡ 由 137Cs 的 衰 变 可 知 137Cs 只 放 出 单 一 能 量 的 射 线
（ 0.662MeV） 。 所 以 137Cs 的射 线 与 NaI(Tl) 晶体 的相 互作用只有光电效应和康普顿散射两个过程，其形状 如下
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：
西南科技大学 原子核物理及辐射探测学_1-10章答案
西南科技大学最新原子核物理及辐射探测学_1-10章答案-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN西南科技大学 原子核物理与辐射探测学1-10章课后习题答案第一章 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 vc m mc E e 924003521511012222=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-==；动能()MeV c vc 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 M045582236043944235236235==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。
核辐射探测学完美版PPT
核力 为 1； 电磁力 10-2 ； 万有引力 10-38
核力的力程(相互作用的距离)很短，在10-13 cm以内，
核力
2021.09
<
0.8fm
排斥；
1fm 显著 ；
• 汤彬葛良全方方等，核辐射测量原理，哈尔滨工程大学出版社，
2021
• G F Knoll. Radiation Detection and Measurement.1989
• C E Crouthamel, Appliied Gamma-Ray Spectrometry,1970
• Nuclear Geophysics
第一，轨道电子在外部壳层各轨道之间跳跃时所产生的光谱 称为光学光谱。例如，假设轨道电子原来位于N层，当它在N、 O、P、Q、……等外部壳层之间跳跃时，就发生光学光谱。这 种外部跳跃时的原子能量变化较小，发出的光频率较低，一般 在可见光区或其附近。地质工作中用来分析岩矿元素的光谱分 析，就是利用这一局部特性。
原子atom ： 原子核 nucleus、电子 electron 原子核带正电、电子带负电〔电荷是量子化的〕 原子是电中性的 原子的大小： 10-10 米 原子的太阳系模型 核能，结合能，核能级，基态，激发态，跃迁
2021.09
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原子及原子核的根底知识
核力：
原子核由中子和质子组成。它们靠什么力将这些核子 约束在原子核内呢？目前公认是：原子核内核子间存在核力， 它是中子与中子、中子与质子、以及质子与质子的相互吸引 力，使核子紧密地聚集在一起(各核子间具有相同的核力)。
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资料
核辐射物理与探测学复习一、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。
第一章 原子核的基本性质
4 /193
（3）重要的常量
• 阿伏伽德罗常数——联系了宏观与微观 › NA=6.02214199×1023/mol • 普朗克常量——能量、角动量的量子化，不确定度关系 › h = 6.62606876×10-34J· s = 4.13566727×10-22MeV· s › ħ =1.054571596×10-34J· s = 6.58211889×10-22MeV· s • 真空中的光速——越微观，越高速，必须考虑相对论效应 › c =2.99792458×108m/s • 基本电荷——质子、电子、原子核的电荷量 › e =1.602176462×10-19C • 真空中介电常数 › ε0 =8.854187817×10-12F/m
• 粒子性：particles of light
– 1900：Planck，黑体辐射 – 1905：Einstein，光电效应
– de Broglie 1924年提出实物（静质量非0）粒子也具有波 粒二象性。
de Broglie wavelength:
h p
9 /193
物质波的实验证实
C60分子的 干涉图像
有关核物理的理论与实验工作对20世纪的物理学发展起到了重要的作用。 核物理所涉及技术的应用范围和影响，超过了其它任何学科。
……. No other field of science comes readily to mind in which theory encompasses so broad a spectrum, from the most microscopic to the cosmic, nor is there another field in which direct application of basic research contain the potential for the ultimate limits of good and evil. K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics, P.2
原子核物理实验与辐射检测探索
原子核物理实验的分类
核裂变实验： 研究原子核裂 变过程和产物
核聚变实验： 研究原子核聚 变过程和产物
核反应实验： 研究各种核反 应过程和产物
核结构实验： 研究原子核结 构及其性质
核衰变实验： 研究放射性核 素的衰变过程 和产物
核反应堆实验： 研究核反应堆 的运行原理和 性能
原子核物理实验的方法和技术
地方标准：各地方 政府制定的辐射检 测标准和规范
5 辐射检测技术的应用
辐射检测在能源领域的应用
核电站：监测核反 应堆的辐射水平， 确保安全运行
石油勘探：利用辐 射检测技术寻找石 油储藏
太阳能：监测太阳 能电池板的辐射吸 收情况，提高效率
核废料处理：监测 核废料的辐射水平 ，确保安全处理
辐射检测在医学领域的应用
2 原子核物理实验概述
原子核物理实验的定义和目的
目的：了解原子核内部结构， 研究核反应过程，为核能利用 和核技术发展提供理论依据
实验方法：包括加速器实验、 反应堆实验、核天体物理实验
等
定义：通过实验手段研究原子 核结构和性质的科学
实验成果：推动了核物理的发 展，为核能利用、核医学、核
技术等领域提供了重要支持
辐射检测在其他领域的应用
医疗领域：用于诊断和治疗疾病，如X射线、CT扫描等 环保领域：用于监测环境辐射水平，如核电站、核废料处理等
工业领域：用于检测产品质量和生产过程中的辐射问题，如金属探伤、无损检测等
科研领域：用于研究原子核物理和粒子物理，如高能物理实验、宇宙射线探测等
6
原子核物理实验与辐射 检测的未来发展
同的特性和危害。
辐射剂量：衡量辐射对生 物体影响的重要参数，包 括吸收剂量、当量剂量等。
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(1)
(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”D，X1即：X2 DX1 DX2
(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：
(A) 期望值：E E1 E 2
表明：在短时间内出现第二个脉冲的概率较大。
计数统计误差的传递
一些常见情况：
(1) y x1 x2
y
(
2 x1
2 x2
)
vy
(
2 x1
2 x2
)1/
2
/( x1
x2 )
例如：存在本底时净计数误差的计算：
辐射测量中，本底总是存在的。本底包括宇宙射 线、环境中的天然放射性及仪器噪声等。这时， 为求得净计数需要进行两次测量：
p hv
(hv K )
ph (1 / hv)
(hv m0c2 ) 光电效应截面
(hv m0c2 )
c
(hv
ln hv
hv
m0c
2
)
康普顿散射截面
(2m0c2 hv 5m0c2 )
p ln hv
(5m0c2 hv 50m0c2 )
电子对效应截
随入射光子能 开始基本为常数，面随入射光子
两个湮没光子的方向相反，且发射是各向 同性的。
射线与物质的相互作用 特点：
光子通过次级效应与物质的原子或核外电子 作用，光子与物质发生作用后，光子或者消失 或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；
次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康
普顿效应和电子对效应。
射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的 概率，用截面来表示作用概率的大小。总截面 等于各作用截面之和，即：
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
核辐射与探测技术PPT课件
5
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6
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核探测器测量的基本物理量
• 我们要知道有多少粒子，什么样的粒子，还要知道它 们的物理性质，来源。为此，探测器要测量许多物理 量。
• 当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为 自由电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。 处于激发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发 态跃迁回到基态，这就是退激。退激时，释放的能量 以荧光的形式发射出来。
13
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利用电离或激发效应来记录入射粒子是 绝大多数探测器的物理基础。它们的差别在 于记录方式不同，大致分为： （1）收集电离电荷的探测器主要收集电离效 应产生的大量正负离子，记录它们的电荷所 形成的电压或电流脉冲。这类探测器必须加 上适当的工作电压，形成电场以有效收集电 荷。如气体探测器、半导体探测器。
或简写成 A（a，b）B 实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数Z 和总质量数A必须相等；反应前后体系的总能量（静 止能量和动能之和）不变，总动量不变。
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目前应用最多的三种核反应：
n 3He p 3T 0.764MeV， 0＝5327 10靶， 3He(n, p) 3T n 6Li 3T 4.780MeV， 0 941 4靶， 6L（i n, ) 3T
7
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粒子探测器用途：
• 测量粒子与射线的基本性质，研究这些粒子之间的 相互作用以及它们与宏观 物质的相互作用等。
• 将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观或亚 微观结构，如晶体结构， 物质的表面结构，分子原 子及核结构等。
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。
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n U U
235 236
*
以
236
n U U
238 239
*
为例
239
U 的 Z 2 / A 35.86
U 的 Z 2 / A 35.41
239
U 的 Z 2 / A 值略小，其裂变概率也略小。
5.1 原子核的裂变反应
2)复合核的激发能与裂变势垒的关系。
U 为奇N核，欢迎再来一个中子与它成对。因此，中 子与235U 结合的很紧，结合能为6.545MeV，而复合核的 裂变势垒仅为 5.9MeV ，从而容易裂变。 U为偶偶核，外来中子的结合能比较小，中子与 238U 的结合能为 4.806MeV，而复合核的裂变势垒为 6.2MeV
238 1 6.2 4.806 1.40MeV Tn 238
这种中子能量必须大于一定的数值才能引起的核 裂变称为阈能核裂变。
能诱发阈能核裂变的中子的最小能量称为诱发裂变 阈能。
5.1 原子核的裂变反应
关于易裂变核与不易裂变核的讨论： 1)中子被核俘获后形成复合核，复合核处于激发态，将 发生集体振荡并改变形状。
E * 92,238 0,1 92,239 4.806MeV
而 239U 的裂变势垒：
Tn 0.0253eV 0
Eb 6.2 MeV
故热中子不能诱发 238U 裂变。这种热中子不能诱发裂 变的核素称为不易裂变核。
5.1 原子核的裂变反应
由：
A1 Tn ( Eb Bn ( Z , A 1)) A
而
236
U 的裂变势垒：
E b 5.9 MeV
故热中子可以诱发 235U 裂变。这种热中子可诱 发裂变的核素称为易裂变核。
5.1 原子核的裂变反应
(c) 阈能核裂变
以 238U为例，可表示为：
238 239 *
Bn ( Z , A 1) Eb
n U U X Y
若仍为热中子，由于
1014 s 20 10 s
1017 s
1014 s
远离稳定线的丰中子核，具有很高的激发能。 通常为1～3个中子，称为瞬发裂变中子。 次级裂片的激发能小，不能发射中子，而主要以发射 光子形式退激，称为瞬发射线。
(e)
初级产物-衰变到稳定核素
10 1 s
在连续衰变过程中，有些核素可能具有较高的激发能， 可以发射中子，称为缓发中子。
5.1 原子核的裂变反应
3、链式反应和反应堆
链式反应：
Chain Reaction
5.1 原子核的裂变反应
裂变能的定义(二裂变)：
Q f Mc2 [ M * ( Z 0 , A0 ) M ( Z1 , A1 ) M ( Z 2 , A2 ) mn ]c 2
激发态复合核的原子质量 裂片衰变后稳定核的原子质量
裂变能定义为由复合核裂变成碎片所放出的能量。由 于中等质量的裂变碎片的比结合能比重核的比结合能 大，所以裂变必然放出巨大的能量。重核每次裂变大 约产生200MeV的裂变能，裂变能大部分分配为裂变 碎片的动能。
Q f ,s 0
从比结合能曲线看，A>90即可满足该条件 (c) 原子核的稳定性与裂变势垒 与α衰变的势垒穿透类似，原子核自发裂变也 要穿透一个势垒，称为裂变势垒。自发裂变半衰 期对于裂变势垒的高度非常敏感。
5.1 原子核的裂变反应
以考德威尔公式描述自发裂变半衰期对于裂变势垒高度 的关系： Z2 Z2 lg T1 2 SF 374.0 1000 m 9.268 A A
t
pot
a
CN
f
5.1 原子核的裂变反应
裂变截面f 与入射中子能量Tn 的关系： 对慢中子 ： Tn 1KeV
0v0
v
1 1 v Tn
1 v 规律
的截面，
0 是对热中子
v0 为热中子速度
对，
235
Tn 0.0253eV
v 0 2200m s
Q f , s TY1 Z1 , A1 TY2 Z 2 , A2
BZ1 , A1 BZ 2 , A2 BZ , A
Z , A Z1 , A1 Z 2 A2
5.1 原子核的裂变反应
发生自发裂变的条件：
5.1 原子核的裂变反应
(1) 自发裂变
(a) 自发裂变的一般表达式：
A Z
X Y Y2
A1 Z1 1 A2 Z2
其中
A A1 A2
Z Z1 Z 2
(b) 自发裂变的裂变能 由能量守恒： Q f , s M Z , Ac 2 M Z1 , A1 M Z 2 , A2 c 2
A n Z X A1X * A11 Y A22 Y Z Z Z
裂变后现象指裂变碎片的性质： 如碎片的质量、能量、释放的中子、 射线等。
5.1 原子核的裂变反应
(1) 裂变过程
(a) 中子被靶核吸收形成复合核 (b) 复合核裂变为两个裂变碎片 (c) 初级碎片发射中子 (d) 次级碎片发射射线
f
f f
Rf
裂变碎片是很不稳定的原子核，一方面碎片处于较高 的激发态，另一方面它们是远离 稳定线的丰中子核 而发射中子，所以自发裂变核又是一种很强的中子源。
5.1 原子核的裂变反应
(2) 诱发裂变
在外来粒子的轰击下，靶核与入射粒子形成复合 核，复合核一般处于激发态，当其激发能大于裂 变势垒时，会发生裂变。 入射粒子可以是带电粒子或中子，主要研究中子诱 发裂变。 (a) 中子诱发裂变的一般表达式为：
稳定核： 球形核势能Vsp<椭球形势能Vel； 而当： 球形核势能Vsp>椭球形势能Vel时， 球形核椭球形核裂变
原子核的稳定条件： Vel Vsp>0
5.1 原子核的裂变反应
(d) 裂变份额
重核大多数具有 放射性，自发裂变与 衰变是相互 竞争的过程，它们是重核蜕变的两种形式。 发生自发裂变过程的衰变常数记为 发生衰变过程的衰变常数记为 裂变份额定义为：
复合核激发能。
mA A T Tn Tn m A mn A1
' n
相对运动动能
Bn Z , A 1 M Z , A m n M Z , A 1c
2
Байду номын сангаас
5.1 原子核的裂变反应
复合核的激发能：
A E Bn Z , A 1 Tn A 1
238 235
因此中子能量必须大于某一数值才能发生核裂变。
5.1 原子核的裂变反应
(d) 诱发裂变截面
f
If Ia N s
单位时间内发生裂变数 单位面积靶核数 单位时间内入射粒子数
手册中常给出多种截面值： f
a t
a f
5.1 原子核的裂变反应
各种反应截面的关系图：
5.1 原子核的裂变反应
(2) 裂变碎片的质量分布
裂变碎片按质量分布的产额。
考虑二分裂情况，X 和 Y的质量分布 对称分布： Z 100 和 Z 84
AX AY
非对称分布： 90 Z 98
称为对称裂变
AX AY 称为非对称裂变
5.1 原子核的裂变反应
低激发态重核的裂变多以非对称方式发生。如235U， 裂变碎片质量分布呈马鞍形。 重碎片质量的峰值是 A ＝ 140，轻碎片质量的峰值为 A ＝ 96。而对 A ＝ 118 的碎片仅占0.01%。
5.1 原子核的裂变反应
(b) 热中子核裂变 以 235U 为例，可表示为：
235 236 *
Bn ( Z , A 1) Eb
n U U X Y
由于热中子的能量 所以
236 *
Tn 0.0253eV 0
U 的激发能：
E * Bn Z , A 1
E * 92, 235 0,1 92, 236 6.545MeV
252
Cf 为
E 2.179 0.025MeV
对 n 235U 为 E 1.979 0.029MeV
缓发中子产生于裂变产物的某些β衰变链中。其数 量占全部中子的1％。 可控核裂变的实现取决于缓发中子的控制。
5.1 原子核的裂变反应
每次裂变释放出的平均中子数 包括: 瞬发中子和缓发中子。
n X
A Z
A 1 Z
X Y Y
* A1 Z1 A2 Z2
5.1 原子核的裂变反应
设靶核静止，入射中子的动能为Tn 复合核的形成过程中，由能量守恒：
Tn mn M Z , Ac 2 E * M Z , A 1c 2
E * Tn mn M Z , A M Z , A 1c 2
第五章
核裂变与核聚变
Nuclear Fission –Nuclear Fusion
n 238U 239U 239 U 239Np e e , (T 24 min) 239 Np 239Pu e e , (T 2.35d )
E.Fermi,意大利，1901-1954
费米的主要贡献： 用中子辐照产生新 放射性元素以及用 慢中子引起核反应 的有关发现
第五章 核裂变与核聚变
5.1 原子核的裂变反应 1、自发裂变和诱发裂变
自发裂变（spontaneous fission） ：没有外来粒 子轰击，原子核自行裂变的现象。
——放射性衰变方式之一。 诱发裂变（ induced fission ）：在外来粒子轰击 下，原子核才发生裂变的现象。 ——核反应的一个反应道 。