原子与原子核能概述

1H
氢原子家族
132
铯原子家族
233U
235U
238
U
铀原子家族
原子核的质量
电子 me = 9.1×10-31 kg
= 5.48×10-4 u
质子 mp = 1.007276 中子 mn = 1.008665 u u
= 0.511 MeV/c2
= 938.256 MeV/c 2 = 939.550 MeV/c 2
β衰变的性质
带电粒子、质量小 β射线的能量对不同的核是不同的，大致为十 几千电子伏到3兆电子伏 由于这种粒子的质量小，只带一个电荷，其 射程比α粒子长，但产生电离的能力比α粒子 弱 完全吸收β射线所需要的物质长度：铝约5毫 米，铅约1毫米
基本衰变—— 衰变
+ + +
光子
+ +
4He
碳-12
碳-13 碳-14
6
6 6
6
7 8
12
13 14
12C
13C 14C
同 位 素
同位素
氕
2D
3
氘
2H
D 氚
3H
• 同一个元素家族，带有不同的中 子数，就是同位素。
• 同位素具有相同的化学特性，但 可能有不同的物理特性 • 同位素中有的会放出射线，称为 放射性同位素或放射性核素，其 余叫做稳定同位素
原子核质量 = 原子质量 — 全部电子的质量 MN(Z,A) = Ma(Z,A) — Z me
忽略了电子的结合能 （ eV 量级）
原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查) 原子核质量可以精确确定
2.2 物质的放射性特性
放射性 放射性衰变
–基本衰变--衰变 –基本衰变--衰变 –基本衰变--衰变
+ +
+ +
－
中微子
衰变特点
从原子核中发射出光子
或 衰变后核子从激发态退 激时发生 产生的射线能量不连续 可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别
常常在
衰变
衰变——3He 3He
α 衰变
β- 衰变
β+ 衰变
衰变
放射性衰变基本规律
1 指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的 放射性原子核数目
基本衰变— 衰变
衰变——241Am(镅) 237Np（镎）
基本衰变——衰变
发生原因：母核中子或质子过多
反中微子
+ + + + + + + + +
+ 质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷 中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷
－பைடு நூலகம்
中微子
负衰变
衰变——3H 3He
中子
质子
正衰变 正衰变——11C 11B
N0 /2 N0 /4
经过n个半衰期后，未发生衰变的放
射性原子核数目是原有的 1/2n
半衰期
部分核素的放射性半衰期
核素 半衰期
氮-16 7.3秒
镭-224 3.65天
钚-239 24000年
氚-3 12.4年
钴-60 5.2年
放射性活度（activity, A)
定义：放射性核素在单位时间(dt)内发生核衰变 的数目(dN)
基本衰变— 衰变
+ + + + + + +
从母核中射出 的4He原子核
238U4He
+ 234Th
放射性母核!!
+ +
粒子得到大部分衰变能
衰变的性质
能辐射α射线的物质的原子序数都大于82 母核放出的α粒子具有一定的动能 5兆电子伏的α粒子在空气中的射程约7厘米，在铅中 约 0.06毫米，在人体组织中约 43微米。所以一般 α 辐射的α粒子对人体外照射的损伤很小，通常不予考 虑。 但是，α粒子的电离本领很大，所以要防止α放射性 物质进入体内产生内照射 α粒子能被一张薄纸阻挡 在热中子反应堆中，对反应堆材料的影响不重要
中子
裂变产生的中子
慢中子 (<0.1ev)
快中子（>0.1Mev）
0.65% 99.3% 瞬发中子 缓发中子
• 裂变后百万分之一秒 左右放出 • 能量约在1~2兆电子伏 范围内，速度为 14000~20000千米/秒
• 裂变后几分钟的时间 内逐渐释放出来 • 平均能量约在0.5兆电 子伏左右
核反应
辐照损伤定义：由于辐射作用而产生间隙原子及点 阵中相应留下空穴，就或多或少会在晶体中造成永 久的缺陷，从而引起材料物理性质的永久变化。这 样的效应通常称为辐照损伤。
2.3 核裂变原理
中子 自发裂变 核反应 核力 质能方程 结合能 重核裂变 裂变临界能量 裂变产物 裂变产生的中子 裂变能量 链式裂变反应 维持链式裂变的条件--临界质量 裂变维持的条件－临界
中子核反应
（n，γ）反应 （n，p ）反应 （n，α）反应 （n，n）反应 （n，2n）反应 （n，f ）反应
中子
质子
α粒子，氦原子核
（n，γ）反应
中子辐射俘获反应
– 例如113Cd（n，γ）114Cd
当中子能量为0.176电子伏时，镉吸收中子的能力远远大于能 量小于这个数值时的能力，即出现共振吸收
中子
+ ++
质子 电子 (电子云)
原子模型
中子
一张纸的厚度 相当于10000个 原子的厚度
质子
电子
原子
原子核
原子的尺寸：10-10m
原子核的尺寸：10-15m
质量数
132
核子
质子数
中子数=质量数-质子数
核素及符号表示
核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素 核素是原子核的一种统称
核 素 氦-4 质子数 2 中子数 2 质量数 4 符 号
αβ γ n
微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 1 电离作用 2 电离效应
改良品种
γ -刀，治癌
射线的穿透性
X 射线
X-ray
XCT-X射线CT扫描机
PET-正电子发射断层扫描机
带电粒子与γ射线
、 、 射线穿过物质时的特性 –物质发生电离或者电子激发 –扰动物质中的原子或电子 粒子 –正电荷： 4He
– 质量重：能量大，但穿透能力差，射程短
–在反应堆中的影响可以忽略 粒子 –负／正电荷：ｅ-／ｅ+ –质量轻，但穿透能力强，射程长
射线
–不带电
– 穿透能力极强
电离的作用
作用
–使化合物的化学键破坏而分建成单体
共价键结合的化合物
–有机化合物及水等无机化合物，外层电子由两个原子 共用，抗分解能力差 –分解一个共价键需25ev

放射性衰变基本规律 半衰期 放射性活度 物质和射线的相互作用
放射性
放射性
原子核自发地放射各种射线的现象
α β
主要射线种类
种类 α 氦原子 电磁波 质子 中子 符号
4He
电荷 （e) +2 ±1 0 +1 0
质 量 (u) 4.00279 5.486×10-4 0 1.007276 1.008665
• 定义 • 两个原子核或一个原子核和一个粒子（如中子、 γ光子等）接近到10－15米量级时，两者之间 的相互作用所引起的各种变化过程称为核反应 • 性质 • 核反应所涉及的能量变化比一般的核衰变大得 多，通常大于一个核子的结合能，可以高达 100~1000兆电子伏，因而它是研究原子核高激 发能级的重要手段
β 负或正电子 e± p n
物质的放射性和原子核的衰变
衰变
衰变
产生新核素
例如，核素X的衰变用下式表示
A- 4 4 XA Y He Z Z-2 2
上式中Y为新产生的核素。
衰变
原子核为什么会发生放射性现象呢？
如果某种核素是稳定的，它的核 内中子数与质子数的比例必须在 某一狭窄范围之内。 当质量数（即中子与质子的总和） 较小时，稳定核素的中子一质子 比基本为1， 随着质量数的增加，稳定核的中 子一质子比例由1.00一直增加到 大约1.56 当某种原子核内中子数与质子数 的比例超出与质量数相应的稳定 界限以外时，这种核就具有放射 性。 不稳定的核向着更稳定的方向自 发
（n，p）反应
出射粒子是质子 例如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。 产生杂质原子 （n，p）反应使剩余核的中质比增加，中子过多，所以也是 具有β－放射性的，例如上例中产生的剩余核碳 -14就具有β－ 放射性 由于出射粒子是质子，它除了需要足够大的分离能以外，还 需要有相当大能量用来克服库仑位垒，所以一般慢中子引起 这种反应的几率较小，重靶核发生这种反应的几率很小，而 轻核的几率就比较大
（n，f）反应
中子与重核作用，重核分裂成两个碎片，平 均放出2~3个中子，并放出大量热量。
核反应与化学反应的区别
核反应吸收或释放出来的能量要比化学反应 吸收或释放出来的能量大得多，例如，一个 铀原子放射出α射线的能量比一个碳原于燃烧 释放出来的能量几乎大100万倍 核反应只涉及原子核，而与电子无关 碳原子的核特性是相同的，无论是纯净的碳 还是碳与其他元素的化合物（二氧化碳、石 蜡、碳氢化合物等）
（n，α）反应
与（n，p）反应类似，慢中子引起重核的（n， α）反应的可能也很小，只有轻核才能发生 （n，α）反应。 例如： 10B （ n ，α） 7Li反应等，其热中子吸 收截面很大，所以常利用硼 -10 和锂 -6 作为 中子探测器，利用含硼石蜡作为快中子的屏 蔽材料。 产生杂质原子
A=dN/dt
单位：
SI: Becquerel(Bq) 贝克勒尔 1Bq=1s-1 居里 1Ci=3.7×1010Bq
实际上1Ci就相当于1克镭与它的子系氡在平衡时 的放射性
核辐射与物质的相互作用
物 质：气体 液体 固体 包括人体 等 。。。。。。 。。。。。。 。。。。。。 。。。原子。。。
光电效应示意图
dN N dt
:放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快
放射性衰变规律
半衰期 (T1/2) 定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间
时间 t (T1/2 ) 放射性原 子核数目 0 N0 1 2 3 N0 /16 4 N0 /32 5 N0 /64 n N0 /2n
当入射中子的能量足够大时，复合核处于很高的激 发态，以致足以释放出二个中子，即（n，2n）反应。 这种反应是吸能反应，因此具有一定的反应阈。 （n，2n）反应使核的中质比变小，所以剩余核往往 具有β +放射性。除（ n， 2n ）反应外，当入射中子 能量更高时还可以发生（n，3n）反应、（n，2np） 反应等。 例如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al （n，2n）26AI等，它们的剩余核锰-54、铍-8、铝26均具有β+衰变及轨道电子俘获放射性。
（n，n）反应
（ n ， n ）反应就是中子与原子核的弹性散射， 中子在散射后，运动方向和动能都发生了改 变，靶核则受到反冲。 中子与物质相撞，物质的质量数愈大，中子 损失的能量愈小，这说明在防护中子辐照时， 不能像防护γ射线那样选择重物质作屏蔽材 料，而是要选择质量数较小的轻物质才行。
（n，2n）反应
– 因此经常采用镉作为吸收热中子的物质。在反应堆中常用镉作控制 棒的材料，吸收中子以调节反应堆功率
由于中子辐射俘获反应使原子核的中质比增大，反应产物常 具有β－放射性，所以（n、γ）反应是人工制造β－放射性同 位素的有效方法 瞬间产物为靶核的同位素，因此对被辐射物质没有影响 例如，利用铀-238中子辐射俘获反应，可以制造出核燃料钚
自发裂变
自发裂变是原子核在没有受到外界激发下而自行分 裂的过程，它是一种特殊类型的核衰变。这个现象 是由前苏联物理学家弗廖洛夫和佩特扎克于 1940年 发现的。 质量为中等以上的核，尤其是一些重元素，如铀236，从能量的角度讲都具有自发裂变的可能性
–例如，在1克的铀中每小时约有20个铀核会发生自发裂变 –这对于反应堆的启动有明显的帮助
核工程导论
第二章
原子与原子结构
上海交通大学
2010年
第二章 原子与原子核能
2.1 2.2 2.3 2.4 原子内部特性 物质的放射性特性 核裂变原理 核聚变原理
2.1原子内部特性
现代原子结构 原子模型 核素及符号表示 同位素 原子核的质量
现代原子结构
原子核
离子键结合的化合物
–较活泼的金属元素和活泼的非金属元素，电子从一个 原子转移到另一个原子，形成阴离子和阳离子，分子 间靠离子间的强烈静电吸力，分解能力差
金属键结合的金属
–自由电子 –不会产生永久的辐射效应
中子的辐照损伤
几个基本概念：
–间隙原子、空穴：一个原子从点阵平衡位置移到两个平 衡位置之间的不平衡位置时称间隙原子，它留下的空位 称空穴。每一间隙原子必有一个相应的空穴。