核輻射與防護(hù)基礎(chǔ)-new

1、核輻射與防護(hù)基礎(chǔ),陳熙萌蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,引 子,人類賴以生存的能量來自太陽——核能每個人都是一枚放射源——不必談核色變,報(bào)告內(nèi)容,輝煌歷史原子核基本性質(zhì)原子核結(jié)構(gòu)概述原子核衰變劑量防護(hù)基本概念X射線防護(hù)基礎(chǔ)知識γ射線防護(hù)基礎(chǔ)知識β射線防護(hù)基礎(chǔ)知識帶電粒子束防護(hù)基礎(chǔ)知識中子防護(hù)基礎(chǔ)知識放射性核素毒性分級,H.Becquerel, 法國物理學(xué)家（1852-1908），1903年獲得諾貝爾獎。發(fā)現(xiàn)了鈾

2、(U)放射現(xiàn)象，這是人類歷史上第一次在實(shí)驗(yàn)室里觀察到原子核現(xiàn)象。,輝煌歷史,M.Curie，法國物理學(xué)家（1867-1934），波蘭人，1903年獲得諾貝爾獎。發(fā)現(xiàn)釙(Po)和鐳(Ra); 她的女兒(I.Joliot-Curie, 1897-1956)和女婿(F. Joliot-Curie, 1900-1958)因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲1934年諾貝爾獎。,E.Rutherford，英國物理學(xué)家(1871-1937)，新西蘭人，1908年獲

3、得諾貝爾獎。證實(shí)了a 射線為He2+， β射線為電子； 提出了原子的核式模型；首次實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)；培養(yǎng)了10諾貝爾獎獲得者。,J.Chadwick，英國物理學(xué)家(1891-1974)，1935年因發(fā)現(xiàn)了中子獲得諾貝爾獎。中子的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是原子核物理的誕生。,E.Fermi，意大利物理學(xué)家(1901-1954)，發(fā)明了熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆。1938年獲得諾貝爾獎。,R.L.Mossbauer, 德國物理學(xué)家(1929-1976)。1961年對

4、γ輻射的共振吸收的研究和發(fā)現(xiàn)Mossbauer效應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎。,李政道、楊振寧發(fā)現(xiàn)了在弱相互作用中宇稱不守恒，并由吳健雄的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。,李政道、楊振寧于1957年獲諾貝爾物理學(xué)獎,丁肇中，(1936—)與 B.Richter, (1931—)分別發(fā)現(xiàn)J／ψ粒子，找到了美夸克存在的證據(jù)，1976年獲諾貝爾獎。,,原子核的基本性質(zhì),原子核的組成原子核的大小原子核的質(zhì)量和結(jié)合能原子核的自旋原子核的磁矩原子核的電四極矩原子核的

5、統(tǒng)計(jì)性質(zhì)原子核的宇稱,一、原子核的組成,1、原子核,1909年E. Rutherford通過α散射發(fā)現(xiàn)了原子核。,實(shí)驗(yàn)測量原子核的質(zhì)量都接近于氫原子核質(zhì)量的整數(shù)倍。,2、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn),①帶單位正電荷的電量②質(zhì)量=氫原子質(zhì)量,這個反應(yīng)也是第一個人工核反應(yīng)。,質(zhì)子和電子說,A個質(zhì)子和A-Z個電子，,原子核的電量和質(zhì)量都可以解釋，,但這不可能。,,β衰變中，電子的最大能量≤幾個MeV，,這種設(shè)想是不正確的,1930年，W. Bothe等人用α

6、粒子轟擊Li、Be等輕元素，發(fā)現(xiàn)一種貫穿力極強(qiáng)的輻射，當(dāng)時(shí)認(rèn)為是γ射線。,同年，居里夫婦重復(fù)實(shí)驗(yàn)，用α源打Be靶，產(chǎn)生貫穿力很強(qiáng)的射線，并用此射線轟擊石蠟，產(chǎn)生的反沖質(zhì)子的能量最大可達(dá)5.7MeV，他們依然認(rèn)為這種射線是γ射線。,根據(jù)康普頓散射的計(jì)算，相應(yīng)的γ射線的能量為55MeV，但與實(shí)驗(yàn)實(shí)際測得的能量不符。,查德威克在居里公布實(shí)驗(yàn)不到一個月的時(shí)間里，宣布發(fā)現(xiàn)中子。查德威克在1935年獲得諾貝爾獎。,質(zhì)子—中子結(jié)構(gòu),一個原子核

7、是由Z個質(zhì)子和N=A-Z個中子組成，,質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，海森伯認(rèn)為， 它們是核子的兩個不同狀態(tài)。,3、中子的發(fā)現(xiàn),,4、術(shù)語,1)核素（nuclide）―特定中子、質(zhì)子數(shù)；特定的能態(tài)(一般為基態(tài))。,2)同位素(isotopes)―相同的質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù),,,3)同中子異荷素（isotones）—相同的中子數(shù),,4)同量異位素（isobar）—相同的核子數(shù),5)同質(zhì)異能素（isomer）―中子數(shù)質(zhì)子數(shù)相同，但能態(tài)不同。,6)偶A核

8、－ 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。,5、核素圖,——Z（質(zhì)子數(shù)）-N（中子數(shù)）的直方圖,特點(diǎn)：,１)核素圖包括300多個天然存在的核素（其中穩(wěn)定核素280多個，放射性核素30多個及1600多個人工放射性核素。,２)穩(wěn)定同位素幾乎全落在一條光滑的曲線，穩(wěn)定曲線在輕核靠近Z＝N線，而對重核則偏離Z＝N線。,穩(wěn)定線的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：,3）偏離穩(wěn)定曲線上方的核素為缺中子，易發(fā)生 β

9、＋衰變和軌道電子俘獲 ；下方的核素為豐中子，易發(fā)生β－衰變。,4）理論預(yù)言：Z=114附近有超重元素穩(wěn)定島。,二、原子核的大小,經(jīng)驗(yàn)擬合半徑,核力作用半徑,三、原子核的質(zhì)量和結(jié)合能,1、原子核的質(zhì)量,1960年物理學(xué)國際學(xué)術(shù)會議決定用12C的原子質(zhì)量的1/12作為原子質(zhì)量的單位，記作u。,1u=1.6605402×10-24g,1u相對應(yīng)的能量為：1uc2=931.49432MeV,原子核的質(zhì)量,質(zhì)量虧損：,2、結(jié)合能,當(dāng)

10、若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一個核時(shí)，由于是核力的作用，將釋放一部分能量叫結(jié)合能。,,原子核的結(jié)合能要比原子的結(jié)合能大得多，,氫原子的結(jié)合能 EH=13.6eV,當(dāng)一個質(zhì)子和一個中子組成一個氘核時(shí)，,mp+mn-md = 0.00239 u = 2.225 MeV,電子的質(zhì)量 me=511keV,以原子質(zhì)量M表示，且忽略原子的結(jié)合能，則,,,3.比結(jié)合能曲線,比結(jié)合能單位： MeV/Nu， Nu代表核子,,比結(jié)合能的物理意義為原子核拆散成自由

11、核子時(shí)，外界對每個核子所做的最小的平均功?；蛘哒f，它表示核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均一個核子所釋放的能量。,表征了原子核結(jié)合的松緊程度:,ε大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；,ε小，結(jié)合松，穩(wěn)定性差。,（1）比結(jié)合能曲線兩頭低、中間高，,比結(jié)合能曲線在開始時(shí)有些起伏，逐漸光滑地達(dá)到極大值（約8兆電子伏）,然后又緩慢地變小。,結(jié)合能小的核變成結(jié)合能大的核，即當(dāng)結(jié)合得比較松的核變到結(jié)合得緊的核，就會釋放能量。,（2）獲得能量兩個途徑：,①重核裂

12、變,②輕核聚變,原子反應(yīng)堆與原子彈,氫彈,A<30時(shí)，曲線在趨勢是上升的同時(shí)，峰的位置都位于A為4的整數(shù)倍,如：4He、12C、16O、20Ne、24Mg,輕核可能存在α粒子的集團(tuán)結(jié)構(gòu)。,,原子核結(jié)構(gòu)概述,核力的性質(zhì)核力的介子場理論液滴模型費(fèi)米氣體模型殼層模集體模型,一、核力的性質(zhì),1、核力主要是吸引力,核的靜止能量<核子的靜止能量之和，說明核子間相互作用是吸引力占優(yōu)勢。,2、核力具有短程性和飽和性—B∝A,3

13、、核力是強(qiáng)作用力,核內(nèi)質(zhì)子間存在庫侖斥力，穩(wěn)定性的存在說明核力比電磁力強(qiáng)得多。,4、核力的電荷無關(guān)性,,5、核子在極短程內(nèi)存在斥力芯,核子相距0.8-2.0fm時(shí)，表現(xiàn)為吸引力核子相距小于0.8fm時(shí)，表現(xiàn)為排斥力核子相距大于10fm時(shí)，核力幾乎完全消失,二、 核力的介子場理論,現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：電磁相互作用是帶電粒子間交換“虛光子”而產(chǎn)生的交換力。,1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹提出假設(shè)：在任意兩個核子之間都可以交換粒子，但這種

14、粒子的質(zhì)量不為0。,利用不確定關(guān)系估計(jì)質(zhì)量為100MeV，是電子質(zhì)量的200倍，介于質(zhì)子和電子之間，故名曰“介子”。,1947年，鮑威爾發(fā)現(xiàn)了π介子，質(zhì)量為電子的273倍。,π介子有三種： π＋， π－， π0,介子場理論在長程范圍內(nèi)是成功的，短程范圍內(nèi)遇到嚴(yán)重困難。,短程范圍，考慮夸克作用，通過“膠子”實(shí)現(xiàn)相互作用。,三、液滴模型,將原子核比作一個密度極大的、不可壓縮的帶電液滴，而將核子比作液滴中的分子。,1、依據(jù),（1）核力具有

15、飽和性，即原子核中的每個核子只與其鄰近的幾個核子有相互作用，與液體分子間的力有相似之處。,（2）,原子核密度近似為常數(shù)，正如一個不可壓縮的液滴。,2．原子核結(jié)合能的半經(jīng)驗(yàn)公式,1935年，魏扎克根據(jù)液滴模型提出了原子核結(jié)合能的半經(jīng)驗(yàn)公式：,（1）體積能,（2）表面能,處于原子核表面的核子，只能與其內(nèi)部鄰近的核子相互作用，所以表面的存在意味著核的結(jié)合態(tài)有一種不飽和性，相應(yīng)的體積結(jié)合能應(yīng)減小。因此在結(jié)合能中要有一個負(fù)的修正項(xiàng)，稱之

16、為表面能。,,,(3)庫侖能,核液滴畢竟不是普通液滴，原子核中的A個核子中，有Z個質(zhì)子，它們之間村存在靜電斥力，這是導(dǎo)致核不穩(wěn)定性的因素，對結(jié)合能的貢獻(xiàn)是負(fù)的，這一修正項(xiàng)為庫侖能。,,,,(4)對稱能,,,(5)對能,考慮到核內(nèi)Z(或N)為偶數(shù)比Z(或N)奇數(shù)時(shí)的結(jié)合能大的事實(shí)，在結(jié)合能的公式中還要引入對能項(xiàng)。,,,結(jié)合能半經(jīng)驗(yàn)公式為：,質(zhì)量半經(jīng)驗(yàn)公式：,通過質(zhì)量半經(jīng)驗(yàn)公式，可得到穩(wěn)定核素的Z和A所滿足的關(guān)系式，即β穩(wěn)定線：,,

17、液滴模型無法解釋幻數(shù)效應(yīng),,原子核衰變,放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變（躍遷）,原子核的衰變：不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地發(fā)射各種射線的現(xiàn)象。,原子核是一個量子體系，核衰變是一個量子躍遷過程。,原子核的衰變是一個統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,? 衰變、? 衰變、? 衰變、及重核的自發(fā)裂變等,一、放射性衰變的基本規(guī)律,1、單一放射性衰變的指數(shù)規(guī)律,設(shè)放射源t時(shí)刻放射性核（母核）的數(shù)目為N(t) ，在t—t+Δt的時(shí)間內(nèi)，母核的變化量為：,,t—t

18、+Δt的時(shí)間內(nèi)，減少的數(shù)目為：－ΔN(t),,,,初始條件：t=0，N(t)=N(0),放射性核素的衰減呈指數(shù)規(guī)律,,——單位時(shí)間內(nèi)一個放射性核發(fā)生衰變的概率。,其量綱為：[t-1],S-1 ，h-1，d-1，a-1,一種核素存在幾種衰變方式，則這種核素的衰變常數(shù)與各個分支衰變常數(shù)λi 的關(guān)系為：,,分支比：,2、半衰期T1/2,表征放射性衰變的快慢。,放射性核數(shù)衰變?yōu)橐话胨璧臅r(shí)間。,,,例如60Co ，T1/2=5.27a,3、平

19、均壽命τ,238U的半衰期為4.5?109a,表示衰變的快慢。,大量放射性核素，每個原子核的壽命不同，但可以求出平均壽命。,t—t+dt的時(shí)間內(nèi)，衰變的數(shù)目為：－dN(t)，,這－dN(t)個原子核的總壽命為：－t dN(t)，,,t=∞時(shí)將衰變掉所有原子核N(0)。,總壽命為：,,平均壽命為：,,,4、放射源的活度A,單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)發(fā)生衰變的原子核數(shù),,放射性強(qiáng)度單位： 1居

20、里（Ci）=3.7?1010次核衰變/秒 1毫居=0.001居里，1微居=0.001毫居 1貝克勒（Bq）=1次核衰變/秒1g226Ra的放射性強(qiáng)度近似為1居里,例：人體內(nèi)含18%的C和0.2%的K。已知天然條件下14C和12C的比例為1.2/1012，14C的半衰期T1/2＝5730a；40K的天然豐度為：0

21、.0118%，T1/2=1.26×109a。求體重為75Kg的人體內(nèi)的總放射性活度。,,,,5、級聯(lián)衰變規(guī)律,,,t=0，放射性核素A的數(shù)目為N1(0) ，B的數(shù)目為N2(0)＝0,,,,,,,,,,,久期平衡,6、放射系,三個天然放射性系,釷系(A=4n)：,,,地球年齡為109a,鈾系(A=4n+2)：,,,錒系 (A=4n+3)：,,,,人工方法發(fā)現(xiàn)镎系(A=4n+1) ,壽命最長核素為,7、放射性衰變規(guī)律的應(yīng)用,（1

22、）放射源活度的半衰期修正,一種常用的放射源為137Cs，是十年前制備的，當(dāng)時(shí)源活度為20μCi，現(xiàn)在源的活度是多少？T1/2=30.23a。,,（2）確定遠(yuǎn)期年代,①14C斷代年代法；②地質(zhì)放射性鑒年法。,二、原子核衰變,（一）α衰變,放射性核素自發(fā)地發(fā)射α粒子。,1、α衰變發(fā)生的條件,,? 衰變方程：,能量守恒：,衰變能：,,衰變條件：,2、α衰變能與α粒子能量的關(guān)系,假定母核靜止，由動量守恒,衰變能：,,3、α衰變能與核能級圖,

23、α粒子能量是分立的，粒子能量求得的衰變能則反映了母核某一能級與子核某一能級能量之差。,,238Pu→234U放出5種α粒子。,,,,（二）β衰變,1、原子核自發(fā)發(fā)射β－ ，β＋粒子及俘獲一個軌道電子而發(fā)生衰變。,,射線的能譜是連續(xù)的，能量范圍為： 0～Eβmax,2、中微子,衰變是不同原子核能態(tài)間的躍遷，,射線的能譜是連續(xù)的？,電子從哪里來？,,（1）泡利1930年提出中微子假說,Β衰變中，放出一個β粒子的同時(shí)，還放出一個輕的中性

24、粒子——中微子。,衰變能Ed在電子、中微子和子核三者之間分配，,子核反沖能Er≈0,,Ed=Eβ+Eν,由于中微子能量的連續(xù)性，β粒子的能量也具有連續(xù)性；,Eν=0時(shí)，Eβmax=Ed,（2）中微子的基本性質(zhì),①中微子電荷為零；,②中微子自旋Sν=1/2，服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，滿足角動量守恒；,③mν≈0,3、β－衰變,方程式：,衰變能：,衰變前，母核為靜止的，由能量守恒,,衰變的條件：,,4、β＋衰變,方程式：,,,衰變能：,衰變的條件：,,

25、5、軌道電子俘獲（EC）,母核俘獲核外軌道上的一個電子，使母核中的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個中子，同時(shí)放出一個中微子。,方程式：,,,衰變能：,軌道電子俘獲的條件：,,,能發(fā)生β＋衰變的原子核總可以發(fā)生電子俘獲。,軌道電子俘獲的后續(xù)過程：,發(fā)射特征X射線和俄歇電子。,64Cu的衰變綱圖：,,,β粒子的最大能量,,,,,（三）γ衰變（躍遷）,1、γ衰變：,一個原子處于激發(fā)態(tài)的核躍遷到一個較低能態(tài)，并在這個過程中發(fā)射出光子——γ射線,γ射線的能

26、譜分立；,能量范圍為：10keV~MeV ；,（原子躍遷發(fā)射光子的能量只有幾個eV~keV）,,衰變能：,,60Co的衰變綱圖：,,2、內(nèi)轉(zhuǎn)換(IC)電子,當(dāng)有較高能態(tài)向較低能態(tài)躍遷時(shí)，不一定放出γ射線，另一個競爭的過程是把激發(fā)能直接交給核外電子，使電子脫離原子，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換（IC）。,忽略原子核在發(fā)射電子時(shí)的反沖，內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量為：,,內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能譜是分立；,Ed>εK，,內(nèi)轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在K層；,εK>Ed&g

27、t;εL，,主要發(fā)生在L層，,,劑量防護(hù)基本概念,粒子注量：進(jìn)入單位截面積小球的粒子數(shù)能量注量：進(jìn)入單位截面積小球的所有粒子總能量,劑量防護(hù)基本概念,質(zhì)量減弱系數(shù)：反映經(jīng)過單位質(zhì)量厚度后，粒子損失幾率質(zhì)量能量轉(zhuǎn)移系數(shù)：反映經(jīng)過單位質(zhì)量厚度后，粒子能量轉(zhuǎn)移為帶電粒子能量的份額質(zhì)量能量系數(shù)系數(shù)：反映經(jīng)過單位質(zhì)量厚度后，粒子能量被物質(zhì)吸收的份額，g表示轉(zhuǎn)移為韌致輻射的份額。,劑量防護(hù)基本概念,吸收劑量：單位質(zhì)量受照物質(zhì)所吸收的

28、平均輻射能量。比釋動能：不帶電粒子在單位質(zhì)量物質(zhì)中釋放出的全部帶電粒子的初始動能之和。如果能夠忽略軔致輻射，而且達(dá)到帶電粒子平衡，則比釋動能與粒子注量關(guān)系為：比釋動能與能量注量關(guān)系為： （單能） （非單能）吸收劑量與比釋動能關(guān)系為：,劑量防護(hù)基本概念,照射量：或射線在單位質(zhì)

29、量空氣中，釋放出的全部電子被空氣阻止時(shí)，在空氣中產(chǎn)生一種符號的總電荷量。照射量與粒子注量關(guān)系為：照射量與能量注量關(guān)系為： 表示電子在干燥空氣中每形成一對離子平均消耗的能量根據(jù)在某物質(zhì)中吸收劑量的表達(dá)式 可以看出，在空氣中吸收劑量 ，在某物質(zhì)中吸收劑量為

30、 為換算因子。,劑量防護(hù)基本概念（生物體）,劑量當(dāng)量： 單位是Sv=J/KgD是吸收劑量，Q是品質(zhì)因數(shù)，N是修正因數(shù)，一般為1。危險(xiǎn)度：表示器官或組織單位劑量當(dāng)量誘發(fā)的癌癥死亡率或最初二代嚴(yán)重遺傳疾病的幾率。有效劑量當(dāng)量： 為相對危險(xiǎn)度權(quán)重因子,劑量當(dāng)量限制,放射性工作人員在全身均勻照射情況下，隨機(jī)性劑量當(dāng)量限制為30mSv/a, 非隨機(jī)性劑量當(dāng)量限制

31、為150mSv/a（眼晶體），500mSv/a（眼晶體外的其他組織)。公眾在全身均勻照射情況下，劑量當(dāng)量限制為5mSv/a。特殊人群有特殊要求。,,X射線防護(hù)基礎(chǔ)知識,x射線機(jī)的吸收劑量率指數(shù)加速器x射線源吸收劑量率指數(shù)注：吸收劑量率指數(shù)是指直徑為30cm，密度為1g/cm3的軟組織球內(nèi)的最大吸收劑量。,,γ射線防護(hù)基礎(chǔ)知識,吸收劑量率與照射量率之間關(guān)系為：點(diǎn)源的照射量率為過線源端點(diǎn)垂直距離上一點(diǎn)過

32、線源中心垂直線上一點(diǎn),,β射線防護(hù)基礎(chǔ)知識,點(diǎn)源的吸收劑量率（Gy/h),β射線防護(hù)基礎(chǔ)知識,平面源的吸收劑量率,插表4.1,,帶電粒子束防護(hù)基礎(chǔ)知識,,中子防護(hù)基礎(chǔ)知識,,涉核技術(shù),核能利用（可控利用-反應(yīng)堆、非可控利用-核武器）核技術(shù)應(yīng)用（核分析技術(shù)、核檢測技術(shù)、核示蹤技術(shù)、核誘變技術(shù)）,涉核行業(yè),核物理、核技術(shù)及放射化學(xué)研究、核礦開采與浸出、核燃料分離與濃縮、核燃料加工與分析、乏燃料處理與核廢料處置、工業(yè)探傷、輻照加工、放射性