第一章核輻射基本知識08

1、第一章：核輻射的基本知識第一章：核輻射的基本知識第一節(jié)第一節(jié)放射性現(xiàn)象放射性現(xiàn)象放射性現(xiàn)象對于我們早已不陌生，巖石里、食物內(nèi)、空氣中，到處都存在放射性。放射性現(xiàn)象就是不穩(wěn)定的核素自發(fā)地放出粒子或γ射線，或在軌道電子俘獲后放出X射線，或產(chǎn)生自發(fā)裂變的過程。我們知道，原子由原子核和其外圍繞的電子組成，原子核由質(zhì)子及中子組成，質(zhì)子與電子的數(shù)目相等，使原子呈中性。通常用AZX表示核素，X為元素的化學(xué)符號；A為質(zhì)量數(shù)，等于質(zhì)子和中子質(zhì)量的總和，Z

2、為原子序數(shù)，等于質(zhì)子的數(shù)目。例如氫有三個(gè)核素：氫、氖、氖，分別記作11H，21H，31H，它們是同位素。同位素是質(zhì)子數(shù)相同，而中子數(shù)不相同的核素。從構(gòu)成萬物的一百多種元素來看，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2000多種核素，其中280多種核素是穩(wěn)定的。在不穩(wěn)定的核素中有60多種是天然放射性核素，其中主要在Z＞83的元素里，而余下的為人工放射性核素。天然放射性核素發(fā)生核衰變時(shí)，會放出α、β、γ射線，人工放射性核素還可以輻射出質(zhì)子或中子等。天然放射性核素自發(fā)地

3、衰變，一般不受溫度、壓力的影響，并且按指數(shù)規(guī)律變化，若某時(shí)刻t時(shí)的放射性原子核數(shù)目為N（t）則其與初始N0時(shí)具有的放射性原子核數(shù)目N。之間有下面的關(guān)系：N（t）=N0eλt（11）λ稱為衰變常數(shù)，和原子核的性質(zhì)有關(guān)，不同的原子核有不同的λ，衰變常數(shù)的物理意義是單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)原子核發(fā)生衰變的概率。它反映的是衰變的速度，λ愈大，則衰變率愈大，衰變速度愈快。通常用半衰期T12來表示衰變的速度或元素的壽命。半衰期就是放射性元素原有的原子衰變一半

4、所需要的時(shí)間。例如238U的半衰期T12=451109a從若原有1000萬個(gè)原子，則經(jīng)過451109a后將剩下一半，約500萬個(gè)，再經(jīng)過451109a又剩下一半約為250萬個(gè)；而不是經(jīng)過一個(gè)半衰期剩下了一半，再經(jīng)過一個(gè)半衰期的時(shí)間另一半就衰變完了。實(shí)際上，歷時(shí)10個(gè)半衰期，原有的原子還剩下于分之一左右。半衰期和衰變常數(shù)有下面的簡單關(guān)系：T12=ln2λ（12）各種放射性核素的半衰期差別很大，例如氡的三個(gè)放射性同位素：222Rn（氡）、2

5、20Rn（釷射氣）、219Rn（錒射氣）雖然同為惰性氣體，但半衰期差別很大，分別為3825d，556s和396s，利用半衰期的差別就可以把它們區(qū)分開來。雖然不同放射性核素的半衰期或衰變常數(shù)為一確定數(shù)值，基本上不隨化學(xué)或物理狀態(tài)而改變。但是在放射性測量時(shí)我們將會發(fā)現(xiàn)，測量條件雖未變化，而所得結(jié)果并不完全一樣，即放射源每單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子數(shù)目是不相同的，時(shí)多時(shí)少，有起有伏。例如第一次讀數(shù)為每分鐘100次衰變，條件完全相同，第二次讀數(shù)可

6、能為每分鐘97次衰變，第三次讀數(shù)卻為每分鐘108次衰變，……，前后讀數(shù)相差不少，這是其他許多測量（長度測量、重量測量等）中未見到過的，這種現(xiàn)象稱為放射性衰變的統(tǒng)計(jì)漲落。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于放射性原子核的衰變是自動發(fā)生的，哪一個(gè)原子核發(fā)生衰變是帶有偶然性的，誰先衰變，誰后衰變無法確定。因此，對一具有大量原子的放射源，在某一時(shí)刻會有較多的原子核衰變，而另一時(shí)刻則有較少的原子核衰變，這樣便使觀測結(jié)果有了起伏漲落。實(shí)驗(yàn)及理論均已證明，放射性測

7、量的數(shù)據(jù)雖有漲落，但比較集中地在某一個(gè)范圍內(nèi)波β射線是由β粒子束組成的。β粒子為帶一個(gè)負(fù)電荷（或正電荷）的高速運(yùn)動（可以接近光速）的電子。帶正電的β壽命很短，其他性質(zhì)均與帶負(fù)電荷的p粒子相同，僅所帶電荷符號相反而已。放射性核素衰β變時(shí)放出的粒β子能量一般低于15MeV，并且β粒子的能量都是連續(xù)的，可在很大的范圍內(nèi)變化，這是和α粒子很不相同的一點(diǎn)。β粒子質(zhì)量輕，體積小，所以它和物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)與α粒子有所不同。β粒子通過物質(zhì)時(shí)除有電離、

8、激發(fā)作用外，還有彈性散射和韌致輻射等現(xiàn)象。帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，因受原子核庫侖電場的相互作用而改變運(yùn)動方向的現(xiàn)象稱為散射。β粒子很輕，散射作用很明顯，而且會發(fā)生多次散射，β粒子散射后運(yùn)動方向發(fā)生改變，甚至可能發(fā)生與原來前進(jìn)方向相反的稱為反散射的運(yùn)動。因此β粒子的實(shí)際路徑比它能穿透的射程一般要大1～4倍。當(dāng)β粒子被物質(zhì)所阻止突然降低速度時(shí)，有一部分動能將轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰窟B續(xù)的電磁輻射，稱為軔致輻射。這種軔致輻射損耗隨電子能量增加而增加。例如動能為

9、10MeV的β粒子，在鉛（Z為82）中，電離損耗與軔致輻射損耗基本相等。能量越大，軔致輻射的損耗也越大。因?yàn)棣铝Ｗ拥馁|(zhì)量與電子質(zhì)量相等，β粒子在電離碰撞過程中每次傳遞給軌道電子的能量漲落很大，再加上軔致輻射損耗，所以即使粒β子的能量是單一的，它在同一物質(zhì)中的路徑差別也很大，又因散射現(xiàn)象，β粒子的路徑就更不會相等，射程的漲落一般達(dá)到10％～15％。就214Bi（RaC）放出的β射線而言，它的β粒子最大能量為317MeV，在空氣中的最大射程

10、約為12m，在鋁中的射程約為06cm。和α粒子相比β粒子的穿透能力還是強(qiáng)得多，因此，探測β射線和探測α射線有許多不同的地方應(yīng)予注意。2.3γ射線及其與物質(zhì)的相互作用γ射線和X射線都是一種電磁波，是一種光子，它們的差別僅在于產(chǎn)生的方式不同。γ射線通常是伴隨α射線和β射線一起產(chǎn)生的，是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)時(shí)放出的電磁輻射。X射線是原子內(nèi)層軌道電子退激過程或高能電子的韌致輻射所發(fā)出的電磁輻射。因?yàn)樗鼈兪请姶挪?，所以和光有相同的傳播速度，?/p>

11、過γ射線和X射線波長較短，頻率較高。就光子而言，它沒有靜止質(zhì)量。光子的能量E=hV全部是動能h是普朗克常數(shù)，V為頻率，γ光子的能量較可見光的光子能量大得多，波長比可見光短得多，天然放射性核素發(fā)生γ衰變時(shí)輻射出的γ射線的能量約在幾十keV到幾MeV之間。一定的核素放出的γ射線能量是一定的。如137Cs放出的γ射線能量為0661MeV，60Co放出的γ射線能量為117MeV和133MeV。以后要討論的γ能譜測量正是根據(jù)γ射線能量的差異來區(qū)分

12、不同放射性核素的。γ射線是不帶電的輻射，它通過介質(zhì)時(shí)能量的損失方式不同于前述α粒子或β粒子。后二者主要是通過與原子的軌道電子的庫侖場作用，使原子電離或激發(fā)，逐漸損耗其能量的。y射線是與原子或電子作用，產(chǎn)生出電子來，并將能量交給這些電子，稱為次級電子，再由次級電子引起物質(zhì)的電離或激發(fā)，這樣γ射線可以通過間接的關(guān)系加以探測。γ射線通過物質(zhì)時(shí)，主要有三種相互作用。（一）光電效應(yīng)光子與原子相碰撞時(shí)，把全部能量交給一個(gè)軌道電子，使它脫離原子運(yùn)動，