辐射监测第3章放射性基础知识

第3章 放射性基础知识,3.1 原子与原子核 3.2 天然放射系 3.3 原子核衰变 3.4 原子核衰变的一般规律 3.5 辐射监测常用的量及单位,3.1 原子与原子核 “原子”源自希腊文，意思是“不可分割的”。研究原子的组成、组成物的运动规律及其相互作用的规律。其表征量为物质的物理、化学性质和光谱特性。 “原子核”则是研究物质结构的另一个更深的层次，研究原子核的组成、性质、核力、核模型、核的蜕变及核能的利用等。其表征为原子核的放射性。,第3章 放射性基础知识,第3章 放射性基础,3.1 原子与原子核,3.1.1原子 1.原子质量 老的表示：以16O原子质量的1/16作为原子质量单位,记为：amu。 新的表示：以12C原子质量的1/12作为原子质量单位，记为：u 地球上最轻的原子是氢原子，其原子核仅由一个质子组成，核外只有一个轨道电子 原子的质量主要集中在原子核上,第3章 放射性基础,2 原子结构模型,3.1.1原子,(1) 公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为 ：万物是由大量的不可分割的微粒构成的，即原子。,(2)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。,第3章 放射性基础,2 原子结构模型,3.1.1原子,（3）原子的汤姆逊模型 1897年，英国科学家汤姆生发现了电子。1903年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：原子是一个半径大约为10-8 厘米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。,第3章 放射性基础,2 原子结构模型,3.1.1原子,葡萄干原子模型,（4）原子的核式模型,18711937,1908年诺贝尔化学奖,1909年卢瑟福散射试验。,2.原子结构模型,第3章 放射性基础,1911年提出原子的核式模型 正电荷集中在原子的中心，即原子核； 质量为整个原子的99.9%以上； 从此建立了原子的有核模型。,原子的电中性，原子核所带电量与核外电子电量相等。 核电荷与核外电子电荷符号相反。 即：核电荷Ze，核外电子电荷Ze。,第3章 放射性基础,3.1.1原子,3.原子的能量,3.1.2原子核,1.原子核的组成 1932年查德威克(J. Chadwick)发现中子。(据此获1935年诺贝尔物理学奖),第3章 放射性基础,用 粒子轰击铍，铍放射出穿透力很强的中性粒子，可以将含氢物质中的质子击出，并证明其有与质子相近的质量。,18911974,实验中放出的不是高能，而是中子。,中子发现后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出：原子核由质子和中子组成，并得到实验支持。中子和质子统称为核子。 中子不带电,质子带正电，电量为e。电荷数为Z的原子核含有Z个质子。,19011976,因量子力学方面贡献，获1932年诺贝尔物理奖。,3.1.2原子核,第3章 放射性基础,原子核的表示,例如：,为三个核素，可 表示为,3.1.2原子核,第3章 放射性基础,2 原子核的稳定性 在原子序数Z 83的元素(铋)中，没有稳定的同位素。 原子核质量总是小于构成它的核子质量的总和，这一质量差m称作质量亏损。 根据爱因斯坦的质能公式：,能量也必然发生相应的变化，即：,E称作原子核的结合能，即各核子结合在一起构成原子核时所释放的能量。质量亏损越大，结合能越大，核子间结合的越紧密，原子核就越稳定。,3 核能级,3.1.2原子核,第3章 放射性基础,原子核具有许多能级，最低的能级称为基级，高的能级称为激发能级，通常用平行线来表示核的能级，最低的线代表基级，用0表示，表示激发能级的横线和基线的距离与它们的能量差成正比例（用兆电子伏特为单位）。距离基线最近的代表第一能级，其次是第二、第三等激发能级。,3.1.3 常用术语及意义,1.核素（nuclide）,具有相同的中子数和质子数，处于相同的、寿命可测的能态的的一类原子称为核素。,核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同，就是不同的核素。,两种核素，A同，Z、N不同。,两种核素，N同，A、Z不同。,两种核素，Z同，A、N不同。,两种核素，A、Z、N同，能态不同。,23892U146,某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。,具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。),2.同位素（Isotope）和同位素丰度,铀的二种同位素。,氢的三种同位素；,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,0.724%、99.276%,99.985%、0.015%,3.稳定核素和放射性同位素,其中，稳定同位素为：,而3H 为放射性同位素，具有 放射性，放出最大能量为18KeV的射线，其半衰期 。 它的产生是宇宙射线与空气中的N和O发生核反应，称为宇生放射性。,氢的三种同位素具有相同的化学性质，但其放射性却不同。,3.1.4 射线及其性质,第3章 放射性基础,3.1.4 射线及其性质,表3-1 能量为2百万电子伏的三种射线电离密度和穿透能量比较,第3章 放射性基础,中子 中子是一种不带电的中性粒子，在自然界中子并不单独存在，它是在原子核受到外来粒子轰击时才从核里释放出来的，中子处在自由状态是不稳定的，它会自动衰变为一个质子、一个电子和一个中微子。半衰期约为13分钟，它有巨大的速度和贯穿本领，中子辐射具有强大穿透能力，它与各种元素原子核相互作用能产生射线或射线，中子和射线是外照射防护中要考虑的两种主要辐射。,3.1.4 射线及其性质,第3章 放射性基础,3.2 天然放射系,3.2.1.铀系(4n+2系),第3章 放射性基础,3.2.天然放射系,3.2.2 钍系-4n系,第3章 放射性基础,3.2.天然放射系,3.2.3 锕系-4n+3系,第3章 放射性基础,3.2.天然放射系,3.2.4 镎系-4n+1系,第3章 放射性基础,3.3原子核衰变,3.3.1 衰变,衰变所释放的能量,粒子的动能为,E,衰变子体核的反冲能为,ER=,3.3.1 衰变,能谱的特点, 放射性核素一般为重核，质量数140, 衰变放出的粒子能量在49 MeV范围, 衰变半衰期范围很宽，10-7s1015a, 衰变基本特点：,3.3.1 衰变,3.3.2 衰变,衰变的必要条件仍然是母核的原子质量要大于子体核的原子质量和电子质量的总和,衰变释放的能量：,衰变：核电荷数改变而核子数不变的自发核衰变过程.,1 衰变,3.3.2 衰变,2 衰变,发生衰变的条件依然是母核的原子质量大于子核的原子质量与2倍电子的质量之和,衰变释放的能量,正电子淹没： 当全部动能损失后，便和周围物质中的自由电子结合， 转变为两个方向相反，能量均为0.511MeV的光子，电子本身质量消失， 这一现象称为正电子淹没。形成的辐射称为淹没辐射。,3.3.2 衰变,3电子俘获EC衰变,能够发生EC衰变的必要条件是母体核素的静止能量必须大于子体核素的静止能量和电子的结合能,EC衰变的释放能量,EC衰变的后续过程：,特征X射线:,俄歇电子:外层的轨道电子向内壳层的空穴填充时，多余的能量不是以特征X射线的形式发射出来，而是把它直接交给同一壳层的另外一个电子，使其成为自由电子而发射出来,3.3.2 衰变,现在简单归纳一下衰变三种形式的特点,发生衰变,发生衰变,发生EC衰变, 若,成立，则,必然成立, 有些核素可以同时满足以上3个不等式，它们就可以同时发生 、甚至EC三种方式的衰变,3.3.3 衰变（同质异能跃迁）,在跃迁的过程中，发生衰变的原子核的原子序数和质量数都没有任何的改变，只有能级状态的变化,所以，跃迁又被称为同质异能跃迁。,内转换电子,处于激发态的核，通常通过发射跃迁而退激，但有的核不是通过跃迁退激，而是直接把激发能交给核外轨道电子。该电子吸收能量后会脱离原子核的吸引，成为自由电子发射出来,图3-8 60Co的衰变图,3.4放射性衰变的一般规律,3.4.1衰变定律-指数衰减规律,(1)衰变常数,分子表示：t 时刻单位时间内发生衰变的核数目，称为衰变率，记作,t 时刻放射性原子核总数,衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。,3.4.2放射性核素的特征量,量纲为：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a,3.4放射性衰变的一般规律,(2)半衰期T1/2,半衰期：放射性核数衰变一半所需的时间，记为 T1/2,即：,量纲为：t,如s，h，d，a,3.4.2放射性核素的特征量,3.4放射性衰变的一般规律,(3)平均寿命 ,平均寿命 总寿命 / 总核数,在 tt+dt 时间内衰变的原子核数为：,这些核的寿命均为 t，它们的总寿命为：,3.4.2放射性核素的特征量,3.4放射性衰变的一般规律,因此，平均寿命：,而 t 可能的取值为 ：0,所以，所有核的总寿命为：,特征量大小与核衰变的快慢,慢,快,3.4.3放射性核素的生长与衰变的相互关系,3.4.3.1 递次衰变规律 许多放射性核素并非一次衰变就达到稳定，而是它们的子核仍有放射性，会接着衰变 直到衰变的子核为稳定核素为止，这样就产生了多代连续放射性衰变，称之为递次衰变或级联衰变。,1 两次连续衰变规律,A 和 B 的衰变常数分别为 1 和 2,C 的数目为0。,是单一放射性衰变，服从简单的指数规律。,即：,对于A：,这样t时刻，A的数目的变化为：,对于B：,不断衰变为C (减少)：,不断从A获得 (增加)：,这样B的数目的变化为：,B,代入N1(t)等条件，解此微分方程，,可见，子体 B 的变化规律不仅与它本身的衰变常数 2 有关，而且还与母体 A 的衰变常数 1 有关，它的衰变规律不再是简单的指数规律。,已经假设 C 是稳定的，那么它的变化仅由 B 的衰变决定，即：,解此方程，得：,对于C：,当t ，N3(t) N10，母体A全部衰变成子体C。子体C是稳定的，不再发生衰变。,大家课后计算一下，,2 多次连续衰变规律,A B CN（稳定）,参照两次连续衰变的规律，考虑子体C也不稳定，则子体C数目的变化量由它本身的衰变及子体B的衰变决定：,代入N2(t)等条件，解此方程,其中，系数,对于n代连续放射性衰变过程，其中第1到第n代核素具有放射性，而第n+1代核素为稳定核素。,设初始条件为：,各衰变常数为：,用同样的方法可以求出第 n 个核素随时间的变化规律：,其中，系数,为：,在连续放射性衰变中， 母体衰变是单一放射性衰变，服从指数衰减规律； 其余各代子体的衰变规律不再是简单指数规律，而与前面各代衰变常数都有关。,3.4.3.2放射性衰变的平衡问题,3.4.3放射性核素的生长与衰变的相互关系,对于两代连续 A B C（稳定）,我们来看子体 B 的变化情况，子体 B 的变化只取决于 1 和2。我们分三种情况讨论：,(1)暂时平衡,母体A的半衰期不是很长，但比子体B的半衰期长，即,则在观察时间内可看出母体A 放射性的变化，以及子体B的核数目在时间足够长之后，将和母体的核数目建立一固定的比例，此时子体B的变化将按母体的半衰期衰减，这时建立的平衡叫暂时平衡。,3.4.3.2放射性衰变的平衡问题,由：,由于：,，当 t 足够大时，有：,现在来推导一下暂时平衡关系：,子母体的放射性活度的关系为：,即：当 t 足够大时，有：,对于多代连续放射性衰变：,只要母体A1的衰变常数1 最小，就会建立起按A1的半衰期进行衰变的暂时平衡体系。,建立平衡之后，各代放射体的数量及活度之比不随时间变化，且均各代按 1 进行衰变。,(2)长期平衡,当母体A的半衰期较长，且比子体B的半衰期长得多时，即,或,则在观察时间内，看不出母体A放射性的变化；在相当长时间以后，子体 B 的核数目和放射性活度达到饱和，并且子母体的放射性活度相等。这时建立的平衡叫长期平衡。,由：,由于：,当 t 足够大时，有：,现在来推导一下长期平衡关系：,所以：,子母体的放射性活度的关系为：,即：当 t 足够大时，有：,对于多代连续放射性衰变：,只要母体 A1 的衰变常数 1 足够小，就会建立起按A1的半衰期进行衰变的长期平衡体系。,各代放射体的数量之比不随时间变化；各代子体的放射性活度都等于母体的放射性活度，且均按 1 进行衰变。,i =2, 3, 4, ,总核数为N10 ，平衡后总活度为 nA1。,(3)不成平衡逐代衰变,当母体A的半衰期比子体B的半衰期短时，即,或,这时建立不起平衡，母体A按指数规律较快衰减；而子体B的数目从零逐步增加，过极大值后较慢衰减，当时间足够长时，子体B则按自己的衰变常数2衰变。这种情况也称为逐代衰变。,由：,由于：,，当 t 足够大时，有：,来推导一下不平衡情况：,子体的放射性活度为：,母体的放射性活度为：,即：当 t 足够大时，有：,对于多代连续放射性衰变：,那么，随着时间的流逝，将会形成逐代衰变现象。首先是第一代衰变完，接着第二代，第三代，逐代衰变完。而且各自按自己的衰变常数衰变。,如果上代的核素都比下代的核素衰变的快，即有:,小结：,经过足够长时间之后，多代连续放射性衰变过程将出现暂时平衡、长期平衡或逐代衰变等现象。实际往往三种交织在一起。,母核衰变比子核衰变快的，母核就按逐代衰变先衰变掉了；如果这个子核比下一代子核衰变慢，则形成暂时平衡。暂时平衡体系总要衰变掉，这样下去，总会出现半衰期最长的核素形成长期平衡。地球上目前存在的放射系就是衰变留下的处于长期平衡的多代连续衰变体系。,1 放射性活度 (Activity),定义：,则：,活度定义：一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示，表征放射源的强弱。,3.5.1放射性活度及其单位,3.5 辐射监测常用的量及单位,射线强度：单位时间内放出某种射线的个数。,2 活度单位,常用单位居里(Ci)：,法定计量单位为贝可(Bq)：,较小的单位还有毫居(mCi)和微居(Ci),所以：,3.5.1放射性活度及其单位,3.5 辐射监测常用的量及单位,求人体内含的0.2%的 。已知 的天然丰度为0.0118%，其半衰期 。求体重为75kg的人体内的总放射性活度。,应用实例：,已得求体内 的原子数：,体内由 的放射性活度：,3 比活度 (Specific Activity),定义为：单位质量放射源的放射性活度。,比活度反映了放射源中放射性物质的纯度。,即：,单位为：Bq/g 或 Ci/g,3.5 辐射监测常用的量及单位,3.5.2照射量及其单位,4.照射量：照射量表示或辐射在单位质量小体积元的空气中，释放出来的全部电子(负电子和正电子)被完全阻止于空气中时，空气中形成的一种符号的离子总电荷的绝对值。它SI单位是库仑/千克，记为C/。照射量的数学表达式为：,式中, dQ是当光子在质量为dm的某一体积元内的空气中，所释放出来的全部电子（正、负电子）被完全阻止于空气中时，在空气中形成的一种符号离子总电荷的绝对值。,照射量单位没有国际单位制专名，暂时与国际单位制并用的专用单位是伦琴，记为R，1R2.5810-4 C/（精确值）,3.5.2 照射量及其单位,2.照射量率：单位时间内的照射量，其表达式为：,照射量率的SI单位是库仑/千克秒，记作C/kgs，没有SI专名， 暂时与SI并用的专用单位为伦琴/秒（R/s）、伦琴/分（R/m） 或毫伦琴/小时（mR/h）。,3 照射量率与放射性活度的关系,3.5 辐射监测常用的量及单位,3.5.3.吸收剂量及其单位,平均授予能，它是随机量授予能的期望值 D吸收剂量，SI单位为J/Kg，单位的专门名称为戈瑞,吸收剂量的国际单位制（SI）单位是焦耳/千克，记为J/； 并给其专名为：戈瑞(gray)，记为：,1Gy1J/,吸收剂量与照射量之间的关系,暂时与SI并用的吸收剂量专用单位是拉德（rad），1拉德是1物质吸收了10-2J的能量，即1 rad10-2 J/，由此可得：1Gy=100rad,当电离辐射与物质相互作用时，用来表示单位质量的 物质吸收电离辐射能量大小的物理量，即：,3.5.4 比释动能及其单位,间接电离粒子与物质相互作用时，在单位质量的物质中产生的 带电粒子的初始动能的总和，即,dEtr间接电离粒子在特定物质的体积元内，释放出来的所有带电粒子的初始动能总和。SI单位为戈（Gy）,比释动能与吸收剂量的关系 在带电粒子平衡条件下，若轫致辐射损失的能量可以忽略时，则,高能直接电离粒子与高原子序数的物质相互作用时，实际上有一部分能量在物质中转变为轫致辐射而离开体积元，则,3.5.5 剂量当量及其单位,剂量当量是用适当的修正系数对吸收剂量进行加权，使修正后的吸收剂量能更好地和辐射所引起的有害效应联系起来。,SI单位是焦耳/千克，记为J/；其专名为：希沃特，记为：Sv，即：,l,1Sv1J/,暂时与SI单位并用的剂量当量单位是雷姆，其符号为rem,当D以拉德单位 表示时，H就以雷姆为单位表示，即： 1rem100erg/g10-2J/kg10-2Sv,各单位之间的关系,