辐射防护基础知识二——放射性与辐射分析课件

第二章 辐射防护基础知识（二）第二章 辐射防护基础知识（二）1一、放射性与辐射一、放射性与辐射219世纪末的三大发现：1.)1895：伦琴（德）X射线 （1901 第一届诺贝尔物理奖）2.)1896：贝克勒尔（法）铀放射性 1898：玛丽居里（法）钋、镭3.)1897：汤姆孙 从阴极射线管 电子 放射性衰变规律的研究（居里夫妇、卢瑟福）,射线 氦，电子 光1 放射性19世纪末的三大发现：1 放射性3物质的放射性物质的放射性 放射性：有许多核素都能自发地发射出各种射线的现象，或称辐射。本质：原子核的衰变过程结果：原子核放出射线，由一种元素转变成另一种元素。母体：衰变前的放射性同位素；子体：衰变过程中产生的新同位素，又称放射成因同位素1.放射性物质的放射性 1.放射性41.放射性放射性原子核：放射性原子核：能自发地放射出各种射线的核素称为放射性核素。射线的种类：射线的种类：粒子辐射：射线，射线，宇宙射线、中子等的辐射电磁辐射：射线、X射线等的辐射发射正电子、质子、中子、等其它粒子。大气层中的宇宙射线成分主要是质子、中子、介子、介子、电子等。1.放射性放射性原子核：51.放射性l射线的性质射线的性质：铀、镭、钋等元素能放出一些射线，射线看不见，但能穿透光所不能穿透的物体（如黑纸）使照相底片感光。，三种射线在磁场中的分裂 1.放射性射线的性质：，三种射线在磁场中的分裂 6世界上第一张世界上第一张X光照片光照片1.放射性世界上第一张X光照片1.放射性72.核衰变类型衰变衰变 衰变衰变衰变衰变2.核衰变类型衰变81)衰变（衰变（Alpha）:射线:氦核 的粒子流，质量为氢原子质量的四倍，带两个单位的正电荷衰变通式：AZX A-4Z-2Y+Q AZX 母核母核 A-4Z-2Y 子核子核 出射粒子出射粒子 Q 能量能量例例：22688Ra 22286Rn+42He（）（镭（镭 氡）氡）2.核衰变类型衰变（Alpha）:2.核衰变类型9+从母核中射出的4He原子核 粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!衰变衰变2.核衰变类型+从母核中射出 粒子得到大部分衰变能2310 衰变衰变241241AmAm 237237NpNp2.核衰变类型衰变241Am 237Np2.核衰变类型112)-衰变衰变(Beta-negatron)射线:高速飞行的电子流，称为 粒子衰变通式：nP+-+Q+-AZX AZ+1Y+-+Q+-：负电子：负电子 n：中子：中子 P：质子：质子 -：反中微子：反中微子例：3215P3216S+2.核衰变类型-衰变(Beta-negatron)2.核衰变类型12基本衰变基本衰变 衰变（动画）衰变（动画）2.核衰变类型基本衰变衰变（动画）2.核衰变类型13 衰变衰变3 3H H 3 3HeHe2.核衰变类型衰变3H 3He2.核衰变类型14说明：说明：i.-粒粒子子实实质质是是电电子子，质质量量为为 0.000549u,带带一一个个负负电电荷。荷。ii.-粒粒子子比比核核的的质质量量小小几几千千倍倍几几十十万万倍倍，因因此此，-粒粒子从原子核带走的能量很少。子从原子核带走的能量很少。iii.-粒子的能谱是一个连续值，粒子的能谱是一个连续值，E-的值可以从的值可以从0最大最大值。值。iv.E0是是-粒子的最大能量值，一般图表上给粒子的最大能量值，一般图表上给E-即是即是E0.2.核衰变类型说明：2.核衰变类型15辐射防护基础知识二放射性与辐射分析课件163)+衰变衰变(Beta-pasitron)Pn+Q+V AZXAZ-1Y+Q+V +:正电子正电子 ：中微子：中微子 2.核衰变类型+衰变(Beta-pasitron)2.核衰变17正正 衰变衰变1111C C 1111B B2.核衰变类型正衰变11C 11B2.核衰变类型18+发生原因母核中子或质子过多质子转变成中子，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+反中微子中微子 三种子体分享裂变能因此电子具有连续能量 衰变衰变2.核衰变类型+发生原因母核中子或质子过多质子转变成中192.核衰变类型l已知的具有放射性的核素有一千多种，其中轻核和重核都可能放射出射线。l由中子辐照稳定核素所产生的大多数放射性核素都具有放射性，因此辐射源通常可以用反应堆中子辐照得到。l单能电子可由电子加速器提供。2.核衰变类型已知的具有放射性的核素有一千多种，其中轻核204)衰变衰变（Gamma ray decay）射线：波长比X射线更短的电磁即光子流衰变通式：AZXmAZX+例例 6027Co6028Ni+钴钴 11349In11349In+铟铟 2.核衰变类型衰变（Gamma ray decay）2.核衰变类型21+中微子 光子2.核衰变类型+中微子光子2.核衰变类型22衰变特点：1、从原子核中发射出光子2、常常在 或 衰变后核子从激发态退激时核能级跃迁 时产生。3、产生的射线能量离散，是单能的4、可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别5、光子的能量在几十keV到几MeV，放射性核素有两千 多种。2.核衰变类型衰变特点：2.核衰变类型23 衰变衰变3 3HeHe 3 3HeHe2.核衰变类型衰变3He 3He2.核衰变类型24 衰变衰变-衰变衰变+衰变衰变 衰变衰变 衰变-衰变+衰变 衰变255)电子俘获（电子俘获（Electeon Capture EC）通式：通式：P+e-n+AZX+e-AZ-1Y+Q+例：例：5526Fe+e-5525Mn2.核衰变类型电子俘获（Electeon Capture EC）2.26 质子变成中子X射线电子俘获电子俘获2.核衰变类型 质子变成中子X射线电子俘获2.核衰变类27电子俘获电子俘获7 7BeBe 7 7LiLi2.核衰变类型电子俘获7Be 7Li2.核衰变类型282.核衰变类型l注：lx和射线都是电磁辐射，电荷都为0，静止质量为0，都具有波粒二象性，其本质是电磁场的携带者或者是电磁相互作用的传递者。l二者的根本区别在于来源不同：射线是原子核结构变化而发射出的辐射X射线是核外电子绕行轨道改变而发射出的辐射2.核衰变类型注：29衰变形式衰变形式 放出射线放出射线 原子序数变化原子序数变化 原子质量数变化原子质量数变化 42He -2 -4 -e-(负电子负电子)+1 0 +e+(正电子正电子)-1 0 h(光子光子)0 0 Ec h(光子光子)-1 03.放射性核衰变的结果放射性核衰变的结果衰变形式 放出射线 原子序数变化 原子质量数30位移定则l衰变的反应式为l它表示在衰变中，放射性元素X的原子核放出一个粒子()，蜕变成一种新元素Y，其原子核的质量数比原来元素的质量数减少4，而电荷数减少2，即在周期表中的位置移前两位。位移定则衰变的反应式为31l衰变的反应式为ll它表示在衰变中，原子核放出一个粒子()时，新元素原子核的质量数不变，而电荷数增加1，即在周期表中的位置移后一位。衰变的反应式为32l放射性元素因衰变或衰变而引起元素原子序数变动的规则，称为位移定则。原子核进行 衰变时，核的能级发生变化，而核的组成不发生变化，元素在周期表中的位置不变。放射性元素因衰变或衰变而引起元素原子序数变动的规则，称33射线射线 径迹径迹射程射程 电比离度电比离度 LET 直线直线 气：气：2.4-11cm生物：生物：0.030.07mm 30000离子离子对对/cm 大大曲线曲线 气气:几十几十Cm几几m 60-100离子离子对对/Cm中中直直-曲线曲线 气气:几十几十m金属：几十金属：几十cm几几m很少，很少，的的1%小小1.几种射线的性质几种射线的性质4 各种核射线的特点各种核射线的特点 射线 径迹射程 电比离度 LET 直线 气：2.4-11c34 射线射线 速度速度电荷电荷 静止质量静止质量（amu）E（Mev）能谱能谱 1/20C 24.0027 4-9 单值单值 1/3C 10.00549 0-最大最大 连续值连续值 C 00约等于核约等于核二能级单二能级单值之差值之差 单值单值 接上表：接上表：射线 速度电荷静止质量（amu）E（Mev）能谱 135辐射防护基础知识二放射性与辐射分析课件36辐射防护基础知识二放射性与辐射分析课件37多次衰变：多次衰变：ABCS式中：式中：S：稳定性核素，其余具放射性。：稳定性核素，其余具放射性。例如：例如：23892u23490Th23491Pa23492u206Pb 铀铀 钍钍 镁镁 铅铅5 放射系放射系(radioactive series)多次衰变：5 放射系(radioactive series38 放射性核素衰变为另一种核素，此核素还要继放射性核素衰变为另一种核素，此核素还要继续衰变，最后到达一种稳定的核素，形成放射系，续衰变，最后到达一种稳定的核素，形成放射系，也称级联衰变链。也称级联衰变链。已知三天然一人工。已知三天然一人工。(4)镎系：镎镎系：镎()铋铋().A=4n+1,4n+1系。系。(3)锕系：锕锕系：锕()铅铅().A=4n+3,4n+3系。系。(2)铀系：铀铀系：铀()铅铅().A=4n+2,4n+2系。系。(1)钍系：钍钍系：钍()铅铅().A=4n,4n系。系。5 放射系放射系(radioactive series)放射性核素衰变为另一种核素，此核素还要继续衰变，最396 中子辐射l中子辐射主要由核反应产生，而不是核衰变产生。l中子不带电，与物质相互作用与其他射线不同。6 中子辐射中子辐射主要由核反应产生，而不是核衰变产生。406.1 中子类型中子类型 冷中子：En0.5ev 共振中子：En=1eV1keV中能中子：En：1Kev-0.5Mev快中子：En：0.5Mev-10Mev超快中子：En：20Mev50Mev中子6.1 中子类型中子 416.2 中子的性质中于的质量略大于质子。自由中子不稳定，它具有衰变的性质l 实验测得中子的半衰期T1/210.6min。与中子和物质相互作用过程的时间相比，这个时间是很长的。也就是说，中子在衰变之前就已经被原子核俘获了。所以通常可将它视为稳定粒子中子的自旋为12，磁矩为一1.9228N。6.2 中子的性质中于的质量略大于质子。426.2 中子的性质中子与其他微观粒子一样，在适当条件下会呈现出波动性质。中子波长与它的动能Tn及动量pn有以下关系l当中子的速度vnc时，有6.2 中子的性质中子与其他微观粒子一样，在适当条件下会呈现436.2 中子的性质l中子与物质作用时，其波性是否明显，主要取决于它的波长和它所作用系统的相对大小。热中子的波长与固体原子之间的距离相当，这种中子通过晶体时，其波性就很显著。快中子的波长与原子核大小同数量级，这种中子与物质作用时，对核作用过程来说，表现出一定的波性。但对原子作用过程来说其波性就可以忽略了。6.2 中子的性质中子与物质作用时，其波性是否明显，主要取决446.3 中子源l为了研究和利用中子，需要有产生中子的装置。l获得中子的途径有两个：核反应和核裂变。l具体获得中子的方法大致分为三类：利用放射性核素产生中子：l(，n)型中子源；(,n)型中子源；自发裂变中子源6.3 中子源为了研究和利用中子，需要有产生中子的装置。456.3 中子源利用加速荷电粒子产生中子：l加速器中子源为了获得单能中子，通常用粒子加速器将p，d，等荷电粒子加速，然后用它们去轰击原子质量数比较低的靶核，产生(p,n)，(d,n)，(,n)反应。利用核反应堆获得中子：l裂变材料(如235U，239Pu等)在核反应堆中进行模式反应时放出大量中子，反应堆中子源的中子能量是连续的，从0.001eV至十几MeV都有。6.3 中子源利用加速荷电粒子产生中子：467 感生放射性l用核粒子轰击稳定的核素可以产生出人工的放射性核素。l激活或活化（反应）通常把稳定的核素吸收一个中子后转变成放射性核素的过程称为把生成的放射性核素叫做活化产物。l感生放射性活化产物因为核内中子过剩还要进行衰变。活化产物衰变时产生的发射性称为感生放射性。7 感生放射性用核粒子轰击稳定的核素可以产生出人工的放射性核477 感生放射性l用中子轰击或照射稳定同位素 59Co（钴），则可产生放射性同位素 60Co。60Co原子再进行衰变，同时发出射线，变成稳定同位素 60Ni（镍）原子。这个过程可写成：59Co 60Co 60Ni 60Co是活化产物，它们衰变产生的、射线即为感生放射性。7 感生放射性用中子轰击或照射稳定同位素 59Co（钴），则487 感生放射性l反应堆一回路水中的稳定同位素16O（氧）吸收中子，同时发射出质子，产生出放射性核素16N（氮），16N原子再进行衰变，并发出射线，变成稳定的16O原子，即：16O 16N 16O 16N是活化产物，它们衰变产生的、射线即为感生放射性。7 感生放射性反应堆一回路水中的稳定同位素16O（氧）吸收中49二、原子核的衰变规律和放射性活度二、原子核的衰变规律和放射性活度501.1.原子核衰变的基本规律原子核衰变的基本规律 1)1)指数衰减规律指数衰减规律 N=NN=N0 0e e-t t （说明）N N0:0:（t=0t=0）时放射性原子）时放射性原子 核的数目核的数目N:N:经过经过t t时间后未发生衰变的放射时间后未发生衰变的放射性原子核数目性原子核数目:放射性原子核衰变常数放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快数值越大衰变越快N=NN=N0 0e e-t t1.原子核衰变的基本规律 1)指数衰减规律N=N0511.1.原子核衰变的基本规律原子核衰变的基本规律l说明:设在dt时间内，某放射源中的放射性原子核的数目因衰变而引起的变化量为dN，它与原来的原子核数目N、衰变时间dt成正比。原子核数目随时间而减少，dN为负，即dN=-Ndt 衰变常数：为比例恒量，只与元素本身性质有关，与外界条件及核素本身的化学状态无关，反映原子核衰变的快慢程度1.原子核衰变的基本规律说明:521.1.原子核衰变的基本规律原子核衰变的基本规律积分，lnN=-t+C（C为积分常数）。设t=0时，原子核数目为N0，代入上式得C=lnN0，因此可得式表示，原子核的数目N是随时间t按指数规律减少的，表示t时刻还有多少原子核没有衰变。1.原子核衰变的基本规律积分，lnN=-t+C（C为53放射性活度（放射性活度（radioactivity),简称活度简称活度(activity)意义：表示核素特征的一个重要辐射量定义：在给定时刻，处于一给定能态的一定量的某种放射性核素在dt时间内发生自发核衰变和核跃迁数的期望值dN除以dt：A=dN/dt dN在时间间隔dt内该核素从该能态发生自发核跃迁数目的期望值。即单位时间内的核衰变数。2.放射性活度放射性活度放射性活度（radioactivity),简称活度(act54单位：单位：秒的倒数秒的倒数(S-1)SI单位专名：单位专名：贝可勒尔贝可勒尔（Becquerel)，简称贝可贝可，符号:Bq，每秒一次核衰变，每秒一次核衰变，1Bq=1 s-12.放射性活度放射性活度单位：2.放射性活度552.放射性活度l放射性活度减小规律:（说明）式中，表示t时刻核素的放射性活度是多大。2.放射性活度放射性活度减小规律:562.放射性活度l设在dt时间内发生核衰变的次数（即原子核减少的数目）为-dN（因dN为负值，故加一负号），按放射性活度定义，得lA0是t=0时的放射性活度。放射性活度A是随时间t按指数规律而减小。2.放射性活度设在dt时间内发生核衰变的次数（即原子核减573.放射性活度单位 l放射性活度的专用单位为居里(Curie)，简称居（C或Ci）:1居里(Ci)=3.71010/秒 (dps)1毫居(mCi)=10-3居 (Ci)1微居(Ci)=10-6居 (Ci)1纳居(nCi)=10-9居 (Ci)1皮居(pCi)=10-12居 (Ci)3.放射性活度单位 放射性活度的专用单位为居里(Curie583.放射性活度单位国际单位制：贝可勒尔：简称贝可，符号:Bq，每秒一次核衰变1Bq=1 s-11Bq=2.710-11居里 3.放射性活度单位国际单位制：59通常用放射性比活度放射性比活度及放射性浓度放射性浓度二参数表示表示各种物质中的放射性核素含量。放射性比活度（放射性比活度（specific radioactivity)定义：指单位质量所含的放射性活度，单位是Bq/g，亦可用单位摩尔物质的放射性活度来描述放射性比活度，单位是Bq/mol，简称比活度，用于固体意义：表示样品内放射性核素在其所属的物质全部原子中所占比例的一个参数。3.放射性活度单位通常用放射性比活度及放射性浓度二参数表示表示各种物质中的放射60放射性浓度放射性浓度(radioactive concentration)定义：单位体积溶液或气体内所含的放射性活度，单位是Bq/ml。3.放射性活度单位放射性浓度(radioactive concentrati611)衰变常数（Decay constant）:意义：单位时间内每个核衰变的几率。单位：秒-1 或 天-1例：32P =1/1782850秒-1=5.610-7秒-1 60Co =1/239364155秒-1=4.16910-9秒-1 越大，该核素越不稳定，因此，32P比60Co活跃些 4.衰变常数、半衰期和平均寿命衰变常数（Decay constant）:4.衰变常数622)半衰期半衰期半衰期半衰期T 母核数目衰变掉一半所需时间，或放射性母核数目衰变掉一半所需时间，或放射性活度减弱一半所需时间。活度减弱一半所需时间。T 也是放射性核素特征量，也是放射性核素特征量，也表示放射性随时间衰减的快慢。也表示放射性随时间衰减的快慢。T与与 成反比成反比4.衰变常数、半衰期和平均寿命t=T时时,N=N0/2 半衰期差别很大，短的不到1s，长的达到1015y半衰期 T与成反比4.衰变常数、半衰期和平均寿命632)半衰期半衰期(half-life)4.衰变常数、半衰期和平均寿命 半衰期(half-life)4.衰变常数、半衰期和平均寿64 是衰变常量的倒数，是半衰期的是衰变常量的倒数，是半衰期的1.44倍。倍。核的平均寿命核的平均寿命4.衰变常数、半衰期和平均寿命3)平均寿命 对于初始时刻的所有母核来说，寿命从零到无限大都可能存在，所以它们的寿命之和为是衰变常量的倒数，是半衰期的1.44倍。核的平均寿命4.654.衰变常数、半衰期和平均寿命经过相当于平均寿命t的时间，剩下的母核数目仅为原先的37%。4.衰变常数、半衰期和平均寿命经过相当于平均寿命t的时间，66 衰变常量衰变常量、半衰期、半衰期T 和平均寿命和平均寿命 之间的关之间的关系系：知道一个，另外两个也就完全确定了，任何：知道一个，另外两个也就完全确定了，任何一个都可以作为放射性核素的特征量。一个都可以作为放射性核素的特征量。每一种放射性核素都具有特定每一种放射性核素都具有特定 值值(T值、值、值值)，可以根据测量的可以根据测量的 值，来判断是哪种放射性核素。值，来判断是哪种放射性核素。实验表明，实验表明，原子核的放射性是原子核自身性质原子核的放射性是原子核自身性质的反映，的反映，其特征量以及所遵从的规律不受外界条其特征量以及所遵从的规律不受外界条件件(如温度、压强和磁场等如温度、压强和磁场等)的影响，也不会由于的影响，也不会由于核是处于单质中或是处于化合物中而有所变化。核是处于单质中或是处于化合物中而有所变化。4.衰变常数、半衰期和平均寿命 衰变常量、半衰期T 和平均寿命之间的关系：知67