核物理基础ppt课件

核物理基础,1,一、原子与原子核 二、放射性衰变 三、核反应 四、核裂变与核聚变 五、人工放射性及其生产,主要内容,2,一、原子与原子核,3,物质由分子组成 分子由原子组成 原子由原子核和核外电子组成 每一种原子对应一种化学元素(Z一定) 原子核由中子和质子组成,物质结构,4,定义：组成物质的微小单元 构成：原子核 + 核外电子,原 子,5,原子结构模型,6,原子模型 类似太阳系,太阳-原子核 行星-核外电子,7,组成： 质子 + 中子 数目： Z个质子， N个中子 质子电荷： +e 原子核电荷： +Ze 中子电荷： 不带电,原子核,8,原子电中性： 整体对外表现出来的电荷为0 核外电子数： 等于核内质子数 Z,原子核外电子数,9,质量单位： 质子质量：1.007276 u 中子质量：1.008665 u 电子质量：1/1836 u,原子质量,10,原子质量数,原子质量： 原子质量数：A 电子：,e = 1.60210-19C me = 9.01910-31kg,11,原子核 原子中的全部正电荷和原子的绝大部分质量(99.9%都集中在原子中心一个很小的区域内, 称作原子核. 原子核的大小fm, 1fm = 10-15m. 原子的大小为10-10m,12,原子与原子核的大小,原子大小： 原子核半径：,13,阿伏加德罗常数,1 mol单原子物质的质量： 比如：1克氢气、60克60Co，197克黄金均含有相同的原子数NA,14,能量单位： 国际单位焦尔, 1J 原子能单位： 1eV = 1电子伏特 = 1.610-19 J 派生单位： 1keV = 103eV, 1MeV = 106eV,能量及其单位,15,原子核质量亏损： 所有原子核都有正的质量亏损。 原子核结合能：,原子核质量亏损,质能关系,质量亏损对应放出能量： 1克质量完全转化为能量：1014 J 相当于2412吨标准煤燃烧,思考：核电与火电的能量密度差异？,17,核素的表示,核素：质子数、中子数和能量状态相同的原子核的总称。,18,19,核素图,20,核素图（部分）,21,在核素图上表示的不同种类的原子核,稳定线,22,核素的种类,人类已经发现了2000多种核素 有近300种核素是稳定的，其余都是不稳定核素,同位素：如1H、 2H 、 3H ， 12C、 13C 、 14C 39K、 40K 、 41K 234U、 235U 、 238U 同量异位素： 40Ar、 40K 、 40Ca,23,二、放射性,24,放射性,原子核自发地放射出某种粒子或射线的现象，称为放射性。 放射性不受物理、化学等环境条件的影响，是原子核的内在特征。,25,放射性的发现,1896年贝可勒尔（H.Bequerel） 发现铀矿能发射出穿透力很强的不可见射线，并使照相底片感光。,26,射线在电场中的偏转,27,射线在磁场中的偏转,28,放射性种类,： 在电/磁场中偏转，与带正电荷离子流相同； ： 在电/磁场中偏转，与带负电荷粒子流相同； ： 在电/磁场中不偏转，电中性。 ： 42He 原子核； ： 电子； ： 光子，电磁波； n: 中子，在电磁场中不偏转,29,放射性来源于原子核的衰变：,放射性的来源,30,衰变类型,31,衰变,原子核自发地放出粒子而发生的转变,例如：,32,衰变的表达式与守恒量,一般衰变表达式：,33,衰变能与粒子动能,34,粒子特征,能量：一般来说， 粒子能量 4-8 MeV，能量单一。 穿透能力：非常弱，在空气中的射程约几厘米。在固体材料中的射程10-20微米。一张薄纸就能挡住。 重核才具有衰变 （A150）,35,常见的衰变源,源 能量 空气 自身材料 210Po： 5.3MeV 3.84cm 0.002cm 238Pu： 5.445,5.499MeV 4.1cm 0.002cm 241Am： 5.443,5.486MeV 4.1cm 0.002cm,36,衰变,原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变,衰变,-衰变放射出电子：,+衰变放射出正电子：,俘获轨道电子：,37,衰变能与粒子动能,衰变能： 衰变能的分配：,粒子,中微子,反冲核,衰变特点,电子： 放出的射线是电子 能量连续： 从很低能量到接近衰变能 穿透力不强：纸张，铝箔 伴随粒子： 中微子，穿透力极强！ 韧致辐射： 屏蔽材料选择 +e： 对于正电子，存在电子对效应 质量数守恒：衰变过程中，质量数A保持不变,39,常用的放射源,低能源：55Fe(5.6keV), 3H(18.5keV), 63Ni(65.8keV) 中能源：14C(156keV), 147Pm(224keV), 204Tl(763keV) 高能源：32P(1710keV), 89Sr(1460keV), 106Ru-106Rh(3541keV),40,跃迁,原子核从高激发态到低激发态跃迁时，放出光子的过程,Ei,Ef,41,跃迁特点,跃迁中原子核只是能量状态的转变 跃迁中原子核的质量数和电荷数保持不变 能量从几十keV到几个MeV 放射源一般伴随着 、粒子的发射。,42,中子,组成原子核的粒子 不带电 穿透力极强，屏蔽困难 生物损伤大,43,137Cs 衰变纲图,661.66 85.0% e9.6%,44,60Co的衰变,1.17MeV,60Co,5.3a,1.33MeV,60Ni,45,特性： 射线是重带电粒子射线，与物质作用电离本领大，在物质中射程短； 射线是轻带电粒子射线，与物质作用是直接电离，射程比射线长； 射线是光子（电磁波）射线，与物质作用是间接电离，射程在三种射线中最长。,比较、和辐射,46,三、放射性活度及单位,47,活度定义,活度：一个放射源，在单位时间内衰变的原子核数目。用于衡量放射性的强弱。 放射源质量的多少不能用于衡量放射性的强弱。 射线强度：单位时间内放射出的某种射线的数目。 对于有些放射源，活度与射线强度相等，有些放射源，活度不等于射线强度。 比活度：放射源单位质量的活度。用于衡量放射源的纯度。,48,活度单位,放射性活度的国际单位为Bq(贝可勒尔) 1贝可： 1Bq=1次衰变/秒 强度单位： 1Bq=1个射线/秒 常用旧单位：居里 Ci 1Ci = 3.71010 Bq 1mCi = 3.7107 Bq 1uCi = 3.7104 Bq 比活度单位： Bq/kg, Ci/kg,49,比活度理论最大值,一个放射源，如果由纯的放射性原子核组成， 它的比放射性有一个理论最大值： 比如 60Co： 4.21016 Bq/kg (1.23106Ci /kg) 实际： 1014-15 Bq/kg (104-105 Ci /kg),四、放射性衰变规律,51,核数目的衰变规律,放射性原子核数目随时间的变化关系： 衰变常数： 在单位时间内每个原子核的衰变几率。,52,222Rn衰减曲线-直角坐标,53,衰减曲线-对数坐标,54,活度衰变规律,活度与源数目、衰变常数的关系,55,半衰期 T1/2,定义：放射性原子核衰减到原来数目的一半需要的时间。 半衰期与衰变常数的关系：,实例,1、已知137Cs的半衰期为30年，目前的活度为 100万Ci，求90年后活度为多少？ 2、已知60Co的半衰期为5.27年，目前的活度为 100万Ci，估算15年后的活度为多少？ 3、求1Ci的60Co所含的原子核数目与核质量。 4、求纯60Co的理论上的比活度？ 5、制得137Cs放射源， 137Cs的质量仅有1毫克， 求放射性活度？,57,五、放射性平衡,58,原子核衰变往往是一代又一代地连续衰变，直到最后达到稳定为止，这种衰变叫做递次衰变。,举例：,母体,子体,第二代子体,递次衰变,59,递次衰变中原子核数目和放射性活度的变化关系,60,母体A原子核数目的变化服从原子核衰变规律：,子体B的核数目变化情况：,61,各代子体原子核的衰变，不再是简单指数规律，而与前面各代衰变常数都有关。,子体B的原子核数目随时间的变化：,在连续放射性衰变中：,母体原子核的衰变，服从简单的指数衰减规律；,62,有三种情况：长期平衡 暂时平衡 不平衡,问题： 在递次衰变链中，时间足够长后，子体的衰变规律会出现什么情况？,63,T1T2 或者 12，但是T1也不是很大， 在观察时间内可以看出母体放射性的变化。,12.6h,0.81h,例如：,暂时平衡,64,母体放射性活度：,子体放射性活度：,65,当T1T2 或者 12 ，如：,2. 母体、子体、母子体均按照母体的衰减常数（半衰期）衰减。与子体的衰减常数无关。,暂时平衡,子体与母体的放射性活度建立起固定的比例关系 （常数）：,12.6h,0.81h,66,67,长期平衡,T1T2 或者 12,28.8y,64.1h,例如：,条件：,68,根据子体B的原子核数目随时间的变化，,由于12，当t足够大时( t 5T2 )，,即：,时间足够长，子体母体之间出现长期平衡，子体的放射性活度与母体相同，达到饱和。,69,70,不成平衡,T12，母体衰变比子体快。,例如：,25.0m,8.04h,条件：,71,根据子体B的原子核数目随时间的变化，,当时间足够长，母体几乎全部衰变，转变成子体， 子体按照自己的衰变常数衰变，子体母体之间不会出现平衡。,当t足够大时，,72,天然放射系,放射系： 钍系 铀系 锕系,73,钍系,从232Th开始，经过十次连续衰变，最后到稳定核素 208Pb。 母体 232Th 的半衰期为1.411010年。子体半衰期最长的是228Ra，为5.76年。,74,钍系,核 素 衰变方式 半衰期 粒子能量（Mev）（分支比） 232Th 1.411010y 4.01(76),3.95(24) 228Ra 5.76 y 0.048(70),0.024(30) 228Ac 6.13 y 1.19(35),1.76(20) 2.10(13),0.62(6) 228Th 1.931y 5.42(71),5.34(28) 224Ra 3.661d 5.684(95),5.45(5) 220Rn 55.6s 6.29(99.9),5.75(0.07) 216Po 0.15s 6.77(100) 212Pb 10.64h 0.34(81),0.58(14) 212Bi , 60.6min 2.25(54),1.25(5) 6.05(25),6.09(10) 212Po 3.0101-7s 8.78(100) 208Tl 3.053min 1.80(49),1.29(24) 1.52(23),1.04(4) 208Pb 稳定,75,铀系,从238U开始，经过14次连续衰变，最后到稳定核素206Pb。 母体 238U 的半衰期为4.468109年。 子体半衰期最长的是234U，为2.45105年。,76,铀系,核 素 衰变方式 半衰期 粒子能量（Mev）（分支比） 238U 4.468109y 4.20(75),4.15(25) 234Th 24.10d 0.19(81),0.10(19) 234mPa 1.175min 1.29(98) 234Pa 6.75h 0.51(66),0.23(14), 0.73(11),1.02(7) 234U 2.45105y 4.77(72),4.72(28) 230Th 8104y 4.68 (76),4.62 (23) 226Ra 1600y 4.78(94),4.598(5) 222Rn 3.824d 5.486(99) 218Po , 3.05min 6.00(99.98), 0.27(0.02) 214Pb 26.8min 0.69(42),0.74(36),1.03(6) 212Bi , 19.7min 3.28(20),1.51(18),1.55(15),5.45,5.511(0.02) 214Po 1.6410-4s 7.688(100) 210Tl 1.30min 1.9(56),1.3(25),2.3(19) 210Pb 22.3y 0.017(81),0.063(19) 210Bi 5.01d 1.160(99+) 210Po 138.4d 5.305(100) 206Pb 稳定,77,锕系,从235U开始，经过11次连续衰变，最后到稳定核素207Pb。 母体235U的半衰期为7.038108年。 子体半衰期最长的是231Pa,为3.28104年。,78,核 素 衰变方式 半衰期 粒子能量（Mev）（分支比） 235U 7.03108y 4.396(57),4.37(18) 231Th 25.52h 0.30(46),0.22(27) 231Pa 3.28104y 5.01(24),5.02(23),4.95(22) 227Ac , 21.773d 0.044, (98.6), 4.95(0.7),4.94(0.5) 227Th 18.718d 6.03(25),5.976(23),5.755(20), 223Fr 21.8min 1.10, 223Ra 11.435d 5.71(53),5.605(24), 5.745(9),5.538(9), 219Rn 3.96s 6.817(81),6.551(12),6.423(7), 215Po 1.7810-3s 8.384(100) 211Pb 36.1min 1.37(92),0.53(6), 211Bi , 2.15min 6.62(84),6.28(16). 0.59,(0.3) 211Po 0.516s 7.45(99),6.89(0.5), 207Tl 4.77min 1.43(99) 207Pb 稳定,锕系,79,六、核反应,80,核反应的基本概念,定义：原子核与原子核、或者原子核与其他粒子之间相互作用引起的各种变化 表示： 概念：入射粒子、靶核，出射粒子、剩余核,反应道,发生反应的一个途径，称为反应道，如： 入射道、出射道：,核反应中的守恒量,电荷 质量数 能量 动量 角动量 宇称,83,反应能,核反应中释放出来的能量称为反应能 反应能的来源：质量亏损 放能反应： Q0， 吸能反应：Q0 如：,反应截面与产额,反应截面定义： 截面单位：靶恩( b) 1b = 10-24 cm2 反应产额定义：平均每个入射粒子引起的反应数 反应产额与靶材料状态有关,核反应类型,低能核反应： 30MeV/A 高能核反应： 1000MeV/A 中子核反应： (n,), (n,p), (n,2n) 带电粒子核反应：(p,n), (d,n), (,pn) 光核反应： (,n), (,p) 重离子核反应：,86,实现核反应的方法,加速器 反应堆 放射性同位素 宇宙射线,87,七、核裂变与核聚变,88,核裂变的基本概念,核裂变是一个大原子核分裂成两个或者多个中等质量原子核的变化。 二分裂变（占主要） 三分裂变（少部分，0.3%）,89,自发裂变,原子核自发产生的裂变，如： 252Cf： T1/2 = 2.6a 裂变中子源 254Cf： T1/2 = 60.5 d 238U： T1/2 = 11016a 235U： T1/2 = 3.51017 a 242Am： T1/2 = 9.51011 a,诱发裂变,由中子轰击才能引起的核裂变，如：,中子与核的作用,如果出射粒子也是中子，称为中子与原子核的散射。 弹性散射： 散射后系统总动能不变（n，n）,n 非弹性散射：散射后系统总动能减少（n，n）, n 辐射俘获：出射粒子是射线 （n, ）, c 慢中子及中能中子与核作用，主要以弹性散射、辐射俘获为主。 裂变： f,92,截面与中子能量关系,不同能量的中子，引起的裂变几率不一样。 对于238U，存在一个阈能，只有中子能量大于阈能时，才能引起裂变。 对于235U，热中子就可以引起裂变，且有较大截面。中子能量高时截面反而小。,93,核燃料,热中子就可以引起裂变的核素，称为易裂变核，又称核燃料， 如 233U、235U、239Pu。 快中子才能引起其裂变的核素，称为可裂变核，如238U。,94,裂变产物,裂变产物是指核裂变后产生的所有裂变碎片及其衰变产物。 中子、射线、粒子、中微子，以及其他带电粒子等如粒子，是上述碎片衰变时放出的粒子。 对裂变产物及其分布的研究，对于反应堆的设计、运行、控制，对乏燃料的处理处置等均具有重要的意义。,95,235U裂变初级碎片,235U裂变初级碎片（续）,235U主要裂变产物,裂变产物特征及影响,具有强烈放射性，携带能量（热量） 个别产物释放中子 有些产物对中子有强烈吸收 有些产物是气体 对反应堆安全、静特性、动特性有重要影响。,99,原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，称为裂变能，俗称原子能。裂变能来源：质量亏损,裂变能,235U裂变能及分布,1克铀235完全发生核裂变后质量亏损： 1克铀235完全发生核裂变后放出的可用能量： 相当于2.5t标准煤,裂变能具体计算（1）,1000MWe 核电站每天消耗235U： 相当于标准煤： 8000t,裂变能具体计算（2）,压水堆核电站示意,104,核聚变,轻原子核结合生成较重原子核的反应，称为核聚变。 最重要的聚变反应：,聚变能,1克氘完全聚变放出的能量： 受控热核反应：人类解决能源问题的希望,中国环流器二号A装置建成投运，物理实验取得重大进展，中国成为国际聚变技术研究的一员。,核聚变实验装置,107,八、人工放射性生长,108,生长规律,假设单位时间内生长的核数目为P，放射性活度随时间的增长为：,生长曲线,110,放射性核素活度 随生产时间的变化,表 放射性核素活度随生产时间的变化,111,生长方法,加速器：利用带电粒子束核反应，适合少量活度、短半衰期核素的生长，可较准确控制，灵活方便。一般是缺中子核素，具有+衰变。 反应堆：主要利用反应堆中中子核反应，适合活度要求大的放射性核素的生长，成本较低。一般是丰中子核素，具有-衰变。,112,加速器生长放射性核素,加速器产生的具有一定能量的带电粒子，如电子、质子、氘核和粒子轰击靶材料，通过（p,n）、(d,n)、（d,2n）、(d, )、(d,p)和（,n）等反应得到放射性同位素。 利用加速器生产放射性同位素，由于束流(入射粒子流)的能量、种类非常丰富，可以利用的核反应非常多，因此可以生产更为丰富的放射性同位素。在已经得到应用的放射性同位素中，加速器生产的占绝大多数。,113,常用加速器生长的核素,反应堆生产放射性同位素,目前应用的放射性核素，按活度计算，绝大多数是反应堆生产的。通过反应堆制备主要有两个途径： 1、利用堆中的强中子源照射靶材料，靶核俘获中子生成放射性核素。 2、利用中子引起的重核裂变产生裂变碎片，裂变碎片中有很多放射性核素，从中可以提取需要的放射性核素。,115,反应堆生产放射性核素实例,例如生产60Co放射性同位素时，将金属钴丝（或钴片、钴棒）密封于不锈钢壳内。放入反应堆中照射，由59Co(n，) 60Co反应得到放射性同位素60Co。所以反应堆生产放射性同位素主要包括制靶、反应堆照射、活度测量、分装等步骤。 在反应堆运行中，大量铀核不断发生裂变反应，因而可从反应堆使用过的乏燃料中分离出放射性核素(有200种左右)，这些核素大多数具有、放射性，其中半衰期较长而产额又较大的仅有十几种，主要有：85Kr，89Sr，90Sr-90Y，95Zr，95Nb，99Tc，131I，137Cs，140La，140Ba，141Ce，143Pr，147Pm及237Np、241Am等。,116,正确使用放射性，将为人类造福；放射性的使用不当，将贻害无穷。 放射性进入环境后，将从各个方面影响人类的生存。 长半数衰期核素不仅影响当前人类的生存与健康，还将长远地影响人类。 因此，辐射安全与防护工作至关重要。,117,了解放射性特征，掌握放射性基本知识，是搞好辐射安全与防护的技术基础。,118,谢谢！,119,