原子核物理知识补充,粒子物理与原子核物理

原子核的结构模型原子核太阳系电子质子中子氢原子氚原子原子结构氧原子88原子的直径大约10-10m，原子核的直径不足原子直径的10-4。核外电子数与原子核内部的质子数相等，所以整个原子呈中性。原子核的符号：原子核由中子和质子组成，中子不带电，质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子统称为核子，数目以A表示，A称为核子数或质量数，核中质子数记为Z，中子数记为N。常用如下形式表示一个原子核：ZANX质量数A质子数Z中子数N元素符号X原子核的质量数：A称为原子核的质量数，A=Z+N原子序数：原子核内的质子数Z又称为原子序数，它决定了该核素在元素周期表里的位置原子的几种表示方法：ZXN例如：92U143ZX例如：92UAX例如：235UX-A例如：U-235AA235235同位素：具有相同原子序数但不同质量数的核素。如氢（1H)、氘(2H)和氚(3H)都是氢的同位素。同质异能素：具有相同的质量数Ａ和原子序数Ｚ但处于不同能态的核素称为同质异能素。如Sb-124和Sb-124m。同质异位素：具有相同质量数A但不同原子序数的核素。如Sr-90和Y-90。质量单位：质量单位：质子质量：质子质量：1.0072761.007276uu中子质量：中子质量：1.0086651.008665uu电子质量：电子质量：1/18361/1836uu原子质量：原子质量：mmaa≌≌ZmZmpp+Nm+Nmnn+Zm+Zmee≌≌Z+N=AZ+N=A原子质量kgamuCu27121066.1)(1211原子质量阿伏加德罗常数：NA=6.02x1023原子（分子）/mol1mol单原子物质的质量：=6.02x1023x1.66x10-24gxA=A(g)可见：1克氢、60克60Co，197克黄金均含有相同的原子数NA元素周期表将元素按照Z的顺序，有规律排列形成的一张表2放射性和辐射不稳定的原子核自发地放射出某种粒子或射线的现象，称为放射性。原子核的这种转变的行为叫做衰变。放射性衰变放出的多余的能量形成了辐射（电离辐射）。能够自发衰变并发射辐射的核素称为放射性核素。原子核的放射性性质和衰变规律不受外界物理、化学、机械等环境条件的影响，是原子核的内在特征所决定的。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。贝克勒尔是法国物理学家，与居里夫妇共同获得1903年物理学诺贝尔奖。3放射性核素的活度放射性核素的活度是放射性核素多少的量度，一定量的某放射性核素的活度是该放射性核素的原子核在单位时间内自发放射性衰变的平均数。单位为秒的倒数（S-1），专用名称是贝可（Bq）放射性活度的老单位是居里1Ci=3.7x1010Bq（1gRa-226的活度）4放射性核素的半衰期(T1/2)和衰变常数(λ)放射性核素的原子核的数量衰变为原来的一半所需要的时间称为该种放射性核素的半衰期，记为T1/2。Nt=N0e-λt衰变常数λ=0.693/T1/2每种放射性核素的半衰期是固定不变的。如：碘-131的半衰期是8天，铯-137是30年，碳-14是5730年，钚-239是24000年，铀-238是4470000000年等等。原子核的平均寿命τ=1/λ=T1/2/0.693RadiocarbonFormationandExchangeCosmicraysnproton14C14NCO214CO278%22）中子核反应）中子核反应例如例如(n,p)(n,p)反应反应n+n+1414N→N→1414C+pC+p第一步核反应产生质子第一步核反应产生质子第二步质子对物质产生第二步质子对物质产生电离作用电离作用np电离14N14C•人体有大量H和N原子中子对人体电离效应严重伤害也严重125辐射的类型α辐射是氦核，有2个质子和2个中子，质量数为4，带正电。来自较大原子核的衰变。α粒子的穿透能力很弱，在空气中的射程只有几个厘米，用纸张或皮肤就可以完全把它们挡住。只有当α粒子进入人体内部的时候才能对人造β辐射是不稳定核发射的电子，带负电荷。β粒子比α粒子小很多，穿透能力也比α粒子大得多，可以用玻璃板或金属板把它们完全挡住。β粒子可以射入人们的皮肤，但也就是到达皮肤的顶层，不会穿透很深，如果遭受大剂量的高能β粒子照射，可能引起皮肤的烧伤（β烧伤）。如果β放射性核素进入人的体内（吸入或食入），可能对人的组织或器官造成危害。当当WWKK/c/c22>M>MXX-M-MYY>W>WLL/c/c22时，时，KK俘获不能发生，而发生俘获不能发生，而发生LL俘获；俘获；22mmeecc22>>W>>Wii，，++衰变的原子核，总可以发生电子俘获；但发生电子俘衰变的原子核，总可以发生电子俘获；但发生电子俘获的原子核不一定发生获的原子核不一定发生++；；轨道电子俘获将伴随轨道电子俘获将伴随XX射线或射线或AugerAuger电子产生；电子产生；KK壳层靠近原子核，所以壳层靠近原子核，所以KK俘获几率最大；俘获几率最大；KK俘获与俘获与ZZ33成正比，成正比，ZZ越大，越大，KK俘获越容易发生。轻核俘获越容易发生。轻核KK俘获几率很小，中等核俘获几率很小，中等核ECEC俘获和俘获和++衰变同时存在，重核衰变同时存在，重核ECEC俘获占优势俘获占优势β辐射--衰变的费米理论衰变的费米理论费米认为：费米认为：正像光子是原子不同状态之间跃迁的产物，中微子是原子正像光子是原子不同状态之间跃迁的产物，中微子是原子核中质子和中子之间转换产生的核中质子和中子之间转换产生的。。导致光子产生的是电磁相互作用，而导致光子产生的是电磁相互作用，而导致中微子产生的是弱相互作用导致中微子产生的是弱相互作用。。中微子被质子的俘获截面中微子被质子的俘获截面：：（（1.101.100.26)0.26)1010-43-43cmcm22β辐射γ辐射由不稳定原子核发射的高能光子（电磁辐射的一种形式，光是另一种形式的电磁辐射）γ辐射的穿透能力比α和β辐射大很多，只有足够厚的致密物质（例如铁、铅等）才能对γ辐射进行有效的屏蔽。即使不进入体内，γ辐射也能对人的内部器官造成剂量。γ辐射一般性质一般性质当原子核发生当原子核发生衰变和衰变和衰变衰变时，衰变后的子核往往处于时，衰变后的子核往往处于激发态，激发态，衰变就是退激发跃衰变就是退激发跃迁过程所导致的能量释放。迁过程所导致的能量释放。一般而言，核的衰变数不等一般而言，核的衰变数不等于所释放出的射线数。于所释放出的射线数。60Co(T=5.27a)-0.309MeV(100%)1.33MeV2.50MeV012γ辐射发射：发射：退激发跃迁的能量以退激发跃迁的能量以光子的形式光子的形式释放。释放。内转换电子：内转换电子：退激发跃迁的能量释放直接转换为原子核退激发跃迁的能量释放直接转换为原子核外电子的动能，从而导致内壳层电子的发射。外电子的动能，从而导致内壳层电子的发射。能量守恒：能量守恒：内转换系数：内转换系数：发射内转换电子时，原子核的自旋和宇称的变化为发射内转换电子时，原子核的自旋和宇称的变化为00++。。)(RlfieEWEEE33/~/lenZNNαα、、ββ、、γγ射线射线三种射线的穿透能力三种射线的穿透能力X辐射大多数辐射都来自放射性核素，是在放射性核素的原子核衰变时由原子核的内部发射出来的，但是X辐射不是这样产生的。X射线通常是用电子束轰击金属靶（常常是钨靶）时产生的。金属靶中原子里的电子吸收了电子束的能量后被激发，当这些被激发了的原子退激时，以发射X射线的形式释放能量。可见，X射线是来自金属靶的原子，而不是来自原子核内部。对X射线来说没有半衰期，只要把电子束关掉，X射线也就消失了。X射线和γ射线一样是高能光子，但是X射线是人工产生的。中子辐射不稳定原子核发射的中子，尤其是在核裂变或核聚变的过程中发射的除了宇宙射线中的中子以外，中子通常是人工产生的。中子不带电，穿透能力会很强与物质或人的组织相互作用时，可能发射β和γ辐射要求用小原子序数的物质（如水、石蜡等）进行屏蔽类型类型粒子粒子符号符号电荷，电荷，ee静止质量静止质量稳定性稳定性amuamuMeVMeV重重带电粒子带电粒子质子质子PP+1+11.0071.007938.26938.26稳定稳定αα辐射辐射αα+2+24.0024.0023728.813728.81稳定稳定电子电子负电子负电子ββ---1-14.586x14.586x100-4-40.5110.511稳定稳定正电子正电子ββ+++1+14.586x14.586x100-4-40.5110.511稳定稳定中性粒子中性粒子γγ辐射辐射γγ000000稳定稳定中子中子nn001.0091.009939.55939.55不稳定不稳定各种辐射的静态特性二辐射照射的来源•天然辐射源•人工辐射源天然辐射源：宇宙辐射和宇生辐射：来自宇宙空间的高能粒子能穿过地球大气到达人的生存环境的辐射和宇宙辐射与大气相互作用产生的辐射（C-14等）陆生辐射：存在于陆地土壤、岩石、水等物质中的天然放射性核素发生的辐射，主要是铀（镭）、钍、钾等。人体内的天然放射性核素（主要是K-40）对人的照射氡（含Rn-220）及其子体对人的照射（本属于陆生辐射，由于其对剂量贡献的重要性，在国民剂量统计时常单列）宇宙辐射来自其它星球（如太阳）或宇宙空间的辐射，主要由中子质子、电子和介子等高能粒子组成。这些粒子有很强的穿透能力，可以到达地球，对人类造成外照射。宇宙射线的强度随海拔高度的增加而增大，所以在高原旅行、航空和航天飞行时会受到更强的宇宙辐射照射。宇生辐射宇宙射线和大气层及地表空气中的物质相互作用产生的放射性核素或辐射。宇生放射性核素大约有二十多种，其中3H、14C、7Be、22Na等贡献较大。陆地天然存在的三个放射系：钍系铀系锕-铀系每个放射系的第一个核素的半衰期都非常长。钍系是由232Th开始，经10次衰变到达稳定核208Pb。该系中各核素的质量数为4的整数倍，顾亦称为4n系。铀系是由238U开始的，经过14次衰变到达稳定核206Pb，该系中各核素的质量数为4n+2，顾亦称为4n+2系。锕-铀系是由235U开始的，经过11次衰变到达稳定核207Pb，该系中各核素的质量数为4n+3，顾亦称为4n+3系。在天然放射系中缺少4n+1系，后来用人工方法发现了这一放射系，其中半衰期最长的核素是237Np，称为镎系。从天然辐射对人类辐射剂量的贡献考虑，常常把天然辐射分为宇宙辐射、陆生辐射、体内天然辐射源和氡（包括Rn-222和Rn-220及其子体）。908282829292人工辐射源：由于人类活动增加的辐射源，造成对人的照射和对环境的影响医疗照射：人们为了医学诊断和治疗而接受的辐射照射（受照人员包括患者或受检者、陪护家属或亲友、生物医学研究的志愿人员）注意医疗照射是人工辐射中对人的照射剂量贡献最大的一项；可以运用实践的正当性和辐射防护最优化原则对医疗照射进行控制，但剂量限值不适用于医疗照射。医疗人员在实施医疗照射时应以GB18871-2002提供的指导水人工辐射源（续）核试验核试验始于1945年，在冷战时期，特别是1954-1958和1961-1962年间核试验的次数较多，大规模的大气核试验到1980年基本停止，前两年印巴曾有核试验，但次数和规模都有限。地下核试验则延续到上世纪末。大气核试验会向环境释放大量的放射性物质，弥散范围很大，但是其中很多放射性核素的半衰期很短，长期影响不大。地下核试验释放的放射性物质要少得多。据UNSCEAR的统计（2000年）现在核试验遗留放射性物质造成的全球人均年剂量约为0.005mSv。人工辐射源（续）重大核事故一般地说，尽管核事故会向环境释放较多的放射性物质，但是影响范围有限。只有极其严重的核事故才有可能影响广大地区。切尔诺贝利核电站事故是一次具有几乎全球放射性影响后果的核电站事故。切尔诺贝利核电站事故释放的放射性物质主要散布在欧洲国家，其中尤以白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯为甚，此外，北半球的很多国家（包括我国）当时都可以测量到该事故释放的放射性物质，释放到南半球的放射性物质就很少了。据UNSCEAR的统计（2000年）现在切尔诺贝利核电站事故遗留的全球人均年剂量大约为0.002mSv。（人均天然照射约为2~3mSv）人工辐射源（续）核能生产核能以清洁、安全著称，现在是以铀、钚为燃料的核裂变发电，不久可能实现核聚变发电，核燃料将不成问题。据IAEA的统计，现在全世界有大约450座核电站在运行，总装机容量超过了350GW，提供全世界总用电量的大约17%。核电站在正常运行情况下向环境释放的放射性物质很少，其中一些放射性核素的半衰期很短，对环境的影响很小。据UNSCEAR的统计（2000年），核能生产造成的全球人均年剂量大约为0.0002mSv。辐射源及其产生的人均剂量（UNSCEAR2000年报告）2.8合计0.40.50.31.20.40.0050.0020.0002天然辐射源宇宙辐射陆生辐射体内源（主要是K-40）氡及其子体人工辐射源医疗照射大气核试验切尔诺贝利核能剂量，mSv辐射源根据辐射类型列出了常用的主要放射源（179页）源类别源类别常用核素常用核素αα源源天然天然αα源：源：210210PoPo，，226226RaRa，，228Th228Th，，233233UU，，235235UU人工人工αα源：源：239239PuPu，，241241AmAm，，244244CmCmββ--源源低能低能ββ源：源：33HH，，6363Ni,Ni,5555FeFe，，125125SbSb，，134134CsCs中能中能ββ源：源：1414CC，，4545CaCa，，5858CoCo，，8585KrKr，，9999TcTc，，137137CsCs，，169169ErEr，，203203Hg,Hg,204204TlTl高能高能ββ源：源：8989Sr,Sr,9090Sr/Sr/9090YY，，106106Ru/Ru/106106RhRhββ++源源正电子源：正电子源：2222NaNa，，5858CoCoγγ源源超低能超低能γγ（（XX）源（）源（<6keV<6keV）：）：αα或者或者ββ粒子轰击低粒子轰击低ZZ靶核（靶核（Be-TiBe-Ti））低能低能γγ源（源（6-150keV6-150keV）：）：5555FeFe，，5757Co,Co,7575Se,Se,109109Cd,Cd,125125I,I,153153Gd,Gd,169169Yb,Yb,170170Tm,Tm,181181W,W,238238Pu,Pu,241241AAm,m,244244CmCm高能高能γγ源（源（>300keV>300keV）：）：5151Cr,Cr,6060Co,Co,133133Ba,Ba,124124Sb,Sb,125125Sb,Sb,134134Cs,Cs,137137Cs,Cs,182182Ta,Ta,192192IrIr高活度高活度γγ源（源（>10>101313BqBq）：）：6060Co,Co,137137Cs,Cs,226226RaRa穆斯堡尔源：穆斯堡尔源：5757Fe/Fe/5757Co,Co,119119Sn/Sn/119m119mSn,Sn,125125I/I/125125Te,Te,133133Ba/Ba/133133Cs,Cs,195195Au/Au/195195Pt,Pt,182182Ta/Ta/182182WW中子源中子源（（α,nα,n）中子源）中子源::210210Po,Po,210210Pb,Pb,226226Ra,Ra,227227Ac,Ac,228228Th,Th,232232U,U,238238Pu,Pu,239239Pu,Pu,241241Am,Am,242242Cm,Cm,244244CmCm(γ,n(γ,n）中子源）中子源::2424Na,Na,5656Mn,Mn,7272Ga,Ga,8888Y,Y,116m116mIn,In,124124Sb,Sb,140140La,La,226226RaRa自裂变中子源：自裂变中子源：235235U,U,236236Pu,Pu,238238Pu,Pu,240240Pu,Pu,242242Pu,Pu,242242Cm,Cm,252252Cf,Cf,254254CfCf辐射辐射热源热源αα热源：热源：210210Po,Po,227227Ac,Ac,228228Th,Th,232232U,U,238238Pu,Pu,242242Cm,Cm,244244CmCmββ热源：热源：9090Sr,Sr,137137Cs,Cs,144144Ge,Ge,147147Pm,Pm,170170TmTmγγ热源：热源：6060CoCo辐射（射线）与物质的相互作用αα射线射线与物质的相互作用射线与物质相互作用γ射线与物质的相互作用中子与物质的相互作用αα射线射线与物质的相互作用主要表现为电离和激发激发当带电粒子通过组成物质的原子核附近时，传递给原子核外围轨道电子的能量不足以使其脱离原子核的束缚，而使轨道电子从低能态跃迁到高能态，即使原子激发。激发态是不稳定的，当电子由高能态返回低能态时以发射光子（或x射线）的形式释放能量。电离当带电粒子的能量较大时，可使原子的轨道电子脱离原子核的束缚，成为自由电子，并使原子核带正电，这个过程称为电离。一次电离生成一对离子（带负电荷的电子和带正电荷的原子核）。如果自由电子具有足够的能量还可以产生次级电离或激发。由于物质的结构不同，产生一对离子所需要的能量也不同，如空气需32.5eV，而锗只需2.94eV。不同的带电粒子的电离密度不同，如α粒子的电离密度要比β粒子大很多。（重型炮弹与子弹）射线与物质相互作用射线与物质相互作用电离和激发电离和激发辐射辐射轫致辐射：库仑场对电子（正电子）加速（或减速）导致的电磁轫致辐射：库仑场对电子（正电子）加速（或减速）导致的电磁波辐射波辐射切伦科夫辐射：切伦科夫辐射：v>c/nv>c/n游泳池式反应堆中，放射性物质发出的游泳池式反应堆中，放射性物质发出的射线在重水中引起的切伦科夫辐射γ射线与物质的相互作用γ射线不带电，是一种电磁辐射，是一群能量较高的光子。γ射线在与物质原子的一次碰撞中损失其大部或全部能量，并使自己的强度减弱，直至消失。γ射线与物质的相互作用主要有以下三种方式：光电效应。当γ光子通过物质的原子核附近时，与原子核的束缚电子相互作用，光子将其全部能量传递给某个束缚电子，使其发射出去成为自由电子，同时光子消失，这个过程称为光电效应。在光电效应过程中发射出来的电子叫做光电子。γ光子交给束缚电子的能量中，一部分用来使束缚电子脱离原子核的束缚而成为光电子（电离能），另一部分作为光电子的动能。用以衡量发生光电效应可能性大小的量称为截面，截面越大发生光电效应的可能性越大。一般地说，γ光子的能量较低，而与γ光子相互作用的物质原子核的原子序数（Z）越大，光电效应截面也越大，当γ光子的能量超过2MeV时光电效应就不明显了。这就是采用高原子序数的探测元件探测γ辐射的原因。出于相同的原因，通常选用高原子序数的物质（例如铅）作为γ辐射的屏蔽材料。光电效应被广泛用于核素识别和测量。康普顿效应γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，将一部分能量转移给核外电子，使其脱离原子核的束缚而成为反冲电子（称为康普顿电子），而散射光子的能量和运动方向发生改变。散射光子的能量随散射方向的不同而不同。这样，单一能量的入射光子经康普顿效应以后，其能量就不是单一的了，而是连续分布的。一般地说，康普顿效应的截面随入射光子能量的增加而减小。电子对效应当γ光子从物质原子核附近经过时，在原子核的作用下，γ光子转化为一个正电子和一个负电子。这种过程称为电子对效应。根据能量守恒定律，只有当入射光子的能量大于两个电子相当的能量（2mec2，大约为1.02Mev）时才有可能发生电子对效应。入射光子的能量一部分转换为两个电子的静止质量（大约为1.02Mev），其余部分成为它们的动能。γ光子通过物质时，经与物质的原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量。这三种效应对于入射光子的能量和吸收物质的原子序数有一定的依赖关系，因而对于不同的光子能量和吸收物质，这三种效应的相对重要性是不同的。概括地说，（1）对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占有优势。（2）对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占有优势。（3）对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，中子与物质的相互作用与上述辐射不同，中子一般不与吸收物质的核外电子相互作用。原子核对中子的散射入射中子改变运动方向或损失一部分能量。在弹性散射中，入射中子和碰撞原子核的总动量不变，靶核不发生状态的变化。在非弹性碰撞中，中子损失一部分能量使原子核激发，激发核放出γ光子后回到正常状态。中子俘获入射中子进入靶物质的原子核内部被靶核俘获，形成一个新的不稳定核。这个不稳定核通过发射γ光子、α粒子、β粒子而蜕变，这个过程称为中子俘获核反应入射中子进入重原子核内部可能使重核裂变，即发生核反应（裂变反应）