原子核物理知識補(bǔ)充

1、原子核的結(jié)構(gòu)模型原子核太陽系電子質(zhì)子中子氫原子氚原子原子結(jié)構(gòu)氧原子88原子的直徑大約10-10m，原子核的直徑不足原子直徑的10-4。核外電子數(shù)與原子核內(nèi)部的質(zhì)子數(shù)相等，所以整個原子呈中性。原子核的符號原子核的符號： 原子核由原子核由中子中子和和質(zhì)子質(zhì)子組成，中子不組成，中子不帶電，質(zhì)子帶單位正電荷。中子和質(zhì)子質(zhì)量帶電，質(zhì)子帶單位正電荷。中子和質(zhì)子質(zhì)量相當(dāng)，分別約等于一個相當(dāng)，分別約等于一個原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位。核中。核中中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，數(shù)目以中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，數(shù)目以A表示，表示，A稱為核子數(shù)或質(zhì)量數(shù)，核中質(zhì)子數(shù)記為稱為核子數(shù)或質(zhì)量數(shù)，核中質(zhì)子數(shù)記為Z，中子數(shù)記為中子數(shù)記為N。常

2、用如下形式表示一個原子。常用如下形式表示一個原子核：核：ZANX質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)Z中子數(shù)中子數(shù)N元素符號元素符號X原子核的質(zhì)量數(shù)原子核的質(zhì)量數(shù)：A稱為原子核的質(zhì)量數(shù)，A = Z + N原子序數(shù)原子序數(shù)：原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)Z又稱為原子序數(shù)，它決定了該 核素在元素周期表里的位置原子的幾種表示方法：原子的幾種表示方法： ZXN 例如：例如：92U143 ZX 例如：例如：92U AX 例如：例如：235U X-A 例如：例如：U-235AA235235同位素同位素：具有相同原子序數(shù)但不同質(zhì)量數(shù)的核素。如氫（1H)、氘 (2H) 和氚(3H)都是氫的同位素。同質(zhì)異能素：具有相同的質(zhì)量數(shù)和原子序

3、數(shù)但處于不同能態(tài)的核素稱為同質(zhì)異能素。如Sb-124和Sb-124m。同質(zhì)異位素：具有相同質(zhì)量數(shù)A但不同原子序數(shù)的核素。如Sr-90和Y-90。原子質(zhì)量kgamuCu27121066. 1)(1211原子質(zhì)量阿伏加德羅常數(shù)： NA = 6.02 x 1023 原子（分子）/mol1 mol單原子物質(zhì)的質(zhì)量： = 6.02 x 1023 x 1.66 x 10-24g x A = A (g)可見：1克氫、60克60Co，197克黃金均含有相同的 原子數(shù) NA元素周期表將元素按照 Z 的順序，有規(guī)律排列形成的一張表2 放射性和輻射 不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地放射出某種粒子或射線的現(xiàn)象，稱 為放射性放射性

4、。 原子核的這種轉(zhuǎn)變的行為叫做衰變衰變。 放射性衰變放出的多余的能量形成了輻射輻射（電離輻射）。 能夠自發(fā)衰變并發(fā)射輻射的核素稱為放射性核素放射性核素。 原子核的放射性性質(zhì)和衰變規(guī)律不受外界物理、化學(xué)、機(jī) 械等環(huán)境條件的影響，是原子核的內(nèi)在特征所決定的。放射性的發(fā)現(xiàn)1896年貝可勒爾（H.Bequerel）發(fā)現(xiàn)鈾礦能發(fā)射出穿透力很強(qiáng)的不可見射線，并使照相底片感光。貝克勒爾是法國物理貝克勒爾是法國物理學(xué)家，與居里夫婦共學(xué)家，與居里夫婦共同獲得同獲得1903年物理學(xué)年物理學(xué)諾貝爾獎。諾貝爾獎。3 放射性核素的活度 放射性核素的活度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該放射性核素

5、的原子核在單位時間內(nèi)自發(fā)放射性衰變的平均數(shù)。單位為秒的倒數(shù)（S-1），專用名稱是貝可（Bq）放射性活度的老單位是居里 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq （1g Ra-226的活度）4 放射性核素的半衰期(T1/2)和衰變常數(shù)() 放射性核素的原子核的數(shù)量衰變?yōu)樵瓉淼囊话胨枰臅r間稱為該種放射性核素的半衰期期，記為，記為T1/2 。 Nt = N0 e-t 衰變常數(shù)衰變常數(shù) = 0.693/ T1/2 每種放射性核素的半衰期是固定不變的。如：碘-131的半衰期是8天，銫-137是30年，碳碳-14是5730年，钚-239是24000年，鈾-238是4 470 000 000年等等。 原

6、子核的平均壽命平均壽命 = 1/ = T1/2 / 0.693Radiocarbon Formation and ExchangeCosmic raysnproton14C14NCO214CO278%n p電離電離1414N N1414C C 人體有大量人體有大量 H H 和和 N N 原子原子 中子對人體電離效應(yīng)嚴(yán)重中子對人體電離效應(yīng)嚴(yán)重 傷害也嚴(yán)重傷害也嚴(yán)重125 輻射的類型 輻射 是氦核，有2個質(zhì)子和2個中子，質(zhì)量數(shù)為4 ， 帶正電。來自較大原子核的衰變。 粒子的穿透能力很弱，在空氣中的射程只有 幾個厘米，用紙張或皮膚就可以完全把它們擋 住。 只有當(dāng)粒子進(jìn)入人體內(nèi)部的時候才能對人造 成危

7、害。 輻射 是不穩(wěn)定核發(fā)射的電子，帶負(fù)電荷。 粒子比粒子小很多，穿透能力也比粒子 大得多，可以用玻璃板或金屬板把它們完 全擋住。 粒子可以射入人們的皮膚，但也就是到達(dá)皮膚 的頂層，不會穿透很深，如果遭受大劑量的高能 粒子照射，可能引起皮膚的燒傷（ 燒傷）。 如果放射性核素進(jìn)入人的體內(nèi)（吸入或食入）， 可能對人的組織或器官造成危害。 輻射 輻射 輻射 由不穩(wěn)定原子核發(fā)射的高能光子（電磁輻射的一種 形式，光是另一種形式的電磁輻射） 輻射的穿透能力比和輻射大很多，只有足夠 厚的致密物質(zhì)（例如鐵、鉛等）才能對 輻射進(jìn)行 有效的屏蔽。 即使不進(jìn)入體內(nèi)， 輻射也能對人的內(nèi)部器官造 成劑量。60Co(T=5

8、.27a) -0.309MeV(100%)1.33MeV2.50MeV012)(RlfieEWEEE33/lenZNNX 輻射 大多數(shù)輻射都來自放射性核素，是在放射性核素的原子核 衰變時由原子核的內(nèi)部發(fā)射出來的，但是X輻射不是這樣 產(chǎn)生的。X射線通常是用電子束轟擊金屬靶（常常是鎢靶） 時產(chǎn)生的。金屬靶中原子里的電子吸收了電子束的能量后 被激發(fā)，當(dāng)這些被激發(fā)了的原子退激時，以發(fā)射X射線的 形式釋放能量。可見，X射線是來自金屬靶的原子，而不 是來自原子核內(nèi)部。 對X射線來說沒有半衰期，只要把電子束關(guān)掉， X射線也 就消失了。 X射線和射線一樣是高能光子，但是X射線是人工產(chǎn)生的。 穿透能力強(qiáng)，可對人

9、的內(nèi)部器官造成劑量。 中子輻射 不穩(wěn)定原子核發(fā)射的中子，尤其是在核裂變或核聚變 的過程中發(fā)射的 除了宇宙射線中的中子以外，中子通常是人工產(chǎn)生的。 中子不帶電，穿透能力會很強(qiáng) 與物質(zhì)或人的組織相互作用時，可能發(fā)射和輻射 要求用小原子序數(shù)的物質(zhì)（如水、石蠟等）進(jìn)行屏蔽各種輻射的靜態(tài)特性二輻射照射的來源 天然輻射源 人工輻射源天然輻射源天然輻射源： 宇宙輻射宇宙輻射和宇生輻射宇生輻射：來自宇宙空間的高能粒子能穿過地球大氣到達(dá)人 的生存環(huán)境的輻射和宇宙輻射與大氣相互作用產(chǎn)生的輻射（C-14等） 陸生輻射陸生輻射：存在于陸地土壤、巖石、水等物質(zhì)中的天然放射性核素發(fā)生 的輻射，主要是鈾（鐳）、釷、鉀等。

10、人體內(nèi)的天然放射性核素（主要是K-40）對人的照射 氡（含Rn-220）及其子體對人的照射（本屬于陸生輻射，由于其對劑量 貢獻(xiàn)的重要性，在國民劑量統(tǒng)計時常單列） 從輻射防護(hù)角度看，天然輻射源（除人類活動增高了的天然輻射外）一般是不可控的或很難控制的，其中氡及其子體是個例外。 宇宙輻射 來自其它星球（如太陽）或宇宙空間的輻射，主要由中子質(zhì)子、電子和介子等高能粒子組成。這些粒子有很強(qiáng)的穿透能力，可以到達(dá)地球，對人類造成外照射。 宇宙射線的強(qiáng)度隨海拔高度的增加而增大，所以在高原旅行、航空和航天飛行時會受到更強(qiáng)的宇宙輻射照射。宇生輻射 宇宙射線和大氣層及地表空氣中的物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的放射性核素或輻射。

11、宇生放射性核素大約有二十多種，其中3H、14C、7Be、22Na等貢獻(xiàn)較大。陸地天然存在的三個放射系： 釷系 鈾系 錒-鈾系 每個放射系的第一個核素的半衰期都非常長。 釷系釷系是由232Th開始，經(jīng)10次衰變到達(dá)穩(wěn)定核208Pb。該系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的整數(shù)倍，顧亦稱為4n系。 鈾系鈾系是由238U開始的，經(jīng)過14次衰變到達(dá)穩(wěn)定核206Pb，該系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4n+2，顧亦稱為4n+2系。 錒錒-鈾系鈾系是由235U開始的，經(jīng)過11次衰變到達(dá)穩(wěn)定核207Pb，該系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4n+3，顧亦稱為4n+3系。 在天然放射系中缺少4n+1系，后來用人工方法發(fā)現(xiàn)了這一放射系，其中半衰期最長

12、的核素是237Np，稱為镎系。 從天然輻射對人類輻射劑量的貢獻(xiàn)考慮，常常把天然輻射分為宇宙輻射、陸生輻射、體內(nèi)天然輻射源和氡（包括Rn-222和Rn-220及其子體）。 908282829292 人工輻射源：由于人類活動增加的輻射源，造成對人的照射 和對環(huán)境的影響 醫(yī)療照射：人們?yōu)榱酸t(yī)學(xué)診斷和治療而接受的輻射照射 （受照人員包括患者或受檢者、陪護(hù)家屬或親友、 生物醫(yī)學(xué)研究的志愿人員）注意l 醫(yī)療照射是人工輻射中對人的照射劑量貢獻(xiàn)最大的一項(xiàng)；l 可以運(yùn)用實(shí)踐的正當(dāng)性和輻射防護(hù)最優(yōu)化原則對醫(yī)療照射進(jìn) 行控制，但劑量限值不適用于醫(yī)療照射。l 醫(yī)療人員在實(shí)施醫(yī)療照射時應(yīng)以GB18871-2002提供的

13、指導(dǎo)水 平為指南，在保證疹療質(zhì)量的前提下盡量減少劑量。人工輻射源 （續(xù)）核試驗(yàn) 核試驗(yàn)始于1945年，在冷戰(zhàn)時期，特別是1954-1958和1961-1962年間核試驗(yàn)的次數(shù)較多，大規(guī)模的大氣核試驗(yàn)到1980年基本停止，前兩年印巴曾有核試驗(yàn)，但次數(shù)和規(guī)模都有限。地下核試驗(yàn)則延續(xù)到上世紀(jì)末。 大氣核試驗(yàn)會向環(huán)境釋放大量的放射性物質(zhì)，彌散范圍很大，但是其中很多放射性核素的半衰期很短，長期影響不大。地下核試驗(yàn)釋放的放射性物質(zhì)要少得多。 據(jù)UNSCEAR的統(tǒng)計（2000年）現(xiàn)在核試驗(yàn)遺留放射性物質(zhì)造成的全球人均年劑量約為0.005 mSv。人工輻射源 （續(xù)）重大核事故 一般地說，盡管核事故會向環(huán)境釋放

14、較多的放射性物質(zhì)，但是影響范圍有限。只有極其嚴(yán)重的核事故才有可能影響廣大地區(qū)。切爾諾貝利核電站事故是一次具有幾乎全球放射性影響后果的核電站事故。 切爾諾貝利核電站事故釋放的放射性物質(zhì)主要散布在歐洲國家，其中尤以白俄羅斯、烏克蘭和俄羅斯為甚，此外，北半球的很多國家（包括我國）當(dāng)時都可以測量到該事故釋放的放射性物質(zhì)，釋放到南半球的放射性物質(zhì)就很少了。 據(jù)UNSCEAR的統(tǒng)計（2000年）現(xiàn)在切爾諾貝利核電站事故遺留的全球人均年劑量大約為0.002 mSv。（人均天然照射約為23 mSv ）人工輻射源 （續(xù)）核能生產(chǎn) 核能以清潔、安全著稱，現(xiàn)在是以鈾、钚為燃料的核裂變發(fā)電，不久可能實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，核

15、燃料將不成問題。 據(jù)IAEA的統(tǒng)計，現(xiàn)在全世界有大約450座核電站在運(yùn)行，總裝機(jī)容量超過了350GW，提供全世界總用電量的大約17%。 核電站在正常運(yùn)行情況下向環(huán)境釋放的放射性物質(zhì)很少，其中一些放射性核素的半衰期很短，對環(huán)境的影響很小。據(jù)UNSCEAR的統(tǒng)計（2000年），核能生產(chǎn)造成的全球人均年劑量大約為0.0002 mSv。 輻射源及其產(chǎn)生的人均劑量（UNSCEAR2000年報告） 2.8合計 0.40.50.31.2 0.40.0050.0020.0002 天然輻射源天然輻射源 宇宙輻射 陸生輻射 體內(nèi)源（主要是K-40） 氡及其子體人工輻射源人工輻射源 醫(yī)療照射 大氣核試驗(yàn) 切爾諾貝利

16、 核能 劑量，mSv輻射源根據(jù)輻射類型列出了常用的主要放射源（根據(jù)輻射類型列出了常用的主要放射源（179179頁）頁）輻射（射線）與物質(zhì)的相互作用 與物質(zhì)的相互作用 射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用與物質(zhì)的相互作用主要表現(xiàn)為電離和激發(fā)激發(fā) 當(dāng)帶電粒子通過組成物質(zhì)的原子核附近時，傳遞給原子核外圍軌道電子的能量不足以使其脫離原子核的束縛，而使軌道電子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，即使原子激發(fā)。激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，當(dāng)電子由高能態(tài)返回低能態(tài)時以發(fā)射光子（或x射線）的形式釋放能量。 電離 當(dāng)帶電粒子的能量較大時，可使原子的軌道電子脫離原子核的束縛，成為自由電子，并使原子核帶正電，這個過程

17、稱為電離。一次電離生成一對離子（帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的原子核）。 如果自由電子具有足夠的能量還可以產(chǎn)生次級電離或激發(fā)。 由于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生一對離子所需要的能量也不同，如空氣需32.5eV，而鍺只需2.94eV。 不同的帶電粒子的電離密度不同，如粒子的電離密度要比粒子大很多。（重型炮彈與子彈） 射線在重水中引起的切倫科夫輻射射線與物質(zhì)的相互作用 射線不帶電，是一種電磁輻射，是一群能量較高的光子。射線在與物質(zhì)原子的一次碰撞中損失其大部或全部能量，并使自己的強(qiáng)度減弱，直至消失。射線與物質(zhì)的相互作用主要有以下三種方式 ：v 光電效應(yīng)。 當(dāng)光子通過物質(zhì)的原子核附近時，與原子核的束縛電子相互作用

18、，光子將其全部能量傳遞給某個束縛電子，使其發(fā)射出去成為自由電子，同時光子消失，這個過程稱為光電效應(yīng)。在光電效應(yīng)過程中發(fā)射出來的電子叫做光電子。 光子交給束縛電子的能量中，一部分用來使束縛電子脫離原子核的束縛而成為光電子（電離能），另一部分作為光電子的動能。 用以衡量發(fā)生光電效應(yīng)可能性大小的量稱為截面，截面越大發(fā)生光電效應(yīng)的可能性越大。一般地說， 光子的能量較低，而與光子相互作用的物質(zhì)原子核的原子序數(shù)（Z）越大，光電效應(yīng)截面也越大，當(dāng)光子的能量超過2MeV時光電效應(yīng)就不明顯了。這就是采用高原子序數(shù)的探測元件探測輻射的原因。出于相同的原因，通常選用高原子序數(shù)的物質(zhì)（例如鉛）作為輻射的屏蔽材料。 光電效應(yīng)被廣泛用于核素識別和測量。v 康普頓效應(yīng) 光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，將一部分能量轉(zhuǎn)移給核外電子，使其脫離原子核的束縛而成為反沖電子（稱為康普頓電子），而散射光子的能量和運(yùn)動方向發(fā)生改變。散射光子的能量隨散射方向的不同而不同。這樣，單一能量的入射光子經(jīng)康普頓效應(yīng)以后，其能量就不是單一的了，而是連續(xù)分布的。 一般地說，康普頓效應(yīng)的截面隨入射光子能量的增加而減小。 v 電子對效應(yīng)