放射性及其衰變規(guī)律課件

核技術(shù)勘查第二章放射性及其衰變規(guī)律核技術(shù)勘查第二章放射性及其衰變規(guī)律第二章放射性及其衰變規(guī)律教學(xué)內(nèi)容

1、核衰變及放射性核素

2、放射性衰變與積累規(guī)律

3、放射性測(cè)量單位與標(biāo)準(zhǔn)源第二章放射性及其衰變規(guī)律教學(xué)內(nèi)容核衰變與放射性核素一、原子結(jié)構(gòu)及原子核衰變自然界由各種各樣的物質(zhì)組成，每種物質(zhì)的元素都由化學(xué)性質(zhì)完全相同的原子組成。每種元素的原子由原子核及核外的電子組成。原子核由質(zhì)子和中子組成，中子不帶電，質(zhì)子帶正電，質(zhì)子所帶的正電荷量與核外電子所帶負(fù)電荷量相等，電性相反，整個(gè)原子成電中性。所有這些物質(zhì)都是由存在于自然界的90多種元素的原子(核)組成。例如水由二個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成(Ｈ２Ｏ)；乙醇由六個(gè)氫原子，二個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子組成(C２H５OH).

核衰變與放射性核素一、原子結(jié)構(gòu)及原子核衰變核衰變與放射性核素

原子很小，其直徑為10－８cm；原子核的直徑只有10－１２～10－１３cm，約為原子線度的1/10000。原子核集中了原子的全部正電荷和99.95％以上的質(zhì)量，原子質(zhì)量在10－２２～10－２４g的范圍內(nèi)。例如，自然界最輕的氫元素的原子質(zhì)量只有1.6736×10-24g，最重的鈾原子的質(zhì)量也只有3.9510×10-22g

質(zhì)子質(zhì)量mｐ=1.67252x10-24g電子質(zhì)量mｅ=9.1091x10-28g

所以質(zhì)子的質(zhì)量為電子質(zhì)量的1836。核衰變與放射性核素原子很小，其直徑為10－８cm；原子核原子與原子核一個(gè)原子核由Ｚ個(gè)質(zhì)子(原子序數(shù))和N個(gè)中子所組成，則該原子核質(zhì)量m=Z·mｐ+N·mｎ,由于mｐ和mｎ都很接近于1，因此，當(dāng)用u作單位時(shí)，原子核質(zhì)量非常接近于一個(gè)整數(shù)，我們用A來(lái)表示原子核質(zhì)量最接近的整數(shù)，并稱為質(zhì)量數(shù)，這樣有A=Z+N。鈾原子核表示為238U。原子與原子核一個(gè)原子核由Ｚ個(gè)質(zhì)子(原子序數(shù))和N個(gè)中子所組成核衰變及放射性核素具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的一類原子或原子核稱為核素。原子序數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不相同的核素互為同位素，如氫，氘和氚原子序數(shù)Ｚ都為１，但質(zhì)量數(shù)A分別為1，2，3這種具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱為同位素。這三種核素為氫的同位素。原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)都相同的原子核，原子核處于不同核能態(tài)的一類核素稱為同質(zhì)異能素。世界上已發(fā)現(xiàn)109種元素，核素2000多種(其中穩(wěn)定性核素300種左右，如31Ｐ，32Ｓ等；其余都是放射性核素，如131Ｉ，32Ｐ等)。核衰變及放射性核素具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的一類原子或原子核稱核衰變及放射性核素原子核結(jié)合能處于最低能量狀態(tài)（即基態(tài)），是所有穩(wěn)定原子核的狀態(tài)。高于基態(tài)的能量狀態(tài)，為不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。自然界中有些天然物質(zhì)是由不穩(wěn)定的原子組成的。它們能自發(fā)地轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的原子。在這種轉(zhuǎn)變過(guò)程中，常伴隨著發(fā)射帶電粒子和γ射線，其本身變成另一種核素，該過(guò)程稱放射性衰變，這種現(xiàn)象稱放射性現(xiàn)象，這類元素稱放射性核素（同位素）。核衰變及放射性核素原子核結(jié)合能處于最低能量狀態(tài)（即基態(tài)），是核衰變及放射性核素1896年法國(guó)科學(xué)家亨利·貝可勒爾(H·Becquerel)發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象。這些不穩(wěn)定的原子核主要的衰變類型如下：

1）α衰變：處于激發(fā)態(tài)的放射性核素（X)，自發(fā)地放出α粒子，而轉(zhuǎn)變成另一種原子核（Y)的過(guò)程，稱為α衰變。

例如：原子核經(jīng)α衰變轉(zhuǎn)變成為核衰變及放射性核素1896年法國(guó)科學(xué)家亨利·貝可勒爾(H·B核衰變及放射性核素

2）β衰變：處于激發(fā)態(tài)的放射性核素（X)，自發(fā)地放出β粒子，而轉(zhuǎn)變成另一種原子核（Y)的過(guò)程，稱為β衰變。

β+衰變:

β-衰變:

3)電子俘獲:

放射性核素（X)自發(fā)地俘獲一個(gè)軌道電子,使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?生成的新核素質(zhì)量數(shù)與母核相同,原子序數(shù)比母核減少一位.核衰變及放射性核素2）β衰變：處于激發(fā)態(tài)的放射性核素（X核衰變及放射性核素

4)同質(zhì)異能γ躍遷α衰變和β衰變產(chǎn)生的新原子核,處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間很短,(約10-13s），很快躍遷到較低能級(jí)或基態(tài)，并放出γ光子。而核的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不變。

核衰變及放射性核素天然放射性核素天然放射性核素可分為兩類：

1）與地球同時(shí)形成的至今存在的一些的長(zhǎng)壽命放射性核素。如：238U、232Th、87Rb、40K等。

2）宇宙射線撞擊地球物質(zhì)原子核，引起核反應(yīng)生成的放射性核素。如：14C、10Be、26Al、36CL等。

自然界的放射性系列有三個(gè)：鈾(U)系、釷(Th)系和錒鈾(AcU)系。有人工方法能夠得到镎(Np)系，放射性系列中的元素的原子序數(shù)都大于81。

除上述成系列的天然放射性元素外，還有180多種不成系列的天然放射性元素，它們經(jīng)過(guò)一次衰變后即成穩(wěn)定元素，如鉀40K，銣87Rb等。

天然放射性核素天然放射性核素可分為兩類：天然放射性核素(一）三個(gè)天然放射性系列

1、鈾系鈾是在然界存在的主要放射性元素礦產(chǎn)，起始的放射性母體核素為238U,如圖所示：天然放射性核素(一）三個(gè)天然放射性系列天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素

2）釷系釷系的起始放射性母體核素為232Th，如圖所示：天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素

3）錒（鈾）系

錒系的起始放射性母體核素為232U,衰變?nèi)鐖D所示：天然放射性核素3）錒（鈾）系天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素

（二）三個(gè)放射性系列的共同特點(diǎn)

1）每個(gè)系列都有一個(gè)常壽命的起始放射性核素，半衰期都在7.13x108～1.41x108a之間。

2）每個(gè)系列得最后都是鉛的穩(wěn)定同位素。

3）每個(gè)系列都有一個(gè)氣體，氡的放射性核素。

4）每個(gè)系列核素的質(zhì)量數(shù)變化有相似的規(guī)律性。人工天然放射性核素（二）三個(gè)放射性系列的共同特點(diǎn)放射性核素的衰變與積累規(guī)律

衰變前的核稱為母核,衰變后的核稱為子核。一、衰變規(guī)律如果起始時(shí)刻放射性核素母核數(shù)目為N0。由于衰變減少，精確試驗(yàn)測(cè)定表明t到t+dt內(nèi)核衰變數(shù)目dN與尚未衰變母核數(shù)N成正比，即

dN∝Ndt

寫(xiě)成等式：式中：λ為比例系數(shù)，稱衰變常數(shù)，負(fù)號(hào)表示N隨時(shí)間增長(zhǎng)而減少。放射性核素的衰變與積累規(guī)律衰變前的核稱為母核,衰放射性核素的衰變與積累規(guī)律

半衰期的定義：當(dāng)原子核的數(shù)目衰減到原來(lái)一半所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為半衰期。二、系列放射性核素的衰變與積累規(guī)律放射性核素（A)衰變產(chǎn)生的子體（B)也是放射性核素，且沒(méi)有與A分離。核素B一方面按自身衰變規(guī)律減少，另一方面由核素A衰變使B得到積累。

放射性核素的衰變與積累規(guī)律半衰期的定義：當(dāng)原子核的數(shù)目衰放射性核素的衰變與積累規(guī)律

在應(yīng)用中，尚存的原子個(gè)數(shù)N不易測(cè)量，而放射性活度A可用儀器測(cè)量它的放射性射線，因?yàn)槊看魏怂プ兌加心撤N放射性射線放出，儀器的計(jì)數(shù)率I(t)與原子核的衰變率-dN/dt成正比，即：

放射性活度單位是Bg(貝克勒爾)，即每秒衰變次數(shù)：放射性濃度專用于液體或氣體，指單位體積的物質(zhì)中含有的放射性活度，即貝克/毫升(Bq/ml)。放射性核素的衰變與積累規(guī)律 在應(yīng)用中，尚存的原子個(gè)數(shù)N不易測(cè)放射性核素的衰變與積累規(guī)律子體核素B具有積累規(guī)律和自身衰變規(guī)律。在t時(shí)刻的瞬間間隔dt內(nèi)B核素的原子數(shù)變化率應(yīng)為：

己知t=0時(shí)，A原子數(shù)為N0A，有：得一階線性非齊次微分方程： 給定初始條件t=0時(shí)，NB=N0B，解得下式：

放射性核素的衰變與積累規(guī)律子體核素B具有積累規(guī)律和自身放射性核素的衰變與積累規(guī)律式中λ

A、λB，則λ

ANA為核素A的衰變率，也即核素B的增加率；核素B的衰變率為λ

BNB。

則得出：

1）λ

A《λB時(shí)，可以達(dá)到放射性平衡；

2）λ

A〈λB時(shí)，可以達(dá)到暫時(shí)平衡；

3）λ

A〉λB時(shí)，不能達(dá)到放射性平衡。放射性核素的衰變與積累規(guī)律式中λA、λB，則λ放射性核素的衰變與積累規(guī)律

鈾鐳平衡系數(shù)K：衡量鈾鐳處于平衡狀態(tài)的量。

當(dāng)k=1時(shí)，鈾鐳處于平衡狀態(tài)，k〈1時(shí)偏鈾；

k〉1時(shí)偏鐳。

放射性核素的衰變與積累規(guī)律鈾鐳平衡系數(shù)K：衡量鈾放射性測(cè)量單位與標(biāo)準(zhǔn)源

一、放射性測(cè)量的常用單位（1）放射性活度與比活度：Bq、Bq/kg（2）放射性物質(zhì)的質(zhì)量及含量單位：g、g/g（3）照射量與照射量率：C/kg、C/kg.s（4）輻射吸收劑量：Gy（5）劑量當(dāng)量:Sv

二、放射性標(biāo)準(zhǔn)源（1）α射線標(biāo)準(zhǔn)源和β射線標(biāo)準(zhǔn)源（2）γ射線標(biāo)準(zhǔn)源放射性測(cè)量單位與標(biāo)準(zhǔn)源一、放射性測(cè)量的常用單位放射性測(cè)量單位與標(biāo)準(zhǔn)源（3）氡氣標(biāo)準(zhǔn)源

三、放射性標(biāo)準(zhǔn)模型

1）平衡鈾模型

2）釷模型

3）鈾和釷混合模型

4）鉀模型

5）“零值”模型放射性測(cè)量單位與標(biāo)準(zhǔn)源（3）氡氣標(biāo)準(zhǔn)源核技術(shù)勘查第二章放射性及其衰變規(guī)律核技術(shù)勘查第二章放射性及其衰變規(guī)律第二章放射性及其衰變規(guī)律教學(xué)內(nèi)容

1、核衰變及放射性核素

2、放射性衰變與積累規(guī)律

3、放射性測(cè)量單位與標(biāo)準(zhǔn)源第二章放射性及其衰變規(guī)律教學(xué)內(nèi)容核衰變與放射性核素一、原子結(jié)構(gòu)及原子核衰變自然界由各種各樣的物質(zhì)組成，每種物質(zhì)的元素都由化學(xué)性質(zhì)完全相同的原子組成。每種元素的原子由原子核及核外的電子組成。原子核由質(zhì)子和中子組成，中子不帶電，質(zhì)子帶正電，質(zhì)子所帶的正電荷量與核外電子所帶負(fù)電荷量相等，電性相反，整個(gè)原子成電中性。所有這些物質(zhì)都是由存在于自然界的90多種元素的原子(核)組成。例如水由二個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成(Ｈ２Ｏ)；乙醇由六個(gè)氫原子，二個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子組成(C２H５OH).

核衰變與放射性核素一、原子結(jié)構(gòu)及原子核衰變核衰變與放射性核素

原子很小，其直徑為10－８cm；原子核的直徑只有10－１２～10－１３cm，約為原子線度的1/10000。原子核集中了原子的全部正電荷和99.95％以上的質(zhì)量，原子質(zhì)量在10－２２～10－２４g的范圍內(nèi)。例如，自然界最輕的氫元素的原子質(zhì)量只有1.6736×10-24g，最重的鈾原子的質(zhì)量也只有3.9510×10-22g

質(zhì)子質(zhì)量mｐ=1.67252x10-24g電子質(zhì)量mｅ=9.1091x10-28g

所以質(zhì)子的質(zhì)量為電子質(zhì)量的1836。核衰變與放射性核素原子很小，其直徑為10－８cm；原子核原子與原子核一個(gè)原子核由Ｚ個(gè)質(zhì)子(原子序數(shù))和N個(gè)中子所組成，則該原子核質(zhì)量m=Z·mｐ+N·mｎ,由于mｐ和mｎ都很接近于1，因此，當(dāng)用u作單位時(shí)，原子核質(zhì)量非常接近于一個(gè)整數(shù)，我們用A來(lái)表示原子核質(zhì)量最接近的整數(shù)，并稱為質(zhì)量數(shù)，這樣有A=Z+N。鈾原子核表示為238U。原子與原子核一個(gè)原子核由Ｚ個(gè)質(zhì)子(原子序數(shù))和N個(gè)中子所組成核衰變及放射性核素具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的一類原子或原子核稱為核素。原子序數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不相同的核素互為同位素，如氫，氘和氚原子序數(shù)Ｚ都為１，但質(zhì)量數(shù)A分別為1，2，3這種具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱為同位素。這三種核素為氫的同位素。原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)都相同的原子核，原子核處于不同核能態(tài)的一類核素稱為同質(zhì)異能素。世界上已發(fā)現(xiàn)109種元素，核素2000多種(其中穩(wěn)定性核素300種左右，如31Ｐ，32Ｓ等；其余都是放射性核素，如131Ｉ，32Ｐ等)。核衰變及放射性核素具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的一類原子或原子核稱核衰變及放射性核素原子核結(jié)合能處于最低能量狀態(tài)（即基態(tài)），是所有穩(wěn)定原子核的狀態(tài)。高于基態(tài)的能量狀態(tài)，為不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。自然界中有些天然物質(zhì)是由不穩(wěn)定的原子組成的。它們能自發(fā)地轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的原子。在這種轉(zhuǎn)變過(guò)程中，常伴隨著發(fā)射帶電粒子和γ射線，其本身變成另一種核素，該過(guò)程稱放射性衰變，這種現(xiàn)象稱放射性現(xiàn)象，這類元素稱放射性核素（同位素）。核衰變及放射性核素原子核結(jié)合能處于最低能量狀態(tài)（即基態(tài)），是核衰變及放射性核素1896年法國(guó)科學(xué)家亨利·貝可勒爾(H·Becquerel)發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象。這些不穩(wěn)定的原子核主要的衰變類型如下：

1）α衰變：處于激發(fā)態(tài)的放射性核素（X)，自發(fā)地放出α粒子，而轉(zhuǎn)變成另一種原子核（Y)的過(guò)程，稱為α衰變。

例如：原子核經(jīng)α衰變轉(zhuǎn)變成為核衰變及放射性核素1896年法國(guó)科學(xué)家亨利·貝可勒爾(H·B核衰變及放射性核素

2）β衰變：處于激發(fā)態(tài)的放射性核素（X)，自發(fā)地放出β粒子，而轉(zhuǎn)變成另一種原子核（Y)的過(guò)程，稱為β衰變。

β+衰變:

β-衰變:

3)電子俘獲:

放射性核素（X)自發(fā)地俘獲一個(gè)軌道電子,使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?生成的新核素質(zhì)量數(shù)與母核相同,原子序數(shù)比母核減少一位.核衰變及放射性核素2）β衰變：處于激發(fā)態(tài)的放射性核素（X核衰變及放射性核素

4)同質(zhì)異能γ躍遷α衰變和β衰變產(chǎn)生的新原子核,處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間很短,(約10-13s），很快躍遷到較低能級(jí)或基態(tài)，并放出γ光子。而核的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不變。

核衰變及放射性核素天然放射性核素天然放射性核素可分為兩類：

1）與地球同時(shí)形成的至今存在的一些的長(zhǎng)壽命放射性核素。如：238U、232Th、87Rb、40K等。

2）宇宙射線撞擊地球物質(zhì)原子核，引起核反應(yīng)生成的放射性核素。如：14C、10Be、26Al、36CL等。

自然界的放射性系列有三個(gè)：鈾(U)系、釷(Th)系和錒鈾(AcU)系。有人工方法能夠得到镎(Np)系，放射性系列中的元素的原子序數(shù)都大于81。

除上述成系列的天然放射性元素外，還有180多種不成系列的天然放射性元素，它們經(jīng)過(guò)一次衰變后即成穩(wěn)定元素，如鉀40K，銣87Rb等。

天然放射性核素天然放射性核素可分為兩類：天然放射性核素(一）三個(gè)天然放射性系列

1、鈾系鈾是在然界存在的主要放射性元素礦產(chǎn)，起始的放射性母體核素為238U,如圖所示：天然放射性核素(一）三個(gè)天然放射性系列天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素

2）釷系釷系的起始放射性母體核素為232Th，如圖所示：天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素

3）錒（鈾）系

錒系的起始放射性母體核素為232U,衰變?nèi)鐖D所示：天然放射性核素3）錒（鈾）系天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素

（二）三個(gè)放射性系列的共同特點(diǎn)

1）每個(gè)系列都有一個(gè)常壽命的起始放射性核素，半衰期都在7.13x108～1.41x108a之間。

2）每個(gè)系列得最后都是鉛的穩(wěn)定同位素。

3）每個(gè)系列都有一個(gè)氣體，氡的放射性核素。

4）每個(gè)系列核素的質(zhì)量數(shù)變化有相似的規(guī)律性。人工天然放射性核素（二）三個(gè)放射性系列的共同特點(diǎn)放射性核素的衰變與積累規(guī)律

衰變前的核稱為母核,衰變后的核稱為子核。一、衰變規(guī)律如果起始時(shí)刻放射性核素母核數(shù)目為N0。由于衰變減少，精確試驗(yàn)測(cè)定表明t到t+dt內(nèi)核衰變數(shù)目dN與尚未衰變母核數(shù)N成正比，即

dN∝Ndt

寫(xiě)成等式：式中：λ為比例系數(shù)，稱衰變常數(shù)，負(fù)號(hào)表示N隨時(shí)間增長(zhǎng)而減少。放射性核素的衰變與積累規(guī)律衰變前的核稱為母核,衰放射性核素的衰變與積累規(guī)律

半衰期的定義：當(dāng)原子核的數(shù)目衰減到原來(lái)一半所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為半衰期。二、系列放射性核素的衰變與積累規(guī)律放射性核素（A)衰變產(chǎn)生的子體（B)也是放射性核素，且沒(méi)有與A分離。核素B一方面按自身衰變規(guī)律減少，另一方面由核素A衰變使B得到積累。

放射性核素的衰變與積累規(guī)律半衰期的定義：當(dāng)原子核的數(shù)目衰放射性核素的衰變與積累規(guī)律

在應(yīng)用中，尚存的原子個(gè)數(shù)N不易測(cè)量，而放射性活度A可用儀器測(cè)量它的放射性射線，因?yàn)槊看魏怂プ兌加心撤N放射性射線放出，儀器的計(jì)數(shù)率I(t)與原子核的衰變率-dN/dt成正比，即：

放射性活度單位是Bg(貝克勒爾)，即每秒衰變次數(shù)：放射性濃度專用于液體或氣體，指單位體積的物質(zhì)中含有的放射性活度，即貝克/毫升(Bq/ml)。放射性核素的衰變與積累規(guī)律 在應(yīng)用中，尚存的原子個(gè)數(shù)N不易測(cè)放射性核素的衰變與積累規(guī)律子體核素B具有積累規(guī)律和自身衰變規(guī)律。在t