1、核輻射物理及探測學輻射的定義（Radiation）:以?；蜻\動粒子的形式向周圍空間或物質發射并在其中傳播的能量（如聲輻射、熱輻射、電磁輻射、輻射、輻射、中子輻射等）的統稱。通常論及的“輻射”概念是狹義的，它不包括無線電波和射頻波等低能電磁輻射，也不包括聲輻射和熱輻射，而僅是指高能電磁輻射（光輻射）和粒子輻射。這種狹義的“輻射”又稱為“射線”。按照其來源，輻射（射線）可以分為核輻射、原子輻射、宇宙輻射等，又可分為天然輻射、人工輻射等。按照其荷電情況和粒子性質，輻射（射線）又可分為：帶電粒子輻射，如、p、D、T、等；中性粒子，如n、等；電磁輻射，如射線和射線等。課程介紹：核輻射物理及探測學是工程物

2、理系本科生的一門主干專業基礎課。本課程要使學生對于核輻射物理學、輻射探測器的原理、性能和應用以及探測輻射的基本理論與方法具有深入明確的了解，并具有創造性地靈活應用的能力。經過后續實驗課的學習，學生在輻射探測實驗技術方面將進一步獲得充分的訓練。 核輻射物理及探測學是一門內容非常豐富與科學實驗關系極其密切的課程。核輻射物理涉及原子核的基本性質、各種輻射的產生、特征，輻射與物質的相互作用及微觀世界的統計概率特性等，是核科學及核工程的基礎。輻射探測學是近百年來核科學工作者在實踐中發明、發展的探測器與探測方法的歸納和總結。通過課程學習應當培養學生掌握如何從實際出發分析問題、解決問題，以及如何綜合應用基礎

3、理論和所學的各種知識的思維方法和能力，本課程中講授的核輻射物理、輻射探測器與探測方法方面的知識，將為學生將來從事核能與核科學科研、生產、管理等工作打下良好的基礎。本課程主要由三部分組成： （1）核輻射物理學。（第一章第六章）這既是輻射探測的物理基礎，又是其他專業課的基礎。 22學時 （2）輻射探側器件與裝置的原理、性能和應用。（第七章第十章）26學時 （3）探測輻射的理論和方法。（第十一章，第十二章） 16學時 教科書：核輻射物理與探測學（講義）陳伯顯編著致電離輻射探測學（講義）安繼剛編著 參考書：原子核物理實驗方法復旦,清華,北大合編 出版社：原子能出版社 輻射探測與測量 (美)格倫 F.諾

4、爾 著 出版社：原子能出版社 Nuclear Radiation Physics Ralph E. Lapp and Howard L. Andrews, Prentice-Hell, Inc, Endlewood Cliffs, New Jersey, 1997. 第1章原子核的基本性質1.1 原子核的組成及其穩定性1.為什么不能由質子和電子組成？氦核的大小，所以由不確定關系由相對論方程所以不成立，從原子核的自旋也無法解釋。2.常用術語1)核素（nuclide）特定中子、質子數；特定的能態(一般為基態)。2)同位素(isotopes)相同的質子數。如氧的三種天然同位素。其天然含量的百分比即同

5、位素的豐度分別為各種元素的同位素豐度可由手冊查得。 3)同中子異荷素（isotones）相同的中子數，如。 4)同量異位素（isobar）相同的核子數，如。5)同質異能素（isomer）中子數質子數相同，但能態不同。同質異能素所處狀態為同質異能態即較長的激發態。如的半衰期為2.81小時，為的同質異能素。 6)偶A核偶偶核（e-e核）；奇奇核（o-o）核；奇A核偶奇核（e-o核）；奇偶核（o-e ）核。3.核素圖什么是核素圖？即Z（質子數）-N（中子數）的直方圖。其特點：).核素圖包括300多個天然存在的核素（其中穩定核素280多個，放射性核素30多個及1600多個人工放射性核素。).穩定同位素

6、幾乎全落在一條光滑的曲線，穩定曲線在輕核靠近線，而對重核則偏離線。3).偏離穩定曲線上方的核素為豐中子，易發生衰變；下方的核素為缺中子，易發生衰變。1.2原子核的大小根據測量方法有核力半徑和電荷分布半徑，有如下關系：（電荷半徑）（核力半徑）1.3原子核的結合能1.結合能的概念：當若干質子和中子結合成一個核時，由于是核力的作用，將釋放一部分能量叫結合能。以表示原子核的質量，表示質子的質量，表示中子的質量，表示結合能，則有以原子質量表示，且忽略原子的結合能，則即可得到比結合能，（）：. 而得到比結合能曲線。比結合能小即核之間結合較松，比結合能大即核之間結合較緊，指出了核能的基本原理。2.質量虧損與

7、質量過剩原子核的質量總是小于組成它的所有核子的質量之和。例如，核的質量比組成它的兩個質子和中子質量之和要小。兩者之差為。組成原子核的個質子和個中子的質量和與該原子核質量之差稱為該原子核的質量虧損(Mass Defect)：式中為質量數為，質子數為的核質量。在計算中，略去電子結合能的差別，以原子質量代替核質量：對于核所有的核都存在質量虧損，即。為了計算方便，定義：為質量過剩（或稱質量盈余）（Mass Excesses),的單位為。在常用手冊中，給出而求出原子質量：。一些核素的值和原子質量核素A614.0876.015123142.86314.0030745660.60455.9349402082

8、1.759207.9766413.比結合能曲線原子核的結合能除以質量數所得的商，稱為平均結合能或比結合能，即比結合能的單位是，代表核子。比結合能的物理意義為原子核拆散成自由核子時，外界對每個核子所做的最小的平均功。或者說，它表示核子結合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。因此，表征了原子核結合的松緊程度。大，核結合緊，穩定性高；小，結合松，穩定性差。從圖1-4可見, 比結合能曲線兩頭低、中間高，換句話，中等質量的核素的比輕核、重核都大。比結合能曲線在開始時有些起伏，逐漸光滑地達到極大值（約8兆電子伏）,然后又緩慢地變小。當結合能小的核變成結合能大的核，即當結合得比較松的核變到結合得緊的核，就

9、會釋放能量。從圖1-4可以看出, 有兩個途徑可以獲得能量：一是重核裂變，即一個重核分裂成兩個中等質量的核；一是輕核聚變。人們依靠重核裂變的原理制造出原子反應堆與原子彈，依靠輕核聚變的原理制造出氫彈和人們正在探索的可控聚變反應。由此可見，所謂原子能，主要是指原子核結合能發生變化時釋放的能量。從圖1-4 還可見，當時，曲線在趨勢是上升的同時，峰的位置都位于為四的整數倍的地方，如、和等偶偶核，并且有。這表明對于輕核可能存在粒子的集團結構。4. 原子核最后一個核子的結合能原子核最后一個核子的結合能，是一個自由核子與核的其余部分組成原子核時所釋放的能量。也就是從核中分離出一個核子所需要給予的能量。顯然，

10、質子與中子的分離能是不等的。最后一個質子的結合能定義為或最后一個中子的結合能定義為或原子核最后一個核子的結合能的大小，反映了這種原子核對鄰近的那些原子核的穩定程度。5. 核結合能的經驗公式核的液滴模型核模型即提出各種模型來解釋各種核現象，如結合能、核力、核衰變、核反應等。液滴模型即最早用來解釋比結合能的模型。原子核的比結合能。其中：為體積能項。與水滴一樣，它正比于其體積 所以。為表面能項。表面核的核力沒有飽和。表面的結合能要結合弱，要從體結合能減去一部分, 所以。為庫侖能項。核內有個質子，它們之間為庫侖斥力，使結合能變小，為負項。由電場力作功可求得。為對稱能項。反映核內的中子數與質子數是否相等

11、，若它們相等時為零，。為對能項。由核中的奇偶性確定，不同的奇偶性的核有不同的對能項。偶偶核 奇偶核奇奇核。且由實驗求出：1.4 核力及核勢壘1.核力的特點：短程力；飽和性；吸引力（排斥芯）；強相互作用。2.核力的介子理論：1935年，日本湯川秀樹提出了核子的介子理論。核子間通過交換介子而發生相互作用。就如電磁相互作用通過交換光子而發生相互作用一樣?？捎珊肆Φ淖饔梅秶安淮_定關系估計介子質量的量級約為電子的200多倍。；。3.原子核的勢壘粒子與原子核作用過程的勢能曲線，的關系。其中。當，核力為零，僅為庫侖勢位，稱為庫侖勢壘；當，勢壘最高，為庫侖勢壘高度當，核力大大超過庫侖力，勢能迅速下降并改變符

12、號。當，粒子進入靶核，合力為零，勢能為常數值,稱為勢阱深度。量子力學中的穿透勢壘的概率在經典力學中是難以解釋的。在量子力學中，能量大于的入射粒子有可能越過勢壘，但也可能被反射回來。而能量小于的粒子有可能被勢壘反射回來，也有可能穿透勢壘進入核勢阱，這種效應稱之為隧道效應。1.5 原子核的自旋與磁矩1. 原子核外電子的狀態量子數玻爾成功地用量子化理論解釋了原子光譜的結構，玻爾的創造性工作對現代量子力學的建立具有深遠的影響，但是，玻爾假定電子處于定態時不輻射能量與經典理論不相符；量子化引進也沒有理論的解釋。在量子力學中得到圓滿的解決，這些量子化條件是薛定諤方程必然得出的結果。薛定諤方程，即對于質量為

13、并在勢能為勢場中運動的一個粒子來說，有一個波函數與這個粒子的穩定狀態相聯系，這個波函數滿足薛定諤方程。這個方程的每一個解，表示一個粒子運動的某一個穩定狀態，與這個解相應的常數，就是粒子在這個穩定狀態的能量。在氫原子中，勢能函數為其薛定諤方程為求解這個方程，可以得到下述結論：（1）能量量子化，的本征值為，（2）軌道角動量的量子化，只有角動量為，時才有解，電子軌道角動量的最小值為零，為氫原子基態軌道角動量實驗所證實。（3）空間量子化空間量子化是電子空間概率分布的一個組成部分，此時，軌道角動量的分量須滿足量子化條件。其解取，。（）電子除軌道運動外，還作自旋運動。它具有固有的自旋角動量（角動量的一種）

14、,所以，又稱內稟角動量。且有，。自旋在z方向的投影，即它在z方向的投影只能取和兩個值之一。叫做自旋量子數，是第四個量子數。也稱作自旋。2.原子核外軌道電子的角動量和磁矩其中：，；朗得因子，。3.原子核的自旋（角動量）由各個核子的軌道角動量和自旋共同確定?？煞譃椋厚詈?，耦合。原子核的自旋（角動量）；，4.原子核的磁矩1).核子的自旋磁矩由于核子為自旋為的費米子，因此核子也有相應的自旋磁矩。根據最新實驗數據，質子的自旋磁矩為所以其中為核磁子中子的自旋磁矩為所以如果核子也像電子一樣是點粒子，按狄拉克方程可得出（質子）；（中子）說明質子不是一個基本粒子，它有內部結構。中子為中性粒子，具有磁矩，說明其內

15、部也有電荷，其內部也有結構。用現代核子的夸克模型可得到，與實驗值很相近。2).原子核的磁矩原子核的磁矩等于核內所有質子的軌道磁矩與所有核子自旋磁矩的矢量和。即其中若原子核的自旋為，其磁矩及其在方向的投影；式中：為原子核的朗得因子，反映原子核內核子的運動狀態。核子的磁矩象角動量一樣可以互相抵消。以氘核為例，氘核的基態是s態，即軌道角動量為零，僅由質子和中子的內稟角動量確定，它們之和為，但其實驗值為。說明氘核的基態并不完全是s態。5.原子核的電四極矩原子核是一個具有電荷分布的帶電體。在電多極展開中，電四極矩是一個重要的物理量，它反映了原子核的形狀，又描述了原子核與有梯度的外電場之間相互作用。對任意

16、帶電體系，在處的電勢為式中為核內某一點到原子核電荷中心的距離，為在對稱軸上的投影。對原子核而言，電偶極矩恒為零，電四極矩就成為十分重要了。假如原子核是一橢球，對稱軸的半徑為，另外兩個半徑為，那么核的電四極矩為顯然，球形核的電四極矩為零，長橢球的核，扁橢球的核。原子核的電四極矩是核偏離球形的量度。1.6 原子核的統計性質微觀粒子的全同性：對微觀粒子，描述起狀態是用波函數，它只能預言在何時何地粒子出現的概率，而不能給出每個粒子的運動軌跡，因而不可能分辨同類微觀粒子。對于由同類微觀粒子組成的多粒子體系，可以用一波函數來描述表示體系中第個粒子和第粒子交換的變換，即由于粒子的全同性，交換前后的波函數應描

17、述體系的同一量子態，其差別最多只能相差一個常數，也就是再交換這對粒子，則可得出這表示。由此得出。對，即為對稱波函數。具有整數自旋的粒子所組成的體系總是用對稱波函數描述，她們遵從玻色愛因斯坦統計法，凡是遵從該統計法的粒子稱為玻色子如光子（），介子（）。對，即為反對稱波函數。具半整數自旋的粒子所組成的體系總是對稱波函數，她們遵從費米狄拉克統計法，凡是遵從該統計法的粒子稱為費米子如電子，中子，質子，夸克（均為）。對費米子須服從泡利不相容原理：兩個全同費米子不可能同處在完全相同的單粒子態中。對玻色子，則沒有這一限制。原子核由質子和中子組成，質子和中子都是費米子。原子核也可以看成全同粒子。當質量數為偶數

18、時，原子核的自旋為整數，我們把這一類原子核看成玻色子，如粒子，核等。對質量數為奇數時，原子核的自旋為半整數，則為費米子，如，等核。1.7原子核的宇稱1.空間反演不變性和宇稱守恒空間反演表示變換。如果與某一坐標軸相重(如y軸), 空間反演變換就成為與該軸垂直的鏡面反射變換。空間反演下物理規律的不變性與它的鏡像過程服從相同的物理規律等價。在宏觀世界中，空間反演下物理規律，如牛頓力學、麥克斯韋方程組等，在空間反演變換下是不變的。遵守相同的物理規律，但沒有相應的守恒定律并得出相應的守恒量。經典物理中空間反演不變性示例:中空螺旋導管中射線的偏轉，說明在宏觀現象中互為鏡象的兩個過程都遵循同樣的經典物理規律

19、：和宇稱的概念是微觀世界中所特有的，它是微觀體系在空間反演變換下具有對稱性時，所相應的守恒量。設N個微觀粒子體系的波函數, 如果它是空間反演算符的本征態, 則有再變換一次這表明的本征值對于p=+1的情況,即;我們稱這波函數具有正的（或說偶的）宇稱，也就是該體系的宇稱為正。對于p=-1的情況,即;我們稱這波函數具有負的（或說奇的）宇稱，也就是該體系的宇稱為負。所謂宇稱守恒，即一個孤立系統的宇稱，奇則永遠為奇，偶則永遠為偶。它的值不隨時間改變，即此微觀體系的宇稱保持不變。原子核是由中子和質子組成，它的狀態可以近似地用中心力場中獨立運動的諸核子的波函數的乘積來描寫，。各個粒子的軌道角動量分別為, 則

20、這體系的的總宇稱為。作為微觀粒子，還應該有內稟宇稱，它和粒子內部結構有關。其宇稱可由核素性質表查得，例如質子、中子、電子等的內稟宇稱為偶，即(內稟宇稱在粒子物理中常用P表示, 在核物理中宇稱和內稟宇稱常用表示), 而另一些粒子, 如介子、光子等, 其內稟宇稱為奇, 即。如果考慮到粒子的內稟宇稱，上述n個粒子體系的總宇稱為綜合原子核的自旋和宇稱，以的衰變圖為例，的基態的自旋和宇稱，的基態的自旋和宇稱同樣為。實際上，其守恒條件提供了選擇的條件。強作用與電磁作用中宇稱守恒性.由量子力學可以證明，宇稱守恒與鏡像變換的不變性等價。2. 弱作用中宇稱守恒的破壞在1956年以前，由于在宏觀世界中，物理規律在

21、空間反射變換下是不變的，因而很自然地把這一結論推廣到微觀世界中，即認為微觀世界中宇稱是守恒的。 1956年，李政道和楊振寧在分析疑難時指出，宇稱守恒在強作用和電磁作用中是經過實驗檢驗過的，而在弱作用中卻沒有經過實驗的檢驗，因此疑難是由于在弱作用情況下宇稱不守恒引起的，并建議用的衰變實驗進行檢驗。年，吳健雄等人進行了這一實驗，并證實了這一結論。疑難與李楊假說:我們已經討論過，宇稱守恒是指一個孤立體系的宇稱不隨時間變化，即在核衰變，核反應前后，系統的宇稱不變。長期以來，在微觀世界中，宇稱守恒問題，并沒有引起人們的懷疑。但是在1956年的前幾年出現的疑難，使物理學家困惑不解，一些物理學家開始懷疑宇稱守恒的普遍性。實驗發現，介子和介子的一切性質都相同，并且總是同時產生，在K介子衰變中占固定的比例（下表）。因此，我們自然想到，它們是同一粒子，只是衰變方式不同而已。但是，根據宇稱守恒，應為偶宇稱，應為奇宇稱。現分析如下。,和介子自旋均為零。對的衰變由角動量守恒，的總角動量J0，則它們的相對運動角動量，衰變后的宇稱，如果宇稱守恒，衰變前后系統宇稱相等，即，則可得的宇稱為偶。表2.4.1 ,的性質粒子衰變方式占所有K介子衰變比例m(MeV)()6%29%對于的衰變仍有，則如果宇稱守恒，則可得為奇宇稱。根據這些分析，可以認識到，如果認為宇稱守恒是普遍成立的，只能判定與不是同一種粒子，