第一章核物理

前言1896年法國科學家貝克勒爾(A.H.Becquerel)無意中發現了鈾鹽的奇特現象,1897年居里夫婦在研究他的發現基礎上從瀝青鈾礦里發現了"輻射能"，而且比鈾本身還強許多倍,他們從瀝青鈾礦里提取了兩種新的元素釙(Po)和鐳(Ra)鐳的縮寫,拉丁文中原意是"放射性"從此解釋了貝克勒示的發現，正式發現了放射性物質為人類研究物質的內部構造奠定了基礎,到上世紀50年代就逐步形成了研究物質結構的三個分支學科，即原子物理,原子核物理和粒子物理。第一節原子和原子核的基本性質1,物質由原子和分子構成,每一種原子對應一種化學元素;2,原子由原子核和電子組成，原子核帶正電荷，電子帶負電荷,原子的大小即半徑約為10-8cm的量級;原子核的質量遠遠超過核外電子的總質量，原子的質量中心和原子核的質量中心非常近原子核線度只有幾十fm(10-13cm)。第一節原子和原子核的基本性質一,原子的殼層結構1,原子由原子核和電子組成，電子在核外按照一定的軌道運動,最靠近核的一個殼層稱為k層，在它外面的依次為:L，M，N，O等等殼層,通常用量子數n(n=1,2,3,…)代差殼層，并分別對應K，L，M,…殼層每個殼層最多可容納2n2個電子，除K外其它殼層可分成若干支殼層支殼層數目等于(2l+1)個，其中l=n-1處于不同殼層的電子具有不同的位能,通常用能級圖來表示其大小。。。。4第一節原子和原子核的基本性質(續)2,X射線在正常狀態，電子先充滿較低的能級，在原子受到內在原因或外來因素的作用時,低能級電子有可能被激發到較高能級上;或電子被電離到原子的殼層之外原來的低能級上會留下一個空位，此時更高能級上的電子就躍遷到這個空位，部分能量主要以電磁輻射的形成釋放一個光子當發生內殼層電子躍遷(如L層電子躍遷到K層)，此時光子能量較高，或說其電磁輻射的頻率比較高，且不同的原子均有不同，Ex=hc/λ=E1-E2的常稱作特征X射線。第一節原子和原子核的基本性質(續)式中h普朗克常數,h=6.6260755x10-34J·s的;光速c=2.997925x1010cm/s;約每秒3O萬公里E1,E2電子躍遷前后兩個能級的能量。特征X射線根據其產生情況可分為K系，L系,M系等等特征X射線。二,原子核的組成及其穩定性1,原子核的組成及其表示第一節原子和原子核的基本性質(續)2,原子核的穩定性及核素圖可分成穩定核素和不穩定的放射性核素。原子核穩定性與核內質子數和中子數之間的比存在著密切的關系,豐中子核素易發生β-衰變;缺中子核素易發生β+衰變Z大到一定程度穩定核素不復存在存。。。自然界中穩定的核素共270多種，若包括半衰期109以上的有284種，其中:偶偶核最穩定有166種,其次是偶奇核(56種)和奇偶(53種),奇奇核最不穩定僅9種。Z質子9C0.127s10C19.4s11C20.4m12C98.813C1.1114C5.730a8B0.774s9B8x10-19s10B19.811B80.212B0.020s13B0.017s6Be4x10-21s7Be53.3d8Be10-6s9Be1009Be1.6x102a9Be13.8s9Be0.011s5Li10-21s6Li7.57Li92.58Li0.85s9Li0.175s11Li0.009s3He0.000134He~1005He2x10-21s6He0.802s8He0.1221H99.9852H0.0153Hβ12.33aN(10.6分)核素(部分)圖中子N第一節原子和原子核的基本性質(續)三,原子核的大小原子核半徑R=r0A1/3;其中:r0=1.20fm=1.20x10-13cm;ρ=A/V=A/((4/3)πR3)=3/(4πr03)其密度ρ=2.84x108噸/cm3約每立方厘米約為3億噸四,原子核的第一節原子和原子核的基本性質(續)結合能(略)1,質能聯系定律:E=mc22,原子核的質量虧損;3,原子核的結合能。第二節原子核的放射性1,已發現2000多個核素,其中天然的332個,其余皆為人工制造的，天然核素中穩定核素270個;。2,不穩定核素指其原子核會自發地轉變成另一種原子核或另一種狀態并伴隨一些粒子或碎片的發射，稱其為放射性原子核如:21084Po的α衰變，22288Ra的αβ衰變,19879Au的β衰變等。3,原子核自發地發生轉變的現象稱為原子核的衰變，如αβγ,自發裂變及發射中子、質子的蛻變過程。第二節原子核的放射性(續)一,放射性衰變的基本規律1,單一放射性的指數衰變規律N=N(0)e-λt;λ為衰變常數2,衰變常數、半衰期和平均壽命λ=-dN(t)/N(t)/dt,T1/2=ln2/λ=0.693/λ;τ=1.44T1/2,經過平均壽命τ后剩下的核數目為原來的37%第二節原子核的放射性(續)3,放射性的活度和單位:單位時間內發生衰變的原子核數:A(t)=-dN(t)/dt=λN(t)=λN0

e-λt=A0e-λt這里A0=λN0為初始活度;活度單位1Ci=3.7x1010/s=3.7x1010Bq(貝克)這里指的是單位時間內原子核衰變次數,但一次衰變可能會放出多個粒子Cs-137100個原子核衰變能放出194個粒子。原子能級圖1-1.doc比活度:單位質量放射源的放射性活度,即:α=A/m，m為放射源的質量,比活度α的單位為Bq/g。第二節原子核的放射性(續)二,放射系地球年齡約為10億年(即109a)，半衰期大于或相近的三個放射系還存在。1,釷系(4n系),從Th-232開始經過連續10次衰變，最后達到穩定核素20882

Pb,由于232是4的整數倍,故稱4n系;2,鈾系(4n+2系)，由U-238開始,經過14次連續衰變而達到穩定核素20582

Pb，其質量數皆為4n+2,故稱4n+2系;3,錒-鈾系(4n+3系),從u-235開始經過連續11次衰變，最后達到穩定核素20782

Pb，該系核素的質量數可表示為4n+3,故稱4n+3系;第二節原子核的放射性(續)天然核素中缺4n+1系，后來人工法發現23793

Np(镎),稱為镎系(4n+1)半衰期為2.14x106a。三,放射性規律的一些應用1,確定放射源的活度;2,確定放射性活度和制備時間;用于人工制備放射源，根據源強確定需要照射的時間或中子注量率,生成放射性核數的變化率為:第二節原子核的放射性(略)dN(t)/dt=P-λN(t),P=Ntσ0Φ，Nt為用于制備源的靶核的總數,σ0為靶核的熱中子活化截面,Φ為熱中子注量率。照射t0時間后,靶物質中生成的放射性核數N(t)=P(1-e-λt0)/λ,達到飽和值所需要的時間t=2ln10/λ=T1/2x(2ln10/ln2)~6.65T1/2;需要6到7倍的半衰期就可得到這種質量的樣品飽和活度99%。第三節射線及其與物質的相互作用一,常用的核輻射類型及其特征輻射:以波或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,粒子輻射)的統稱熱輻射，原子輻射(受激原子退激時發射的紫外線或X射線),核輻射(不穩定原子核發生衰變時發射出的微觀粒子)通常說的“輻射”是狹義的，僅指高能電磁輻射和粒子輻射,又稱射線。核輻射粒子分帶電和不帶電;輕粒子和重粒子;以及處于不同能區的電磁輻射。核輻射靜態性質類型粒子符號電荷/e靜止質量穩定性amuMev/C2穩定性重帶質子P(1H)+11.007938.26穩定電粒氘D(2H)+12.0141876.52穩定子氚T(3H)+13.0152409.19不穩定

αα(4He)+24.0023728.81穩定電子

β-β--14.586X10-40.511穩定β+β++10.511穩定中性γγ000穩定粒子中子n01.009939.55不穩定第三節射線及其與物質的相互作用(續)1,α射線:也稱α粒子是氦的原子核,天然α粒子來源于較重原子核的自發衰變;2,β射線有兩類原子核發出的β射線有兩類β-和β+其中β-就是通常的電子,β+就是正電子，其靜止質量相同約為質子的1/1846。β粒子來源于原子核的β衰變,β衰變有三種類型:β-、β+和軌道電子的俘獲,β-和β+衰變中發射電子和正電子的能量是連續的從0到極大值E?max都有。3,X和γ射線:都是一定能量范圍內的電磁輻射,又稱光子其靜止質量為零不帶任何電荷。第三節射線及其與物質的相互作用(續)單個光子的能量與輻射的頻率ν成正比E=hν

h為普朗克常數h=6.626x10-34J·s。每個光子的能量都是確定的，在真空中的速度都相同,都是光速c=3x108m/s。X和γ射線唯一區別是起源不同:X射線來源于核外電子的躍遷;而γ射線來源于核本身高激發態向低激發態(或基態)的躍遷或粒子的湮滅輻射。第三節射線及其與物質的相互作用(續)如137Cs和60Co都是母核發生β-衰變后，子核處于較高激發態能級,向較低能態或基態躍遷時發出γ光子。(137Cs的γ能量為662KeV，60Co的兩亇γ能量分別為1.17MeV和1.33MeV)。4,中子，不帶電荷，質量數為1，比質子略重，自由中子不穩定,它可自發地發生β-衰變生成質子、電子和反中微子,其半衰期為10.6分能進入原子核內部引起核反應，制造新的核素。中子的產生主要通過核反應或原子核自發裂變，基本上有三種方法:同位素中子源;加速器中子源;反應堆中子源。用中子源產生中子時往往伴有X和γ射線產生，有的可能比較強。第三節射線及其與物質的相互作用(續)二,射線與物質的相互作用1,帶電粒子與物質的相互作用:(1),帶電粒子能量損失方式之一--------電離損失*電離與激發:快速運動的帶電粒子通過物質時，與靶原子核外的電子之問庫侖力作用，使電子受到吸引或排斥，使入射粒子損失部分能量，而電子獲得部分能量，若電子獲得的能量足夠大，能脫離靶核的束縛，靶原子失去電子變成正離子，就稱為電離，相反只是電子從低能級激發到高能級,則稱為激發。激發態電子退激時，放出的能量以光子形式。原子能級圖1-1.doc。第三節射線及其與物質的相互作用(續)*電離能量損失:(-dE/dX)e∝(z2/ν2)N·Z其中z和ν分別是入射粒子的電荷和速度，N,Z是介質的原子密度和原子序數。*平均電離能:每產生一個離子所需的平均能量,介質不同其值也不同在空氣中W=35電子伏。(2),帶電粒子能量損失方式之二------輻射損失高速運動的帶電粒子受到突然加速或減速會發射出具有連續能量的電磁輻射，常稱作韌致輻射，能量最小值為0,最大值為電子的最大動能X射線管和X光機產生的X射線就是韌致輻射。第三節射線及其與物質的相互作用(續)韌致輻射的能量損失率(單位距離上的能量損失)為:(-dE/dX)rad∝(z2Z2/m2)·NE其中:z為入射粒子的核電荷數;Z是吸收物質的原子序數;m和E分別是入射帶電粒子的質量和能量。可知重帶電粒子的韌致輻射能量損失一般可忽略不計。第三節射線及其與物質的相互作用(續)(3),射程:帶電粒子在它入射方向所能穿透的最大距離5.3MeVα粒子質量大其在標準狀態空氣里的平均射程R~3.84cm,在生物肌肉組織中的射程僅為30-40μm，而β粒子通過物質時，由于電離碰撞，韌致輻射和散射等因素的影響，其徑跡十分曲折,經歷的路程遠遠大于通過物質層的厚度正電子湮滅輻射與電子一樣快速通過物質時也會產生電離損失，韌致輻射損失和彈性散射等，能量損失大體相等但自由正電子不穩定,會與介質中電子發生湮滅過程產生0.511MeV的γ湮滅輻射。第三節射線及其與物質的相互作用(續)2,γ射線與物質的相互作用幾十KeV和幾十MeV的γ射線通過物質時主要有光電效應，康普效應和電子對效應等三種作用過程。這三種作用過程都具有一定的概率若以σph表示光電效應截面;σc表示康普頓效應截面;σp表示電子對效應截面,則γ射線與物質的相互作用的總截面。

σ=σph+σc

+σp(1)光電效應;射線與物質的相互作用.doc

γ光子通過物質時，把全部能量轉移給某個束縛電子，使之發射出去而光子本身消失。

入射γ射線e-X射線X射線光電效應過程示意圖°°°°°°第三節射線及其與物質的相互作用(續)光電效應發射出來的電子稱光電子，原子中束縛得越緊的電子參與光電效應的概率越大，以秩為K，L，M，N層，若入射光子能量超過k層電子的結合能,大約80%的光電效應發生在k層電子上光電效