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核安全综合知识第一章
核安全综合知识（第一章）
核安全综合知识
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2010年6月
《核安全综合知识》
第一章原子核物理基础
考试要求
熟悉原子结构的知识
熟悉放射性的概念、衰变及其规律
熟悉射线及其与物质的相互作用
掌握核反应的类型
了解核裂变及其裂变反应的知识
《核安全综合知识》
第一章的要求：
复习内容
原子和原子核的基本性质
原子核的放射性
射线及其与物质相互作用
原子核反应
核裂变及核能的利用
《核安全综合知识》
原子和原子核的基本性质
知识要点：
原子与原子核
原子的壳层结构
原子核的组成及其稳定性
原子核的大小
原子核的结合能
《核安全综合知识》
原子和原子核
（1）
知识要点：
原子、原子核、同位素
1896年法国科学家贝克勒尔（A.H.Becquerel）发现天然放射性现象，人类第一次观察到核变化，这一重大发现是原子核物理的开端。
万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。
目前，人们已知一百多种元素。
1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出原子由原子核和核外电子组成的假设。
核外电子运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核内部核子的运动是原子核物理学的主要研究对象。
原子和原子核是物质结构的两个层次。
《核安全综合知识》
原子和原子核
（2）
电子带负电荷，电子电荷的值为：
e=-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。
电子的质量为me=-31kg。
原子核带正电荷，集中了原子的全部正电荷。
原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征，原子可以设想为电子在以原子核为中心的、距核非常远的若干轨道上运行。
原子的大小半径约为10-8cm的量级。
原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。
原子核的尺度只有几十飞米（1fm=10-15m=10-13cm），而密度高达。
物质的许多化学性质及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要与原子核有关。
《核安全综合知识》
原子和原子核（3）
单选题例：
（只有一个答案是正确的）
原子物理学的主要内容是（A）。
A核外电子的运动,B原子核的裂变，
C原子核的衰变，D原子核中核子间的运动。
多选题例：
（有多个答案可能正确，错一个为全错）
原子由原子核和核外电子组成，其中（ABCDE）。
A电子带负电荷，
B原子核集中了原子的全部正电荷，
C原子的大小半径约为10-8cm的量级，
D原子核的质量远超过核外电子的总质量，
E原子核的限度只有几十飞米。
《核安全综合知识》
原子的壳层结构
（1）
知识要点：
原子的壳层、能级、跃迁
原子的核外电子称为轨道电子。
原子的轨道电子离核的距离是不能取任意值的，按照一定的规律形成彼此分离的壳层。
最靠近核的一个壳层称为K层，在它的外面依次为L、M、N、O壳层等，以此类推。
通常用量子数n（n=1,2,3…）代表壳层，并分别对应K、L、M、N、O，…壳层。
每个壳层可容纳2n2个电子。
除了K层以外，其他壳层又可分成（2l+1，l=n-1）个支壳层，l是描述电子轨道的量子数。
处于不同壳层的电子具有不同的位能，当电子从无穷远处移动到靠近原子核的位置时是电场力作功，K层的能级最低。
能级的能量大小就等于该壳层电子的结合能，要使该壳层电子脱离核的束缚成为自由电子所需做的功。
结合能是负值，通常以KeV为单位，K壳层电子的结合能的绝对值最大。
《核安全综合知识》
原子的壳层结构
（2）
用n，l，j三个量子数来描述不同的能级。
其中n=1，2，3，是主量子数；l=0，1，2，…，（n-1）是与电子的轨道运动相关的量子数，而j是与电子的自旋运动相关的量子数，j与l的关系是j=|l±1/2|。
n，l，j三个量子数的不同组合区别轨道电子不同的支壳层。
每个支壳层最多可容纳（2j+1）个电子。
在正常情况下，电子先充满较低能级，但当原子受到内在原因或外来因素的作用时，低能级的电子可以被激发到高能级上（称激发过程），或电子被电离到原子的壳层之外（称电离过程），高能级电子就会跃迁到低能级上留下的空位上，并以电磁辐射的形式释放一个光子。
发生内层电子跃迁时，发射的光子能量较高，而且不同元素的原子均有不同特定的能量，所以通常又称作特征X射线，其能量计算公式为：
EX=hc/λ=E1-E2，式中h=；光速c=108ms；E1和E2分别是跃迁前后两个能级的能量。
K系特征线是由K壳层之外的电子跃迁到K层空位时发射的特征X射线，同样还有L系、M系特征X射线等，跃迁还需要满足特定的选择定则。
《核安全综合知识》
原子的壳层结构（3）
单选题例：
原子的核外电子称为（B）。
A自由电子，B轨道电子，
C俄歇电子，D康普顿电子。
多选题例：
电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层，其中各层最多可容纳的电子数分别是（BCE）。
AK层1个，
BK层2个，
CL层8个，
DM层10个，
EM层18个。
《核安全综合知识》
原子核的组成及其稳定性
（1）
知识要点：
核的组成、核素/同位素/同质异能素、核的稳定性
1932年查德威克发现中子，海森堡提出原子核由质子和中子组成的假设。
中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。
中子和质子的质量相差甚微，它们的质量分别为：
mn=，mp=，u为原子质量单位。
1960年国际上规定把碳-12（12C）原子质量的1/12定义为原子质量单位，用u表示，
1u=±-27kg=c2。
任何一个原子核都可以由符号AZXN表示，N是中子数，Z是质子数或电荷数，A是核子数或质量数，X是该原子核对应的元素符号。
只要元素符号X确定后，该元素的电荷数就已经确定，所以符号AX足以表示一个特定的核。
中子数和质子数都相同的原子核称为一种核素。
具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。
16O,17O,18O的天然丰度比是：
%、%、%。
寿命较长的激发态原子核称为基态原子核的同质异能素或同核异能素。
同质异能素所处的能态又称同质异能态，如：
87mSr，87Sr。
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原子核的组成及其稳定性
（2）
根据原子核的稳定性，可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。
原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在密切的关系。
核素图必须是一个含有N-Z数的两维图。
在现代核素图上，既包括了天然存在的332个核素（其中280多个是稳定核素），也包括了自1934年以来人工制造的1600多个放射性核素，一共约2000个核素。
在β稳定核素分布图上，相同中子数N的核素是同中异荷素；在N和Z轴截距相等的直线上的核素是同量异位素。
在Z<20的轻核时，稳定核位于N=Z的直线附近;Z为中等核时，稳定核位于N/Z~的位置；Z~90的重核，稳定核位于N/Z~的位置。
在β稳定核素分布图上，相对于稳定曲线，中子数过多或偏少都是不稳定的。
位于稳定曲线偏N增大的区域的核素是丰中子核素，易发生β-衰变，位于稳定曲线偏Z增大的区域的核素是缺中子核素，易发生β+衰变。
《核安全综合知识》
原子核的组成及其稳定性（3）
《核安全综合知识》
原子核的组成及其稳定性（4）
由于库仑力是长程相互作用力，作用于核内的所有质子；而核力是短程力，只作用与相邻的核子。
随Z（A）的增加，稳定核的中子数比质子数越来越多，越来越偏离Z=N的直线。
当Z大到一定程度，稳定核素不复存在。
当原子核的中子数或质子数为2，8，20，28，50，82和中子数为126时，原子核特别稳定。
上述数目称为“幻数”，核内中子或质子满足幻数条件的原子核称为“幻核”。
。
原子核的稳定性还与核内质子和中子的奇偶性有关，自然界存在的稳定核素共270多种，若包括半衰期109年以上的核素则为284种，其中偶偶（e-e）核166种，偶奇（e-o）核56种，奇偶（o-e）核53种，奇奇（o-o）核9种。
《核安全综合知识》
原子核的组成及其稳定性（5）
单选题例：
-天然存在的核素的个数为（B）
A280,B332,C1600，D2000。
-Z为90左右的重核，稳定核的中子和质子的比例约为（C）
A,B,C，D。
-丰中子β不稳定核素，易发生（A）。
Aβ-衰变,Bβ+衰变,C轨道电子俘获，E光合作用
多选题例：
-幻核的质子数或中子数为（ABCD）。
A2,B8,C20,D28,E92
-若半衰期109年以上的核素被认为是稳定核素，那么自然界存在的稳定核素中有（ABCD）。
A偶偶（e-e）核166种,B偶奇（e-o）核56种,C奇偶（o-e）核53种，
D奇奇（o-o）核9种,E半衰期109年以上的核素284种
《核安全综合知识》
原子核的大小
（1）
知识要点：
核的核力半径、电荷半径、核物质密度
最早研究原子核的大小是卢瑟福和查德威克。
他们用质子或α粒子去轰击各种原子核。
根据这一方法，发现轻原子核的的半径遵从如下的规律：
R=r0A1/3，r0=。
单位体积内的核子数称为原子核的密度，其值等于常数,表明只要核子结合成原子核,其密度都是相同的，这就形成核物质的概念。
在每立厘米体积中竟有近3亿吨亿吨）的核物质。
其后，出现了许多其他更精确的测量方法。
如用中子衍射截面测量原子核的大小（核力半径）；用高能电子散射测量原子核的大小及电荷形状因子（电荷分布半径）等等。
并依据所采用的方法，分别给出电荷半径或核力半径。
原子核半径R与A1/3成正比,而其比例常数r0的最近数据为:
r0=（±）fm，电荷分布半径；
r0=（±）fm，核力半径。
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原子核的大小
（2）
单选题例：
-核物质的密度约为（D）t/cm3。
A3万,B3百万，C3千万,D3亿。
-原子核半径的范围约为（D）
A1-10mm,B1-10μm,C1-10nm,D1-10fm
多选题例：
测量原子核电荷半径或核力半径的主要方法包括（ABCD）
A中子衍射,
B高能电子散射,
Cα粒子散射，
D质子散射，
E紫外线成像。
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原子核的结合能
（1）
知识要点：
质能联系定律、质量亏损、核的结合能与比结合能
E=mc2称为质能关系式，也就是质能联系定律。
原子核的质量亏损为组成原子核的个质子和个中子的质量与该原子核的质量之差。
从原子核的质量亏损的定义可以明确的看出，所有的核都存在质量亏损，即⊿m（Z,A）>0。
⊿m（Z,A）=Zmp+（A-Z）mn-m（Z,A），其中m（Z,A）为电荷数为Z、质量数为A的原子核的质量。
既然原子核的质量亏损⊿m（Z,A）>0，由质能关系式，那么相应能量的减少就是⊿E=⊿mc2>0。
这表明核子结合成原子核时，会释放出能量，这个能量称之为结合能。
一个中子和一个质子组成氘核时，会释放一部分能量,这就是氘的结合能。
它已为精确的实验测量所证明。
实验还证实了它的逆过程：
当有能量为的光子照射氘核时,氘核将一分为两,飞出质子和中子。
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原子核的结合能
（2）
结合能:
B（Z,A）=⊿mc2
比结合能:
ε（Z,A）=B（Z,A）/A=⊿mc2/A
比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子所做的最小的平均功，或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。
比结合能表征了原子核结合的松紧程度。
比结合能大，原子核结合紧，稳定性高；比结合能小，结合松，稳定性差。
《核安全综合知识》
原子核的结合能（3）
当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松的核变到结合得紧的核，就会释放能量。
从比结合能曲线可以看出,有两个途径可以获得能量：
重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核；
轻核聚变，即两个轻核融合为一个较重质量的核。
人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子弹，依靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变反应。
所谓原子能，主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量。
《核安全综合知识》
原子核的结合能（4）
《核安全综合知识》
原子核的结合能（5）
单选题例：
一个质子和一个中子结合成氘原子核时，会（B）的能量。
A吸收，B释放出，
C吸收，释放出
在原子核的质量亏损算式中，m（Z,A）为的原子核的（B）。
A核子数，B核质量,C中子数，D原子序数
组成氘核的质子和中子质量之和（C）氘核的质量。
A小于,B等于，C大于，D等于两个
E=mc2称为（A）定律。
A质能联系,B万有引力，C宇称守恒，D库仑
多选题例：
原子能是指原子核结合能发生变化时释放的能量，原子能利用的实例有（ABC）。
A核反应堆，B原子弹，C氢弹，D激光器，E氢气复合器
《核安全综合知识》
原子核的放射性
知识要点：
原子核的衰变与放射性核素
放射性衰变的基本规律
放射系
放射规律的应用
《核安全综合知识》
原子核的衰变与放射性核素
（1）
知识要点：
放射性核素、核衰变、衰变纲图
不稳定核素是指其原子核会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射，它又称为放射性原子核。
在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称为原子核的衰变，核衰变有多种形式，如α衰变，β衰变，γ衰变，还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。
不稳定原子核会自发地发生衰变。
可以根据衰变纲图和同位素表提供的资料，选取有用的数据。
衰变纲图中粗实横划线的态代表原子核基态，细实横划线的态代表原子核的激发态，箭头向左表示原子序数减少，向右表示增加。
箭头线上标示了放射粒子的类型及其动能或者动能最大值，图中百分数代表该种衰变所占的比例（又叫分支比）。
《核安全综合知识》
原子核的衰变与放射性核素
（2）
《核安全综合知识》
原子核的衰变与放射性核素（3）
单选题例：
在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称原子核的（A）
A衰变，B诱发裂变，C聚变，D散裂。
会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随发射一些粒子或碎片的原子核是（B）
A散射靶核，B放射性原子核，C裂变核，D散裂核
多选题例：
原子核衰变有多种形式，如（ABCDE）。
Aα衰变，Bβ衰变，Cγ衰变，
D自发裂变,E发射质子的蜕变
《核安全综合知识》
放射性衰变的基本规律
（1）
知识要点：
指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活度
实验表明，任何放射性物质在单独存在时都服从相同的指数衰减规律。
指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变，而且对于同时存在分支衰变的过程，指数衰减规律也是适用的，这是一个普遍的规律。
指数衰减规律:
N（t）=N0e-λt
对各种不同的核素来说，它们衰变的快慢又各不相同，这反映在它们的衰变常数λ（或半衰期/平均寿命）各不相同，所以衰变常数又反映了它们的个性。
应该指出，放射性指数衰减规律是一种统计规律，它是由大量的全同原子核参与衰变而得到的。
对于单个原子核的衰变，只能说它具有一定的衰变概率λ，而不能确切地确定它何时发生衰变。
实验发现，用加压、加热、加电磁场、机械运动等物理或化学手段不能改变指数衰减规律，也不能改变其衰变常数。
这表明，放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的。
《核安全综合知识》
放射性衰变的基本规律
（2）
衰变常数λ是单位时间内（单一放射性物质）一个原子核发生衰变的概率，其单位为时间的倒数：
s-1，min-1，h-1，d-1，a-1等。
衰变常数表征该放射性核素衰变的快慢，λ越大，衰变越快；越小，衰变越慢。
实验指出，每种放射性核素都有确定的衰变常数，衰变常数λ的大小与这种核素如何形成的或何时形成的都无关。
如果一种核素同时有几种衰变模式，如图1-5（b）中137Cs有两种β－衰变，还有一些放射性同位素同时放射α和β粒子等，则这核素的总衰常数是各个分支衰变常数之和，即：
λ=∑雐
定义分支比Ri为第个分支衰变在总衰变中所占的比例，即:
Ri=λi/λ=λi/∑λi
《核安全综合知识》
放射性衰变的基本规律（3）
放射性核素衰变掉一半所需要的时间，叫做该放射性核素的半衰期T1/2，单位为s，min，h，d，a等。
根据指数衰变规律，可得：
T1/2=ln2/λ=λ
还可以用平均寿命τ来量度衰变的快慢，τ简称寿命。
τ=∫tλN（t）dt/N0=1/λ=2
平均寿命是半衰期的倍。
放射性核素的平均寿命表示经过时间τ以后，剩下的核素数目约为原来的37%。
一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度，通常用符号A表示。
如果一个放射源在t时刻含有N（t）个放射性原子核，放射源核素的衰变常数为λ，则这个放射源的放射性活度为
A（t）=-dN（t）/dt=λN（t）=A（0）e-λt
上式可见，一个放射源的放射性活度也应随时间增加而指数地衰减。
《核安全综合知识》
放射性衰变的基本规律（4）
历史上放射性活度采用居里（Ci）为单位。
1950年，为了统一起见，国际上共同规定：
一个放射源每秒钟有×1010次核衰变定义为一个居里，即：
1Ci=×1010s-1
更小的单位有毫居里（1mCi=10-3Ci）和微居里（1Ci=10-6Ci）。
在1975年国际计量大会（GeneralConferenceonWeightsandMeasures）上，规定了放射性活度的SI单位叫Bq（贝克［勒尔］），1Bq=1s-1
放射性活度仅仅指单位时间内原子核衰变的数目，而不是指在衰变过程中放射出的粒子数目。
在实际工作中还经常用到“比放射性活度”或“比活度”的概念。
比放射性活度就是单位质量放射源的放射性活度，即：
a=A/m，式中m为放射源的质量，比放射性活度的单位为Bq/g
衡量一个放射源或放射性样品的放射性的强弱的物理量，除放射性活度外，还常用“衰变率”这一概念。
设t时刻放射性样品中，某一放射性核素的原子核数为N（t），该放射性核素的衰变常数为λ，我们把这个放射源在单位时间内发生衰变的核的数目称为衰变率J（t），则J（t）=λN（t）。
《核安全综合知识》
放射性衰变的基本规律（5）
单选题例：
1微居里等于（A）Bq。
A，B，C，D
平均寿命是半衰期（C）倍。
A，B，C，D2
λ的单位或量纲为（B）。
A时间，B时间的倒数，C长度，D长度的倒数
多选题例：
（ABCDE）等手段不能改变放射性核素的衰变常数。
A加压，B加热，C加电磁场，D机械运动，E化学反应
表征该放射性核素衰变的快慢的参数是（ACD）。
A衰变常数，B射线能量，C平均寿命，
D半衰期，E平均自由程
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放射系
（1）
知识要点：
天然存在的钍系、铀系、锕系及人造镎系
地球年龄约为10亿年（即109年）。
目前还能存在于地球上的放射性核素都只能维系在三个处于长期平衡状态的放射系中。
这些放射系的第一个核素的半衰期都很长，和地球的年龄相近或比它更长。
如钍系（4n）的,半衰期为×1010a；钍系从232Th开始，经过连续10次衰变，最后到达稳定核素208Pb。
由于的质量数=232=4×58，是4的整倍数，故称4n系。
铀系（4n+2）的，半衰期为×109a；铀系由238U开始,经过14次连续衰变而到达稳定核素206Pb。
该系的核素，其质量数皆为4n+2，故称4n+2系
锕-铀系（4n+3）的，其半衰期为×108a；锕-铀系是从开始的，经过11次连续衰变，到达稳定核素207Pb。
该系核素的质量数可表示为4n+3系。
虽然在三个放射系中的其他核素，在单独存在时，衰变都较快，但它们维系在长期平衡体系内时，都按第一个核素的半衰期衰变，因此可保存至今。
在天然存在的放射系中，缺少了4n+1系。
后来，由人工方法才发现了这一放射系，以其中半衰期最长的（镎）命名，称为镎系。
237Np的半衰期为×106a。
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放射系
（2）
单选题例：
锕铀放射系又称为（D）系。
A4n，B4n+1，C4n+2，D4n+3
由人工方法发现的4n+1放射系称为镎系，其中半衰期最长核素237Np的半衰期为（A）。
A×106a,B×108a,
C×109a,D×1010a
多选题例：
地球上的原生放射性核素都只能维系在处于长期平衡状态的（ACD）放射系中。
A锕-铀系，B镎系，C铀系，D钍系，E钚系
《核安全综合知识》
放射规律的应用
（1）
知识要点：
放射源活度的确定、确定人工放射性制备时间
放射源活度的确定:
A（t）=λN（t）,N（t）=MxNA/A
NA=,A是放射源物质的质量数。
在人工制备放射源时，如果反应堆中的中子注量率或加速器中带电粒子束流强是恒定的，则制备的人工放射性核素的产生率是恒定的，而放射性核素同时又在衰变，因此它的数目变化率为N（t）=P（1-e-λt）/λ,P=Ntσ0Φ。
式中Nt为样品中被用于制备放射源的靶核的总数，而且认为在辐照过程中保持恒定；σ0为靶核的热中子截面；Φ为热中子的注量率
人工生成的放射性核数呈指数增长，要达到饱和值，必须经过相当长的时间。
需要半衰期的六七倍时间，即可得到放射性活度为的99%的放射源。
如果再延长时间，也只增加其中的1%而已，这是不合算的。
单选题例：
辐照生产放射性核数一般只需要照射半衰期的（C）倍时间，即可得到放射性活度为的99%的放射源。
A1-2，B3-4，C6-7，D9-10
《核安全综合知识》
射线及其与物质相互作用
知识要点：
常用的核辐射类型及特征
射线与物质相互作用
辐射探测的原理和主要的辐射探测器
《核安全综合知识》
常用的核辐射类型及特征
（1）
知识要点：
α、β、γ射线及中子
辐射的定义是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、粒子辐射等）的统称。
物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做原子辐射；不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。
通常论及的“辐射”概念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射。
这种狭义的“辐射”又称“射线”。
核辐射粒子就其荷电性质可以分为带电粒子和非带电粒子；就其质量而言，可以分为轻粒子和重粒子；以及处于不同能区的电磁辐射。
主要有α辐射、β辐射、γ辐射和中子辐射等。
《核安全综合知识》
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