放射性的基础知识.docx

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放射性的基础知识

放射性的基础知识

一、放射性衰变

不稳定的原子核，能自发放出射线，转变成稳定的原子核，这一转变过程称为放射性衰变。

自然界存在着稳定性核素和放射性核素，放射性衰变是原子核内部的物理现象。

稳定的原子核中，中子和质子数目通常保持一定的比例，当中子数或质子数过多时，原子核便不稳定，形成放射性核素。

放射性核素又分为天然放射性核素（自然界存在的，如U-238,Th-232，Ra-226和K-40等）和人工放射性核素（由人工核反应生产的，如Cs-137，Co-60，I-131等）。

1、核衰变方式，主要有以下几种：

1α衰变，放射性原子核放出α粒子（He原子核）后生成另一个核的过程。

ZXA→Z-2YA-4+2He4+Q

它一般发生在原子序数较高的重原子核中,尤其为原子序数大于82的重金属原子核中,如

88Ra226→86Rn222+2He4+4.879Mev

92U238→90Th234+2He4+4.15Mev

2β衰变，分β-衰变、β+衰变和电子俘获三种情况。

β-衰变为放出负电子（e-）的衰变，它是由于原子核中中子过多而造成，放出一个负电子后，核内一个中子转变为一个质子，原子序数增加1，衰变式为：

ZXA→Z+1YA+β-+ν+Q

由于β-衰变产生的能量在β-粒子和反中微子ν之间分配，因此β-粒子的能量是连续分布，最大为Q，最小为0，如：

55Cs137→56Ba137+β-+ν+Q

27Co60→28Ba60+β-+ν+Q

同理β+衰变是放出正电子（e+）的衰变，它是由于原子核内质子过多而引起的，放出一个正电子后，核内一个质子转变为一个中子，原子序数减少1，其衰变式为：

ZXA→Z-1YA+β++ν+Q

自然界中找不到正电子衰变的核素。

电子俘获又称K俘获，它是原子核自核外层轨道上（通常在K层）俘获一个电子，使核里的一个质子转变成一个中子，并放出中微子，衰变式为：

ZXA+e+→Z-1YA+ν+Q

很多放射性同位素会发生电子俘获衰变，如：

26Fe55+e-→25Mn55+ν+Q

53I125+e-→52Te125+ν+Q

电子俘获过程中会伴随发生标识χ射线，γ射线和俄歇电子（即外层电子跃迁至K层时，过剩能量传递给另一个壳层电子发出）。

3γ衰变

在α衰变、β衰变和电子俘获过程中，原子核往往处于激发态（即较高的能级），处于激发态的原子核，通过发出γ光子回到基态（即核平常所处的最低能级），这一过程称为γ衰变。

γ衰变对于核的原子序数Z和质量数A均无影响，仅能量状态发生变化，因此又称同质异能跃迁。

由于处于激发态时间一般都十分短暂（10-13秒左右）。

可以认为γ衰变是与α或β衰变同时发生的，前面提到的137Cs，60Co和125I等β衰变同位素，均伴有γ辐射。

处于激发态的原子核，还可以以内转换电子方式将能量直接传给核外电子，把壳层电子（主要为K层）以单能电子束发射出去，该电子称为内转换电子，此时还会发出标识χ射线或俄歇电子等次级射线。

γ衰变中射线能量大小取决于激发态与基态之间的能量差，它们用千电子伏特（kev）和兆电子伏特（Mev）表示。

它是发射γ线的放射性同位素的特征量，用于识别放射性核素种类的主要依据，也是γ能谱仪分析的主要依据和原理。

2、射线的主要特性

α射线——电离能力强，射程短，穿透力弱，一张纸或皮肤死层（角质层）即可挡住，对人体的损伤仅为内照射。

β射线——电离能力、穿透能力及射程均为中等，对人体的损害主要为皮肤和内照射。

γ射线——是一种电磁辐射，间接电离粒子，电离能力最小，穿透能力最强，散射作用最强，可穿透上公里的空气和几米厚的人体组织，对人体的损害为全身照射。

中子射线——为间接电离粒子，具有较强的穿透力和间接电离能力，对人体的损伤为全身照射。

3、放射性衰变规律

时间t=0时，共有原子核数No个，单位时间中衰变掉的原子核与未衰变的核数N成正比△N/△t=-λN

经积分后得到：

N=Noe-λt

同理可得到A=Aoe-λt

不难可以计算λ=0.693/T1/2

T1/2为原子核数或活度减少一半所需时间，该值为放射性核素的特征量，也是区别放射性核素的重要物理量。

4、天然放射性核素与感生放射性

自然界存在三个天然放射性系列，它们是钍系、铀—镭系和錒系，它们的母体为90Th232（T1/2=1.405×1010年）,92U238（T1/2=4.468×109年）和92U235（T1/2=7.038×108年）。

说它们是系列是因为它们的母体放射性核素衰变后得到的子体仍为放射性核素，经多次衰变后，才达到稳定。

在这之间形成了一个放射性核素的系列。

这些系列的存在原因是由于其母体核素的半衰期与地球年龄（约30亿年）在同一数量级甚至更大。

还有一个镎系，它母体核素为94Pu241，该系列中最长命的93Np237，T1/2=2.14×106年。

在地球中已找不到它了。

除了三个系列外，自然界中还有19K40（T1/2=1.277×109年）。

用核粒子（n、p、α、γ等）轰击较轻的稳定性核素会产生放射性核素，这一过程为称为活化，由此产生的放射性为感生放射性。

它是除裂变外生产同位素的又一个重要途径。

5、放射性单位

衡量某一个放射源或含放射性物质的物理量为放射性活度（Radioactivity）或简称活度（Activity）。

活度也就是放射源的衰变率。

最初放射性活度的单位一直采用居里（Curi）表示。

1居里（Ci）=1000mCi=106μCi=1012pci=3.7×1010衰变/秒

上世纪八十年代中期，推广国际制单位（SI），放射性活度的国际制单位为贝柯（Becqurel）。

1贝柯（Bq）=1衰变/秒=2.7×10-11Ci

1千贝柯（KBq）=103衰变/秒=2.7×10-8Ci

1兆贝柯（MBq）=106秒=2.7×10-5Ci

目前两种单位同时使用，但正式文件和出版物中，必须首先使用国际制单位。

二、γ射线与物质的相互作用

γ射线与物质的相互作用，仅与它们的能量有关，而与它们的起源无关。

在通常的能量范围（<30Mev）γ射线与物质的相互作用主要有以下三种：

1、光电效应

γ光子与物质原子中壳层电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使它发射出去成为自由电子，而其本身消失，该过程为光电效应。

在光电效应中，光电子的能量Ee=hν-Bi≈hν,hν为γ光子能量，Bi为光电子脱离原子壳层所需之能量，称为电子结合能，它们通常为几千至几十千电子伏特。

因此近似可以认为光电子动能等于γ光子能量，在γ能谱仪上出现的光电峰也可称为全能峰，或特征峰，它是识别放射性核素所依据的能峰。

约有80%的光电效应发生K层，L层次之，M、N层更少。

在内层电子被打击出现空位情况下，外层电子跃迁入内层，因此在放射光电子的同时还伴随着产生标识χ射线和俄歇电子。

光电效应的截面（作用的几率）与物质原子序数的5次方成正比，原子序数越大的物质，光电截面越大，吸收γ射线的本领也越大。

它与γ光子的能量成反比，γ光子能量越大，光电截面越小。

2、康普顿效应

γ光子与原子核外壳层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子成为反冲电子脱离原子，另一部份能量由改变方向后的散射光子带走，这一过程称为康普顿效应。

康普顿效应总是发生在束缚得最松的外层电子上，γ光子的能量在反冲电子与散射光子两者之间进行分配。

当散射角为0°时，散射光子能量最大为hν，反冲电子能量最小为0；当散射角为180°时，（为反散射），散射光子能量最小，约为200kev左右（无论入射光子能量多少），而反冲电子能量达最大，为hν—200kev左右。

在反冲电子的最大能量处，反冲电子数目最多，形成康普顿坪的边缘，在较低能量处，电子数大体相同。

由康普顿效应产生的康普顿坪，是能谱分析中每个谱图都会出现的，在解复杂谱时，低能放射性核素的全能峰迭加在康普顿坪上，往往给定量分析带来很大的困难。

散射光子在改变方向后，可继续与物质相互作用，发生多次散射或产生光电效应被吸收，由于这一过程是在微微秒水平的时间尺度上发生的，因此可以认为它们是同一事件，被吸收后增加全能峰的计数。

3、电子对效应

能量大于1.02Mev（即2moC2）的γ光子，经过原子核傍时，在原子核电场作用下，转化为一个正电子和一个负电子（即一个电子对），这一过程称为电子对效应。

在电子对效应中，入射光子能量中，1.02MoC2转化为电子对的静止能量，其余成它的动能，即hν=Ee++Ee-+2moC2

正负电子之间能量分配是任意的。

电子对效应的逆过程为湮没辐射，正负电子发生湮没时，产生两个γ光子，其能量相同（均为0.51Mev）,方向相反。

电子对效应作用截面（几率）与物质原子序数Z2成正比,，与λ射光子能量hν或ln（hν）成正比，因此物质原子序数越大，γ光子能量越高，发生电子对效应几率越大。

4、γ射线的吸收

γ射线穿过物质时，通过上述三类效应发生能量转移，每发生一次碰撞便是一次能量大转移，但未经碰撞的光子，它的能量不变。

因此经物质吸收后，尽管强度逐渐减弱，但对于某一个γ光子无确定的射程。

对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势

对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势。

对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。

经准直的γ射线（窄束γ射线）在通过物质时，其强度减弱呈指数规律I=I0e-μtμ=μPh+μC+μP

t为吸收物体的厚度，I为γ射线强度（I0为t=0处强度），μPh、μC、μP分别为光电吸收系数，康普顿吸收系数和电子对吸收系数。

三、其它粒子与物质相互作用

1、带电粒子与物质相互作用

1电离（产生离子对）与激发（至较高能级）；

2弹性散射（改变运动方向，不发生能量变化）；

3轫致辐射（受原子核库伦电场作用减速，一部分能量转变成具有连续能谱的电磁辐射）；

4湮没辐射（粒子与反粒子发生碰撞时，质量可转化为γ辐射）；

2、中子与物质相互作用

中子与原子核碰撞给出部分能量，反冲核在物质中快速运动，引起物质电离。

由动量守恒和能量守恒定律可知，与轻核碰撞时，中子消耗的能量多，反冲核得到的能量大，引起电离强烈；相反与重核碰撞，给出能量少，引起电离较弱。

此外中子还能引起辐射俘获发射γ光子和引起核反应等。

四、NaI探测器

1、组成和工作过程

由NaI晶体、光导、光电倍增管和电子线路部分构成。

电子线路包括分压器、阴极跟随器和高压电源等。

工作过程可分为五个相关联的步骤：

1γ射线进入闪烁体，发生光电，康普顿、电子对效应，闪烁体吸收次级电子能量，使闪烁体原子和分子电离和激发。

2被电离激发的原子和分子退激时产生光子。

3利用反射物尽可能将光子收集到光电倍增管的光阴极上，由光电效应，光子在光阴极上打击出光电子。

4光电子在GDB中倍增（可增加几个数量级），倍增的电子流在阳极负载上产生电信号。

5此讯号由电子仪器记录。

2、NaI闪烁体

在核辐射进入NaI晶体时，电子从价带激发到导带（或激带）产生自由电子—空穴对，当电子从导带激带退激，跃迁到价带时将发出光子（可见光），为了使产生的光不被晶体自身吸收（又产生电子从价带至导带），则需在NaI中加入少量杂质原子（Tl），在禁带中产生杂质能级。

处于杂质能级的电子以发光形式跃迁到价带，这就是闪烁过程。

主要技术指标为发光光谱（NaI为4150A），发光效率，发光时间（一般为10-9秒）。

由于NaI闪烁体中，碘有较高的原子序数（Z=53），因此γ探测效率特别高，而且在闪烁探测器中分辨率也属最好，（对137Cs的662Kev峰可达7%左右）。

它的缺点为易潮解，温度改变时，发光效率、分辨率和时间特性也会变差。

3、光学收集系统

光学收集系统由反射层、耦合剂