核辐射与防护基础-new.ppt

1、核辐射与防护基础陈熙萌兰州大学核科学与技术学院引引 子子人人类赖以生存的能量来自太阳类赖以生存的能量来自太阳核能核能每个人都是一枚放射源每个人都是一枚放射源不必谈核色变不必谈核色变报告内容辉煌历史辉煌历史原子核基本性质原子核基本性质原子核结构原子核结构概述概述原子核衰变原子核衰变剂量防护基本概念剂量防护基本概念X X射线防护基础知识射线防护基础知识 射线防护基础知识射线防护基础知识射射线线防护基础知识防护基础知识带电粒子束防护基础知识带电粒子束防护基础知识中子防护基础知识中子防护基础知识放射性核素毒性分级放射性核素毒性分级H.BecquerelH.Becquerel,法国物理学家法国物理学家法

2、国物理学家法国物理学家（1852-19081852-1908），），），），19031903年获年获年获年获得诺贝尔奖。发现了铀得诺贝尔奖。发现了铀得诺贝尔奖。发现了铀得诺贝尔奖。发现了铀(U)(U)放射现象，这是人类历史放射现象，这是人类历史放射现象，这是人类历史放射现象，这是人类历史上第一次在实验室里观察上第一次在实验室里观察上第一次在实验室里观察上第一次在实验室里观察到原子核现象。到原子核现象。到原子核现象。到原子核现象。辉煌历史辉煌历史M.CurieM.Curie，法国物理学家法国物理学家法国物理学家法国物理学家（1867-19341867-1934），波兰人，），波兰人，），波兰人，

3、），波兰人，19031903年获得诺贝尔奖。发现年获得诺贝尔奖。发现年获得诺贝尔奖。发现年获得诺贝尔奖。发现钋钋钋钋(Po)(Po)和镭和镭和镭和镭(Ra);Ra);她的女儿她的女儿她的女儿她的女儿(I.Joliot-Curie,1897-1956)(I.Joliot-Curie,1897-1956)和女婿和女婿和女婿和女婿(F.Joliot-Curie,(F.Joliot-Curie,1900-1958)1900-1958)因发现人工放射因发现人工放射因发现人工放射因发现人工放射性获性获性获性获19341934年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。E.RutherfordE.Rut

4、herford，英国物理英国物理英国物理英国物理学家学家学家学家(1871-1937)(1871-1937)，新，新，新，新西兰人，西兰人，西兰人，西兰人，19081908年获得年获得年获得年获得诺贝尔奖。证实了诺贝尔奖。证实了诺贝尔奖。证实了诺贝尔奖。证实了a a 射射射射线为线为线为线为HeHe2+2+，射线为电射线为电射线为电射线为电子；子；子；子；提出了原子的核提出了原子的核提出了原子的核提出了原子的核式模型；首次实现人式模型；首次实现人式模型；首次实现人式模型；首次实现人工核反应；培养了工核反应；培养了工核反应；培养了工核反应；培养了1010诺贝尔奖获得者。诺贝尔奖获得者。诺贝尔奖获

5、得者。诺贝尔奖获得者。J.ChadwickJ.Chadwick，英国物理学英国物理学英国物理学英国物理学家家家家(1891-1974)(1891-1974)，19351935年年年年因发现了中子获得诺贝因发现了中子获得诺贝因发现了中子获得诺贝因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被认尔奖。中子的发现被认尔奖。中子的发现被认尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。为是原子核物理的诞生。为是原子核物理的诞生。为是原子核物理的诞生。E.FermiE.Fermi，意大利物理学家意大利物理学家意大利物理学家意大利物理学家(1901-1954)(1901-1954)，发明了热中，发明了热中，发明了热中，发

6、明了热中子链式反应堆。子链式反应堆。子链式反应堆。子链式反应堆。19381938年获年获年获年获得诺贝尔奖。得诺贝尔奖。得诺贝尔奖。得诺贝尔奖。R.L.MossbauerR.L.Mossbauer,德国物理德国物理德国物理德国物理学家学家学家学家(1929-1976)(1929-1976)。19611961年对年对年对年对 辐射的共振吸收的辐射的共振吸收的辐射的共振吸收的辐射的共振吸收的研究和发现研究和发现研究和发现研究和发现MossbauerMossbauer效效效效应获诺贝尔物理学奖。应获诺贝尔物理学奖。应获诺贝尔物理学奖。应获诺贝尔物理学奖。李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守李政

7、道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄的实验所证实。恒，并由吴健雄的实验所证实。恒，并由吴健雄的实验所证实。恒，并由吴健雄的实验所证实。李政道、杨振宁于李政道、杨振宁于1957年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖丁肇中，丁肇中，丁肇中，丁肇中，(1936)(1936)与与与与 B.Richter,(1931)B.Richter,(1931)分别发现分别发现分别发现分别发现J J 粒子，找到了美夸克存粒子，找到了美夸克存粒子，找到了美夸克存粒子，找到了美夸克存在的证据，在的证据，在的证据，在的证据，

8、19761976年获诺贝尔年获诺贝尔年获诺贝尔年获诺贝尔奖。奖。奖。奖。原子核的基本性质原子核的基本性质原子核的组成原子核的组成原子核的组成原子核的组成原子核的大小原子核的大小原子核的质量和结合能原子核的质量和结合能原子核的自旋原子核的自旋原子核的自旋原子核的自旋原子核的磁矩原子核的磁矩原子核的电四极矩原子核的电四极矩原子核的统计性质原子核的统计性质原子核的宇称原子核的宇称一、原子核的组成一、原子核的组成一、原子核的组成一、原子核的组成1、原子核、原子核1909年年E.Rutherford通过通过散射发现了原子核。散射发现了原子核。实验测量原子核的质量都接近于氢原子核质量的整数倍。实验测量原子

9、核的质量都接近于氢原子核质量的整数倍。2、质子的发现、质子的发现1919年，年，E.Rutherford又通过又通过发现了一种新的粒子发现了一种新的粒子质子质子 带单位正电荷的电量带单位正电荷的电量质量质量=氢原子质量氢原子质量这个反应也是第一个人工核反应。这个反应也是第一个人工核反应。质子和电子说质子和电子说 A个质子和个质子和A-Z个电子，个电子，原子核的电量和质量都可以解释，原子核的电量和质量都可以解释，但这不可能。但这不可能。衰变中，电子的最大能量衰变中，电子的最大能量几个几个MeV，这种设想是不正确的这种设想是不正确的 1930年，年，W.Bothe等人用等人用粒子轰击粒子轰击Li、

10、Be等轻元素，发现等轻元素，发现一种贯穿力极强的辐射，当时认为是一种贯穿力极强的辐射，当时认为是射线。射线。同年，居里夫妇重复实验，用同年，居里夫妇重复实验，用源打源打Be靶，产生贯穿力靶，产生贯穿力很强的射线，并用此射线轰击石蜡，产生的反冲质子的很强的射线，并用此射线轰击石蜡，产生的反冲质子的能量最大可达能量最大可达5.7MeV，他们依然认为这种射线是，他们依然认为这种射线是射线。射线。根据康普顿散射的计算，相应的根据康普顿散射的计算，相应的射线的能量为射线的能量为55MeV，但与实验实际测得的能量不符。但与实验实际测得的能量不符。查德威克在居里公布实验不到一个月的时间里，宣布发查德威克在居

11、里公布实验不到一个月的时间里，宣布发现中子。查德威克在现中子。查德威克在1935年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。质子质子中子结构中子结构 一个原子核是由一个原子核是由Z个质子和个质子和N=A-Z个中子组成，个中子组成，质子和中子统称为核子，海森伯认为，质子和中子统称为核子，海森伯认为，它们是核子的两个不它们是核子的两个不同状态。同状态。3、中子的发现、中子的发现4、术语、术语1)核素（核素（nuclide）特定中子、质子数；特定的能态特定中子、质子数；特定的能态(一般为一般为基态基态)。2)同位素同位素(isotopes)相同的质子数，不同中子数相同的质子数，不同中子数3)同中子异荷素（同中子

12、异荷素（isotones）相同的中子数相同的中子数4)同量异位素（同量异位素（isobar）相同的核子数相同的核子数 5)同质异能素（同质异能素（isomer）中子数质子数相同，但能态不同。中子数质子数相同，但能态不同。6)偶偶A核核 偶偶核（偶偶核（e-e核）；奇奇核（核）；奇奇核（o-o）核；）核；奇奇A核偶奇核（核偶奇核（e-o核）；奇偶核（核）；奇偶核（o-e）核。）核。5、核素图、核素图Z（质子数）（质子数）-N（中子数）的直方图（中子数）的直方图 特点：特点：)核素图包括核素图包括300多个天然存在的核素（其中稳定核素多个天然存在的核素（其中稳定核素280多个，多个，放射性核素放射

13、性核素30多个及多个及1600多个人工放射性核素。多个人工放射性核素。)稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定曲线在轻核靠稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定曲线在轻核靠近近ZN线，而对重核则偏离线，而对重核则偏离ZN线。线。稳定线的经验规律：稳定线的经验规律：3）偏离稳定曲线上方的核素为缺中子，易发生）偏离稳定曲线上方的核素为缺中子，易发生 衰变衰变和和轨道电子俘获轨道电子俘获；下方的核素为丰中子，易发生；下方的核素为丰中子，易发生衰变。衰变。4）理论预言：理论预言：Z=114附近有超重元素稳定岛附近有超重元素稳定岛。二、原子核的大小二、原子核的大小经验拟合半径经验拟合半径核力作用半径

14、核力作用半径三、原子核的质量和结合能三、原子核的质量和结合能1、原子核的质量、原子核的质量1960年物理学国际学术会议决定用年物理学国际学术会议决定用12C的原子质量的的原子质量的1/12作为作为原子质量的单位，记作原子质量的单位，记作u。1u=1.660540210-24g1u相对应的能量为：相对应的能量为：1uc2=931.49432MeV 原子核的质量原子核的质量 质量亏损：质量亏损：2、结合能、结合能当若干质子和中子结合成一个核时，由于是核力的作用，当若干质子和中子结合成一个核时，由于是核力的作用，将释放一部分能量叫结合能。将释放一部分能量叫结合能。原子核的结合能要比原子的结合能大得多

15、，原子核的结合能要比原子的结合能大得多，氢原子的结合能氢原子的结合能 EH=13.6eV 当一个质子和一个中子组成一个氘核时，当一个质子和一个中子组成一个氘核时，mp+mn-md=0.00239 u=2.225 MeV电子的质量电子的质量 me=511keV 以原子质量以原子质量M表示，且忽略原子的结合能，则表示，且忽略原子的结合能，则3.比结合能曲线比结合能曲线比结合能单位：比结合能单位：MeV/Nu，Nu代表核子代表核子 比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时，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。外界对每个核子所做的最小的平均功。或者说，它表示

16、核子结合成原子核时，平均一个核子所释放或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。的能量。表征了原子核结合的松紧程度表征了原子核结合的松紧程度:大，核结合紧，稳定性高；大，核结合紧，稳定性高；小，结合松，稳定性差。小，结合松，稳定性差。（1 1）比结合能曲线两头低、中间高，比结合能曲线两头低、中间高，比结合能曲线在开始时有些起伏，逐渐光滑地达到比结合能曲线在开始时有些起伏，逐渐光滑地达到极大值（约极大值（约8兆电子伏）兆电子伏）,然后又缓慢地变小。然后又缓慢地变小。结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松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。的核变到结合得紧的核，就会释放能量。（2 2）获得能量两个途径：获得能量两个途径：重核裂变重核裂变 轻核聚变轻核聚变 原子反应堆与原子弹原子反应堆与原子弹 氢弹氢弹 A30时，曲线在趋势是上升的同时，峰的位置都位于时，曲线在趋势是上升的同时，峰的位置都位于A为为4的整数倍的整数倍如：如：4He、12C、16O、20Ne、24Mg轻核可能存在轻核可能存在粒子的集团结构。粒子的集团结构。