核安全综合知识01

核安全综合知识01

第一章原子核物理基础

●熟悉原子结构的知识（原子、原子核、同位素）

●熟识放射性的概念、原子核裂变及其规律（核素图、半衰期、放射性活度的

单位计算和测量）

●熟识射线（α射线、β射线、γ射线、x射线、中子等）及其与物质的相互

●掌握核反应的类型

●介绍核裂变及核裂变反应的科学知识

1.原子的核式模型的假设是卢瑟福根据什么实验而提出的？其假设的结论是

2.原子核就是由哪两种粒子共同组成的？核素用（a,z）x（n）去则表示，符号中的a、 z、n各代表什么量？

3.原子与原子核的尺度大小为什么量级？原子核的半径r与原子核的质量数a

4.什么是原子核的结合能b(z,a)？它是如何定义的？

5.什么就是原子核的比结合能？为什么说道图1-4中的比结合能曲线阐明了原子核

裂变和聚变能的基本原理？

6.放射性裂变顺从指数规律，先行表明式中衰变常数的物理意义。还常用哪些参

数来描述衰变过程的快慢，它们的关系是什么？

7.什么就是放射源的放射性活度，常用什么单位去度量？bq和ci存有什么关系？

8.根据表1-1列出常见的辐射，分析哪些是带电粒子？哪些是不带电粒子？

9.x射线（或γ射线）的等电磁辐射与物质相互作用与带电粒子与物质促进作用的

作用机制有何不同？γ射线与物质相互作用过程有哪几种？

10.较窄一束γ射线（或x射线）的稀释顺从什么规律？线性吸收系数μ的物理含

义

是什么？其量纲是什么？

11.在观测电磁辐射中广为采用的存有哪几类探测器？

12.什么是核反应的反应道？一种入射粒子与某一种核的反应道仅仅只有一个

13.如何区分Jhunjhunun核反应和静音核反应？对静音核反应如何谋核反应阈能？

14.发生自发裂变的条件是什么？裂变能的定义是什么？

15.由中子引发的引致核裂变中如何区分极易核裂变核素和非易核裂变核素？

16.指出链式裂变过程中瞬发裂变中子和缓发裂变中子对反应堆控制的作用？

本章重点为阐释原子核物理中的基本内容，本章分成了个小节阐释：

第一节介绍了原子与原子核的结构，对原子的核外电子的壳层模型作了简单描述，解

释了电子能级的跃迁和特征x射线的形成机制。对原子核的组成及其稳定性、原子核的大小、原子核的结构能作了较为深入的讨论。并对质能联系定律，即爱因斯埋关系式作了必

要的论述。

第二节传授了原子核的放射性，重点放到放射性核素的指数裂变规律的阐释，对常用

的衰变常数、半衰期和平均寿命的概念并作了表明。对放射性活度的概念及其单位的定义

展开了探讨，并对指数裂变规律的最为基本应用领域实例并作介绍汪。

第三节对最常用的辐射如α射线、β射线、x射线和γ射线及中子作了介绍，重点

放在它们与物质的相互作用。对探测原理上作了介绍，这对全面理解核安全是十分重要的。

第四节对核反应的分类展开了探讨，阐释核反应中反应道、核反应能够及阈能、核反

应的横截面和产额等最为基本的概念。为此，应用领域了质心坐标系和实验室座标系统的

概念。

第五节介绍了核裂变反应的知识，讲解了自发裂变和诱发裂变的物理机制，重点放在

后者。裂变过程是当前核能利用的最重要的途径，也是当前形成核安全问题的主要来源，

因此，对核裂变的产物，对废物的处理都需要给予特殊的关注。

●1895年辨认出x射线、1896年辨认出放射性、1897年辨认出电子，这三大发明者

揭

开了近代物理的序幕，物质结构的研究开始进入微观领域。

●其中，1896年法国科学家贝克勒尔辨认出天然放射性射线，沦为人类第一次观

察到核变化的情况，通常人们把这一重大发现看成是原子核物理的开端，到20世纪

50年代就逐步形成了研究物质结构的三个分支学科，即原子物理、原子核物理和粒子物理。三者各有独立的研究领域和对象，但又紧密关联。原子和原子核的基本性质

●世界万物就是由原子、分子形成，每一种原子对应一种化学元素。

●到目前为止，包括人工制造的不稳定元素，人们已经知道了一百多种元素了。

●1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出了原子的核式模型假设，即原子是

由原子核和核外电子所共同组成；

●原子物理学（核外电子的运动构成了原子物理的主要内容）

●原子核物理学（主要研究对象为原子核）

●电子是由英国科学家汤姆逊于1897年发现的，也是人类发现的第一个微观

●电子拎负电荷，电子电荷的值e=1.60217733e-19c，且电荷就是量子化的，

即任何电荷只是e的整数倍；电子的质量为me=9.1093897e-31kg；

●原子核拎正电荷，原子核的电荷分散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的，原子可以设想为

电子以原子核为中心的，在距核非常离的若干轨道上运转；原子的大小半径为10e-

8cm的量级；

●原子核的质量远远超过核外电子的总质量，因此，原子的质量中心和原子核

的质量中心非常吻合；

●原子核的线度只有几十飞米（1fm=10e-3m=10e-15cm），而密度高达

10e8t/cm3。

●物质的许多化学及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现

象则主要归咎于原子核。

一原子的壳层结构

●原子核核外电子又常称作轨道电子，把电子看作沿一定的轨道运转。电子在

核外各轨道呈一定的概率分布，但在一定的轨道上的概率分布上的概率分布较大而已。

●原子的轨道电子离核的距离就是无法任一值域的，这也就是微观世界的量子特性

的一种表现。电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层。k层、l层、m层、n层、o层等，通常用量子数n（n=1，2，3，…）代表壳层，并分别对应k层、l层、m层…，

每个壳层最多可容纳2n2个电子。

●除了k层外，其它壳层又可以分为若干的支壳层，支壳层的数目等同于（2l+1）

个，其中l=n-1，l是描述电子轨道的量子数。通常用壳层符号及其右下标的罗马数

字来表示支壳层。如lⅰ表示l壳层的第一个支壳层，可称为壳层lⅰ和mⅱ壳层。

●处在相同壳层的电子具备相同的势能，通常用能级图去则表示其大小。离壳层

越近其能级越低。

●能级的能量大小就等同于该壳层的结合能。能够合能就是负值，通常以kev为单位， k壳层电子的结合能的绝对值最大。

●用三个最子数n、l和j去叙述相同的能级，其中n（=1、2、3、…）和l（=0，

1，2，…）是与电子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为l±1/2。量子数nlj的不同组合区别不同的支壳层。每个支壳层最多

可容纳2j+1个电子。

●在正常状态下，电子先充满著较低的能级，但当原子受内在原因或外来因素促进作

用时，外在高能级的电子有可能被唤起至较低的能级上（称作唤起过程）；或电子被电离

至原子的壳层之外（称作电离过程）。

●在上述情况下，在原来的低能级上会留下一个空位，更高能级上的电子就跃

迁于至这个空位，适当释出此两能级之高的能量，通常这部分能量主要以电磁辐射的

形式释放出来一个光子。当出现内层电子光子（如k层发生一个空位，l层电子光子至k 层），此时光子能量较低或者说其电磁辐射的频率较低），而且相同元素的原子均存有相同、特定的能量，所以又通常称为特征x射线。●特征x射线的能量（或适当波长）满足

用户下面公式：ex=hc/λ=e1-e2(h为米库林

克常数值为6.6260755e-34js

●特征x射线根据其产生的情况可以分成k系、l系、m系特征x射线，每系则

都含有若干能量不同的x射线。k系特征x射线是由k壳层之外壳层的电子跃迁到k

壳层空位时发射的特征x射线。

●并不是所有较低的能级的电子都可以向较低的能级光子，而须要满足用户一定的

二原子核的组成及其稳定性

●1897年居里夫妇辨认出放射性元素钋和镭；

●1903年卢瑟福证实了α放射是正电荷的氦原子核，β射线是电子；1911年

进而明确提出原子的核式模型；

●1932年查德威克发现中子，海森堡立刻提出原子核是由质子和中子组成的假

1原子核的共同组成及其则表示

●中子和质子的质量相关很小，它们的质量分别为mn=1.00866492u；

mp=1.00727646u；

●这里u为原子质量单位，1960年国际上规定把c-12原子质量的1/12定义为

原子质量单位，用u则表示，1u=1.6605402e-27kg=931.494013mev/c2；

●中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。任何一个原子核都可由符

号zaxn右负号n则表示核内中子数，左负号z则表示质子数或表示电荷数，左上标

a（a=n+z）为核内的核子数，又称为质量数。核素符号x与质子数z具有唯

一、确认的关系。

●可简写为ax，它已足以代表一个特定的核素，只要元素符号x相同，不同质

量数的元素在周期表中的位臵上相同，质子数也相同，它们具备相同的化学性质；

●核素（nuclide）：在其核内具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种

原子核或原子；

●同位素（isotopes）：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；它们具备基本相同的化学性质；

●同位素丰度：某元素中各同位素天然含量的原子数百分比；

●同质异能素（isomers）：寿命较长的激发态原子核称作基态原子核的同质异

能素或同核异能素，它们的a和z均相同，只是能量状态不同，一般在元素符号的左上角质量数a后加上字母m表示，这种核素的原子核一般处于较高能态。同质异能素所处的能态又称为同质异能态，它与一般的激发态在本质上并无区别，只是半衰期即寿命较长而已。

2原子核的稳定性及核素图

●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有着紧密的关系。●核素图：图中每一格代表一个特定的核素；黑色或公平合理存有横线条的核素

为稳定核素，格中百分数为该核素的丰度；白底的核素为不稳定的放射性核素，格中

αββ表示该核素的衰变方式，箭头指向为衰变后的原子核，时间表示半衰期的值；

●在现代的核素图上既包含天然存有的332个核素（其中280多个就是平衡核

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；

●β平衡核素图：横坐标为质子数，纵坐标为中子数n（同位素、同中子异荷

素、同量异位素）；稳定核素几乎落在一条光滑曲线上或紧靠曲线的两侧，这条曲线

称为β稳定曲线；对于轻核稳定曲线与直线n=z重合，当n、z增大到一定数值之后，稳

定性逐渐赂n>z的方向偏离；在z小于20时核素的n与z之比约为1；在z为中等数值时约为1.4；z等于90左右时约为1.6；-+

●坐落于平衡曲线上方的核素为益中子核素，极易出现β-裂变；坐落于平衡曲线下

方

的核素为缺中子核素，易发生β+衰变。

●由于库仑力就是长程相互作用力，它能够促进作用于核内的所有质子，正比于a(a-

1)；

而核力是短程力，只作用于相邻的核子，正比于a。随着z的增加，a也随之增加，

库仑相互作用的影响增长得比核力快，要使原子核保持稳定，必须靠中子数的较大增长来

减弱库仑力的排斥作用，因此，随着z(a)的增长，稳定核素的中子数比质子数越来越多，越来越大地偏离z=a直线。不过当z大到一定程度，稳定核就不复存在，稳定核素区慢慢

就终止了。

●在1966年左右，理论剧场版在靠近β平衡曲线的z=114附近，存有一个Immunol

●原子核的稳定性还与核内质子数和中子数的奇偶性有关，自然界存在的稳定

核素共270多种，若包含半衰期10年以上的核素则为284种，其中：偶偶（e-e）核：166种；大籽（e-o）核：56种；奇偶（o-e）核：53种；小龙（o-o）核：9

●根据核内质子数和中子数的奇偶性，可以看出：偶偶核是最稳定的，稳定核

最多；其次就是大籽核和奇偶核；而小龙核最不平衡，平衡核素最少；

●当原子核的中子数或质子数均为2、8、20、28、50、82和中子数为126时，

原子核特别平衡。把上述数目称作幻数。

三原子核的大小

●一个原子的线度约为10e-8cm，若想象原子核近似于球形，则就存有原子核半

径的概念；9

●历史上最早研究原子核大小的就是卢瑟福和查德威克，他们用质子或α粒子回去

轰击各种原子核；

●重原子核的半径遵守如下的规律：r=r0a,r0=1.20fm

●其它更精确的测量方法：中子衍射截面法、高能电子散射法等等●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：电荷半径r=

（1.20±0.30）a1/3fm，核力半径r=（1.40±0.10）a1/3fm。

●原子核的密度-单位体积内的核子数为：为2.84e8t/cm3。

四原子之术核的结合能：

1质能联系定律

●质量和能量都就是物质同时具备的两个属性，任何一个具备一定质量的物体必

须与一定的能量相联系；

●质量和能量的相互关系为：e=mc，其中物体的能量e以j为单位，物体的质

量m以kg为单位；

●它则表示任何具备mkg质量的物体一定具备j的能量；如果在运动过程中能量

发生变化质量一定随着发生相应变化；

●根据相对论的观点，物体质量的大小随着物体运转状态的变化而变化，若物

体静止时的质量为m0，m=m0/(1-(v/c)2)1/2，当v

●如果一个体系从外界稀释δe的能量，则这个体系的质量就减少δm=δe/c2，

反之如果一个体系向外界辐射δe的能量，则这个体系的质量就减少δm=δe/c，

●e=mc，中的能量包含两部分，一部分为物体的恒定质能e=m0c，另一部分22221/3

为物体的动能t=e-e0。

●与一个原子质量单位二者联系的恒定质量适当的能量为931mev

2原子核的质量亏损

●定义原子核质量亏损为共同组成原子核的z个质子和a-z个中子的质量与该原子

核的质量之差，记作δm(z,a),δm(z,a)=zmp+(z-a)mn-m(z,a)

●上式可以则表示为δm(z,a)=zm(1h)+(z-a)mn-m(z,a)（对数，忽略了电子在原

子中的结合能的差别）

●从原子核的质量亏损的定义可以明晰地窥见，所有的核都存有质量亏损即为δ

m(z,a)>0

3原子核的结合能

●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共同组成氘核时会放出2.225mev，这就是氘的结合能；●当存有能量为2.225mev的光子反射氘核时，其将一分为二，飞出来质子和中子；●在化学和

原子物理中，任何两个物体融合在一起，都会释放出来一部分能量；4比结合能

●原子核的结合能b(z,a)除以质量数a所得到的商，称为平均结合能或称为比

结合能εε(z,a)=b(z,a)/a，其单位就是mev/nu，nu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外界是对每个核子所做的

最轻的平均值功或则表示核子融合成原子核时平均值一个核子所释放出来的能量；

●ε表观原子核融合的长短程度，其值大核融合很紧，稳定性低；其值大核融合

松，稳定性差；

●比结合能曲线（与核素图一起就是原子核物理学中最重要的两张图）两头高、

中间高，在开始时有些起伏，逐渐光滑达到极大值（约8mev），然后又缓慢变小；

●当结合能大的核变为结合能小的核，即当结合能比较吉的核棕斑融合得紧的

核，就会释放能量；

●存有两个途径可以赢得能量：一是轻核裂变（原子反应堆和原子弹），二就是重

核聚变（氢弹和可控聚变反应）；

●所谓原子能主要就是指原子核结合能发生变化时释放出来的能量；

λ为4的整数倍的地方如he-4、c-12、o-16、ne-20和mg-24等偶偶核，并且有n=z，这表明对于轻核可能存在α粒子的集团结构。

原子核的放射性

●已经发现的天然存在的和人工生产的核素约有2000个，其中天然存在的核

素约存有332个，其余皆为人工生产的；

●天然存在的核素可分为两大类：一类是稳定的核素，自然存在的稳定核素约

为270个；另一类就是不稳定的核素（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

存有多种形式例如α裂变β裂变γ裂变除了自发性核裂变及升空中子、质子的脱

胎换骨过程；

●衰变纲图：

一放射性裂变的基本规律

●衰变是一个统计的过程，不能预测某个原子核在某个时刻将发生衰变；大量

的全同的放射性原子核可以先后出现裂变，总的效果就是随着时间的推移，放射源中

的原子核数目按一定的规律增加。

1、单一放射性的指数衰减规律

●n(t)=n(0)e-λt

●指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变，如α衰变β衰变γ衰变（或跃迁）

而且对于同时存有分支裂变的裂变过程，其也就是适用于的；

●对各种不同的核素它们衰变的快慢又各不相同，这反映在它们的衰变常数λ

(t1/2,τ)各不相同，所以衰变常数又充分反映了它们的个性；

●对于单个原子核的衰变只能说它具有一定的衰变概率，而不能确切地确定它

何时出现裂变；

●放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的，用加压、加热、加电磁场、

机械运转等物理或化学手段无法发生改变指数膨胀规律，也无法发生改变其衰变常数。

2、衰变常数、半衰期和平均寿命

●-dn(t)/n(t)则表示一个原子核的裂变概率，λ就是单位时间内一个原子核出现

衰变的概率，其单位为时间的倒数；

●衰变常数表观放射性核素裂变的快慢，λ越大裂变越慢，反之裂变越慢；●如果一种核素同时存有几种裂变模式，则这核素的总衰变常数就是各个分支裂变

常数之和即λ=∑λi

●于是可以定义分支比ri为ri=λi/λ；

●放射性核素的半衰期：放射性核素衰变一半所需要的时间；ln2/λ≈0.693/

●平均寿命：就是指所有原子核寿命的平均值；其比半衰期短一点，就是半衰期的

1.44倍；放射性核素经过时间τ以后剩下的核素数目约为原来的37%。

3、放射性的活度和单位

●一个放射源的强弱不仅取决于放射性原子核的数量的多少，还与这种核素的

衰变常数有关；

●放射源的强弱用单位时间内发生衰变的原子核数来衡量；

●一个放射源在单位时间内出现裂变的原子核数称作它的放射性活度，通常用

●a(t)=a0e-λt；这里a0=λn0是放射源的初始放射性活度

●单位：1ci=3.7e10/s=3.7e10bq

●放射性活度仅仅是指单位时间内原子核衰变的数目，而不是指在衰变过程中

炽热的粒子数目；有些原子核在出现一次裂变时可能将释出多个粒子。●比放射性活度或比活度：单位位质量放射源的放射性活度即a=a/m

●衡量一个放射源或放射性榈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；

●放射性活度和衰变率具有相同的物理意义和相同的单位，是同一物理量的两

种定义。前者多用作得出放射源或放射性样品的放射性活度，而后者常做为叙述裂变过程的物理量。

●目前还能存在于地球上的放射性核素都中只能维系在三个处于长期平衡的

放射治疗系则中。这些放射治疗系则的第一个核素的半衰期都很长，和地球的年龄（46

亿年）相近或比它更长，如钍系的th(232,90)，半衰期为1.41e10，铀系的u(238,92)半衰期为4.47e9，锕-铀系的u(235,92)其半衰期为7.04e8。●这三个放射系的核素主要是通过αβγ衰变而衰变，经过一系列这些衰变后

直至平衡核素年才。

●通过αβγ衰变而形成的放射系，其中各个核素之间质量数只能差4的整数

1、钍系则（4n系）

●从th(232,90)开始经过连续10次衰变最后到达稳定核素pb(208,82)

2、铀系（4n+2系）

●从u(238,92)开始经14次衰变而到达稳定核素pb(206,82)

3、锕-铀系（4n+3系）

●从u(235,92)开始经过11次衰变到达稳定核素pb(207,82)

●在天然存有的放射治疗系则中缺乏4n+1系，后来人工方法才辨认出了这一放射治

疗系则，

以其中半衰期最长的np(237,93)（半衰期为2.14e6a）命名，称为镎系(4n+1系)。

三放射治疗规律的一些应用领域

1、确定放射源的活度

2、确认放射性活度和制取时间

●反应堆内生产某个核素：照射时间为t0时，靶物质中生成的放射性核素

n(t)=p(1-e-λt0)/λ

●上式表明生成的放射性核素呈指数增长，要达到饱和值必须经过相当长的时

●必须获得放射性活度为j0的99%的放射源须要半衰期的六七倍时间；●如果再延长时间也只不是减少其中的1%而已。

第三节射线及其与物质相互作用

一常用的核辐射类型及其特征

●辐射：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

声电磁辐射、热辐射、电磁辐射、粒子电磁辐射等）的泛称；

⏹热辐射：物体受热向周围介质发射热量；

⏹原子电磁辐射：极化原子退激时升空的紫外线或x射线；

⏹原子核辐射：不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子，简称核辐

⏹通常述及的电磁辐射概念就是狭义的，特指高能电磁辐射和粒子电磁辐射；●核辐射粒子就其荷电性质可以分成带电粒子和非带电粒子；

●核辐射粒子就其质量而言可分为轻粒子和重粒子；以及处于不同能区的电磁

●轻带电粒子(p、d、t、α)电子(β、β)中性粒子(γ、n)，其中t和n就是

●通常也称为α粒子，它是氦的原子核，由两个质子和两个中子组成；●天然的α粒子来源于较重原子核的自发衰变，叫做α衰变；

2β射线-+

●原子核发射出的β射线有两类：β-射线及β+射线；

●β-就是通常的电子，具有一个单位的负电荷，以符号e-则表示，负电子就是平衡

●β是正电子，带有一个单位的正电荷，以符号e表示

●两种电子恒定质量相同，其质量约为质子的1/1846；

●β粒子来源于原子的β衰变，有三种类型：β-衰变、β+衰变和轨道电子俘

●β-裂变、β+裂变中升空的电子的能量就是已连续的，从0至极大值eβ,max都存有；3x射线和γ射线

●x射线和γ射线都是一定范围的电磁辐射，又称为光子。

●光子的恒定质量为0，不拎电荷；

●单个光子的能量与辐射的频率ν成正比，即e=hν，h为普朗克常数；●x射线和γ射线起源不同，前者来自核外电子的跃迁，后都来源于原子核本

体重激发态向高激发态（或基态的光子或粒子的塌缩电磁辐射；

●中子是原子核组成成分之一，它不带电荷，质量数为1，比质子略重；●自由中子是不稳定的，它可以自发地发生β-衰变，生成质子、电子和反中微

子，半衰期为10.6分后；

●中子主要通过核反应或原子核自发裂变而产生的，常用的中子源基本上有三

种：同位素中子源、加速器中子源和反应堆中子源；

●在用中子源产生中子时往往伴有γ射线或x射线产生，有的可能比较强。因

此，在应用领域和防水上不仅必须考量中子，而且也必须考量γ射线或x射线。++

二射线与物质的相互作用

●电离辐射：能轻易或间接引发介质原子电离或唤起的核辐射；

●带电粒子通过物质时在同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的

传达和互换，其中一种主要促进作用就是带电粒子轻易并使原子电离或唤起；●非带电粒子则通过次级效应产生次级带电粒子并使原子电离或唤起；1带电粒子与物质相互作用

(1)带电粒子能量损失方式之一——电离损失

●电离与唤起：

⏹任何快速运动的带电粒子通过物质时由于入射粒子和靶原子核外电子之

间库仑力促进作用，并使电子受迎合或排挤，并使入射光粒子损失部分能量，而电子赢得一部分能量；

⏹最终结果分为两种：电离（电子成为自由电子）和激发；

⏹原子退激，极化原子的闪烁现象

●电离能量损失率

⏹电离损失：带电粒子与物质原子中核外电子的非弹性相撞，引致原子的

电离或激发，是带电粒子通过物质时动能损失的主要方式。把这种相互作用引起的能量损失称为电离损失；

⏹电离能量损失率：入射光带电粒子在物质中沿着单位长度路程时由于电离、

激发过程所损失的能量；

⏹从物质角度来说，电离能量损失率也可以叫作物质对带电粒子的阻止本领；

用se表示；

⏹电离能量损失率随其入射光粒子速度减少而增大，呈圆形平方静电力关系；⏹电离能量损失率随其入射光粒子电荷数平方成正比；

⏹电离能量损失率与原子序数和原子密度的乘积成正比，高原子序数和高

密度物质具备很大的阻止本领；

●平均电离能：

⏹平均值电离能：每产生一个离子对所须要的平均值能量；以w则表示。⏹相同物质中的平均值电离能就是相同的；

⏹但不同能量的α粒子在同一物质中的平均电离能近似为一个常数（如在

空气中的w值35ev）；

（2）带电粒子能量损失方式之二——辐射损失

●轫致辐射：高速运动的带电粒子受忽然快速或失速可以升空出来具备已连续能量

●轫致辐射其能量最小值为0，最大值为电子的最大动能；

●x射线管和x光机产生的x射线就是轫致辐射；

●辐射能量损失率的关系：

⏹正比：入射光带电粒子的电荷数的平方和能量；稀释物质的原子序数平方

⏹反比：入射带电粒子质量平方成反比。

●一定能量的带电粒子在它入射光方向所能够反射的最小距离叫作带电粒子在该

●入射粒子在物质中行经的实际轨迹的长度称作路程；

●对轻带电粒子由于其质量小、与物质原子的核外电子促进作用时运转方向几乎不

变，因此其射程与路程相近；

●5.3mev的α粒子在标准状态空气中的平均值射程约3.84cm，在生物肌肉组织

中的射程仅为30～40μm；

●β粒子通过物质量由于电离相撞、轫致辐射和反射等因素的影响，其径迹十

分曲折，经历的路程远远大于通过物质层的厚度；

●β粒子在该物质中的最小射程rmax就是与β粒子的最小能量emax相对应当。

（4）正电子湮灭辐射

●原子核β+裂变可以产生正电子，快速运转的正电子通过物质时与负电子一样同

核外电子和原子核相互作用，产生电离损失、轫致辐射和弹性散射；●能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同；●自由电子是不稳定的，正电子与介质中的电子会发生湮灭，

●快速运转的正电子通过物质除了出现与电子相同的效应外，还可以产生

0.511mev的γ湮灭辐射；在防护上还要注意对γ射线的防护；

2γ射线与物质相互作用

●能量在几十kev至几十mev的γ射线通过物质时主要有光电效应、康普顿效

应当和电子对效应三种促进作用过程；

●这三种效应的发生都具有一定的概率，通常以截面σ表示作用概率的大小；●以σph表示光电效应截面、σc表示康普顿效应截面、σp表示电子对效应；●γ射线与物质作用的总截面σ=σph+σc+σp

（1）光电效应

●光电效应：当γ光子通过物质时，与物质原子中束缚的电子发生作用，光子

把全部能量转移给某个束缚电子，并使之升空过来，而光子本身消失了，这种过程叫做光电效应；

●在光电效应中，入射光子能量hν其中一部分用来克服被击中电子的结合能；

另一部分转变为光电子动能；原子核反跳能量不大，可以忽略不计；

●原子中束缚得越紧的电子参与光电效应的概率也发挥大，因此k壳层打出光

电子的概率最小、l层次之、m层、n层更次之；（如果入射光子的能量少于k层电子结合能，大约80%的光电效应应当出现在k层电子上；

●发生光电效应时若从原子内壳层上打出电子，在此壳层就留下空位，原子处

于激发态，这种激发态就是不稳定的，存有两种退激方式：

⏹发射特征x射线；

⏹升空俄歇电子；

⏹这些粒子将继续与物质作用转移它们的能量；

（2）康普顿效应

●入射γ光子同原子中外层电子发生碰撞，入射光子仅有一部分能量转移给电

子，并使它瓦解原子沦为气动式电子；而光子能量增大变为崭新光子，叫作散射光子，运动方向发生变化，这一过程称作康普顿效应；

●几个概念：入射光子、散射光子、散射角、反冲解；

●气动式电子具备一定动能，等同于入射光γ光子和散射光子能量之差ee=hv-hv’；

●散射光子能量随其散射角相同而变化，因而气动式电子能量也呈圆形一定原产；●气动

式电子在物质中可以稳步产生电离和唤起等过程，对物质出现促进作用和影响；●散射光

子有的可能将从物质中逃跑，有的回到物质中再出现光电效应和康普顿

效应等等，最终一部分被物质吸收、一部分逃逸出去；

（3）电子对效应

●当一定能量的γ光子进入物质时，γ光子在原子核库仑场作用下会转化为一

对正负电子，这一现象称为电子对效应；

●在原子核库仑场中只有当入射γ光子的能量不小于1.02mev时才有可能发生

●入射光子的能量首先转变为正负电子的恒定质量

0.51mev+0.51mev=1.02mev，剩余部分赋予正负电子的动能；hν=ee++ee-+2m0c2；

（4）γ射线的稀释

●γ射线进行物质主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失其能量；●这些效应的发生使原来的γ光子或者不复存在或者改变能量成为新的光子，

偏移了原来的入射光方向；

●从入射的γ光子束中由于同介质作用而被移去的γ光子称作介质对γ光子

的稀释；就可以理想的电子束束就可以满足用户这种建议，称作“较窄一束”；

●γ射线穿过物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数衰减。i=i0e-μx；●其

中μ称为线性吸收系数，其单位为cm-1，它表示γ射线穿过单位厚度时发

生相互作用的概率（或被稀释的概率）；

●μ线性吸收系数与前面所述的作用截面σ的关系为：μ=σn；式中n为吸收

物质的原子密度，即为单位体积的原子数；

●与作用截面一样线性吸收系数包含了光电效应、康普顿效应和电子对效应总

●由于三种效应的促进作用概率都与入射光子的能量和促进作用物质的原子序数有关，

所以μ值也随γ光子能量hν和介质原子序数z而变化。γ光子能量增高，吸收系数减小；介质原子序数高、密度大的物质线性吸收系数也高；3中子与物质相互作用

●中子不磁铁，无法轻易引发物质原子的电离或唤起；

●由于不受原子核库仑场的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核内

部，同原子核出现弹性散射、非弹性散射或引发其它核反应；这些过程的出现引致中

子在物质中被NT314和被稀释，并产生一些次级粒子，例如气动式质子、γ射线、α粒

子以及其它带电粒子等；

●上述带电粒子都具有一定的能量，它们继续同物质发生各自相应的作用，最

并令物质原子出现电离和唤起，因此中子也就是一种电离辐射；

●中子与原子核的作用分类两类：中子的散射和中子的俘获；

●中子的反射：

⏹中子与原子核发生弹性散射与非弹性散射并产生反冲核；

⏹中子与靶核出现弹性散射其中靶核没出现状态变化，反射前后中子与

靶核的总动能守恒；对于靶核为氢核且为对心碰撞时，氢核的动能th=tn，即中子把

自己的动能全部转移给了氢核；

⏹在非弹性散射中，中子部分能量被气动式核稀释，气动式核可能将处在激发态，

这时不仅有中子出射，而且会有γ射线发射；

⏹在中子引发的其他核气动式中还可以存有质子和α粒子等升空出，这些次级

粒子在物质中通过电离效应损失其能量；

●中子的俘虏

⏹中子进入原子核形成“复合核”后，可能发射一个或多个光子（称为辐

箭俘虏），也可能将升空一个或多个粒子（适当于各种中子核反应）而返回基态；

⏹有几种重原子核如铀235，俘获一个中子后会分裂为两个或三个较轻的

原子核，同时收到2至3个中子以及非常大的能量（约200mev），这就是核裂变反应。

三辐射探测的原理和主要的辐射探测器

●电磁辐射探测器的定义：利用电磁辐射在气体、液体或液态中引发的电离、唤起效

应

或其他物理、化学变化进行核辐射探测的器件称为辐射探测器；

⏹利用射线在物质中产生的电离原理生产出来各种气体电离探测器和半导体

⏹利用射线使某些物质激发，通过观察退邀时发出光子的闪烁探测器；⏹利用射线使

胶片感光原理制成各种核乳胶及用于测量剂量用的胶片；⏹利用射线在过饱和蒸汽中使蒸

汽产生的凝结作用制成威尔逊云室；⏹利用射线使过热液体产生气泡来观察粒子径迹的气

泡室；

●电磁辐射观测的基本过程：

⏹辐射粒子射入探测器的灵敏体积；

⏹入射光粒子通过电离、唤起或核反应等过程而在探测器中释放出来能量；⏹探测器

通过各种机制将累积的能量转换成某种形式的输入信号；

●探测器按其探测介质类型及作用机制主要分为：气体探测器、闪烁探测器和

半导体探测器；

●射线测量装臵通常都由两部分组成：即探头和分析记录电子仪器部分；1气体探测

器

●气体探测器以气体为工作介质，由入射光粒子在其中产生的电离效应或核反应

得到输出信号；

●总电离：初电离（入射光粒子轻易产生的离子对）和次电离（初电离产生的高

速电子（称δ电子）足以使气体产生的电离）

●随着电极间孔布龙电压的相同，就导致气体探测器的相同工作状态：

⏹复合区：当外加工作电压过低时，电子离子对由于互相碰撞而发生复合；

无机的程度与另加电压和离子对数的密度有关，通常不做为气体探测器的工作区域；

⏹饱和区：当外加工作电压过高时，电子与正离子的复合可以忽略；在这

个区，发生改变另加电压，搜集的离子对数几乎维持不变，故称这个区为饱和状态区；这时产生的离子对数正比于入射光粒子在灵敏体积损失的能量，工作于这种状态的探测器

就是电离室；电离室就是采用最早的探测器；

⏹正比区：随着工作电压的升高，在中央阳极附近很小的区域内电场强度

足够多弱，以至电子出外电场的快速促进作用下会出现代莱相撞电离，最后搜集至的离子对数n比完整电离产生的离子对数n0小很多，这种现象称作“气体压缩”，称作气体压缩或雪崩过程。n与n0之比叫作气体压缩倍数，常数m则表示，即m=n/n0。由于此时阳极附近的场强还不是太弱，雪崩过程仅出现在沿阳极不大的区域内，在一定的工作电压下气体压缩倍数就是一定的。此时构成的总离子对数仍正比于入射光粒子的能量。正比计数器就工作于这一区域；

⏹有限正比区：工作电压进一步提高就进入有限正比区，在探测器的灵敏

体积内，累积了相当的正离子共同组成的“空间电荷”。在一定工作电压之下a

不再保持常数，初始电离小的入射粒子的a可能会大一点，称之为有限正比区。一般没有探测器工作于这一区域。

⏹g-m计数区：随着工作电压的进一步提高，雪崩过程很快传播至整个阳

极，而且雪崩过程形成的正离子紧紧地包围了阳极丝，称为正离子鞘。由于正离子鞘的电荷极性与阳极电荷相同而起到电场减弱作用，当正离子鞘的总电荷量达到一定时，使雪崩过程终止，因此最后的总离子数与初始电离无关。这时入射粒子仅仅起到一个触发作用，输出脉冲信号的大小与入射粒子的类型和能量均无关，这就是g-m区，仅作一个计数器用。气体放大倍数m随外加电压增加而增大，在一定外加电压下，任何能量、任何种类射线最后倍增的离子对数都是相同的。

⏹已连续振动区：稳步减少另加电压，由于探测器内电场强度极高而使所充

气体击穿，这时不管有无核辐射进入探测器，其放电连续发生，故此区称为连续放电区。

●电离室就是最早采用的气体电离探测器之一，由于它具备结构直观、牢固，几

何形状可做成各种各样，工作性能稳定可靠，适合于测量各种射线并能在较宽范围内测量照射量、射线强度等；

●正比计数管常用去测量高能量β射线；其分辨时间长，可以展开慢计数，适宜

于进行较高强度的测量；由于气体放大倍数m与外加的电压有关，因此正比计数管对高压电源稳定性的要求较高，一般要求高压电源长时间稳定度要不大于0.1%；

●g-m计数管就是气体探测器应用领域最广为的一种探测器，具备灵敏度低、输入脉

冲幅度大，可以不经放大直接被记录，因此使用方便而且制作容易、价格低，

广为用作测量各种核辐射。其对带电粒子的观测效应几乎达至100%，但对γ射线的观测效率高，只有1%左右。此外它的输入脉冲幅度在一定电压下对相同能量、相同种类射线都相同，因此无法轻易用以辨别射线种类和测量能量大小；

2闪烁探测器

●闪光探测器通常由闪光体和光电大增管共同组成；

⏹闪烁体是一种发光器件，当入射带电粒子使探测介质的原子电离、激发

而退激时，可以收到红外线光子称作荧光光子。

⏹这样的光强度用肉眼是看不见的，必须借助于高灵敏的光电倍增管（pmt）

就可以观测至这些光信号；

⏹pmt的光阴极将收集到的荧光光子转变为光电子，光电子通过聚焦被光

电大增管及的第一联极搜集，并在其后的联楹大增构成一个相当大的脉动电子流，在输入回去路上构成输入信号；

●比较理想的闪烁体应具有以下的性质：

⏹将带电粒子动能转变成荧光光子的效率高，即为低的闪烁效率；

⏹入射带电粒子损耗的能量与产生的荧光光子数具有良好的线性关系；⏹闪烁体介质对自身发射的光是透明的，即其发射谱与吸收谱不应该有明

⏹入射光粒子产生的闪光持续时间，即为闪光体的闪烁膨胀时间必须尽量长，以

便能产生快的输出信号，获得好的时间响应；

⏹最合适的折射率的较好的加工性能。

●使用较多的的闪烁体有两类：

⏹一类就是无机闪光体：如nai(tl)、csi(tl)等，这些材料的密度小，原子

序数高，适合于探测γ射线和较高能量的x射线；

⏹一类就是有机闪光体：例如塑料和有机液体闪光体，主要用作β粒子和中子

●光电倍增管（pmt）是一种光电器件：

⏹主要由光阴极、著眼极、踢拎极（联极）和阳极共同组成，封到玻璃壳内并

带有各电极引出；

⏹光电大增管及的产品很多，但主要特别注意它的光阴极和光谱积极响应与闪光体的

发射光谱相匹配；