原子核物理实验方法Chapter0
原子核物理实验方法及应用
原子核物理实验方法及应用当今的原子核物理学是一个庞大而复杂的研究领域，它涉及到原子核的结构、性质、反应等多个方面。
而尽管理论模型的不断提升和完善，实验仍然是研究原子核物理的关键，它为我们提供了高精度、高灵敏度的数据。
接下来，我们就来探讨一下原子核物理实验方法及其应用。
一、寻找微小的粒子原子核物理实验的首要任务是探测微小的粒子。
众所周知，原子核是由质子和中子构成的，质子和中子是构成核的基本粒子。
而原子核物理实验中，探测这两种粒子的主要方法是利用加速器。
以质子为例，由于它的电荷为正，所以我们可以利用加速器让质子进行多次加速，然后把加速后的质子高速撞击到要研究的目标上，让它们与原子核相互作用。
这样的粒子加速器就叫做质子加速器。
这样高能的质子撞击原子核时会产生各种次级的粒子，如中子、质子等，通过检测这些次级粒子，我们可以了解原子核内部的结构和性质。
二、测量粒子的能量一般来说，我们需要测量粒子的能量，来了解粒子的性质。
这里有两种方法：一种是正比计数器法，另一种是飞行时间法。
正比计数器法是一种基于电离室原理的计数器，其原理就是将粒子撞击到一个气体室中，获得电离电子后，通过测量电离电子的数量来计数。
这种计数器可以测量不同能量的粒子，而且灵敏度高，但也有一些不足之处，例如需要对不同粒子的反应条件进行精细调节等。
飞行时间法是另一种常用的能量测量方法。
这种方法利用粒子在真空中的飞行时间与其能量之间的关系，以精确确定粒子的能量。
在实验中，通常将粒子加速至很高的速度，并通过电场或磁场等手段将其加速到实验器的检测设备上。
从粒子的飞行时间和飞行距离之间的关系可以确定其速度，从而确定其能量。
三、粒子探测器在原子核物理实验中，探测器是十分重要的，它是我们获取实验数据的关键。
通过不同的结构，可以实现对不同粒子的探测和测量，例如电离室、闪烁体探测器、半导体探测器等。
电离室是一种基于气体放电原理的探测器，在其内部的气体中粒子撞碎原子或分子时，会释放出电离电子，电离电子会通过电场进行信号放大，同时被检测器记录下来，从而测量粒子的能量。
原子核物理学的基本概念及实验方法
原子核物理学的基本概念及实验方法原子核物理学，作为物理学的一个分支，研究的对象是原子核结构、反应和辐射等。
现代原子核物理学起源于放射性现象的研究，发展历程从放射性到核裂变、核聚变、中子、质子等粒子的发现和研究，再到核能的应用等。
本文将介绍原子核物理学的基本概念和实验方法。
一、原子核物理学的基本概念原子核是由质子和中子组成的，它是原子的稳定部分。
原子核的结构和性质是原子核物理学研究的核心内容。
原子核可描述为一个粒子系，其内部粒子与其他原子核、原子、电子等粒子交互作用，使其在宏观尺度下表现出各种性质和现象。
原子核物理学基本概念如下：1. 质量数：原子核的质量除原子电子外，主要由质子和中子的贡献构成。
质量数A是原子核中质子数Z与中子数N的和，即A=Z+N；2. 核荷数：原子核荷电量等于其内部质子数Z乘以基本电量e，即eZ，反之，由Z获得核荷信息；3. 核结合能：原子核组成带正电荷，故质子间存在相互斥力，使核系统处于不稳定平衡状态，核内包含中子的“引力”能够维持核结构稳定性。
所谓原子核结合能是指将核中的绝对质量总和与核离解成各自质量总和之差，乘以光速的平方即可得到结合能的数值。
二、原子核物理学的实验方法原子核物理学的实验方法是对原子核物理学研究所必要的重要手段。
实验室通常可将实验手段归为两类：一类是基于原子核间的相互作用，如核反应、核裂变等；二是基于测试加速器或天然辐射场的现象和反应。
1. 核反应核反应是指核粒子之间相互作用后发生的一系列物理过程。
在核反应中，参与反应的原子核可能发生聚变、裂变、放射性衰变、共振吸收等反应。
通过核反应，人们研究了许多探索原子核结构和性质的实验，如利用核反应研究高能粒子、研究核子内部状态等。
2. 核裂变核裂变是指原子核由外界作用下，分为两部分，使裂变合成核伴随着大量释放的能量和中性粒子。
裂变可以通过核反应诱导来实现。
核裂变在原子核物理学中的应用十分广泛，如核能发电和核武器。
原子核物理学的基本理论和实验方法
原子核物理学的基本理论和实验方法原子核物理学是研究原子核的物理学科，主要研究原子核的结构、性质、反应等。
原子核是原子的重要组成部分，对研究原子结构和物质性质具有重要意义。
本文将介绍原子核物理学的基本理论和实验方法。
一、原子核物理学的基本理论1. 原子核的结构原子核是由质子和中子构成的，其中质子带正电荷，中子则不带电荷。
原子核的结构可以通过核壳层模型进行描述。
核壳层模型认为原子核中的质子和中子占据不同的能级壳层，类似于原子中电子的能级结构。
根据核壳层模型，原子核的不同结构形成了核同位素和核稳定性的概念。
2. 原子核的性质原子核的性质主要包括质量数、原子序数、核自旋、核磁矩等。
质量数指的是原子核中质子和中子的总数，原子序数指的是质子的数目。
核自旋是指原子核自身的旋转，而核磁矩则是由电子和质子的运动的相互作用产生的磁矩。
3. 原子核反应原子核反应研究的是原子核的变化。
原子核反应可以分为裂变和聚变。
裂变是指原子核分裂成两个或多个较小的原子核，聚变则是指把两个或多个轻元素核聚变成为一个较重的核。
核反应可以用质量差公式进行计算，质量差越大，核反应越容易发生。
二、原子核物理学的实验方法1. 散射实验散射实验是通过将粒子射入样品中，然后通过测量样品中被散射的粒子的轨迹和能量来研究样品的结构和性质。
散射实验可以用于研究原子核的形状、大小、质量等。
2. 能谱法能谱法是一种通过测量样品中的辐射能量来研究核物理问题的方法。
通过能谱法可以得出样品中放射性核素的能级和衰变路线，从而研究原子核的结构和性质。
3. 放射性探针技术放射性探针技术是将放射性同位素引入样品中，然后通过测量放射性同位素的衰变来研究样品的结构和性质。
放射性探针技术可以用于研究原子核的壳层结构、核变形等。
4. 实验反应堆实验反应堆是用于研究核反应的设备，可以产生高质量的中子束。
实验反应堆可以用于研究核反应截面、核反应动力学等问题。
总之，原子核物理学是一门重要的物理学科，它研究原子核的结构和性质，以及原子核反应。
原子核物理的基本原理和实验方法
原子核物理的基本原理和实验方法导言原子核物理是研究物质组成中的原子核及其相互作用的一门学科。
它是现代物理学的重要分支之一，对于我们理解物质结构的基本性质具有重要的作用。
本文将通过介绍原子核物理的基本原理和实验方法，为读者深入理解这一领域提供参考。
第一部分：原子核结构的基本原理原子核是原子基本组成部分之一，由质子和中子组成。
它是原子的一个极小且非常致密的核心，占据整个原子体积的极小部分，其中质子带正电荷，中子不带电荷，两者的质量几乎相等。
原子核中的质子和中子是由夸克组成的。
夸克是基本粒子的一种，是构成一切有质量的物体的最基本的组成单元。
通过核反应的研究，科学家们发现，在原子核中会发生强相互作用和弱相互作用。
强相互作用是维持原子核的稳定的关键。
而弱相互作用则引发了许多奇异现象，如放射性变化、贝塔衰变等，它们对人们的日常生活和工作产生了诸多影响。
第二部分：原子核实验的基本方法原子核物理的研究需要进行实验验证。
以下是几种常用的原子核实验方法。
1. 散射实验散射实验是一种通过探测被轰击物质后散出来的粒子来研究原子核结构和相互作用的方法。
在这种实验中，科学家会将入射粒子轰击到目标核上，然后测量散射粒子和反应产物的产生率和运动状态。
通过这些测量，科学家可以了解原子核的一些性质，如质量、形状和能级等。
2. 能谱实验能谱实验是一种通过测量射线辐射的能量来研究原子核结构和相互作用的方法。
在这种实验中，科学家会将辐射射线照射到目标核上，然后测量射线的能谱分布。
通过这些测量，科学家可以了解辐射射线的强度和能量分布，从而得到有关原子核的信息。
3. 放射性测量放射性测量是一种通过测量放射性物质衰变过程中散发出的辐射来研究原子核结构和相互作用的方法。
在这种实验中，科学家会使用计数器或探测器等仪器来测量辐射的能量和强度。
通过这些测量，他们可以了解放射性物质的衰变特性和有关原子核结构的信息。
结论原子核物理是一门重要的学科，对于我们理解物质结构和相互作用的基本原理具有重要的作用。
原子核物理实验方法-兰北
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎰min max 20422042ln π4π4max min b b v m e NZz b db v m e NZz dx dE b b ion NB v m e z dx dE ion 2042π4=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=2222201ln 2ln c v c v I v m Z B 一、 射线与物质的相互作用1、 带电粒子与靶物质原子的碰撞载能带电粒子在靶物质的慢化过程，完全是由带电粒子与靶物质原子中的电子和靶原子核发生各种相互作用的结果，可归纳为1) 与核外电子发生非弹性碰撞；2) 与原子核发生弹性碰撞；3) 与原子核发生非弹性碰撞；4) 与核外电子发生弹性碰撞；与核外电子发生非弹性碰撞：当带电粒子从靶物质近旁掠过时，入射粒子与靶原子核外电子的库仑相互作用使电子获得一部分能量。
称为电子阻止。
如果电子获得的能量足以使电子脱离原子核的束缚成为自由电子，这个过程就叫做电离；如果传递给电子的能量较小，只能使电子从低能级状态跃迁到高能级状态，这个过程就叫做激发。
这是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式。
与靶原子核的非弹性碰撞：入射带电粒子靠近靶原子核时，会受到原子核的库仑力作用，使入射粒子的速度和方向发生改变。
这种运动状态的改变，伴随着发射电磁辐射，并使入射粒子能量损失较大。
对于α粒子和β粒子，由于二者质量相差较大，因此与靶原子核的非弹性碰撞α粒子运动状态改变不大，而β粒子运动状态改变显著。
与原子核发生弹性碰撞：满足动能守恒和动量守恒，入射带电粒子被反弹，靶原子核被反冲。
从靶物质对原子核的阻止看，称为核阻止。
与核外电子发生弹性碰撞：满足动能守恒和动量守恒。
极低能量的β粒子入射才需考虑。
2、重带电粒子与物质的相互作用（如质子和α粒子）重带电粒子与物质相互作用主要分为两部分：与核外电子发生非弹性碰撞(电子阻止)和与原子核发生弹性碰撞(核阻止)。
原子核物理实验方法
原子核物理实验方法
1 原子核物理实验方法
原子核物理实验方法是研究物质原子或核结构和行为的实验方法，是应用物理学原理探索原子或核现象的关键手段。
是研究物质原子、
核及其相互作用的核物理实验。
1.1 同步辐射实验
同步辐射实验是以同步辐射装置(同步加速器)释出的电子束，经
入射腔、反射腔、放大器和调谐器等设备，同步循环传输，使电子束
获得加速而得到高能时，在探测器前斩断，将电子束转换成强烈辐射，以此来研究核素和电子及其间的相互作用，以达到研究目的。
1.2 核共振吸收实验
核共振吸收实验本质上是一种射频和脉冲NMR实验，通常是由核
磁共振物理光源和一个反应器组成的一种物理实验。
利用反应系统加
以调节，可以使反应系统具有可控的射频和脉冲原子核吸收，以及核
磁共振应用研究原子核，进行分子计算和模拟，并在实验室里实现核
磁共振成像。
1.3 核内应力装置实验
核内应力装置实验是为探究原子核素中子体系结构和中子质量分布，用各种辐射粒子，如电子、中子、轻微子、突变线等，向样品放
射，测定反应后产物能位分布，并从能位结构中推断核内形态，用以
研究界面特性和结构、研究半衰期及分布等的原子核物理实验。
原子核物理实验是物质原子或核结构和行为的实验方法，也是用
物理学研究原子和核现象的关键手段，目前常用的实验方法主要有同
步辐射实验、核共振吸收实验和核内应力装置实验。
由于它们使得我
们能够更好地了解物质组成，因此在科学研究中起着非常重要的作用。
《核物理实验方法》课程教学大纲
综合实验楼D129
3
4
专业
必做
设计性
否
3
金硅面垒半导体探测器
核物理实验室
综合实验楼C323
3
4
专业
必做
设计性
否
4
闪烁晶体探测器
核物理实验室
综合实验楼C323
3
4
专业
必做
设计性
否
5
热释光探测器
核物理实验室
综合实验楼C323
3
4
专业
选做
综合性
否
6
beta、gamma射线的吸收系数测定
核物理实验室
5
M2
期末考试
40%
（见试卷评分标准）
评分等级说明：
[A,B,C,D,E]=[90-100,80-89,70-79,60-69,0-59]
六、教材与参考资料
序号
教学参考资料明细
1
图书|原子核物理实验方法,复旦大学、清华大学、北京大学,原子能出版社, 1997, ISBN:7-5022-1512-3.（*主教材）
2
M1
平时作业
20%
A-对所学知识有深入理解和分析，并有一定专研。B-对所学知识有一定的理解和分析。C-对所学知识理解和分析欠缺。D-对所学知识理解和分析不足。E-没有对所学知识理解。
3
M1
期末考试
60%
（见试卷评分标准）
4
M2
实验研究
60%
A-实验有创新。B-实验内容比较完整，报告规范。C-实验内容尚可，报告规范。D-实验内容一般，报告欠规范。E-实验设计内容有错误，报告不规范。
"Experimental methods of nuclear physics" is an elective course for Applied physics majors in nuclear physics methods and technology. The course promotes the patriotism and scientific innovation spirit of two bombs and one star. The theoretical contents mainly include statistics in nuclear measurement, interaction between rays and matter, typical nuclear physics detector technology, typical nuclear measurement methods and contents. The content of the experiment sets up several research experiments and design experiments of nuclear physics. Through the study of this course, students can have the basic theoretical knowledge in nuclear physics experiments; Understand the corresponding ray detection technology and its principles; Master the relevant experimental methods of nuclear physics research, nuclear radiation measurement and nuclear technology application; Be able to analyze radioactive phenomena and experimental results, laying a foundation for future practical work. In the course teaching, theoretical teaching is combined with experiments to guide students to find problems, analyze problems and solve problems. Students carry out experiments independently, study the principles of instruments, design the contents of experiments, analyze the experimental process and results, and carry out academic reports and exchanges. Through the whole process of independent experimentalresearch, students can acquire relevant research skills.
核物理与原子核实验教学教案
● 06
第六章 总结与展望
核物理与原子核 实验教学的总结
在核物理与原子核实 验教学中，我们常常 遇到一些问题，例如 实验设备不足、学生 理论基础薄弱等。为 了提高教学效果，我 们需要定期进行教学 效果评估，及时调整 教学方案。在教学中 积累经验，分享给其 他教师也是非常有益 的。
未来发展方向
核聚变能量产生实验
聚变反应器 的设计
设计合理的反应 器结构
实验结果分 析
对实验数据进行 深入分析
实验装置
选择和搭建合适 的装置
核聚变能量产生 实验
核聚变是一种高效的 能量产生方式，通过 合并轻元素产生更稳 定的重元素释放能量。 实验中需要精确设计 反应器结构，确保能 量产生的稳定性。
放射性同位素的应用实验
可以研究核能级与核结构 之间的关系 为核反应实验提供基础理 论支持
反应堆堆芯检测实验
01 实验原理
通过测量反应堆堆芯中的辐射情况，分析反 应堆工作状态
02 实验装置
包括辐射探测器、测量仪器等设备
03 实验步骤
准备、测量、分析堆芯中辐射源的情况
总结
核反应实验是核物理领域的重要实践教学内容， 通过裂变、聚变、中子激发等实验，可以更好地 了解核反应过程及相关原理。同时，反应堆堆芯 检测实验可以帮助监测核反应堆的运行状态，确 保安全可靠。在实验中要严格控制各项参数，保 证实验结果准确性。
β衰变实验
实验目的
研究β衰变现象
实验结果分 析
通过测量β粒子 的能谱分析衰变
过程
实验装置
包括探测器和放 射性样品
γ射线探测实验
探测器原理
探测γ射线的工作原理
实验步骤
设置探测器 射线源照射
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核成像技术 离子束分析 检测用核技术 辐射工艺 等
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同位素示踪技术成为生物、化工、医学 和地矿领域中必不可少的强有力的工具。
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0.1课程简介
课程类型：核技术专业本科生的专业课 学时学分：56学时（=48学时教学+8学时实验），3学分 先修要求：数理统计、原子核物理、原子物理学
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作业提交：每一章讲完之后一周内，统一由学委提交授课老师 基本目的：1. 学习原子核物理实验的实验基础 2. 学习探测器原理及应用 3. 学习核辐射测量及粒子鉴别技术 内容提要：1.放射测量中的统计学 2.射线与物质的相互作用 3.核探测器核实验测量方法 4.核参数测量 5.中子探测 6.粒子鉴别
课程名称：《原子核物理实验方法》
第０章 绪论
张清民 副教授 zhangqingmin@ 核科学与技术学院 能源与动力工程学院 西安交通大学
核科学与技术学院 School of Nuclear Science and Technology
目录
0.1 0.2 0.3 0.4 课程简介 教材及参考书 本课程的考查 原子核物理实验发展简史
0.3 本课程的考查
总成绩构成：
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平时10%：平时作业判分，按比例折算计入总成绩。 实验15%： ① 低本底NaI闪烁体γ谱仪应用实验 ② 时间-幅度变换器(TAC)的测试 ③ 模数变换器(ADC)的特性测试 课堂出勤及表现5% 课堂出勤抽查，缺勤一次扣1分，直到扣完为止。 期末考试70% 期末考试题目重在考查理解水平和对基础知识的掌握能力， 过于复杂的公式不考，如果考的话会给出来。特别注重对原理 性和影响使用因素的考查。
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核辐射是双刃剑，既有其危害 性，更有着无可替代的优越 性，为人类的当代生活带来 了便利。
核技术应用
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核技术应用
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放射测量中的统计学：第1章 射线与物质的相互作用：第2章 核探测器：第3,4,5,6章 核实验测量方法：符合法：第7章 低放射性：第12章 核参数测量：活（强）度和能量：第8,9,10章 核截面：第13章 核寿命：第15章 中子探测：第11章 粒子鉴别：第14章
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• 在人们发现的二千多种核素中，绝大多数都是不稳定的， 它们会自发地蜕变，变成另一种核素，同时放出各种射线。 这样的现象称为放射性衰变。
摘自杨福家《原子核物理》
核素：A X
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放射性衰变的种类
• Uncharged radiation
X射线成像技术 地铁、机场等地的安全检查
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X射线行李安检系统
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医学影像学
核成像技术通过对射线的利用，探测物体的内部组成 和结构，获得物体的图像，而不必破坏该物体。
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电磁波
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核（电离）辐射
• 电离辐射：10 eV -10 MeV • 主要来源于原子核或核外电子的某些过程
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放射性
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放射性
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辐射
• 辐射充满着整个空间 E.g. background radiation
Nobel Prize in Physics 2006 J. C. Mather and G. F. Smoot, USA
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•
Charged particulate radiation
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核辐射
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• 也称为电离辐射、射线，泛指原子或原子核的某些 过程（如核衰变或核裂变等）放出的粒子，或由加 速器加速的离子或核反应产生的各种粒子，包括α （4He2+）、3He、p、d、t等重带电粒子，重离子 和裂变碎片，e+、e-（β射线）等轻带电粒子，X、γ 射线，中子等。 • 高能电磁波：X、γ射线； 粒子：带电粒子、中性粒子等。
其他参考书
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作 者： 谢一冈 等 著 出 版 社： 科学出版社 出版时间：2003-07
作者： GLRNN F. KNOLL 出版发行：N. Y. : Wiley, 1989.
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原 子 核 物 目 理 录 实 验 方 法
题型：判断题、简答题、解答题 难度：基础题60%,中等难度20-25%，拉开差距15-20%
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主要考核目标
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（1）掌握放射性测量统计学，特别是测量误差； （2）掌握射线与物质的相互作用，特别其对探测 及屏蔽的影响； （3）掌握各类探测器的工作原理、性能比较和应 用； （4）掌握辐射测量方法、核参数测量技术。 （5）掌握中子探测方法和粒子鉴别技术。
大型集装箱检测系统
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检测用核技术用核物理方法测量地下的矿藏和工业规模 材料的厚度、密度、重量、成分以及测量界面等等。 工业在线测厚仪
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核技术应用已渗透到我们当代生活的方方面面，深 化了农业的绿色革命，促进了工业的技术改造，推 动了环保事业的发展，提高了人类征服疾病的能力。
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如何学好这门课程?
上课听，重视课堂内容； 课后看书、课件，把概念和知识点理解清楚； 通过推导理解原理，注重和实际应用相结合； 学会对比比较的学习方法， 独立做适当量习题。
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为什么要学习这门课程？
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这门课程是理论和实验结合紧密的一门课程，涉及放射 性研究的统计学、射线与物质的相互作用、各类探测器的工 作原理及应用、核物理实验测量方法等，是核技术应用的基 础，将为学生将来从事核能与核科学科研、生产、管理等工 作打下良好的基础。 辐射无处不在，且应用范围广： 核能利用、天体物理学、粒子物理、国家安全（自动行 李检查、海关集装箱检查、军事）、工业应用 (工业CT探伤 )、反恐防恐、核医学影像、环境监测
所以，我们要学习辐射探测与测量技术！
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0.2 教材及参考书
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教材： 《原子核物理实验方法》， 复旦大学 清华大学 合编 北京大学， 原子能出版社
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教学日期安排
（56学时/3学分=48学时教学+8学时实验）
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注：可能根据学校国家假日调课安排和教学实际，略做调整或顺延。
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– Electromagnetic radiation (photons/ X rays, γrays) – Neutrons (slow/fast, (ultra-)cold/hot) – Fast electrons and positrons (e-/e+or βparticles) – Heavy charged particles (A≥1, protons, α particles, fission fragments)