辐射剂量学课件

三、放射性衰变规律
1、指数衰减规律 实验表明，任何放射性物质在单独存在时都服从指
数衰减规律，不同的是不同。
N(t)N0et
N0:（t = 0）时放射性原子核的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 : 放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关，与外 界条件无关;数值越大衰变越快。
2个质子质量+2个中子质量=﹖原子核4He的质量 2×1.007276+2×1.008665 = 4.002603 ΔM(4He)=4.031882 -4.002603 = -0.029279 u
亏损的质量哪里去了?
质能关系 E=MC2
ΔE(4He)= Δ M (4He) C2 = 27.27 MeV 亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是 27.27 MeV
电磁力 将原子 核与电子结合
核力 将核中
++
+
质子与中子结合
核力 〉〉电磁力 核力是短程力
原子核
中子
质子 电子 (电子云)
核素及符号表示:
核素:具有确定质子数和中子 数的原子核的一种统称
核 质子 中子 质量 符 素 数 数 数号
氦-4 2
2
4 4He
碳-12 6
6
12 12C
碳-13 6
7
13 13C
质量me （通常不考虑电子结合能） me－电子结合能n/c2 （通常不考虑电子结合能 ）
表1-1 一些原子的质量
原子名称
1H 2H 3H 4He 6Li
原子质量 /u
1.007825 2.014102 3.016050 4.002603 6.015123
原子名称
7Li 12C 16O 235U 238U
据不完全统计（2004年）：
涉源单位
12412 家
放射源总数
107380 枚
在用放射源
76767 枚
闲置废弃源
30613 枚
射线装置
＞100000 台
通常地，核技术主要指同位素和辐射技术两 个方面。
广义地，核技术可分为六大类：
核能利用与核武器 核分析技术 放射性示踪技术
辐射照射技术 核检测技术 核成像技术
核能利用与核武器
该项技术主要是利用核裂变和核聚变反应释
放出能量的原理，开发出能源或动力装置和核武
器。
主要应用：核电站、核潜艇、原子弹、氢弹
和中子弹。
浙 江秦 山 核 电 站
中国 092型 夏级弹道导弹核潜艇
1964年10月16日中国第一 1967年6月17日中国第
颗原子弹试验成功
一颗氢弹试验成功
核裂变能发电
能量转换“四步曲”
反应堆：将核能 转变为热能（高 温高压水）
蒸汽发生器：将 一回路高温高压 水中的热量传递 给二回路的水， 使其变为饱和蒸 汽。
汽轮机：将饱和 蒸汽的热能转变 为高速旋转的机 械能。
发电机：将汽轮 机传来的机械能 转变为电能。
太阳是万物之母
◆太阳能是核聚变反应的结果：引力约束等离子体； ◆所释放的能量相当于每秒爆炸900亿颗百万吨级的氢弹; ◆太阳赋予地球的能量仅为聚变能的一万亿分之五，却是目
TNT 爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV
三、电离辐射的来源
电离辐射 直接或间接使介质发生电离 效应的带电或不带电的射线 或粒子 (能量 ﹥keV ) α、β、γ、 x、 n、p、 裂变碎片 介子等
非电离辐射 紫外线、红外线、微波 等，这些粒子虽能够同物 质发生作用但都不能使物 质发生电离效应
解：原子个数：
N16.022 10232.56 1021 235
放出能量：
E 235U 200N5.121023MeV
5.1210231061.6021019
8.21010J
二、放射性和核的稳定性 原子核衰变：原于核由于自发地放出某种粒子而
转变为新核的变化过程
放射性：原子核自发地发射各种射线或粒子的现象
235U 核子平均结合能
7.6 MeV
质量数为118的原子核平均结合能
8.6 MeV
两者平均结合能差
1 MeV
230多个核子
总的 E = 200 MeV !
比较 : 裂变能 n + 235U X + Y+ E
200 MeV
化学能 C + O2 CO2 + E 汽油与氧的爆炸，一个分子释放
4 ev 40-50 eV
单位：Ci（居里）、Bq（贝克）
1Bq 1s1 1Ci 3.71010Bq
例2 已知 222 Rn 的半衰期3.824 d,问1 Ci和103 Bq 的 222 Rn 的质量分别是多少？
解：
m NMAT1/2M
NA
NAln2
四、原子核结合能和原子核稳定性
1、天平为何倾斜?
轻 重
质量亏损：
氦原子核(4He)由2个质子+2个中子构成
～ eV 量级
移动电话 800-1800 MHz
﹤0.01 eV
(没有电离作用）
第二部分 核科学应用概述
核技术是以核物理、核武器物理、辐射物理、 放射化学、辐射化学和辐射与物质相互作用为基 础，以加速器、反应堆、核武器装置、核辐射探 测器和核电子学为支撑而发展起来的综合性现代 技术学科。
核技术是现代科学技术的重要组成部分，是当代 最主要的尖端技术之一，也是社会现代化的重要 标志之一。
反中微子
+
+ +
质子转变成中子，并且
++
+
+
带走一个单位的正电荷
+
Z AX Z A 1Y
+
中子转变成质子，并且
带走一个单位的负电荷
Z AX Z A 1Y
中微子 三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能量
电子俘获
ZAXek ZA1Y
质子变成中子
X射线
电子俘获——7Be 7Li
N = N0e-t
2、衰变常数 、半衰期T1/2 和平均寿命 1）衰变常数
dN/ N
dt 物理意义：
λ表示单位时间内每个原子核的衰变概率。 λ单位： s -1
2）半衰期T1/2 定义：是放射性原子核的数量减少为原来的一半时
所经过的时间。
经过T1/2 后
NN0 2
N0eT1/2
T1/2 ln20.693
量发电造福人类。
氘在大海中的储量几乎是取之不尽（海水中
氘的总量约35万亿吨）。可控核聚变反应堆研制
工作虽然困难重重，道路还很漫长，但以当今科
学技术的发展速度，在新世纪内一定能够取得重
领较强 3）射线:波长很短的电磁波,穿透能力最强,电离作
用最弱
现在知道，有许多天然的和人 工生产的核素都能自发地发射各种 射线。如上述三种射线。还有一些 核素发射正电子、质子、中子等其 它粒子。
核辐射的基本性质
种类 符号 电荷 质 量
α
（e) ( u )
β
α
4He +2 4.00279
β
e± ±1 5.486×10-4
核技术以其知识密集性、高效益性及广泛适应性 等特点，已被纳入了世界高科技角逐的竞技场。 它一方面为国民经济建设开拓了广泛的应用领域， 另一方面又为自然科学各学科的发展提供了多种 手段，并开拓了诸多重要的边缘学科，如核医学、 核考古学、核地质学等等。
核技术应用在世界上已有100多年的发展历 史，我国已有50多年的发展历史，目前， 共有100多个国家开展核技术的研究、开发 和应用。
前全世界使用的所有能源的10万倍。
科学家对能源的预测
■如果人类都用煤和原油来发电，预计200年后煤和原油资 源就会枯竭。
■铀虽然储量丰富，但也是不可再生资源。如果人类全部依 靠铀提供能源，预计1000年后铀资源也会枯竭。
人类将从大海获得永生的希望
开辟原子能和平利用的另一条道路：控制氢
元素聚合反应的速度，利用聚合反应中释放的能
原子质量/u
7.016005 12.00000 15.994915 235.043944 238.050816
由表中数据可看 出:原子质量都接 近于一个整数,此 整数叫做原子核 的质量数A。 质量数A = 质子数Z+中子数N
3、原子核的半径
实验表明，原子核是接近于球形的。因此，通 常用核半径来表示原子核的大小。
2、原子核结合能 定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量 原子核的结合能越大(质量亏损越大)原子核越稳定
原子核平均结合能 (比结合能 )曲线
释放能量途径: 1）重核裂变 2）轻核聚合成原子核
例：估算裂变释放的能量
n+235U(236U )X +Y +E
假设裂变成质量相等的两块质量数各约为118
N0
1.07
ln1.07 7.83109 s1 100243600
T12ln27.803.691309 8.85107s2.81y 17.831 109 1.277108s4.05y
3、放射性活度A
定义：一个放射源在单位时间内发生衰变的核数目
Ad dtN NN 0etA 0et
可见，放射性活度和放射性核数具有同样的指 数衰减规律。
0
0
质 子 p +1 1.007276
中 子 n 0 1.008665
■天然放射性和人工放射性
天然放射性： 天然存在的放射性核素所具有的放射性。它们
大多属于由重元素组成的三个放射系（即钍系、 铀系和锕系）。
人工放射性： 用人工办法产生的放射性。一般利用反应堆或
加速器来产生。
课堂作业: 1、配平下列核反应方程式 2、
大量的实验确定,核的电荷分布半径R是
1
R1.1A3fm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
例1：若235U吸收一中子后分裂成两个新核，其质量之比为 2:1，求这两个新核的半径。
（取r0 = 1.4 fm）
解:设这两个新核的质量和半径分别为A1、A2和R1、R2,则
A A11:AA2222:316 A A1217597
R1 1.4A113 7.55fm R2 1.4A2136fm
核半径用宏观尺度来衡量是很小的量,为（10-12 --10-13 ）cm 数量级，无法直接测量，而是通过原 子核与其它粒子相互作用间接测得它的大小。根据 这种相互作用的不同，核半径一般有两种定义。
根据核力作用范围来确定核力作用半径,得到 R = r0A1/3 ，r0 ～(1.4～1.5) fm（费米）
辐射剂量学
引言
目的 对原子核与放射性、核技术应用和辐
射剂量学的发展历程及研究对象、目标 有一个概念性的了解
内容 原子核与放射性 核技术应用概述 电离辐射的生物效应 辐射剂量学的发展历程 辐射剂量学的研究对象、目标及主要内容
第一部分 原子核与放射性 一、现代原子结构 原子半径：10-10m 原子核半径：10-14m
4、核的体积
V34R334r03AA
5、单位体积内的核子数
nA A 1038cm3
V 34r03A 6、核密度
一个核子质量=1.66×10-24g，则核密度
nN m 1 .6 6 110 g 4c m 3
例2：1克235U物质中有多少个235U原子？ 若每个235U核裂变能放出200 MeV能量， 则这1克235U物质全部裂变能放出多少J能量？
A Z
X
N
2、原子核的质量 原子质量单位：u
1u1个12C原子质量1的 12
1uN 1A 21126.02211140 223g 1.66053180 274g1.66053180 277kg
原子质量m =原子核质量mN＋Z个电子质量me 2、原子质量m =原子核me质－量m电N＋子Z个结电子合能n/c2
碳-14 6
8
14 14C
同位素：质子数相同而中子数不同的核素
名称 质子数
同位素
相同
同中子素 不同
同量素
不同
中子数 质量数 举例 不同 不同 1H 2H 3H 相同 不同 2H 3He 不同 相同 3H 3He
1、原子核的电荷 原子呈电中性,电子带负电,则原子核必带正电，
且电荷数与电子相等，记为Ze。 核电荷数Z＝原子序数＝核外电子数
基本衰变——衰变
+ +
+
++
+
+
+ +
光子
中微子
衰变特点：
1、从原子核中发射出光子 2、常常在 或 衰变后核子从激发态退激时发
生
3、产生的射线能量不连续 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类
三种射线的特点： 1）射线:高速运动的He核组成,电离作用强，穿透
本领低。 2）射线:高速运动的电子流,电离作用弱，穿透本
放射性核素 ：能自发地发射各种射线或粒子的核素
放射性衰变及衰变规律
基本衰变——衰变
+ +
+
++
+
放射性母+ 核
+ +
从母核中射出 的4He原子核
238U4He + 234Th
粒子得到大部分衰变能
Z AX Z A 4 2Y
基本衰变——衰变
发生原因：母核中子或质子过多 ZAX ZA 1Y
单位：秒（s）、天（d）、年（a）等。
3）平均寿命 定义：放射性原子核平均生存的时间。
T1/2ln2ln20.693
单位：秒（s）、天（d）、年（a）等。
例1 放射性同位素的放射性在100天内减少到1/1.07，试计
算它的衰变常数、平均寿命和半衰期。
解：
N(t)N0et
N(t)e100243600 1