核物理基础与辐射防护-2.ppt

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第二章第二章原子核的放射性与核衰变原子核的放射性与核衰变1、放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律2、衰变衰变3、衰变衰变4、衰变衰变2009-05-30118961896年年，Becquerel（获获1903年年诺诺贝贝尔尔物理奖）物理奖）在铀矿物中发现在铀矿物中发现射线射线。

分别叫做分别叫做、射线。

射线。

11、射线是氦核，带正电荷，贯穿本领小；射线是氦核，带正电荷，贯穿本领小；22、射线是高速电子流射线是高速电子流，带负电，贯穿本领较大；，带负电，贯穿本领较大；33、射线是波长很短的电磁波，贯穿本领大射线是波长很短的电磁波，贯穿本领大。

在磁场中发现，射线有三种成份：

在磁场中发现，射线有三种成份：

一种在磁场中一种在磁场中偏转偏转，与带，与带正电荷正电荷离子流相同；离子流相同；一种在磁场中一种在磁场中偏转偏转，与带，与带负电荷负电荷离子流相同；离子流相同；一种在磁场中一种在磁场中不偏转不偏转。

（18521908）2009-05-302、辐射的穿透能力辐射的穿透能力2009-05-303放射性现象与原子核的衰变密切相关。

放射性现象与原子核的衰变密切相关。

原原子子核核的的衰衰变变：

在在没没有有外外界界影影响响的的情情况况下下，原原子子核核自发地发射粒子并发生改变的现象。

自发地发射粒子并发生改变的现象。

能能自发地自发地发射各种射线的核素称为发射各种射线的核素称为放射性核素放射性核素，也称，也称为为不稳定核素不稳定核素。

放射性现象放射性现象是由是由原子核的变化原子核的变化引起的，与核外电子引起的，与核外电子状态的改变关系很小。

状态的改变关系很小。

原子核原子核自发地自发地发射发射各种射线各种射线的现象，称为的现象，称为放射性放射性。

2009-05-304原子核衰变的主要方式原子核衰变的主要方式衰变衰变衰变衰变（包括包括衰变、衰变、衰变和电子俘获衰变和电子俘获EC）衰变衰变（或或跃迁跃迁）（包括内转换包括内转换IC）中子发射、质子发射、重核的自发裂变等中子发射、质子发射、重核的自发裂变等2009-05-3052.1放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律A、放射源中的原子核、放射源中的原子核数目巨大数目巨大。

B、放射性原子核是、放射性原子核是全同的全同的。

C、放射性衰变是一个、放射性衰变是一个统计过程统计过程。

不不能能预预测测某某一一原原子子核核的的衰衰变变时时刻刻，但但可可以以统统计计得得到到放放射射源源中中总总的的放放射射性性原原子子核核数数目目的的减减少少规规律律；具具体体到到每每个个放放射射性性原原子子核核的的衰衰变变来来说说，就就是是服服从从一一定定规规律律进进行行衰衰变的一个变的一个随机事件随机事件，可以用，可以用衰变概率衰变概率表示。

表示。

2009-05-30611、放射性的、放射性的指数衰减规律指数衰减规律由统计性，以放射源由统计性，以放射源总体总体考虑衰减规律：

考虑衰减规律：

设：

设：

t时刻放射性原子核的数目为时刻放射性原子核的数目为N（t），求解求解tt+dt内发生的核衰变数目内发生的核衰变数目-dN（t），它应该它应该正比于正比于N（t）和时间间隔和时间间隔dt，于是有：

于是有：

2009-05-307

（1）

（1）、衰变常数、衰变常数分子表示：

分子表示：

t时刻时刻单位时间内单位时间内发生衰变的核数目发生衰变的核数目，称为，称为衰变衰变衰变衰变率率率率，记作，记作t时刻放射性原子核时刻放射性原子核总数总数总数总数衰变常数衰变常数：

一个一个原子核在原子核在单位时间内单位时间内发生发生衰变衰变的的概率概率。

22、放射性核素的、放射性核素的特征量特征量量纲为：

量纲为：

t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a衰变率：

衰变率：

2009-05-308

（2）

（2）、半衰期、半衰期TT1/21/2放射性核数放射性核数衰变一半衰变一半所需的所需的时间时间，记为，记为T1/2。

即：

即：

量纲为：

量纲为：

t,如s，h，d，a2009-05-309（3）（3）、平均寿命、平均寿命：

平均寿命平均寿命总寿命总寿命/总核数总核数在在tt+dt时间内时间内衰变的原子核数衰变的原子核数为：

为：

这些核这些核的的寿命寿命均为均为t，它们的总寿命为它们的总寿命为：

而而t可能的可能的取值取值为为：

0，所以所以所有核所有核的的总寿命总寿命为：

为：

因此，因此，平均寿命平均寿命：

2009-05-3010

（1）、放射性、放射性活度活度（Activity）即：

即：

定义：

定义：

则：

则：

活度定义：

活度定义：

单位时间单位时间内内发生衰变发生衰变的的原子核数原子核数。

以。

以A表表示，示，表征表征放射源放射源的的强弱强弱。

33、放射性、放射性活度活度及其单位及其单位放放射射源源发发出出放放射射性性粒粒子子的的多多少少，不不仅仅与与核核衰衰变变数数有有关关，而而且且和和核核衰衰变变的的具具体体情情况况直直接接相相关关。

一一般般情情况况，核核率变数率变数不等于不等于发出粒子数发出粒子数。

射线强度射线强度：

单位时间内放出某种射线的个数。

：

单位时间内放出某种射线的个数。

2009-05-3011

（2）、活度活度单位单位常用单位常用单位居里居里居里居里（Ci）：

法定计量单位为法定计量单位为贝可贝可贝可贝可（Bq）：

较小的单位还有较小的单位还有毫居毫居（mCi）和和微居微居（Ci）2009-05-3012（3）、活度单位活度单位与其他几个单位的比较与其他几个单位的比较活度单位活度单位其他单位其他单位单位单位居里居里（Ci）贝可贝可（Bq）伦琴伦琴（R）拉德拉德（rad）戈瑞戈瑞（Gr）定义定义放射性物质放射性物质1s发生发生3.71010次次核衰变为核衰变为11Ci放射性物放射性物质质1s内发内发生生1次核次核衰变为衰变为1Bq使使1kg空气空气中产生中产生2.5810-4C的电量的的电量的辐射量辐射量1g受照射受照射物质吸收物质吸收10-5J的辐的辐射能量为射能量为1rad1kg受照受照射物质吸射物质吸收收1J的的辐射能量辐射能量为为1Gr物理物理意义意义反映放射性的强弱反映放射性的强弱由放射性物质由放射性物质本身本身决定。

决定。

反映放射性物质产生的射线对反映放射性物质产生的射线对其他物质产生的效应大小的量其他物质产生的效应大小的量不仅不仅取决于放射性物质的取决于放射性物质的强弱强弱，还还取决于放射性的取决于放射性的特性特性，以及以及接受射线的接受射线的材料的性质材料的性质。

2009-05-3013（4）、比活度、比活度（SpecificActivity）定义为：

定义为：

单位质量单位质量放射源的放射性放射源的放射性活度活度。

比活度比活度反映了放射源中反映了放射源中放射性物质放射性物质的的纯度。

纯度。

纯度。

纯度。

即：

即：

单位为：

单位为：

Bq/g或或Ci/g2009-05-30144、递次衰变规律递次衰变规律许许多多放放射射性性核核素素并并非非一一次次衰衰变变就就达达到到稳稳定定，而而是是它它们们的的子子核核仍仍有有放放射射性性，会会接接着着衰衰变变直直到到衰衰变变的的子子核核为为稳稳定定核核素素为为止止，这这样样就就产产生生了了多多代代连连续续放放射射性性衰衰变变，称称之之为为递递次次衰衰变变或或级联衰变级联衰变。

设初始条件为：

设初始条件为：

各衰变常数为：

各衰变常数为：

可以求出第可以求出第n个核素个核素随随时间时间的的变化规律变化规律：

其中，系数其中，系数为：

为：

2009-05-3015放射性平衡放射性平衡

（1）

（1）、暂时平衡、暂时平衡母体母体A的的半衰期半衰期不是很长不是很长，但，但比比子体子体B的的半衰期半衰期长长，即即或或时，时，则则在在观观察察时时间间内内可可看看出出母母体体A放放射射性性的的变变化化，以以及及子子体体B的的核核数数目目在在时时间间足足够够长长之之后后，将将和和母母体体的的核核数数目目建建立立一一固固定定的的比比例例，此此时时子子体体B的的变变化化将将按按母母体体的的半半衰衰期期衰衰减减。

这这时时建建立的平衡叫立的平衡叫暂时平衡暂时平衡暂时平衡暂时平衡。

对于对于多代多代连续放射性衰变：

连续放射性衰变：

只只要要母母体体A1的的衰衰变变常常数数1最最小小，就就会会建建立立起起按按A1的的半半衰衰期期进进行行衰变的衰变的暂时平衡体系暂时平衡体系。

建建立立平平衡衡之之后后，各各代代放放射射体体的的数数量量及及活活度度之之比比不不随随时时间间变变化化，且均各代按且均各代按1进行衰变。

进行衰变。

2009-05-3016

（2）

（2）、长期平衡、长期平衡当当母体母体A的的半衰期半衰期较长较长，且比且比子体子体B的的半衰期半衰期长得多时长得多时，即即或或则则在在观观察察时时间间（远远小小于于母母体体A的的半半衰衰期期）内内，看看不不出出母母体体A放放射射性性的的变变化化；在在相相当当长长时时间间以以后后，子子体体B的的核核数数目目和和放放射射性性活活度度达达到到饱饱和和，并并且且子子母母体体的的放放射射性性活活度度相等相等。

这时建立的平衡叫。

这时建立的平衡叫长期平衡长期平衡长期平衡长期平衡。

对于对于多代多代连续放射性衰变：

连续放射性衰变：

只要只要母体母体A1的衰变常数的衰变常数1足够小（且最小）足够小（且最小），就会，就会建立起按建立起按A1的半衰期的半衰期进行衰变的进行衰变的长期平衡体系。

长期平衡体系。

各代放射体的数量各代放射体的数量之比之比不随时间变化不随时间变化；各代子体的；各代子体的放放射性活度都射性活度都等于等于母体的放射性活度母体的放射性活度，且均按，且均按1进行衰变。

进行衰变。

2009-05-3017（3）（3）、不成平衡、不成平衡逐代衰变逐代衰变当当母体母体A的的半衰期半衰期比比子体子体B的的半衰期半衰期短短时时，即，即或或这这时时建建立立不不起起平平衡衡，母母体体A按按指指数数规规律律较较快快衰衰减减；而而子子体体B的的数数目目从从零零逐逐步步增增加加，过过极极大大值值后后较较慢慢衰衰减减，当当时时间间足足够够长长时时，子子体体B则则按按自自己己的的衰衰变变常常数数2衰衰变变。

这种情况也称为这种情况也称为逐代衰变逐代衰变逐代衰变逐代衰变。

对于对于多代多代连续放射性衰变：

连续放射性衰变：

如果上代的核素如果上代的核素都都比下代比下代的核素衰变的快，即有的核素衰变的快，即有:

那那么么，随随着着时时间间的的流流逝逝，将将会会形形成成逐逐代代衰衰变变现现象象。

首首先先是是第第一一代代衰衰变变完完，接接着着第第二二代代，第第三三代代，逐逐代代衰衰变完变完。

而且。

而且各自按自己的衰变常数衰变各自按自己的衰变常数衰变。

2009-05-3018小结：

小结：

经经过过足足够够长长时时间间之之后后，多多代代连连续续放放射射性性衰衰变变过过程程将将出出现现暂暂时时平平衡衡、长长期期平平衡衡或或逐逐代代衰衰变变等等现现象象。

实际往往三种交织在一起实际往往三种交织在一起。

母母核核衰衰变变比比子子核核衰衰变变快快的的，母母核核就就按按逐逐代代衰衰变变先先衰衰变变掉掉了了；如如果果这这个个子子核核比比下下一一代代子子核核衰衰变变慢慢，则则形形成成暂暂时时平平衡衡。

暂暂时时平平衡衡体体系系总总要要衰衰变变掉掉，这这样样下下去去，总总会会出出现现半半衰衰期期最最长长的的核核素素形形成成长长期期平平衡衡。

地地球球上上目目前前存存在在的的放放射射系系就就是是衰衰变变留留下下的的处处于于长期平衡长期平衡的多代连续衰变体系。

的多代连续衰变体系。

2009-05-3019放射系放射系地地球球的的年年龄龄大大约约有有10亿亿年年。

经经过过漫漫长长的的时时间间后后，还还能能保保存存下下来来的的天天然然放放射射系系，其其母母核核（或或衰衰变变链链中中的的子子核核）的的半半衰衰期期都都很很长长，要要和和地地球球年年龄龄相相近近或或更更长长，目前发现地球上还存在着目前发现地球上还存在着三个三个天然放射系，分别为：

天然放射系，分别为：

钍系钍系，铀系铀系和和锕系锕系20