电离辐射防护概述(杨).ppt

国防科技学院国防科技学院一一 原子核与放射性原子核与放射性原子核中子质子电子(电子云)+电磁力电磁力电磁力电磁力 将原子核与电子结合核力核力 将核中质子与中子结合核力核力 电磁力电磁力核力是短程力一：现代原子结构一：现代原子结构核核与电子电子处于不同的能量状态(能级结构能级结构)原子半径：10-10m 原子核半径：10-14m国防科技学院国防科技学院核素核素：具有确定质子数和中子数的原子核的一种统称核核 素素质子数质子数中子数中子数质量数质量数符符 号号氦氦-4-42 22 24 44 4HeHe碳碳-12-126 66 612121212C C碳碳-13-136 67 713131313C C碳碳-14-146 68 814141414C C核素及符号表示核素及符号表示同位素：同位素：质子数相同而中子数不同的核素名称质子数中子数质量数举例同位素相同不同不同1H 2H 3H同中子素不同相同不同2H 3He同量素不同不同相同3H 3He国防科技学院国防科技学院放射性核素放射性核素：能自发地发射各种射线或粒子的核素。二：原子核衰变及衰变规律二：原子核衰变及衰变规律-放射性放射性原子核衰变：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：放射性：原子核自发地发射各种射线或粒子的现象。国防科技学院国防科技学院国防科技学院国防科技学院国防科技学院国防科技学院 质子变成中子X射线电子俘获电子俘获国防科技学院国防科技学院电子俘获电子俘获7 7BeBe 7 7Li Li国防科技学院国防科技学院+中微子 光子基本衰变基本衰变 衰变衰变国防科技学院国防科技学院基本衰变基本衰变 衰变衰变 衰变特点：衰变特点：1 1、从原子核中发射出光子、从原子核中发射出光子2 2、常常在、常常在 或或 衰变后核子从激发态退衰变后核子从激发态退 激时发生激时发生3 3、产生的射线能量不连续、产生的射线能量不连续4 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别类别国防科技学院国防科技学院 衰变衰变-衰变衰变+衰变衰变 衰变衰变国防科技学院国防科技学院半衰期半衰期 (T (T1/21/2)定义定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。的一半所需要的时间。时间时间 t t (T(T1/21/2)0 01 12 23 34 45 5n n放射性原放射性原子核数目子核数目N N0 0N N0 0/2/2 N N0 0/4/4N N0 0/16/16N N0 0/32/32N N0 0/64/64N N0 0/2/2n n经过经过n n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1/2n放射性衰变规律放射性衰变规律国防科技学院国防科技学院放射性衰变基本规律放射性衰变基本规律1.1.指数衰减规律指数衰减规律 N=NN=N0 0e e-t t N N0:0:（t=0t=0）时放射性原子）时放射性原子 核的数目核的数目N:N:经过经过t t时间后未发生衰变时间后未发生衰变 的放射性原子核数目的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快数值越大衰变越快N=NN=N0 0e e-t t国防科技学院国防科技学院1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276+1+1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.486105.48610-4-4 1 1 e e 4.002794.00279+2+2 4 4He He 质质 量量 (u)(u)电荷电荷（e)e)符号符号种类种类 核辐射的基本性质核辐射的基本性质国防科技学院国防科技学院 天平为何倾斜天平为何倾斜?重重轻轻原子核结合能和原子核稳定性原子核结合能和原子核稳定性国防科技学院国防科技学院 质量亏损质量亏损 氦原子核（4He）由2个质子+2个中子构成 2个质子质量+2 个中子质量 =原子核 4He 的质量 2 x 1.007276+2 x 1.008665=4.002603 M(4He)=4.031882 -4.002603=-0.029279 u E(E(4 4He)=He)=M(M(4 4He)CHe)C2 2=27.27 MeV=27.27 MeV 亏损的质量转化为能量亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是氦原子核的结合能是 27.27 MeV 27.27 MeV 亏损的亏损的质量哪里去了质量哪里去了?质能关系质能关系 E=M C 2国防科技学院国防科技学院定义定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量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的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定 比结合能比结合能(原子核结合能原子核结合能/核子数核子数)表表 核素核素比结合能比结合能 MeV核核 素素比结合能比结合能 MeV核素核素比结合能比结合能 MeV2H1.11212C7.68235U7.593He2.57316O7.98238U7.574He7.0756Fe8.79 最大最大 6Li5.33107Ag8.55 7Li5.61208Pb7.87 原子核结合能原子核结合能国防科技学院国防科技学院l 释放能量途径释放能量途径:1 1）重核裂变）重核裂变 2 2）轻核聚合成原子核）轻核聚合成原子核 重核裂变重核裂变轻核聚合轻核聚合原子核平均结合能原子核平均结合能(比结合能比结合能)曲线曲线国防科技学院国防科技学院252Cf 自发裂变自发裂变中子引起中子引起 235U 裂变裂变 H H 原子核聚合原子核聚合 H H 的燃烧的燃烧太太阳阳能能 释放能量举例释放能量举例国防科技学院国防科技学院比较比较:裂变能裂变能 n+235U X+Y+E 200 MeV 化学能化学能 C+O2 CO2+E 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV例：估算裂变释放的能量例：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假设裂变成质量相等的两块 质量数各约为质量数各约为118 235U 核子平均结合能核子平均结合能 7.6 MeV 质量数为质量数为118的原子核平均结合能的原子核平均结合能 8.6 MeV 两者平均结合能差两者平均结合能差 1 MeV 230多个核子多个核子 总的总的 E=200 MeV!国防科技学院国防科技学院电离辐射电离辐射 直接或间接使介质发生电离直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线效应的带电或不带电的射线或粒子或粒子 (能量能量 keV)keV)、x x、n n、p p、裂变碎片裂变碎片 介子等介子等 非电离辐射非电离辐射 紫外线、红外线、微紫外线、红外线、微波等，这些粒子虽能波等，这些粒子虽能够同物质发生作用但够同物质发生作用但都不能使物质发生电都不能使物质发生电离效应离效应 eV eV 量级量级移动电话移动电话 800-1800 800-1800 MHzMHz 0.01 eV 0.01 eV (没有电离作用）没有电离作用）三：三：电离辐射的来源电离辐射的来源国防科技学院国防科技学院国防科技学院国防科技学院国防科技学院国防科技学院。原子原子。n n 物物 质：气体质：气体 液体液体 固体固体 包括人体包括人体 等等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 四：四：射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 国防科技学院国防科技学院1 带电粒子（带电粒子（、）与物质的作用）与物质的作用 国防科技学院国防科技学院自由电子自由电子正离子正离子 +靶原子靶原子 正离子正离子+电子电子+4He +Ar Ar+e-+4He物质中原子被电离，在粒子物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子对：正离子和自由电子+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用库仑作用国防科技学院国防科技学院 电磁辐射谱电磁辐射谱 小小能量高能量高E=h ,=c/l 大大能量低能量低2 射线与物质的作用射线与物质的作用国防科技学院国防科技学院国防科技学院国防科技学院 电磁辐射产生的来源射线射线 X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波 高能辐射区高能辐射区 射线射线 能量最高，来源于核能级跃迁能量最高，来源于核能级跃迁 射线射线 来自内层电子能级的跃迁来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区光学光谱区 紫外光紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光可见光 红外光红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区波谱区 微波微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁来自原子核自旋能级的跃迁波长波长波长波长长长长长国防科技学院国防科技学院射线是波长很短能量高的电磁辐射射线是波长很短能量高的电磁辐射 （10-11 米，米，keV，MeV），），来自原子核来自原子核衰变衰变,不带电，不带电，静止质量静止质量 0 。射线是什麽？射线是什麽？能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；电离；有动量和能量交换有动量和能量交换,能够产生载能次级能够产生载能次级 带电粒子，带电粒子，可以对物质发生电离作用。可以对物质发生电离作用。能量能量 E=h）动量动量 p=h/c国防科技学院国防科技学院射线对物质的电离射线对物质的电离作用两步过程作用两步过程三种作用效应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用国防科技学院国防科技学院光电效应光电效应 自由电子自由电子 作用机制作用机制光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子成为自由电子，光子本身消失了。本身消失了。+A A*+e-（光电子）（光电子）原子原子 A +X 射线射线原子原子受激原子受激原子国防科技学院国防科技学院M M M +e M +e+e+e-1 1 +2 2 1.02 MeV m 1.02 MeV me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV基本条件：基本条件：射线能量射线能量 E E 1.02 MeV 1.02 MeV 为什麽？为什麽？能量转化成能量转化成质量质量M=E/C2能量能量1.02 MeV 1.02 MeV 的的射线与原子射线与原子核作用可能产生一对正核作用可能产生一对正-负电子。负电子。电子对效应电子对效应国防科技学院国防科技学院康普顿吴友训效应（康普顿吴友训效应（Compton-Wu effect)当 光子与物质原子中的一个电子发生弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5-1.0MeV时，该效应比较明。国防科技学院国防科技学院正负电子湮灭正负电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮灭，产正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个生两个 0.511 0.511 MeV的的 光子。光子。e+e-+me+me-=0.511 +0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100%）国防科技学院国防科技学院 对物质电离作用的比较对物质电离作用的比较 2 MeV 射程射程(m)(m)离子对密度离子对密度/mm/mm 0.01 6000 0.01 6000 2-3 60 2-3 60 10 10 几个几个国防科技学院国防科技学院1 MeV 1 MeV 的粒子穿透物质能力的粒子穿透物质能力 1 1 页页 60 60页页/本本 铅铅铅室铅室n n45804580本本地地 下下1-2 1-2 米深米深中子源中子源国防科技学院国防科技学院射线穿透物质能力射线穿透物质能力 射线穿透射线穿透 人体皮肤情况人体皮肤情况国防科技学院国防科技学院中子不带电不能直接使原子电离中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应同原子核发生作用引起核反应1 1）与）与 H H 原子核的弹性碰撞原子核的弹性碰撞 传递能量传递能量 质子跑出来质子跑出来 中子被慢化中子被慢化 n+H n +p n+H n +p 第一步第一步 打出质子（载能）打出质子（载能）第二步第二步 质子引起物质电离质子引起物质电离 慢化剂慢化剂:轻水轻水(1 1H H2 2O)O)重水重水(2 2D D2 2O)O)3 3 中子与物质的作用中子与物质的作用nHnnp电离电离国防科技学院国防科技学院 2 2）中子核反应中子核反应 例如例如(n,p)(n,p)反应反应 n +n +1414N N 1414C +p C +p 第一步第一步 核反应产生质子核反应产生质子 第二步第二步 质子对物质产生质子对物质产生 电离作用电离作用 n p电离电离1414N N1414C C 人体有大量人体有大量 H H 和和 N N 原子原子 中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害12