核辐射探测学1-2010

核辐射探测相关知识

核辐射探测学硕士课程，学时：30+10 任课教师： 任课教师：方方 实验指导： 实验指导： 2010.9-11( 14周 每周四下午) 2010.9-11(第3-14周，每周四下午) 上课地点： 上课地点：9A203 Ff办公室： Ff办公室：6C1104 办公室 联系电话：84077497, 联系电话：84077497,13699035680 EMAIL: ffsjp2004@2010.09 核辐射探测学 硕士研究生课程 1

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主要内容第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章2010.09

放射性基本知识 射线与物质的相互作用 射线能谱学 放射性测量单位、 放射性测量单位、辐射源及防 护知识 核辐射探测器 放射性测量中的统计涨落规律核辐射探测学 硕士研究生课程 2

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教材与参考文献 成都地质学院三系 放射性勘探方法 原子能出版社，1978 成都地质学院三系, 放射性勘探方法,原子能出版社 原子能出版社， 章晔 华荣洲 石柏慎，放射性方法勘查，原子能出版社，1990 章晔,华荣洲 石柏慎，放射性方法勘查，原子能出版社， 华荣洲,石柏慎 贾文懿 方方 唐红 苗放 核地球物理仪器 原子能出版社 贾文懿,方方 唐红,苗放 核地球物理仪器,原子能出版社 方方,唐红 苗放. 原子能出版社,1998 成都地质学院三系，放射性勘探仪器，原子能出版社，1979 成都地质学院三系，放射性勘探仪器，原子能出版社， 方方 唐红 葛君伟 苗放，放射性勘探简明教程 成都地质学院 方方,唐红 葛君伟,苗放 放射性勘探简明教程,成都地质学院 唐红,葛君伟 苗放， 成都地质学院,1992 周蓉生等，核方法原理及应用，地质出版社，1994 周蓉生等，核方法原理及应用，地质出版社， 葛良全 周四春，核辐射测量方法，成都理工大学，2007 葛良全,周四春 核辐射测量方法，成都理工大学， 周四春， 汤彬葛良全方方等，核辐射测量原理，哈尔滨工程大学出版社，2010 汤彬葛良全方方等，核辐射测量原理，哈尔滨工程大学出版社， G F Knoll. Radiation Detection and Measurement.1989 C E Crouthamel, Appliied Gamma-Ray Spectrometry,1970 Nuclear Geophysics Applied Radiation Isotopes Journal Applied Radiation and Isotopes 2010.09 3 核辐射探测学 Radioactive Methods. Geophysics 硕士研究生课程

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课堂讨论主要内容的章节安排第一章 放射性基本知识 1. 原子与原子核 2. 核衰变 3. 放射性系列 4. 天然放射性核素射线谱 5. 放射性核素衰变和积累规律 第二章 射线与物质的相互作用 1. α粒子与物质的相互作用 粒子与物质的相互作用 2. β粒子与物质的相互作用 粒子与物质的相互作用 3. β射线在物质中的衰减 β射线在物质中的衰减 4. γ粒子与物质的相互作用 粒子与物质的相互作用 5. γ射线在物质中的衰减 射线在物质

中的衰减 6. 中子与物质的相互作用及衰减规 律 第三章 射线能谱学 1. 核素的原始谱线 2. 射线仪器谱 3. 射线通过物质谱成分的变化 4. 2010.09 谱平衡 核辐射探测学 放射性测量单位、 第四章 放射性测量单位、辐射源及防 护知识 1. 放射性测量中常用单位 2. 辐射源 3. 防护知识 第五章 核辐射探测器 1. 核辐射探测器的基本特性 2. 气体探测器 3. 闪烁探测器 4. 半导体探测器 5. 中子探测器 6. 其它核辐射探测器 第六章 放射性测量中的统计涨落规律 1. 放射性计数统计学 2. 放射性测量误差 3. 放射性衰变统计规律的应用 4 硕士研究生课程

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第一章 放射性基本知识1. 原子与原子核 2. 核衰变 3. 放射性系列 4. 天然放射性核素射线谱 5. 放射性核素衰变和积累规律2010.09 核辐射探测学 硕士研究生课程 5

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1.原子与原子核 .原子的组成及基本性质： 原子的组成及基本性质：

原子核 原子 核外轨道电子 质子 中子核辐射探测学 硕士研究生课程 6

原子核2010.09

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原子及原子核的基础知识 原子的结构： 原子的结构：原子atom : 原子核 nucleus、电子 electron 原子 、 原子核带正电、电子带负电(电荷是量子化的) 原子核带正电、电子带负电(电荷是量子化的) 原子是电中性的 原子的大小： 原子的大小： 10-10 米 原子的太阳系模型 核能，结合能，核能级，基态，激发态， 核能，结合能，核能级，基态，激发态，跃迁

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原子及原子核的基础知识

核力： 核力：原子核由中子和质子组成。 原子核由中子和质子组成。它们靠什么力将这些核子 约束在原子核内呢？目前公认是：原子核内核子间存在核力， 约束在原子核内呢？ 目前公认是： 原子核内核子间存在核力， 它是中子与中子、 中子与质子、 它是中子与中子 、 中子与质子 、 以及质子与质子的相互吸引 使核子紧密地聚集在一起(各核子间具有相同的核力 各核子间具有相同的核力)。 力 ， 使核子紧密地聚集在一起 各核子间具有相同的核力 。 核内的质子与质子之间还存在服从库仑定律的静电斥 力，使核倾向于分裂。此外，核内核子间还存在万有引力、 使核倾向于分裂。此外，核内核子间还存在万有引力、 以及对β衰变一类变化起作用的弱力。 以及对 衰变一类变化起作用的弱力。 衰变一类变化起作用的弱力 核力 为 1; 电磁力 10-2 ; 万有引力 10-38 ; 核力的力程(相互作用的距离 很短 以内， 核力的力程 相互作用的距离)很短，在10-13 cm以内， 相互作用的距离 很短， 以内 排斥； 消失。 核力 < 0.8fm 排斥； 1fm 显著 ； > 10fm 消失。 2010.09 核辐射探测学 硕士研究生课程8

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原子及原子核的基础知识

原子核的结合

能： 原子核的结合能：是由Z个质子与 个质子与A- 个中子组成 个中子组成， 任一原子核 AZ X 是由 个质子与 -Z个中子组成，该原子核 质量应等于Z个质子与 个质子与A- 个中子的质量之和 实际并非如此。 个中子的质量之和， 质量应等于 个质子与 -Z个中子的质量之和，实际并非如此。 例如：氦原子的质量He m =4.002603u,如果忽略电子的 例如：氦原子的质量 ， 结合能，则氦原子核的质量He m -2× e m = 4.002603u -2× 结合能，则氦原子核的质量 × × 0.000549u = 4.001505u ;而两个质子与两中子质量之和为 2×1.007277u +2×1.008665u = 4.031884u 。它比氦原子核的质量 × × 要大，其差额为m 要大，其差额为 = 4.031884u - 4.001505u = 0.030379u ,即由 两个质子和两个中子结合成氦原子核时， 两个质子和两个中子结合成氦原子核时， 质量少了 m ,该减少的质量称为质量亏损。 该减少的质量称为质量亏损 质量亏损。 质量少了 如果将核子结合成原子核时所释放的能量称为结合能 结合能， 如果将核子结合成原子核时所释放的能量称为结合能，并把原 子核分成单个核子所要消耗的能量称为分离能 分离能， 子核分成单个核子所要消耗的能量称为分离能，则结合能和分离能在 数值上是相等的。原子核的结合能是和它的质量亏损相对应的， 数值上是相等的。原子核的结合能是和它的质量亏损相对应的，根据 2010.09 9 核辐射探测学 硕士研究生课程 质能关系定律，从质量亏损可求出结合能。 质能关系定律，从质量亏损可求出结合能。

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原子及原子核的基础知识

核能级： 核能级：原子核的能级是原子核能量状态的标志， 原子核的能级是原子核能量状态的标志，原子核的不同能 量状态就是原子核的能级。通常原子核处于最低能量状态， 量状态就是原子核的能级。通常原子核处于最低能量状态，称 基态。当原子核受到某种射线(快速粒子或光子) 为基态。当原子核受到某种射线(快速粒子或光子)的轰击或 进行核衰变时，产生的核可能处于较高能量态，原子核处于较 进行核衰变时，产生的核可能处于较高能量态， 高能量状态称为激发态。一个原子核可以有许多能级， 高能量状态称为激发态。一个原子核可以有许多能级，能级是 激发态 分立不等间隔的。不同核素具有自己不相同的核能级。 分立不等间隔的。不同核素具有自己不相同的核能级。 核能级变化放出的光子波长很短、能量很大， 核能级变化放出的光子波长很短、能量很大，这种光子被 称为γ光子 即 射线 原子核发射的各种能量的γ光子集合 射线)。 光子集合， 称为 光子(即γ射线 。原子核发射的各种能量的

光子集合， 光子 称为该原子核的γ射线谱 即原始 射线能谱)。 称为该原子核的 射线谱(即原始 射线能谱 。 射线谱 即原始γ射线能谱2010.09 核辐射探测学 硕士研究生课程 10

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原子及原子核的基础知识

原子的能级： 原子的能级：原子中束缚电子绕核运动有一定的轨道， 原子中束缚电子绕核运动有一定的轨道，相应原子处于一定的能 量状态。每种原子的束缚电子数目和可能的运动轨道都是一定的， 量状态。每种原子的束缚电子数目和可能的运动轨道都是一定的，因 此每一原子只能够在一定的、不连续的一系列稳定状态中， 此每一原子只能够在一定的、不连续的一系列稳定状态中，这一系列 稳定状态，可用相应的一组能量来表征，称为原子的能级。 稳定状态，可用相应的一组能量来表征，称为原子的能级。 原子的能级

处于稳定状态的原子不放出能量。 处于稳定状态的原子不放出能量。当原子由较高的能级过渡 到较低的能级时，相应的能量变化会以光子的形式释放出来。 到较低的能级时，相应的能量变化会以光子的形式释放出来。 将某原子发射的各种频率的光子按波长排列(即按能量排列 将某原子发射的各种频率的光子按波长排列 即按能量排列), 即按能量排列 发射光谱。 便构成了该种原子的发射光谱 原子的光谱就是原子的能谱。 便构成了该种原子的发射光谱。原子的光谱就是原子的能谱。2010.09 核辐射探测学 硕士研究生课程 11

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原子及原子核的基础知识

原子的能级： 在原子光谱学中，可以将其分为两个类型： 原子的能级： 在原子光谱学中，可以将其分为两个类型：第一， 第一，轨道电子在外部壳层各轨道之间跳跃时所产生的光谱 称为光学光谱 例如，若轨道电子原来位于N层 当它在N、 、 光学光谱。 称为光学光谱。例如，若轨道电子原来位于 层，当它在 、O、 P、Q、……等外部壳层之间跳跃时，就发生光学光谱。这种外 等外部壳层之间跳跃时， 、 、 等外部壳层之间跳跃时 就发生光学光谱。 部跳跃时的原子能量变化较小，发出的光频率较低，一般在可 部跳跃时的原子能量变化较小，发出的光频率较低， 见光区或其附近。地质工作中用来分析岩矿元素的光谱分析， 见光区或其附近。地质工作中用来分析岩矿元素的光谱分析， 就是利用这一部分特性。 就是利用这一部分特性。 第二，轨道电子在 、 、 、 等壳层中间跳跃时， 第二，轨道电子在K、L、M、……等壳层中间跳跃时，所产 等壳层中间跳跃时 线状伦琴光谱， 生的光谱称为线状伦琴光谱 这时的原子能量变化大， 生的光谱称为线状伦琴光谱，这时的原子能量

变化大，发射的 光子频率高。线状伦琴光谱由内壳层电子的跳跃所引起， 光子频率高。线状伦琴光谱由内壳层电子的跳跃所引起，而内 壳层电子离核很近， 壳层电子离核很近，所以这种光谱与原子核电荷之间有密切关 系，称为标识伦琴射线(又称特征 射线)。近年来，分析和鉴定 称为标识伦琴射线 又称特征X射线 。近年来， 又称特征 射线 2010.09 12 核辐射探测学 硕士研究生课程 中迅速发展起来的X射线荧光法 便利用了该特性。 射线荧光法， 中迅速发展起来的 射线荧光法，便利用了该特性。

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原子及原子核的基础知识 核能: 核能:核力 为 1; 电磁力 10-2 ; 万有引力 10-3 8 ; <0.8fm 排斥； 1fm 显著 ； >10fm 消失。 质量亏损 mass defect 中子质量=1.008665 以氘为例 中子质量=1.008665 u 质子质量=1.007276 u 质子质量 两者之和=2.015941u 两者之和 氘子质量=2.013552 u 氘子质量 两者之差=0.002389u 两者之差 结合能 binding energy 核能级nuclear level 核能级 核子结合成原子核时会放出能量 中子、 中子、质子运动状态

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常用述语： 常用述语：质子 proton 、中子 neutron 核内质子数( )、核外电子数、 )、核外电子数 核内质子数(Z)、核外电子数、核的电荷数 原子序数 atomic number 中子数( ) 中子数(N) N=A – Z 元素: 元素 Z 相同的原子 核素：具有特定质子数Z、中子数N 的原子核。 核素：具有特定质子数Z、中子数N 的原子核。 已知 2000多个核素 多个核素 放射性核素： 放射性核素： 同位素 isotope:相同 Z ,不同 (N不同)的核素。 : 不同A( 不同)的核素。 不同 不同 的核素。 同量异位素 isoboars:相同 ，不同 Z 、N 的核素。 :相同A, 同质异能素 isomers:相同 、Z;不同能级的核素。 :相同A、 ;不同能级的核素。2010.09 核辐射探测学 硕士研究生课程 14

A 原子质量

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化学元素周期表

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原子及原子核的基础知识 核反应

核裂变 核聚变

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2. 核衰变 .一.放射性现象 二.α 衰变 三.β 衰变 四.γ 跃迁

2010.09

核辐射探测学

硕士研究生课程

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放射性现象定义：原子核自发的发生核结构的变化， 定义：原子核自发的发生核结构的变化，由一个 自发的发生核结构的变化 元素的原子核转变为另一个元素的原子核， 元素的原子核转变为另一个元素的原子核，同时伴随 放射出粒子或电磁辐射的现象 称为放射性衰变。 粒子或电磁辐射的现象。 放射出粒子或电磁辐射的现象。称为放射性衰变。 放出的粒子： 粒子、 粒子、 辐射、 放出的粒子： α粒子、β粒子、γ辐射、碎片 物理的、 不受 物理的、化学的条件的影响 是一个随机过程

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重带电粒子α衰变A Z

X→

A 4 Z 2

Y +

He4 2

例238 92

U → Th + He234 90 4 2核辐射探测学 硕士研究生课程 19

2010.09

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β衰变放出 β粒子 beta particle 高速运动的电子分为

β-衰变 和

衰变。 β+衰变。

β-衰变A Z

X→

A Z +1

Y +β

234 9060 27

Th → 234 Pa + β 9160 Co → 28 Ni + β

n→ p+β

137 55

Cs →137 Ba + β 56

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β-衰变实例β

137 衰变； 55

Cs →137 Ba + β 56137 55

Cs↘ ↘

30 年 0.51 MeV ↘ 92 % ↓γ 0.661 MeV ↓ 基态 β

↘ β 1.17 MeV ↘ 8 % ↘ ↘

137 56

Ba

↘

137 56

Ba

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