《核物理基础知识》PPT课件.ppt

第1章 核物理基础知识 1.1 核衰变及其放射性 核素 质子数Z和中子数N都相同的一类原子核 。 稳定性 在自然状态能够稳定存在的核素。 放射性 核衰变放射性现象(，) 。 同位素 质子数相同而中子数不同的一类核素的互称。 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 同中素不同相同不同 2H 3He 同量素不同不同相同 3H 3He 核辐射的基本性质 1.008665 0 n中 子 1.007276 +1 p质 子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279 +2 4He 质 量 ( u ) 电荷 （e) 符号种类 核衰变 衰变 原子核自发地放出粒子而发生的转变。 范围： A140，T49 MeV，T1/210-7s 1015y 过程： 能谱 衰变 原子核自发地放出粒子(e+，e-)或俘获一 个轨道电子而发生的转变。 范围：全周期表，T1/210-7s1018y，几MeV 过程： -： |反中微子 +： EC： 正电子发射断层扫描 EC的伴随过程 o 特征X射线： 莫塞莱关系： o 欧歇电子 图.质子诱导激发X荧光分析的周期表 72种元素。样品可以是固态、液态火 薄膜。 谱特点 连续分布 ， 对某种核素是确 定的。 说明： 三个未知量仅二个约束方程，因而是可变的 。 r跃迁 处于激发态的核向较低能态或基态退激时放 出r射线的过程. o 射线性质 波长较短 (0.1 )的电磁波。 o 并行过程 内转换，激发能交给壳层电子，使 其发出。 核衰变 核反应 E=h , =c / 电磁辐射谱 1.2质能联系定理 o 爱因斯坦公式 质量与能量是物质同一属性的两个表象,具 有质量为m的物体,便具有由爱因斯坦公式确定 的能量： E=mc2 式中，m为物体的运动质量，m0为物体的静止质 量。 质能变化联系 对爱因斯坦公式两边差分有： 更具体可写为: 其中 是体系的广义质量亏损， 和 是体系变化前后的动能。 能量单位 电子伏-一个电子在真空中通过1V电位差所获得的能量。 一个电子的静止能量 一个原子质量单位对应的能量 应用举例 1.3 核衰变的一般规律 推证 由 积分定解，有 N = N0e-t 放射性衰变的基本规律 1 指数衰减规律 N = N0e-t 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 。 放射性活度 o 活度 单位时间发生衰变或跃迁的原子核个数。 o 定义: o 单位 国际：贝可勒尔(Bq),1Bq1次衰变/秒 专用: 居里(Ci)， 1Ci3.71010Bq 导出： 1Ci103mCi106Ci 有关常数 q 衰变常数 q 半衰期 核数目减少一半时所用时间 按定义: , 所以 质量与活度的关系 式中：f核素丰度，一种核素在其所属的同位 素中所占的原子百分数；M核素的摩尔原子量 ；NA阿伏加德罗常数。 o 比活度 1.4 电离辐射与物质的相互作用 辐射 o 非电离 能量低,不能使物质电离，如红外、微 波等。 o 电离 能直接或间接使物质电离，如、等 带电粒子和中子、光子等非带电粒子。 带电粒子与物质的作用 1.电离和激发 电离 入射粒子 核外电子 激发 电离 原电离 由入射粒子直接产生的。 次级电离 由原电离产生的电子(100eV） 进一步产生的。 电离作用 库仑作用 + e- 物质中原子被电离，在粒子 通过的路径上形成许多离子 对：正离子和自由电子 自由电子 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He 比电离 带电粒子在单位长度径迹上产生的离子对数。 式中： 电离能量损失率; -平均电离能； v，z粒子的速度和电荷数； N，Z介质的原子数密度和原子序数。 不同射线电离密度示意图 线 X线 线 线 细胞或生物大分子 2.散射 受原子核的库仑场或原子的极化场作用，粒 子运动方向发生改变的现象。 b r Z1e rm v Z2e 粒子的散射轨道 散射现象 粒子径迹基本是一条直线 电子径迹是折线 3.轫致辐射 在原子核的库仑场作用下，带电粒子做加速运 动时部分能量以连续电磁辐射形式放出的过程。 能量损失率 式中：m、z和E入射粒子的质量，电荷数及能量； N、Z介质原子数密度及原子序数。 讨论 1)在同一介质，有： 2) 在高原子序介质中易产生轫致辐射。 3) 与电离损失正好相反，高能时，粒子的 辐射损失上升。 讨论 对粒子，有: 式中， E-MeV，对于铅，Z=82，仅当E=10Me时,轫致辐 射损失才与电离损失相同。 4.切伦科夫辐射 带电粒子在透明介质以微弱可见光的形式辐射能 量的过程。 发生条件 i)均速 ， ii)vcc/n。 物理过程 辐射由极化偶极子退激化产生的辐射相干 迭加而成。 在水中(n=1.33),min =1/n=0.75,能发生切伦科夫 辐射的射线最小能量为: 切伦科夫辐射 5.射程与吸收 o 核子的射程 在介质中沿运动方向所穿过的距离。在标准空气的平均射程: ,误差10% 在其它介质： 式中：A介质原子的质量数;密度(gcm-3). 对于混合物： 式中：Wi为第i种元素原子重量含量百分数。 o 粒子的最大射程 在介质中沿其入射方向所能达到的最大距离。对于 铝有： 质量厚度射程Rmax与 线性射程的关系： RmaxRmax 射线与物质的作用 o 光电效应 光子从原子中打出电子，本身消失的过程 。 光电子的动能： 光电效应 作用机制 光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给 原子壳层中某一电子，该电子获得动能克服原子束缚 跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子） A + X 射线 原子 自由电子 受激原子 o 康普顿效应 光子被散射的效应。 讨论： 1) 2) 所以， Te0(Te)max。 康普顿电子谱 o 电子对效应 在核的库仑场作用下，光子转化为正负电子对的 过程。 因为 所以 才能发生。 光子与物质三种主要相互作用的相对重要性 射线对物质的电离作用两步过程 三种作用效应 o 光电效应 o 康普顿效应 o 电子对效应 产生次级电子 电离效应 次级电子使 物质原子电离 第 2 步 次级作用 第 1 步 初级作用 射线 射线的吸收 o 射线通过一定厚度介质， 强度减弱的现象。 o 指数衰减规律 I(x)= I0 e-x 线性吸收系 1）射线能量高 值小 2） 原子序数高 值大 能量（ MeV) 铅（ Pb) cm -1 铝（Al） cm-1 0.6 1.6 0.2 1.0 0.8 0.18 2.