核污染相關(guān)核物理基本知識(shí)

1.1 原子與原子核 原子質(zhì)量數(shù)（A）＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)
同位素、核素
同位素：所有的具有相同質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的 原子。如：
234U 92個(gè)質(zhì)子 142個(gè)中子
235U 92個(gè)質(zhì)子 143個(gè)中子
238U 92個(gè)質(zhì)子 146個(gè)中子
同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)。
核素：原子核結(jié)構(gòu)完全相同的核就是一種核素。也就是說，某一種元素有多少種同位素就有多少種核素。核素分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種，我們把不穩(wěn)定的核素稱為放射性核素。

1.2 放射性與核輻射
1.21放射性 天然放射性與人工放射性
放射性衰變
衰變：原子能自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核素的原子，并發(fā)射出某些射線或粒子。人們把不穩(wěn)定核素放出射線特性叫做放射性，把不穩(wěn)定核素自發(fā)地蛻變成為另一種核素的轉(zhuǎn)變過程稱為放射性衰變或蛻變。
原子序數(shù)從84起的所有元素都是不穩(wěn)定的，具有天然放射性；而原子序數(shù)小于84的元素只有少量的某些同位素是不穩(wěn)定的，具有天然放射性；人工產(chǎn)生的同位素都是不穩(wěn)定的， 具有人工放射性。

特性：核衰變是放射性核素所具有的特征。 衰變的速度(即衰變率)由它本身的核特性決定，不受外界因素(如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等)的影響，也不隨元素的物理、化學(xué)狀態(tài)的變化而改變。
1.2.2 放射性衰變規(guī)律 ：
T（半衰期）：某種放射性核素的原子核數(shù)目衰減到它初始值的一半所需要的時(shí)間。

放射性衰變規(guī)律
1.2.3 放射性活度及其單位
1.放射性活度 某種放射核素在單位時(shí)間內(nèi)的衰變數(shù)(即某種放射性核素的衰變率)稱之為放射性活度。

1.2.4 核輻射、核衰變及其類型
射性核素衰變時(shí)都會(huì)因核結(jié)構(gòu)的變化而發(fā)射出某些射線或粒子，這就是所謂的核輻射。
放射性核素在衰變時(shí)，主要發(fā)射出三種類型的核輻射，即α粒子、β粒子和γ射線。
（1）α粒子輻射和α衰變
α粒子輻射實(shí)質(zhì)上是由某些核素原子核衰變發(fā)射出 的氦-4（4He）原子核

質(zhì)量數(shù)大于140的許多核素會(huì)發(fā)生α衰變，如：

（2）β粒子輻射和β衰變
β粒子輻射實(shí)質(zhì)上是核素原子核發(fā)射出來的高速（即高動(dòng)能）電子。β輻射又分兩種，一種是發(fā)射負(fù)電子的β-粒子，另一種是發(fā)射正電子的β+粒子。常見的β輻射是β-輻射。β衰變就是放射性核素發(fā)射出β粒子的衰變。而常見的β衰變是β-衰變，即發(fā)射負(fù)電子（e-）的衰變。負(fù)電子帶有1個(gè)單位的負(fù)電荷，其質(zhì)量可以忽略不計(jì)（為1/1840個(gè)原子質(zhì)量單位）。因此，原子核在進(jìn)行β-衰變之后，它的質(zhì)量數(shù)（A）保持不變，原子序數(shù)（Z）增加1。
（3） γ輻射和“同質(zhì)異能躍遷”衰變

(4) 中子輻射
以中子輻射形式存在的自由中子，都是不穩(wěn)定的， 以半衰期12.8分發(fā)生β衰變成為質(zhì)子，而質(zhì)子在捕獲一個(gè)電子后最終成為氫原子。
核電站存在的中子輻射有以下幾種產(chǎn)生機(jī)制：
a.反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，來自反應(yīng)堆堆芯的中子，這些中子是由堆芯核燃料重同位素的裂變核反應(yīng)產(chǎn)生
b.來乏燃料的中子.其中的一部分是由乏燃料所含 钚（Pu）、镅（Am）、鋦（Cm）等重同位素的自發(fā) 裂變產(chǎn)生的；另一部分是由Pu、Am、Cm等重同位素 發(fā)射的粒子射在乏燃料所含氧元素核上發(fā)生（α， n）核反應(yīng)產(chǎn)生的。

1.3 電離輻射及其與物質(zhì)的相互作用
1.3.1 電離輻射 電離輻射是指其與物質(zhì)相互作用時(shí)可使物質(zhì)原子電離和激發(fā)的射線。在輻射防護(hù)領(lǐng)域中，“電離輻射”常被簡(jiǎn)稱為“輻射”。電離輻射又分為直接電離輻射和間接電離輻射：
直接電離輻射是具有足夠動(dòng)能，可以與物質(zhì)原子碰撞直接使原子電離和(或)激發(fā)的帶電粒子。間接電離輻射是指先通過與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生帶電粒子，然后由這些帶電粒子使物質(zhì)原子電離和激發(fā)的非帶電輻射。間接電離輻射包括γ射線、X射線和中子等。
應(yīng)當(dāng)指出： 可見光、紅外線和紫外線雖然也是電磁輻射，但因其能量小(即波長(zhǎng)長(zhǎng))，不能使物質(zhì)產(chǎn) 生帶電粒子，因而不是間接電離輻射。所有的核輻射都是電離輻射；但有些電離輻射，如從加速器引出的高能電子射束和X光 機(jī)產(chǎn)生的X射線，并不是核輻射。由于電離輻射會(huì)使物質(zhì)原子電離和激發(fā)， 并可能與物質(zhì)發(fā)生其它一些相互作用，因而電離輻射可對(duì)人體產(chǎn)生有害的生物效應(yīng)，因而我們?cè)趹?yīng)用或接觸電離輻射時(shí)必須考慮對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。

X射線同γ射線一樣也是電磁輻射，但兩者之間的根本區(qū)別在于其產(chǎn)生物理機(jī)制不同。γ射線是原子核能級(jí)改變的核衰變發(fā)射出來的；X射線是高速電子射到物質(zhì)上被物質(zhì)原子的核及核外電子的靜電場(chǎng)減速所產(chǎn)生，或者是當(dāng)原子被激發(fā)后核外電子從高能級(jí)退激 到低能級(jí)時(shí)所產(chǎn)生
1.3.2 輻射與物質(zhì)的相互作用
電離輻射與物質(zhì)之間的相互作用隨電離輻射的類型而異，也與被作用的物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。

（1）帶電粒子在物質(zhì)中引起的電離與激發(fā)電子、質(zhì)子、α粒子等可使物質(zhì)原子電離和激發(fā)。
帶電粒子主要是通過使物質(zhì)原子被電離與激 發(fā)不斷損失其能量，直到其能量耗盡。帶電粒子 從進(jìn)入物質(zhì)開始，沿入射方向所穿行的最大距 離，稱為該入射帶電粒子在該物質(zhì)中的射程。帶電粒子在物質(zhì)中的射程與粒子類型、能量 和物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。α粒子具有很強(qiáng)的電離能力， 在很短的行程內(nèi)會(huì)將其能量消耗掉。高能β粒子 射程要比α粒子大許多。如32P所發(fā)射1.71Mev的 β粒子，在空氣中的射程為≈6m,在生物軟組織

（ 2 ）γ和X射線與物質(zhì)的相互作用
γ和X射線為間接電離輻射，它們與物質(zhì)相互作 用時(shí)先產(chǎn)生帶電粒子--電子，這些電子接著與物 質(zhì)相互作用(電離與激發(fā))，產(chǎn)生大量次級(jí)電離。γ和X射線主要是通過以下三種與物質(zhì)相互作用的機(jī)制 ：
－ 光電效應(yīng) －康普頓效應(yīng)－電子對(duì)效應(yīng)
實(shí)驗(yàn)證明：
1.γ射線有極強(qiáng)的貫穿能力。
2.γ射線在物質(zhì)中的貫穿能力可用半值層來描述。它就是γ射線被減弱到一半所需物質(zhì)厚度。
（3）中子與物質(zhì)的相互作用
0 中子與原子核的相互作用分為兩大類：
① 散射：
②吸收：包括輻射俘獲、核裂變、（n，α） 和（n，p）反應(yīng)等。

對(duì)于某些重核（如235U和239Pu），其熱中子引起的核反應(yīng)主要有兩種類型:
1.“輻射俘獲”，即（n,γ）反應(yīng)， 例如235U（n,γ）236U;2.裂變反應(yīng)，即235U俘獲熱中子后發(fā)生裂變 中 子在物質(zhì)中有較強(qiáng)的貫穿能力。

4.帶電粒子在物質(zhì)中產(chǎn)生的核反應(yīng)
(1) 高速電子在物質(zhì)中的軔致輻射
高速電子射到物質(zhì)上被物質(zhì)原子的核及核外電子靜電場(chǎng)減速會(huì)產(chǎn)生X射線，這就是軔致輻射。
高速電子的能量轉(zhuǎn)化為軔致輻射的份額∝EZ
(2) α粒子所致(α，n)反應(yīng)
當(dāng)α粒子能量大于某個(gè)閾值時(shí)，可發(fā)生(α，n) 反應(yīng)產(chǎn)生中子。核電站所用的燃料為UO2 。燒過的乏燃料中生成 大 量 人 工 α 放 射 性 核 素 ， 如 Pu,Am,Cm 的 同 位素 ， 它們所發(fā)射的α粒子打在17O核上即產(chǎn)生中子。

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