1、核物理基礎知識 核輻射的基本性質核輻射的基本性質1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276 +1 +1 p p質質 子子 0 0 0 0 5.4865.4861010-4-4 1 1 e e 4.002794.00279 +2 +2 4 4He He 質質 量量 ( u )( u )電荷電荷（e)e)符號符號種類種類 第1頁/共53頁 核衰變 衰變衰變 原子核自發地放出原子核自發地放出粒子而發生的轉變。粒子而發生的轉變。 范圍：范圍： A140A140，T T49 MeV49 MeV，T T1/21/21010- -7 7s10s101515y

2、y 過程：QYXAZAZ42第2頁/共53頁 UP23692u24094第3頁/共53頁 能譜第4頁/共53頁衰變衰變 原子核自發地放出原子核自發地放出粒子粒子(e(e+ +，e e- -) )或俘獲或俘獲一一個軌道電子而發生的轉變。個軌道電子而發生的轉變。范圍：范圍：全周期表，全周期表，T T1/21/21010-7-7s10s101818y y，幾，幾MeVMeV過程：過程： - -： | |反中微子反中微子 + +： EC EC： YXAZAZ1YXAZAZ1YeXAZAZ1第5頁/共53頁第6頁/共53頁正電子發射斷層掃描第7頁/共53頁E EC C的伴隨過程的伴隨過程 特征X射線：

3、莫塞萊關系： 歐歇電子LkxWWhvEBAZv第8頁/共53頁圖.質子誘導激發X熒光分析的周期表72種元素。樣品可以是固態、液態火薄膜。第9頁/共53頁 譜特點譜特點 連續分布連續分布 ， 對某種核素是對某種核素是確定的。確定的。 說明說明 ： 三個未知量僅二個約束方程，因而是可三個未知量僅二個約束方程，因而是可變的。變的。 max0TTTTT)cmm(mQRyx20pppRmaxT第10頁/共53頁 r r躍遷 處于激發態的核向較低能態或基態退激時放出r r射線的過程. . 射線性質 波長較短 ( (0.1 )0.1 )的電磁波。 并行過程 內轉換，激發能交給殼層電子，使其發出。核衰變核反應

4、第11頁/共53頁E=h , =c / 電磁輻射譜第12頁/共53頁 1.21.2質能聯系定理質能聯系定理 愛因斯坦公式 質量與能量是物質同一屬性的兩個表象, ,具有質量為m m的物體, ,便具有由愛因斯坦公式確定的能量： E=mcE=mc2 2 式中，m m為物體的運動質量，m m0 0為物體的靜止質量。20)/(1/cvmm第13頁/共53頁 質能變化聯系質能變化聯系 對愛因斯坦公式兩邊差分有： 更具體可寫為: : 其中 是體系的廣義質量虧損， 和 是體系變化前后的動能。2mcE2)(CMMEEEffiiiifffiMMMiEfE第14頁/共53頁能量單位電子伏-一個電子在真空中通過1V電

5、位差所獲得的能量。一個電子的靜止能量一個原子質量單位對應的能量JVCev1919106021892. 11106021892. 11MevKevev6310101MevcmEee511. 0106 . 1)103(101 . 91328312MevucEu5 .931106021892. 1/)1099792458. 2(106605655. 11322272第15頁/共53頁 應用舉例應用舉例2), 1(),()(CmAZmAZmQeYxQeHeH323MeV0177. 05 .931)016030. 3016049. 3(2) 1(), 1(),(CmmZAZMZmAZMeeYeX2),

6、1(),(CAZMAZMYX233)()()(CHeMHMQYX第16頁/共53頁1.3 1.3 核衰變的一般規律核衰變的一般規律推證 由 積分定解，有 N = N0e-tNddNtNNt 00, 0NNt第17頁/共53頁放射性衰變的基本規律放射性衰變的基本規律1 1 指數衰減規律 N = N0e-t N0: （t = 0）時放射性原子 核的數目N: 經過t時間后未發生衰變的放射性原子核數目: 放射性原子核衰變常數 大小只與原子核本身性質有關，與外界條件無關;數值越大衰變越快。第18頁/共53頁放射性活度放射性活度 活度 單位時間發生衰變或躍遷的原子核個數。 定義: : 單位 國際：貝可勒爾

7、(Bq),1Bq(Bq),1Bq1 1次衰變/ /秒 專用: : 居里(Ci)(Ci)， 1Ci1Ci3.73.710101010BqBq 導出： 1Ci1Ci10103 3mCimCi10106 6CiCi 時刻的活度0000tAeAeNNdtdNAtt第19頁/共53頁有關常數有關常數q衰變常數q半衰期 核數目減少一半時所用時間 按定義: : , , 所以 單位時間一個核衰變的幾率dtNdN/2/1T2/1Tt 2/1002/TeNNN/2ln2/ 1T第20頁/共53頁 質量與活度的關系質量與活度的關系 式中：ff核素豐度，一種核素在其所屬的同位素中所占的原子百分數；MM核素的摩爾原子量

8、；N NA A阿伏加德羅常數。 比活度fafmTNmAaA2/1)2(ln)2ln/(2/1ANfMATm第21頁/共53頁1.4 1.4 電離輻射與物質的相互作用電離輻射與物質的相互作用輻射 非電離 能量低, ,不能使物質電離，如紅外、微波等。 電離 能直接或間接使物質電離，如、等帶電粒子和中子、光子等非帶電粒子。 第22頁/共53頁帶電粒子與物質的作用1.1.電離和激發 電離 入射粒子 核外電子 激發 電離 原電離 由入射粒子直接產生的。 次級電離 由原電離產生的電子( (100eV100eV）進一步產生的。 mPEtFP2/2第23頁/共53頁電離作用庫侖作用+e-物質中原子被電離，在粒

9、子通過的路徑上形成許多離子對：正離子和自由電子 自由電子+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ - + 靶原子 正離子 + 電子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He第24頁/共53頁比電離帶電粒子在單位長度徑跡上產生的離子對數。式中： 電離能量損失率; ; - -平均電離能； v v，z z粒子的速度和電荷數； N N，Z Z介質的原子數密度和原子序數。 NZzvwdxdESion221)/(iondxdE)/(w第25頁/共53頁不同射線電離密度示意圖線 X線 線線細胞或生物大分子細胞或生物大分子第26頁/共53頁2.2.散射散射 受原子核的庫侖場或原子的極

10、化場作用，粒子運動方向發生改變的現象。 brZ1ermvZ2e粒子的散射軌道第27頁/共53頁 散射現象粒子徑跡基本是一條直線 電子徑跡是折線第28頁/共53頁 3.3.軔致輻射軔致輻射 在原子核的庫侖場作用下，帶電粒子做加速運動時部分能量以連續電磁輻射形式放出的過程。能量損失率式中：m m、z z和EE入射粒子的質量，電荷數及能量；N N、ZZ介質原子數密度及原子序數。NEmZzdxdErad222第29頁/共53頁 討論1)1)在同一介質，有：2)2) 在高原子序介質中易產生軔致輻射。3)3) 與電離損失正好相反，高能時，粒子的輻射損失上升。TTmzdxdEr當,/228224222210

11、6 . 74)105 . 5(2/aeaerarmmzdxdEdxdE2ZdxdErEdxdEr第30頁/共53頁 討論 對粒子，有: 式中， E-MeV，對于鉛，Z=82，僅當E=10Me時,軔致輻射損失才與電離損失相同。800)/()(ZEdxdEdxdEionrad第31頁/共53頁 4.4.切倫科夫輻射切倫科夫輻射 帶電粒子在透明介質以微弱可見光的形式輻射能量的過程。 發生條件 i)i)均速 ， ii)vii)vccc/nc/n。 物理過程 輻射由極化偶極子退激化產生的輻射相干迭加而成。 在水中(n=1.33),(n=1.33), minmin =1/n=0.75,能發生切倫科夫輻射的

12、 射線最小能量為: :MeVcvcmTe26. 0) 1)75. 0 (11(511. 0) 1)/(11(222第32頁/共53頁 切倫科夫輻射第33頁/共53頁5.射程與吸收 核子的射程 在介質中沿運動方向所穿過的距離。在標準空氣的平均射程: : , ,誤差10%在其它介質：式中：AA介質原子的質量數;密度(gcm(gcm-3-3).).對于混合物：式中：W Wi i為第i i種元素原子重量含量百分數。 4/30318.0aER)73(MevE)(192 . 304cmRARnAAWAWA 2211第34頁/共53頁 粒子的最大射程 在介質中沿其入射方向所能達到的最大距離。對于鋁有： 質量

13、厚度射程RmaxRmax與 線性射程的關系： RmaxRmax)(407. 0238. 1maxcmgERmMeVEMmev8 . 015. 0133. 0542. 0maxmERMeVEm8.0maxR第35頁/共53頁射線與物質的作用射線與物質的作用 光電效應光電效應 光子從原子中打出電子，本身消失的過程。 光電子的動能：),(MLKiwhTie第36頁/共53頁光電效應 作用機制 光子同(整個)原子作用把自己的全部能量傳遞給原子殼層中某一電子，該電子獲得動能克服原子束縛跑出來,成為自由電子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光電子） A + X 射線原子自由電子受激原子第37頁

14、/共53頁 康普頓效應康普頓效應 光子被散射的效應。討論：1)2)所以， Te0(Te)max。0,00eTEE時)21/()( ,180max0rereEcmET時康普頓電子譜第38頁/共53頁 電子對效應電子對效應 在核的庫侖場作用下，光子轉化為正負電子對的過程。 因為 所以 才能發生。22cmTTheeeMeVcmhe02. 122第39頁/共53頁光子與物質三種主要相互作用的相對重光子與物質三種主要相互作用的相對重要性要性第40頁/共53頁射線對物質的電離作用兩步過程三種作用效應 光電效應 康普頓效應 電子對效應 產生次級電子電離效應電離效應次級電子使次級電子使物質原子電離物質原子電離

15、第第 2 2 步步次級作用次級作用第第 1 1 步步初級作用初級作用射線第41頁/共53頁射線的吸收射線的吸收 射線通過一定厚度介質，強度減弱的現象。 指數衰減規律 I(x)= I0 e-x 線性吸收系1）射線能量高 值小2） 原子序數高 值大能量能量（MeV) 鉛（鉛（Pb) cm-1 鋁（鋁（Al）cm-1 0.6 0.6 1.6 1.6 0.2 0.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.18 0.18 2.0 2.0 0.5 0.5 0.1 0.1第42頁/共53頁半吸收厚度(d1/2) 射線強度減弱1/2 所通過物質層的厚度 射線的防護大都選用重金屬鉛、水泥等，構成很厚的防護墻。 水

16、 水 泥 A l P b1 3 7C s 8 . 0 8 3 . 8 1 3 . 4 4 0 . 5 5 6 6 0C o 1 1 5 . 1 7 4 . 6 7 0 . 9 8 9物質層厚度I/I0半吸收厚度 單位cm第43頁/共53頁對物質電離作用的比較2 MeV 射程射程(m) (m) 離子對密度離子對密度/mm/mm 0.01 6000 0.01 6000 2-3 60 2-3 60 10 10 幾個幾個第44頁/共53頁 譜特點譜特點 連續分布連續分布 ， 對某種核素是對某種核素是確定的。確定的。 說明說明 ： 三個未知量僅二個約束方程，因而是可三個未知量僅二個約束方程，因而是可變的

17、。變的。 max0TTTTT)cmm(mQRyx20pppRmaxT第45頁/共53頁 1.21.2質能聯系定理質能聯系定理 愛因斯坦公式 質量與能量是物質同一屬性的兩個表象, ,具有質量為m m的物體, ,便具有由愛因斯坦公式確定的能量： E=mcE=mc2 2 式中，m m為物體的運動質量，m m0 0為物體的靜止質量。20)/(1/cvmm第46頁/共53頁能量單位電子伏-一個電子在真空中通過1V電位差所獲得的能量。一個電子的靜止能量一個原子質量單位對應的能量JVCev1919106021892. 11106021892. 11MevKevev6310101MevcmEee511. 01

18、06 . 1)103(101 . 91328312MevucEu5 .931106021892. 1/)1099792458. 2(106605655. 11322272第47頁/共53頁有關常數有關常數q衰變常數q半衰期 核數目減少一半時所用時間 按定義: : , , 所以 單位時間一個核衰變的幾率dtNdN/2/1T2/1Tt 2/1002/TeNNN/2ln2/ 1T第48頁/共53頁不同射線電離密度示意圖線 X線 線線細胞或生物大分子細胞或生物大分子第49頁/共53頁5.射程與吸收 核子的射程 在介質中沿運動方向所穿過的距離。在標準空氣的平均射程: : , ,誤差10%在其它介質：式中：AA介質原子的質量數;密度(gcm(gcm-3-3)