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核安全綜合知識注冊核安全工程師考試復習2008年5月《核安全綜合知識》第一章原子核物理基礎考試要求熟悉原子結構的知識熟悉放射性的概念、衰變及其規律熟悉射線及其與物質的相互作用掌握核反應的類型了解核裂變及其裂變反應的知識《核安全綜合知識》第一章的考試要求:復習內容1.1原子和原子核的基本性質1.2原子核的放射性1.3射線及其與物質相互作用1.4原子核反應1.5核裂變及核能的利用《核安全綜合知識》1.1原子和原子核的基本性質知識要點:原子與原子核原子的殼層結構原子核的組成及其穩定性原子核的大小原子核的結合能《核安全綜合知識》原子和原子核(1)知識要點:原子、原子核、同位素1896年法國科學家貝克勒爾(A.H.Becquerel)發現天然放射性現象,人類第一次觀察到核變化,這一重大發現是原子核物理的開端。萬物是由原子、分子構成,每一種原子對應一種化學元素。目前,人們已知一百多種元素。1911年盧瑟福根據α粒子的散射實驗提出了,即原子由原子核和核外電子組成的假設。核外電子的運動構成了原子物理學的主要內容,而原子核成了原子核物理學的主要研究對象。原子和原子核是物質結構的兩個層次,但也是互相關聯又涇渭分明的兩個層次。《核安全綜合知識》原子和原子核(2)電子帶負電荷,電子電荷的值為:e=1.60217733x10-19C,且電荷是量子化的,即任何電荷只能是e的整倍數。電子的質量為me=9.1093897x10-31kg。原子核帶正電荷,集中了原子的全部正電荷。

原子的大小是由核外運動的電子所占的空間范圍來表征,原子可以設想為電子在以原子核為中心的、距核非常遠的若干軌道上運行。原子的大小半徑約為10-8cm的量級。原子核的質量遠超過核外電子的總質量,原子的質量中心與原子核的質量中心非常接近。原子核的限度只有幾十飛米(1fm=10-15m=10-13cm),而密度高達108t.cm-3

。物質的許多化學性質及物理性質、光譜特性基本上只與核外電子有關;而放射現象則主要與原子核有關。《核安全綜合知識》原子和原子核(3)單選題例:原子物理學的主要內容是(A)。A核外電子的運動,B原子核的裂變,C原子核的衰變,D原子核中核子間的運動。

多選題例:原子由原子核和核外電子組成,其中(ABCDE)。A電子帶負電荷,B原子核集中了原子的全部正電荷,C原子的大小半徑約為10-8cm的量級,D原子核的質量遠超過核外電子的總質量,E原子核的限度只有幾十飛米。《核安全綜合知識》原子的殼層結構(1)知識要點:原子的殼層、能級、躍遷原子的核外電子稱為軌道電子。原子的軌道電子離核的距離是不能取任意值的,這是微觀世界的量子特性的一種表現。電子軌道按照一定的規律形成彼此分離的殼層。最靠近核的一個殼層稱為K層,在他的外面依次為L、M、N、O殼層等,以此類推。通常用量子數n(n=1,2,3…)代表殼層,并分別對應K、L、M、N、O,…殼層。每個殼層可容納2n2個電子。除了K層以外,其他殼層又可分成(2l+1,l=n-1)個支殼層,l是描述電子軌道的量子數。出于不同殼層的電子具有不同的位能,當電子從無窮遠處移動到靠近原子核的位置時是電場力作功,K層的能級最低。能級的能量大小就等于該殼層電子的結合能,要使該殼層電子脫離核的束縛成為自由電子所需做的功。結合能是負值,通常以KeV為單位,K殼層電子的結合能的絕對值最大。《核安全綜合知識》原子的殼層結構(2)用n,l,j三個量子數來描述不同的能級。其中n=1,2,3,…;l=0,1,2,…,(n-1)是與電子的軌道運動相關的量子數,而j是與電子的自旋運動相關的量子數,j與l的關系是j=|l±1/2|。n,l,j三個量子數的不同組合區別軌道電子不同的支殼層。每個支殼層最多可容納(2j+1)個電子。在正常情況下,電子先充滿較低能級,但當原子受到內在原因或外來因素的作用時,低能級的電子可以被激發到高能級上(稱激發過程),或電子被電離到原子的殼層之外(稱電離過程),高能級電子就會躍遷到低能級上留下的空位上,并以電磁輻射的形式釋放一個光子。發生內層電子躍遷時,發射的光子能量較高,而且不同元素的原子均有不同特定的能量,所以通常又稱作特征X射線,其能量計算公式為:EX=hc/λ=E1-E2,式中h=6.6260755x10-34J.s;光速c=2.997925x108m/s;E1和E2分別是躍遷前后兩個能級的能量。K系特征線是由K殼層之外的電子躍遷到K層空位式發射的特征X射線,同樣還有L系、M系特征X射線等,躍遷還需要滿足特定的選擇定則。《核安全綜合知識》原子的殼層結構(3)單選題例:原子的核外電子稱為(B)。A自由電子,B軌道電子,C俄歇電子,D康普頓電子。

多選題例:電子軌道按照一定的規律形成彼此分離的殼層,其中各層最多可容納的電子數分別是(BCE)。AK層1個,BK層2個,CL層8個,DM層10個,EM層18個。《核安全綜合知識》原子核的組成及其穩定性(1)知識要點:核的組成、核素/同位素/同質異能素、核的穩定性1932年查德威克發現中子,海森堡提出原子核由質子和中子組成的假設。中子為中性粒子,質子為帶有單位正電荷的粒子。

中子和質子的質量相差甚微,它們的質量分別為:mn=1.00866492u,mp=1.00727646u,u為原子質量單位。1960年國際上規定把碳-12(12C)原子質量的1/12定義為原子質量單位,用u表示,1u=1.6605402±0.0000010x10-27kg=931.494013MeV/c2。任何一個原子核都可以由符號AZXN表示,N是核內中子數,Z是核內質子數或電荷數,A是核內的核子數或核的質量數,X是該原子核對應的元素符號。事實上,只要元素符號X確定后,該元素的電荷數就已經確定,所以符號AX足以表示一個特定的核。中子數和質子數都相同的原子核稱為一種核素。具有相同原子序數但質量數不同的核素稱為某元素的同位素。16O,17O,18O的天然豐度比是:99.756%、0.039%、0.205%。壽命較長的激發態原子核稱為基態原子核的同質異能素或同核異能素。同質異能素所處的能態又稱同質異能態,如:87mSr,87Sr。

《核安全綜合知識》原子核的組成及其穩定性(2)根據原子核的穩定性,可以把核素分為穩定的核素和不穩定的放射性核素。原子核的穩定性與核內質子數和中子數之間的比例存在密切的關系。核素圖必須是一個含有N-Z數的兩維圖。在現代核素圖上,既包括了天然存在的332個核素(其中280多個是穩定核素),也包括了自1934年以來人工制造的1600多個放射性核素,一共約2000個核素。在β穩定核素分布圖上,相同中子數N的核素是同中異荷素;在N和Z軸截距相等的直線上的核素是同量異位素。在Z<20的輕核時,穩定核位于N=Z的直線附近;Z為中等核時,穩定核位于N/Z~1.4的位置;Z~90的重核,穩定核位于N/Z~1.6的位置。在β穩定核素分布圖上,相對于穩定曲線而言,中子數過多或偏少都是不穩定的。位于穩定曲線偏N增大的區域的核素是豐中子核素,易發生β-衰變,位于穩定曲線偏Z增大的區域的核素是缺中子核素,易發生β+衰變。《核安全綜合知識》原子核的組成及其穩定性(3)核素圖

β穩定核素分布圖《核安全綜合知識》原子核的組成及其穩定性(4)由于庫侖力是長程相互作用力,它能作用于核內的所有質子;而核力是短程力,只作用與相鄰的核子。隨Z(A)的增加,穩定核的中子數比質子數越來越多,越來越偏離Z=N的直線。當Z大到一定程度,穩定核素不復存在。當原子核的中子數或質子數為2,8,20,28,50,82和中子數為126時,原子核特別穩定。上述數目稱為“幻數”,核內中子或質子滿足幻數條件的原子核稱為“幻核”。。原子核的穩定性還與核內質子和中子的奇偶性有關,自然界存在的穩定核素共270多種,若包括半衰期109年以上的核素則為284種,其中偶偶(e-e)核166種,偶奇(e-o)核56種,奇偶(o-e)核53種,奇奇(o-o)核9種。《核安全綜合知識》原子核的組成及其穩定性(5)單選題例:-天然存在的核素的個數為(B)A280,B332,C1600,D2000。-Z為90左右的重核,穩定核的中子和質子的比例約為(C)A0.8,B1.0,C1.6,D1.8。-豐中子β不穩定核素,易發生(A)。Aβ-衰變,Bβ+衰變,C軌道電子俘獲,E光合作用多選題例:

-幻核的質子數或中子數為(ABCD)。A2,B8,C20,D28,E92

-若半衰期109年以上的核素被認為是穩定核素,那么自然界存在的穩定核素中有(ABCD)。A偶偶(e-e)核166種,B偶奇(e-o)核56種,C奇偶(o-e)核53種,D奇奇(o-o)核9種,E半衰期109年以上的核素284種《核安全綜合知識》原子核的大小(1)知識要點:核的核力半徑、電荷半徑、核物質密度最早研究原子核的大小是盧瑟福和查德威克。他們用質子或α粒子去轟擊各種原子核。根據這一方法,發現輕原子核的的半徑遵從如下的規律:R=r0A1/3,r0=1.2fm。單位體積內的核子數稱為原子核的密度,其值等于常數,表明只要核子結合成原子核,其密度都是相同的,這就形成核物質的概念。在每立厘米體積中竟有近3億噸(2.3億噸)的核物質。其后,出現了許多其他更精確的測量方法。如用中子衍射截面測量原子核的大小(核力半徑);用高能電子散射測量原子核的大小及電荷形狀因子(電荷分布半徑)等等。并依據所采用的方法,分別給出電荷半徑或核力半徑。原子核半徑R與A1/3成正比,而其比例常數r0的最近數據為:

r0=(1.2±0.3)fm,電荷分布半徑;

r0=(1.4±0.1)fm,核力半徑。

《核安全綜合知識》原子核的大小(2)單選題例:-核物質的密度約為(D)t/cm3。

A3萬,B3百萬,C3千萬,D3億。-原子核半徑的范圍約為(D)A1-10mm,B1-10μm,C1-10nm,D1-10fm多選題例:測量原子核電荷半徑或核力半徑的主要方法包括(ABCD)A中子衍射,B高能電子散射,Cα粒子散射,

D質子散射,

E紫外線成像。《核安全綜合知識》原子核的結合能(1)知識要點:質能聯系定律、質量虧損、核的結合能與比結合能E=mc2稱為質能關系式,也就是質能聯系定律。原子核的質量虧損為組成原子核的個質子和個中子的質量與該原子核的質量之差。從原子核的質量虧損的定義可以明確的看出,所有的核都存在質量虧損,即⊿m(Z,A)>0。⊿m(Z,A)=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A)

,其中

m(Z,A)為電荷數為、質量數為的原子核的質量。既然原子核的質量虧損⊿m(Z,A)>0

,由質能關系式,那么相應能量的減少就是⊿

E=⊿mc2

>0

。這表明核子結合成原子核時,會釋放出能量,這個能量稱之為結合能。一個中子和一個質子組成氘核時,會釋放一部分能量2.225MeV,這就是氘的結合能。它已為精確的實驗測量所證明。實驗還證實了它的逆過程:當有能量為2.225MeV的光子照射氘核時,氘核將一分為兩,飛出質子和中子。《核安全綜合知識》原子核的結合能(2)結合能:B(Z,A)=⊿mc2

比結合能:ε(Z,A)=B(Z,A)/A=⊿mc2/A

比結合能的物理意義為原子核拆散成自由核子時,外界對每個核子所做的最小的平均功,或者說,它表示核子結合成原子核時,平均一個核子所釋放的能量。比結合能表征了原子核結合的松緊程度。比結合能大,原子核結合緊,穩定性高;比結合能小,結合松,穩定性差。《核安全綜合知識》原子核的結合能(3)當結合能小的核變成結合能大的核,即當結合得比較松的核變到結合得緊的核,就會釋放能量。從比結合能曲線可以看出,有兩個途徑可以獲得能量:重核裂變,即一個重核分裂成兩個中等質量的核;輕核聚變,即兩個輕核融合為一個較重質量的核。人們依靠重核裂變的原理制造出原子反應堆與原子彈,依靠輕核聚變的原理制造出氫彈和人們正在探索的可控聚變反應。所謂原子能,主要是指原子核結合能發生變化時釋放的能量。《核安全綜合知識》原子核的結合能(4)

《核安全綜合知識》原子核的結合能(5)單選題例:

一個質子和一個中子結合成氘原子核時,會(B)的能量。

A吸收2.225MeV,B釋放出2.225MeV,

C吸收14.1MeV,釋放出17.6MeV

在原子核的質量虧損算式中,m(Z,A)為的原子核的(B)。

A核子數,B核質量,C中子數,D原子序數組成氘核的質子和中子質量之和(C)氘核的質量。

A小于,B等于,C大于,D等于兩個

E=mc2稱為(A)定律。

A質能聯系,B萬有引力,C宇稱守恒,D庫侖

多選題例:原子能是指原子核結合能發生變化時釋放的能量,原子能利用的實例有(ABC)。

A核反應堆,B原子彈,C氫彈,D激光器,E氫氣復合器《核安全綜合知識》1.2原子核的放射性知識要點:原子核的衰變與放射性核素放射性衰變的基本規律放射系放射規律的應用《核安全綜合知識》原子核的衰變與放射性核素(1)知識要點:放射性核素、核衰變、衰變綱圖不穩定核素是指其原子核會自發地轉變成另一種原子核或另一種狀態并伴隨一些粒子或碎片的發射,它又稱為放射性原子核。在無外界影響下,原子核自發地發生轉變的現象稱為原子核的衰變,核衰變有多種形式,如α衰變,β衰變,γ衰變,還有自發裂變及發射中子、質子的蛻變過程。不穩定原子核會自發地發生衰變。可以根據衰變綱圖和同位素表提供的資料,選取有用的數據。衰變綱圖中粗實橫劃線的態代表原子核基態,細實橫劃線的態代表原子核的激發態,箭頭向左表示原子序數減少,向右表示增加。箭頭線上標示了放射粒子的類型及其動能或者動能最大值,圖中百分數代表該種衰變所占的比例(又叫分支比)。《核安全綜合知識》原子核的衰變與放射性核素(2)

(a) (b)一些核素的衰變綱圖《核安全綜合知識》原子核的衰變與放射性核素(3)單選題例:在無外界影響下,原子核自發地發生轉變的現象稱原子核的(A)

A衰變,B誘發裂變,C聚變,D散裂。會自發地轉變成另一種原子核或另一種狀態并伴隨發射一些粒子或碎片的原子核是(B)A散射靶核,B放射性原子核,C裂變核,D散裂核多選題例:

原子核衰變有多種形式,如(ABCDE)。

Aα衰變,Bβ衰變,Cγ衰變,

D自發裂變,E發射質子的蛻變《核安全綜合知識》放射性衰變的基本規律(1)知識要點:指數衰變規律、衰變常數/半衰期/平均壽命、放射性活度實驗表明,任何放射性物質在單獨存在時都服從相同的指數衰減規律。指數衰減規律不僅適用于單一放射性衰變,而且對于同時存在分支衰變的過程,指數衰減規律也是適用的,這是一個普遍的規律。指數衰減規律:N(t)=N0e-λt對各種不同的核素來說,它們衰變的快慢又各不相同,這反映在它們的衰變常數λ(或半衰期/平均壽命)各不相同,所以衰變常數又反映了它們的個性。應該指出,放射性指數衰減規律是一種統計規律,它是由大量的全同原子核參與衰變而得到的。對于單個原子核的衰變,只能說它具有一定的衰變概率λ,而不能確切地確定它何時發生衰變。實驗發現,用加壓、加熱、加電磁場、機械運動等物理或化學手段不能改變指數衰減規律,也不能改變其衰變常數。這表明,放射性衰變是由原子核內部運動規律所決定的《核安全綜合知識》放射性衰變的基本規律(2)衰變常數λ是單位時間內(單一放射性物質)一個原子核發生衰變的概率,其單位為時間的倒數:s-1,min-1,h-1,d-1,a-1等。衰變常數表征該放射性核素衰變的快慢,λ越大,衰變越快;越小,衰變越慢。實驗指出,每種放射性核素都有確定的衰變常數,衰變常數λ的大小與這種核素如何形成的或何時形成的都無關。

如果一種核素同時有幾種衰變模式,如圖1-5(b)中137Cs有兩種β-衰變,還有一些放射性同位素同時放射α和β粒子等,則這核素的總衰常數是各個分支衰變常數之和,即:λ=∑λi定義分支比Ri為第個分支衰變在總衰變中所占的比例,即

:Ri=λi/λ=λi/∑λi

《核安全綜合知識》放射性衰變的基本規律(3)放射性核素衰變掉一半所需要的時間,叫做該放射性核素的半衰期T1/2,單位為s,min,h,d,a等。根據指數衰變規律,可得:T1/2=ln2/λ=0.693/λ還可以用平均壽命τ來量度衰變的快慢,τ簡稱壽命。

τ=∫tλN(t)dt/N0=1/λ=1.44T1/2平均壽命比半衰期長一點,是的1.44倍。放射性核素的平均壽命表示經過時間以后,剩下的核素數目約為原來的37%。一個放射源在單位時間內發生衰變的原子核數稱為它的放射性活度,通常用符號A表示。如果一個放射源在t時刻含有N(t)個放射性原子核,放射源核素的衰變常數為λ

,則這個放射源的放射性活度為

A(t)=-dN(t)/dt=λN(t)=A(0)e-λt上式可見,一個放射源的放射性活度也應隨時間增加而指數地衰減。

《核安全綜合知識》放射性衰變的基本規律(4)由于歷史的原因,放射性活度采用居里(Ci)為單位。1950年,為了統一起見,國際上共同規定:一個放射源每秒鐘有3.7×1010次核衰變定義為一個居里,即:1Ci=3.7×1010s-1更小的單位有毫居里(1mCi=10-3Ci)和微居里(1Ci=10-6Ci)。在1975年國際計量大會(GeneralConferenceonWeightsandMeasures)上,規定了放射性活度的SI單位叫Bq(貝克[勒爾]),1Bq=1s-1

應該指出,放射性活度僅僅是指單位時間內原子核衰變的數目,而不是指在衰變過程中放射出的粒子數目。在實際工作中除放射性活度外,還經常用到“比放射性活度”或“比活度”的概念。比放射性活度就是單位質量放射源的放射性活度,即:

a=A/m,式中m為放射源的質量,比放射性活度的單位為Bq/g

衡量一個放射源或放射性樣品的放射性的強弱的物理量,除放射性活度外,還常用“衰變率”這一概念。設時刻放射性樣品中,某一放射性核素的原子核數為,該放射性核素的衰變常數為,我們把這個放射源在單位時間內發生衰變的核的數目稱為衰變率,則J(t)=λN(t)。

《核安全綜合知識》放射性衰變的基本規律(5)單選題例:1微居里等于(A)Bq。

A3.7x104,B3.7x107,C3.7x1010,D3.7x1012

平均壽命是半衰期(C)倍。

A0.5,B0.693,C1.44,D2λ的單位或量綱為(B)。

A時間,B時間的倒數,C長度,D長度的倒數

多選題例:(ABCDE)手段不能改變放射性核素的衰變常數。

A加壓,B加熱,C加電磁場,D機械運動,E化學反應

表征該放射性核素衰變的快慢的參數是(ACD)。

A衰變常數,B射線能量,C平均壽命,

D半衰期,E平均自由程

《核安全綜合知識》放射系(1)知識要點:天然存在的釷系、鈾系、錒系及人造镎系地球年齡約為10億年(即109年)。目前還能存在于地球上的放射性核素都只能維系在三個處于長期平衡狀態的放射系中。這些放射系的第一個核素的半衰期都很長,和地球的年齡相近或比它更長。如釷系(4n)的,半衰期為1.41×1010a;釷系從232Th開始,經過連續10次衰變,最后到達穩定核素208Pb。由于的質量數=232=4×58,是4的整倍數,故稱4n系。鈾系(4n+2)的,半衰期為4.47×109a;鈾系由238U開始,經過14次連續衰變而到達穩定核素206Pb。該系的核素,其質量數皆為4n+2,故稱4n+2系錒-鈾系(4n+3)的,其半衰期為7.04×108a;錒-鈾系是從235U開始的,經過11次連續衰變,到達穩定核素207Pb。該系核素的質量數可表示為4n+3系。雖然在三個放射系中的其他核素,在單獨存在時,衰變都較快,但它們維系在長期平衡體系內時,都按第一個核素的半衰期衰變,因此可保存至今。在天然存在的放射系中,缺少了4n+1系。后來,由人工方法才發現了這一放射系,以其中半衰期最長的(镎)命名,稱為镎系。Np的半衰期為2.14×106a。《核安全綜合知識》放射系(2)單選題例:錒鈾放射系又稱為(D)系。A4n,B4n+1,C4n+2,D4n+3由人工方法發現的4n+1放射系稱為镎系,其中半衰期最長核素23793Np的半衰期為(A)。

A2.14×106a,B7.04×108a,C4.47×109a,D1.41×1010a

多選題例:地球上的原生放射性核素都只能維系在處于長期平衡狀態的(ACD)放射系中

A錒-鈾系,B镎系,C鈾系,D釷系,E钚系《核安全綜合知識》放射規律的應用(1)知識要點:放射源活度的確定、確定人工放射性制備時間放射源活度的確定:A(t)=λN(t),N(t)=MxNA/ANA=6.022x1023mol-1,A是放射源物質的質量數。在人工制備放射源時,如果反應堆中的中子注量率或加速器中帶電粒子束流強是恒定的,則制備的人工放射性核素的產生率是恒定的,而放射性核素同時又在衰變,因此它的數目變化率為N(t)=P(1-e-λt)/λ,P=Ntσ0

Φ

。式中Nt為樣品中被用于制備放射源的靶核的總數,而且認為在輻照過程中保持恒定;σ0為靶核的熱中子截面;Φ為熱中子的注量率人工生成的放射性核數呈指數增長,要達到飽和值,必須經過相當長的時間。需要半衰期的六七倍時間,即可得到放射性活度為的99%的放射源。如果再延長時間,也只增加其中的1%而已,這是不合算的。單選題例:輻照生產放射性核數一般只需要照射半衰期的(C)倍時間,即可得到放射性活度為的99%的放射源。

A1-2,B3-4,C6-7,D9-10《核安全綜合知識》1.3射線及其與物質相互作用知識要點:常用的核輻射類型及特征射線與物質相互作用輻射探測的原理和主要的輻射探測器《核安全綜合知識》常用的核輻射類型及特征(1)知識要點:α、β、γ射線及中子輻射的定義是指以波或粒子的形式向周圍空間或物質發射并在其中傳播的能量(如聲輻射、熱輻射、電磁輻射、粒子輻射等)的統稱。物體受熱向周圍介質發射熱量叫做熱輻射;受激原子退激時發射的紫外線或X射線叫做原子輻射;不穩定的原子核發生衰變時發射出的微觀粒子叫做原子核輻射,簡稱核輻射。通常論及的“輻射”概念是狹義的,僅指高能電磁輻射和粒子輻射。這種狹義的“輻射”又稱“射線”。核輻射粒子就其荷電性質可以分為帶電粒子和非帶電粒子;就其質量而言,可以分為輕粒子和重粒子;以及處于不同能區的電磁輻射。主要的有輻射、輻射、輻射和中子輻射等。《核安全綜合知識》常用的核輻射類型及特征(2)α射線通常也稱α粒子,它是氦的原子核,由兩個質子和兩個中子組成;核電荷數為+2,質量為4。α粒子以符號42He表示。天然的α粒子來源于較重原子核的自發衰變,叫做α衰變。α衰變過程:AZX→A-4Z-2Y+42He;X、Y分別為母核和子核。原子核發射出的β射線有兩類:β-和β+射線。β-射線就是通常的電子,帶有一個單位的負電荷,以符號e或e-表示,負電子是穩定的。β+射線就是正電子,帶有一個單位的正電荷,以符號e+表示。兩種電子靜止質量相同,其質量約為質子質量的1/1846。《核安全綜合知識》常用的核輻射類型及特征(3)β粒子來源于原子核的β衰變,衰變有三種類型:β-衰變、β+衰變和軌道電子俘獲EC。β-衰變、β+衰變中發射的電子或正電子的能量是連續的,從0到極大值Eβ,max都有,圖1-7表示了β-

衰變中發射電子能量分布,對某核素的電子的最大動能Eβ,max是確定的。X射線和γ射線都是一定能量范圍的電磁輻射,又稱光子輻射。光子靜止質量為0,不帶任何電荷。單個光子的能量與輻射的頻率成正比,即,E=h,h為普朗克常數,它的數值等于6.626×10-34J·s。每一個光子的能量都是確定的,任何光子在真空中的速度都是相同的,即為光速C(3×108m/s)。X射線和γ射線的唯一區別是起源不同。從原子來說X射線來源于核外電子的躍遷,而γ射線來源于原子核本身高激發態向低激發態(或基態)的躍遷或粒子的湮滅輻射。《核安全綜合知識》常用的核輻射類型及特征(4)中子是原子核組成成份之一,它不帶電荷,質量數為1,比質子略重。自由中子是不穩定的,它可以自發地發生衰變,生成質子、電子和反中微子,其半衰期為10.6分。中子的產生主要是通過核反應或原子核自發裂變,基本上有三種方法:(1)同位素中子源;(2)加速器中子源;(3)反應堆中子源。在用中子源產生中子時往往伴有射線或X射線產生,有的可能比較強。因此,在應用和防護上不僅要考慮中子,而且也要考慮射線或X射線。中子在核科學的發展中起過極其重要的作用。由于中子的發現,提出了原子核是由質子和中子組成的假說;中子不帶電,當用它轟擊原子核時容易進入原子核內部引起核反應。人們用核反應制造出了許多新的核素。隨著中子活化分析、中子測水分、中子測井探礦、中子照相、中子輻射育種和中子治癌等技術廣泛的應用,對中子的需求越來越多。《核安全綜合知識》常用的核輻射類型及特征(5)單選題例:受激原子退激時發射的紫外線或X射線叫做(A)。

A原子輻射,B原子核輻射,C核輻射,D熱輻射電子的靜止質量約為質子質量的(A)。A1/1846,B4倍,C12倍,D1846倍β-射線是帶有一個單位(A)電子。

A負電荷的負,B正電荷的負,C正電荷的正,D負電荷的正多選題例:常見核輻射包括(ABCD)。

Aα輻射,Bβ輻射,Cγ輻射,D中子輻射,

E受激原子退激時發射的X射線β衰變包括(BCE)。

A韌致輻射,Bβ+衰變,Cβ-衰變,D光電效應,

E軌道電子俘獲產生中子的基本方法有(ABC)

A同位素中子源,B加速器中子源,C反應堆中子源,

D核磁共振,E電加熱《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(1)知識要點:帶電粒子、γ射線、中子與物質相互作用帶電粒子通過物質時,同物質原子中的電子和原子核發生碰撞進行能量的傳遞和交換:其中一種主要的作用是帶電粒子直接使原子電離或激發。非帶電粒子則通過次級效應產生次帶電粒子使原子電離或激發。能夠直接或間接引起介質原子電離或激發的核輻射通常叫做電離輻射。帶電粒子能量損失方式之一是電離損失,包括直接電離和原子激發。帶電粒子與物質原子中核外電子的非彈性碰撞,導致原子的電離或激發,是帶電粒子通過物質時動能損失的主要方式。我們把這種相互作用引起的能量損失稱為電離損失。入射帶電粒子在物質中穿過單位長度路程時由于電離、激發過程所損失的能量叫做電離能量損失率。從物質角度來說,電離能量損失率也可叫做物質對帶電粒子的阻止本領,由于這種阻止主要是電子引起的,所以又叫做電子阻止本領。《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(2)由于帶電入射粒子和靶原子核外電子之間庫侖力作用,使電子受到吸引或排斥,使入射粒子損失部分能量,而電子獲得一部分能量。如果傳遞給電子的能量足以使電子克服原子的束縛,那么這個電子就脫離原子成為自由電子;而靶原子由于失去電子而變成帶正電荷的正離子,這一過程稱為電離。如果入射帶電粒子傳遞給電子的能量較小,不足以使電子擺脫原子核的束縛成為自由電子,只是使電子從低能級狀態躍遷到高能級狀態(原子處于激發態),這種過程叫原子的激發。處于激發態的原子是不穩定的,原子從激發態躍遷回到基態,這種過程叫做原子退激,釋放出來的能量以光子形式發射出來,這就是受激原子的發光現象。電離能量損失率隨入射粒子速度增加而減小,呈平方反比關系;電離能量損失率與入射粒子電荷數平方成正比,入射粒子電荷數越多,能量損失率就越大;電離能量損失率與介質的原子序數和原子密度的乘積成正比,高原子序數和高密度物質具有較大的阻止本領。《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(3)每產生一個離子對所需的平均能量叫做平均電離能,以W表示。不同物質中的平均電離能是不同的,但不同能量的粒子在同一物質中的平均電離能近似為一常數。帶電粒子能量損失方式之二是輻射損失。由經典電磁理論可知,高速運動的帶電粒子受到突然加速或減速會發射出具有連續能量的電磁輻射,通常稱做軔致輻射,能量最小值為0,最大值為電子的最大動能。X射線管和X光機產生的X射線就是軔致輻射。電子的軔致輻射能量損失率比質子、粒子等大得多。例如在速度相同的條件下,質子的軔致輻射比電子要小18402=3.4×106倍。所以對重帶電粒子的軔致輻射能量損失一般忽略不計。由于軔致輻射損失與成正比,因此,在原子序數大的物質(如鉛,Z=82)中,其軔致輻射能量損失比原子序數小(如鋁Z=13)的物質中大得多。一定能量的帶電粒子在它入射方向所能穿透的最大距離叫做帶電粒子在該物質中的射程(Range);入射粒子在物質中行經的實際軌跡的長度稱作路程(Path)。對重帶電粒子(如粒子)由于其質量大,與物質原子的核外電子作用時,運動方向幾乎不變,因此,其射程與路程相近。《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(4)5.3MeV的粒子在標準狀態空氣中的平均射程3.84cm,同樣能量的粒子在生物肌肉組織中的射程僅為30-40m,人體皮膚的角質層就可把它擋住。因而絕大多數輻射源不存在外照射危害問題。但是當它進入體內時,由于它的射程短和高的電離本領,會造成集中在輻射源附近的損傷,所以要特別注意防止粒子進入體內。對粒子,其射程要大得多。當粒子通過物質時,由于電離碰撞、軔致輻射和散射等因素的影響,其徑跡十分曲折,經歷的路程遠遠大于通過物質層的厚度。加上粒子具有從零到某一最高值的連續能量。所以,對應于粒子的最大能量僅存在相應于粒子在該物質中的最大射程原子核+衰變會有正電子產生,快速運動的正電子通過物質時,與負電子一樣,同核外電子和原子核相互作用,產生電離損失、軔致輻射損失和彈性散射。原子核+衰變會有正電子產生,快速運動的正電子通過物質時,與負電子一樣,同核外電子和原子核相互作用,產生電離損失、軔致輻射損失和彈性散射。能量相同的正電子和負電子在物質中的能量損失和射程大體相同,但自由正電子是不穩定的。正電子與介質中的電子碰撞會發生湮滅過程:e-+e+→γ(0.511MeV)+γ(0.511MeV)因此,快速運動的正電子通過物質除了發生與電子相同的效應外,還會產生0.511Me的湮滅輻射,在防護上還要注意對射線的防護。《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(5)能量在幾十keV和幾十MeV的射線通過物質時主要有光電效應、康普頓效應和電子對效應等三種作用過程。這三種效應的發生都具有一定的概率。通常以截面表示作用概率的大小。若以ph表示光電效應截面,c表示康普頓效應截面,p表示電子對效應截面,則射線與物質作用的總截面=ph+c+

p

。當光子通過物質時,與物質原子中束縛電子發生作用,光子把全部能量轉移給某個束縛電子,使之發射出去,而光子本身消失了,這種過程叫光電效應,光電效應中發射出來的電子叫光電子

。在光電效應中,入射光子能量的一部分用來克服被擊中電子的結合能,另一部分轉化為光電子動能;原子核反沖能量很小,可忽略不計。原子中束縛得越緊的電子參與光電效應的概率也越大。因此,K殼層上打出光電子的概率最大,L層次之,M、N層更次之。如果入射光子能量超過K層電子結合能,大約80%的光電效應發生在K層電子上。發生光電效應時,若從原子內殼層上打出電子,在此殼層上就留下空位,原子處于激發態。這種激發態是不穩定的,有兩種退激方式;一種是外殼層電子向內層躍遷填充空位,發射特征X射線,使原子恢復到較低能量狀態;另一過程是原子的退激直接將能量傳遞給外殼層中某一電子,使它從原子中發射出來,這個電子叫做俄歇電子。因此,發射光電子的同時,還伴隨有特征X射線或俄歇電子產生,這些粒子將繼續與物質作用,轉移它們的能量

《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(6)入射光子同原子中外層電子發生碰撞,入射光子僅有一部分能量轉移給電子,使它脫離原子成為反沖電子;而光子能量減小,變成新光子,叫做散射光子,運動方向發生變化,這一過程叫康普頓散射或效應。hν和hν’分別為入射光子和散射光子的能量;θ為散射光子和入射光子間的夾角,Φ稱做散射角;為反沖電子的反沖角

。反沖電子具有一定動能,等于入射光子和散射子光子能量之差。反沖電子在物質中會繼續產生電離和激發等過程,對物質發生作用和影響;散射光子有的可能從物質中逃走,有的留在物質中再發生光電效應或康普頓效應等等,最終一部分被物質吸收,一部分逃逸出去

當一定能量的光子進入物質時,光子在原子核庫侖場作用下會轉化為一對正負電子,這一現象稱做電子對效應。電子對效應發生是有條件的。在原子核庫侖場中,只有當入射光子的能量≥1.02MeV時才有可能。入射光子的能量首先用于轉化為正負電子對的靜止能量(0.51MeV+0.51MeV=1.02MeV),剩下部分賦予正負電子的動能。

《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(7)射線進入物質主要通過光電效應、康普頓效應和電子對效應損失其能量。這些效應的發生使原來的光子或者不復存在,或者改變了能量成為新的光子,偏離了原來的入射方向。因此,我們可以說,入射的光子一旦同介質發生作用就從入射束中移去;只有沒有同介質發生任何作用的光子才沿著原來的方向繼續前進。從入射的光子束中由于同介質作用而被移去的光子稱做介質對光子的吸收。只有理想的準直束才能滿足這種要求,稱為“窄束”。射線穿物質時其注量率隨著穿過的厚度的增加而指數衰減。稱做線性吸收系數,其單位為cm-1,它表示射線穿過單位厚度物質時發生相互作用的概率(或被吸收的概率),它包含了光電效應、康普頓效應和電子對效應總的貢獻。由于三種效應的作用概率都與入射光子的能量和作用物質的原子序數有關,所以值也隨光子能量和介質原子序數Z而變化。光子能量增高,吸收系數值減小;介質原子序數高密度大的物質,線性吸收系數也高。《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(8)中子不帶電,不能直接引起物質原子的電離或激發。但由于不受原子核庫侖場的作用,即使很低能量的中子也可深入到原子核內部,同原子核作用發生彈性散射、非彈性散射或引起其它核反應。這些過程的發生導致中子在物質中被慢化和被吸收,并產生一些次級粒子,例如,反沖質子、射線、粒子以及其它帶電粒子等。這些粒子都具有一定的能量。它們繼續同物質發生各自相應的作用,最終使物質原子發生電離和激發。因此,中子也是一種電離輻射。中子與原子核的作用分為兩類:中子的散射,中子與原子核發生彈性散射與非彈性散射并產生反沖核;中子的俘獲,中子被原子核俘獲而形成復合核,再蛻變而產生其它次級粒子。中子進入原子核形成“復合核”后,可能發射一個或多個光子,也可能發射一個或多個粒子而回到基態。前者就稱為“輻射俘獲”,而后者則相應于各種中子核反應。有幾種重原子核(如235U),俘獲一個中子后會分裂為兩個或三個較輕的原子核,同時發出2-3個中子以及很大的能量(約200MeV),這就是裂變反應。《核安全綜合知識》射線與物質相互作用(9)單選題例:帶電粒子通過物質時,與物質的主要的作用是(A)。

A直接電離,B化合反應,C間接電離,D光合作用高速運動的帶電粒子受到突然加速或減速會發射出具有連續能量的電磁輻射稱為(B)

A電離輻射,B軔致輻射,Cγ射線,D激光。即使很低能量也易深入到原子核內部被俘獲而形成復合核并引起其他核反應的粒子是(C)。

Aγ光子,B

β粒子,C中子,Dα粒子

多選題例:帶電粒子通過物質時,與物質的主要直接作用是(ABC)。

A直接電離,B原子激發,C軔致輻射,

D光合作用,E光電效應。γ射線通過物質時,能夠探測到的物理現象有(ABC)。

A光電效應,B電子對效應,C康普頓效應,

D特征X射線,E俄歇電子。《核安全綜合知識》輻射探測的原理和主要的輻射探測器(1)知識要點:氣體、閃爍、半導體探測器利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發效應及或其它物理、化學變化進行核輻射探測的器件稱為輻射探測器。輻射探測的基本過程:1)輻射粒子射入探測器的靈敏體積;2)入射粒子通過電離、激發或核反應等過程而在探測器中沉積能量;3)探測器通過各種機制將沉積能量轉換成某種形式的輸出信號。探測器按其探測介質類型及作用機制主要分為氣體探測器、閃爍探測器和半導體探測器三種。《核安全綜合知識》輻射探測的原理和主要的輻射探測器(2)氣體探測器:以氣體為工作介質,由入射粒子在氣體介質中產生的電離效應或核反應引起輸出信號的探測器。入射帶電粒子通過氣體時,由于與氣體分子中軌道電子的庫侖作用而逐次損失能量,最后被阻止下來。同時使氣體分子電離或激發,并在粒子通過的徑跡上生成大量的由電子和正離子組成的離子對和激發分子。入射粒子直接產生的離子對稱為初電離。初電離產生的高速電子(稱電子)足以使氣體產生的電離稱為次電離。總和稱為總電離。帶電粒子在氣體中產生一離子對所需的平均能量w稱為電離能。對不同的氣體,w大約在30eV上下。《核安全綜合知識》輻射探測的原理和主要的輻射探測器(3)氣體探測器的典型圓柱型結構如圖所示,在中央陽極和外殼陰極加上正電壓。沿入射粒子徑跡產生的電子-離子對在外電場的作用下產生定向漂移,引起電極上發生感應電荷的變化,與此同時,在外回路上就流過電流信號,或流過負載電阻產生輸出電壓信號。當在兩電極上所加電壓不同時,就造成氣體探測器的不同工作狀態。當外加工作電壓過低時,電子-離子對由于互相碰撞而發生復合,稱為復合區,復合的程度與外加電壓和離子對數的密度有關,一般不作為氣體探測器的工作區域。當外加工作電壓較高時,電子與正離子的復合可以忽略而進入飽和區,這時,產生的離子對數正比于入射粒子在靈敏體積損失的能量,工作于這種工作狀態的探測器就是電離室。隨著工作電壓的升高,在中央陽極附近很小的區域內,電場強度足夠強,發生氣體放大或雪崩過程。在一定的工作電壓下,氣體放大倍數是一定的。此時,形成的總離子對數仍正比于入射粒子能量,相應的工作區域成為正比區。正比計數器就工作于這一區域。《核安全綜合知識》輻射探測的原理和主要的輻射探測器(4)工作電壓進一步提高就進入有限正比區,在探測器的靈敏體積內,積累了相當的由正離子組成的“空間電荷”。在一定工作電壓下不再保持常數,初電離小的入射粒子的可能會大一點,稱為有限正比區。一般沒有探測器工作于這一區域

。隨著工作電壓的再一步提高,雪崩過程很快傳播到整個陽極。而且,雪崩過程形成的正離子緊緊的包圍了陽極絲,稱為正離子鞘。由于正離子鞘的電荷極性與陽極電荷相同而起到電場減弱作用,當正離子鞘的總電荷量達到一定時,使雪崩過程終止。因此,最后的總離子對數與初電離無關。這時,入射粒子僅僅起到一個觸發作用,輸出脈沖信號的大小與入射粒子的類型和能量均無關,這就是G-M區,僅作一個計數器用

。上述過程可以用圖形象的表示,圖中縱坐標為產生離子對數,橫坐標為外加電壓。其中I為復合區;II為飽和區;III為正比區;IV為有限正比區;V為G-M區。這條曲線揭示了氣體探測器中由量變到質變的規律

。《核安全綜合知識》輻射探測的原理和主要的輻射探測器(5)閃爍探測器一般由閃爍體和光電倍增管組成。閃爍體是一種發光器件,當入射帶電粒子使探測介質的原子電離、激發而退激時,可發出可見光光子,稱為熒光光子,這樣光的強度用肉眼是看不見的,必須借助于高靈敏的光電倍增管(PMT)才能探測到這些光信號。PMT的光陰極將收集到的熒光光子轉變為光電子,光電子通過聚焦被光電倍增管的第一聯極收集,并在其后的聯極倍增形成一個相當大的脈動電子流,在輸出回路上形成輸出信號。比較理想的閃爍體應具有以下的性質:1)將帶電粒子動能轉變成熒光光子的效率高,即高的發光效率。2)入射帶電粒子損耗的能量與產生的熒光光子數具有良好的線性關系。3)閃爍體介質對自身發射的光是透明的,即其發射譜與吸收譜不應該有明顯的重迭,4)入射粒子產生的閃光持續時間,即閃爍體的發光衰減時間要盡量短,以便能產生快的輸出信號,獲得好的時間響應。5)合適的折射率和良好的加工性能。現在使用頻率較高的閃爍體有兩大類:一類是無機閃爍體,如,NaI(Tl),這些材料的密度大,原子序數高,適合于探測射線和較高能量的射線。另一類為有機閃爍體,如塑料和有機液體閃爍體,主要用于β粒子和中子的探測。

《核安全綜合知識》輻射探測的原理和主要的輻射探測器(6)光電倍增管(PMT)是一種光電器件,主要由光陰極、聚焦極、打拿極(聯極)和陽極組成,封于玻璃殼內并帶有各電極引出。光電倍增管的產品很多,但主要要注意它的的光陰極的光譜響應與閃爍體的發射光譜相匹配;具有較高的陰極靈敏度和陽極靈敏度;較低的暗電流或噪聲脈沖;良好的工藝和穩定性。半導體探測器的探測介質是半導體材料。入射帶電粒子在探測介質內在通過電離損失損失能量的同時,在探測介質內形成電子-空穴對。在電子-空穴對在向電極的定向漂移過程中,在輸出回路上形成輸出信號。為保證電離生成的電子-空穴對能有效的收集,必須選用那些載流子(即電子或空穴)在半導體材料中壽命長的材料,以使載流子在探測介質中的漂移長度大于結區的寬度,因此,性能優異的半導體硅和鍺就成為理想的半導體探測器的介質材料。在半導體材料中,形成一個電子-空穴對所需的能量僅為,即電離能,而氣體探測器中形成一個電子-離子對為,對閃爍探測器而言,形成一個被光電倍增管第一打拿極的光電子則需。與氣體和閃爍探測器相比,可獲得最好的能量分辨率。《核安全綜合知識》輻射探測的原理和主要的輻射探測器(7)單選題例:氣體探測器的電離能w大約在(B)eV上下。

A3,B30,C300,D3000電離室工作在氣體探測器的電子-正離子對特性曲線的(B)區。

A復合,B飽和,C正比,DG-M。多選題例:氣體探測器粒子對數與外加電壓的關系包括(ABCDE)區。

A復合,B飽和,C正比,D有限正比,EG-M比較理想的閃爍體應具有(ABCDE)性質。

A高的發光效率,B合適的折射率,

C發射譜與吸收譜不應該有明顯的重迭,

D入射粒子產生的閃光持續時間要盡量短,

E入射帶電粒子能損與產生的熒光光子數具有良好的線性關系。

《核安全綜合知識》1.4原子核反應知識要點:核反應的一般描述核反應能及閾能核反應截面和產額《核安全綜合知識》核反應的一般描述(1)知識要點:核反應道、核反應分類核反應是由以一定能量的入射粒子轟擊靶核的方式引起的。入射粒子可以是質子、中子、光子、電子、各種介子以及原子核等。當入射粒子與核距離接近到fm時,兩者之間的相互作用就會引起原子核的各種變化,因而,核反應是產生不穩定核的最重要的手段。核反應實際上研究兩類問題:一是研究在能量、動量等守恒的前提下,核反應能否發生。二是研究參加反應的各粒子間的相互作用機制并進而研究核反應發生的概率的大小。核反應可表示為:

a+A→b+B或A(a,b)B。

a,A,b和B分別代表入射粒子、靶核、出射輕粒子和剩余核。《核安全綜合知識》核反應的一般描述(2)當入射粒子能量比較高時,出射粒子的數目可能是兩個或兩個以上,所以核反應的一般表達式為:A(a,b1,b1,b1,…)B。一個粒子與一個原子核的反應或兩個原子核的反應往往不止一種,而可能有好幾種。其中每一種可能的反應過程稱為一個反應道。反應前的過程稱為入射道,反應后的過程稱為出射道。一個入射道可以對應幾個出射道。對核反應可以從各種不同的角度對其分類。如按入射粒子的能量、出射粒子和入射粒子的種類等等進行分類。《核安全綜合知識》核反應的一般描述(3)1)按出射粒子分類:對出射粒子和入射粒子相同的核反應,即,稱為散射。它又可以分為彈性散射和非彈性散射。分別表示為:A(a,a)A和A(a,a’)A*

。彈性散射過程中反應物與生成物相同,散射前后體系的總動能不變,只是動能分配發生變化,原子核的內部能量不變,散射前后核往往都處于基態。非彈性散射過程中反應物與生成物也相同,但散射前后體系的總動能不守恒,原子核的內部能量發生了變化,剩余核一般處于激發態。對出射粒子與入射粒子不同的核反應,即a不同于b,這時,剩余核不同于靶核,也就是一般意義上的核反應。這是我們討論的重點。在這一類核反應中,當出射粒子為γ射線時,我們把這類核反應稱為輻射俘獲。《核安全綜合知識》核反應的一般描述(4)2)按入射粒子分類:中子核反應:中子與核作用時,由于不存在庫侖勢壘,能量很低的慢中子就能引起核反應,其中最重要的是熱中子輻射俘獲(n,γ),很多重要的人工放射性核素使用(n,γ)反應制備的。

常見中子核反應有(n,p),(n,2n),(n,f),(n,γ)。

荷電粒子核反應:(p,xn),(p,α),(p,γ),(p,p2n),(p,d)。光核反應:(γ,xn),(γ,p),(γ,np),(γ,2p)。電子核反應。3)按入射粒子的能量分類:低能,<100MeV;中能,100MeV-1GeV;高能,>1GeV《核安全綜合知識》核反應的一般描述(5)單選題例:核反應式A(a,b)B中,b表示(B)。

A入射粒子,B出射粒子,C剩余核,D靶核。

(γ,n)屬于(A)反應。

A光核反應,B中子反應,C電子核反應,D非彈性散射。多選題例:通常核反應按(ABC)分類。

A出射粒子,B入射粒子,C入射粒子能量,

D出射粒子的電荷,E靶核的穩定性典型的中子核反應有(ABCDE)A(n,p),B(n,2n),C(n,γ),D(n,n’),E(n,α)《核安全綜合知識》核反應能及其閾能(1)知識要點:反應能、核反應閾能核反應的反應能定義為反應前后系統動能的變化量。對核反應a+A→b+B,反應能Q=⊿mc2,式中⊿m為反應前后的質量虧損。同樣,可以用相應粒子的原子質量表示反應能Q=(Ma+MA)c2-(Mb+MB)c2

。反應能應等于反應前后體系總質量之差與光速的平方的乘積。對Q>0的核反應稱之為放能反應;對Q<0的核反應稱為吸能反應。由結合能的定義及質量數、電荷數守恒,可得到

Q=(Bb+BB)-(Ba+BA),式中右邊各項分別代表相應反應物的結合能。《核安全綜合知識》核反應能及其閾能(2)核反應閾能核反應的反應能定義為反應前后系統動能的變化量。對核反應a+A→b+B,反應能Q=⊿mc2,式中⊿m為反應前后的質量虧損。同樣,可以用相應粒子的原子質量表示反應能Q=(Ma+MA)c2-(Mb+MB)c2

。反應能應等于反應前后體系總質量之差與光速的平方的乘積。對Q>0的核反應稱之為放能反應;對Q<0的核反應稱為吸能反應。由結合能的定義及質量數、電荷數守恒,可得到

Q=(Bb+BB)-(Ba+BA),式中右邊各項分別代表相應反應物的結合能。《核安全綜合知識》核反應能及其閾能(3)對吸能反應而言,能發生核反應的最小入射粒子動能稱為核反應閾能Tth,Tth的大小及與反應能Q的關系,就是我們進一步探討的問題。在實驗室系,如果反應前體系具有一定動量Ta,為了保持動量守恒,入射粒子的動能除了要供給被體系吸收的|Q|值外,還要提供反應產物的動能。顯然,Ta必須超過|Q|一定的數值才能發生吸能反應。借助于在質心坐標系能量守恒可導出,Ta=|Q|(ma

+mA)/mA=|Q|(Aa+AA)/AA,表示要使反應能發生,入射粒子在系中的動能Ta至少等于|Q|(ma

+mA)/mA

。定義反應閾能:Tth=Ta=|Q|(ma

+mA)/mA=|Q|(Aa+AA)/AA

《核安全綜合知識》核反應能及其閾能(4)單選題例:對吸能反應而言,能發生核反應的最小入射粒子動能是(A)A核反應閾能,B核反應能,

C入射粒子的結合能,D反應產物的動能。核反應前后系統動能的變化量稱為(B)。

A核反應閾能,B核反應能,

C入射粒子的結合能,D反應產物的動能。

多選題例:核反應能可表示為核反應前后系統(ABCD)。

A動能的變化量,B結合能的變化量,C質量虧損等效的能量,D總質量差對應的能量,E庫倫勢能的變化《核安全綜合知識》核反應截面和產額(1)知識要點:核反應截面、反應產額當一定能量的入射粒子轟擊靶核時,在滿足守恒定則的條件下,都有可能按一定的概率發生各種核反應。為了描述反應發生的概率,需引入反應截面的概念。截面的物理意義為:一個入射粒子入射到單位面積內只含有一個靶核的靶子上所發生反應的概率。從截面的定義可見,其量綱為面積。常用單位為“巴”,用b表示,1b=10-28m2=10-24cm2

。還有毫巴(1mb=10-3b)和微巴(1μb=10-6b)。對于一定的入射粒子和靶核,往往存在若干反應道,各反應道的截面,稱為分截面。各種分截面σi之和,稱為總截面,表示產生各種反應的總概率,記為σt=∑σi。核反應中的各種截面均與入射粒子的能量有關,截面隨入射粒子能量的變化關系稱為激發函數,即σ(E)~E的函數關系。與此函數相應的曲線為激發曲線。《核安全綜合知識》核反應截面和產額(2)已知截面即可求核反應的產額,入射粒子在靶體引起的核反應數與入射粒子數之比,稱為核反應的產額。與反應截面、靶的厚度、組成等有關。Y=N/I0=入射粒子引起的核反應數/入射粒子數。對入射帶電粒子,當它通過靶體時不僅會發生核反應,還要通過電離損失而損失能量,因此,入射帶電粒子在靶體不同深度處能量不等的,而反應截面是入射粒子能量的函數,所以不同深度處的核反應截面是不同的。對薄靶的情況,入射粒子在靶體中的能量損失可以忽略,即,而且,發生反應的粒子數遠小于入射粒子的強度,即I~I0。當靶厚大于粒子在靶中的射程,則產額計算要考慮因電離損失而損失能量的影響。單選題例:反應截面的常用單位是b,1b等于(D)m2。

A10-22,B10-24,C10-25

,D10-28《核安全綜合知識》1.5核裂變及核能的利用知識要點:自發裂變與誘發裂變裂變后現象《核安全綜合知識》自發裂變與誘發裂變(1)知識要點:自發裂變、誘發裂變哈恩和斯特拉斯曼對上述工作進行了復核,于1939年1月正式確認,中子束輻照鈾靶的產物中,觀察到了Ba和Ra的放射性同位素。邁特納(L.Meitner)和福里施(O.Frisch)對上述實驗事實進行了解釋,指出鈾核的穩定性很差,在俘獲中子之后本身分裂為質量差別不很大的兩個核,裂變(Fission)一詞就是由他們提出來的。。裂變現象的發現,立刻引起人們的極大的注意。這不僅是因為在裂變過程中釋放出巨大的能量,而且在裂變過程中都伴隨著中子的發射。這些中子將使裂變自持地繼續下去,形成鏈式反應,從而使原子能的大規模利用成為可能。發現裂變到鏈式反應堆的建立,僅僅花了四年的時間,1942年12月第一個鈾堆在美國投入運行。

在沒有外來粒子轟擊下,原子核自行發生裂變的現象叫自發裂變;而在外來粒子轟擊下,原子核才發生裂變的現象稱為誘發裂變。質量較小的核合成質量較大的核的過程稱為核聚變。人們對受控核聚變雖然進行了多年研究,取得了一定的成就,但離實際應用還有相當的距離。本章重點討論核裂變及其有關問題。

《核安全綜合知識》自發裂變與誘發裂變(2)自發裂變發生的條件:質量數守恒、電荷數守恒、如果裂變成兩個碎片,兩裂片的結合能大于裂變核的結合能。仔細研究比結合能曲線可以發現,對于不是很重的核,例如A>90,就可滿足此條件。

裂變碎片是很不穩定的原子核,一方面碎片處于較高的激發態,另一方面它們是遠離β穩定線的豐中子核而發射中子,所以自發裂變核又是一種很強的中子源。超钚元素的某些核素,如244Cm,249Bk,252Cf,255Fm等具有自發裂變的性質,尤其以252Cf最為突出。1g的252Cf體積甚至小于1cm3,而每秒可發射2.31x1013個中子。能發生自發裂變的核素不多,大量的裂變過程是誘發裂變,即當具有一定能量的某粒子轟擊靶核時,形成的復合核發生裂變,其過程記為A(a,f1)f2或A(a,f)表示裂變。其中f1,f2代表二裂變的裂變碎片。當形成復合核時,復合核一般處于激發態,其激發能E*超過它的裂變位高壘高度Eb時,那么核裂變就會立即發生。

誘發裂變中,中子誘發裂變是最重要的、也是研究最多的誘發裂變。由于中子與靶核沒有庫侖勢壘,能量很低的中子就可進入核內使其激發而發生裂變。裂變過程又有中子發射,可能形成鏈式反應,這也是中子誘發裂變受到關注的原因。以235U(n,f)反應為例,熱中子(即入射中子能量為0.0253eV)即可產生誘發裂變:n+235U→236U*→X+Y+νn。《核安全綜合知識》自發裂變與誘發裂變(3)復合核模型的基本思想與液滴模型相似,也是把原子核比作液滴。當入射粒子射入靶核后,它與周圍核子發生強烈相互作用,經過多次碰撞,能量在核子之間傳遞,最后,達到了動態平衡。從而完成復合核的形成。復合核一般處于激發態,復合核的激發能由入射粒子的相對運動動能(即在質心系的動能)和入射粒子與靶核的結合能BaA之和,即:E*=mXTn/(mn+mA)+Bn,X。式中,BnX為中子與靶核的結合能,Tn仍為在實驗室系中的入射粒子的動能。根據復合核激發能和裂變勢壘的相對大小,可以分為熱中子核裂變和閾能核裂變兩種情況討論。

熱中子核裂變:仍以235U為例,其中熱中子動能Tn=0.0253eV,所以,復合核的激發能為E*=BnX=6.545MeV,它大于236U的位壘高度Eb=5.9MeV,所以,熱中子即可誘發裂變。此外,233U和239Pu也能由熱中子引起裂變,這些核稱為易裂變

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