成理工核辐射测量方法讲义01放射性方法勘查的基本知识.docx

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1、核辐射测量方法成都理工大学核技术与自化工程学院一刖S本讲义旨在缓解我院“核工程与核技术”专业人才培养计划调整后尚无专业教材的状况。主要内容有核辐射测量基础知识、射线与物质相互作用、核辐射测量的单位、核辐射防护知识、丫射线测量方法、B射线测量方法、射线测量方法、X射线荧光测量方法、核辐射测量统计学与误差预测等。该讲义可作为“核工程与核技术”和“辐射防护与环境保护”专业的核辐射测量方法课程的教材，也可作为“测控技术与仪器”、“勘查技术工程”和“地球化学”（铀矿地质勘探方向）等本科专业的教学参考书，以及“核科学与技术”学科专业研究生教学的参考书。木讲义相关内容主要从以下儿本参考书的有关内容编辑：1章

2、晔，华荣洲、石柏慎编著，放射性方法勘查，原子能出版社，19902葛良全，周四春，赖万昌编著，原位X辐射取样技术，四川科学技术出版社，19973格伦敦F诺尔著（李旭等译），辐射探测与测量，原子能出版社，1984o41复旦大学、清华大学、北京大学，原子核物理实验方法，北京，原子能出版社，1985（51李星洪等编，辐射防护基础，北京，原子能出版社，19826吴慧山，核技术勘查，北京，原子能出版社，19987王韶舜，核与粒子物理实验方法，北京，原子能出版社，1989第1章放射性方法勘查的基本知识1.1原子和原子核1. 1.1原子原子是构成自然界各种元素的最基本单位，由原子核及核外轨道电子(又称束缚电子

3、或绕行电子)组成。原子的体积很小，直径只有10%m左右，原子的质量也很小，例如氢原子质量为1.67356x10-24g,铀原子的质量为3.95110-22go原子的中心为原子核，它的直径比原子的直径小得多，为nJ。*io-/Cm),但它集中了原子的绝大部分质量。例如氢原子由原子核和一个束缚电子组成，其结构示于图1-1,氢核图I氢原子核结构示意图的质量为1.6710-24g,而束缚电子的质量仅为9.1xl(y28g,两者的比值近似为l1840o对于原子序数较大的原子，这个比值更小些。例如，铀原子92个绕行电子的总质量和原子核质量之比为1/4717。原子核带正电荷，束缚电子带负电荷，两者所带的电荷

4、量相等，符号相反，因此原子本身呈中性。当原子吸收外来的能量，使轨道上的电子脱离原子核的吸引而自由运动时，原子便失去电子而呈现电性，成为正离子。原子中束缚电子按一定的轨道绕原子核运动，相应的原子处于一定的能量状态。对一种原子来说，它的绕行电子的数目和运动轨道都是定的，因此每一个原子只能处于一定的，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Wi表征，W称为原子的能级。处于稳定状态的原子，不放出能量。当原子由较高能级Wl跃迁到较低的能级卬2时，相应的能量变化W即死一卬2，以发射光子的形式释放出来，此时光子的能量为：式中，h普朗克常数，等于6.6262X1O/JS;V光子的频率。将

5、某种原子发射的各种频率的光子按波长排列起来，便构成了该种原子的发射光谱，也就是原子的能谱。1.1.2原子核原子核是由很小的粒子中子和质子组成，这两种粒子统称核子。原子核内中子和质子数之和称为核子数（又称质量数），以A表示。由于原子核内质子数与核外电子数相同，且等于原子序数Z,所以核内中子数N等于核子数与原子序数之差，即N=AZ。具有特定质量数、原子序数和核能态，而且其平均寿命长得足以被观察的一类原子称为核素。可以用下面简单的符号表示核素的原子核。其中X为原子所属的化学元素符号。在原子核内，质子和中子数的比值是有一定规律的。一般情况下，在原子序数小的稳定核素中，中子数与质子数相差不多或中子数略多

6、一些和:”例外）。当I-图1-2核能级示意图原子序数很大时，中子数比质子数多50%左右。任何含有过多中子或质子的原子核，都是不稳定的。例如，自然界中Z82的核素都是不稳定的，属于放射性核素。中子和质子在原子核内不停地运动着，运动状态不同，相应的能量蟠也不同，原子核的不同能量状态组成原子核的能级。原子核的最低能量状态叫“基态”，在自然界中，所有稳定核素均处于基态。比基态高的能量状态称为“激发态”，激发态按能量的不同可分为第一激发态，第二激发态等等，示于图1-2。处于激发态的原子核是不稳定的，它往往通过放出光子的形式从激发态回到基态。因核能级变化而放出的光子称为丫光子。某种原子核发射的各种能量的丫

7、光子的集合，即是该种原子核的丫能谱。1.2核衰变自然界中，有些核素的原子核能自发地发生变化，从一个核素的原子核，变成另一个核素的原子核，并伴随放出射线，这种现象称为“核衰变”，这些核素称为放射性核素。现将常见的几种核衰变类型简介如下。1.2.1衰变放射性核素的原子核自发地放出粒子而变成另一种核素的原子核的过程称为衰变。从原子核中放出的粒子实际上就是高速运动着的氮原子核GHe),它由两个中子和两个质子组成，带两个正电荷。天然放射性核素放出的立子的能量一般为49MeV,放射性核素经衰变后，它的质量数A降低4个单位，原子序数Z降低2个单位。若以X表示母体核素，丫表示衰变形成的子核素，则衰变可用下式表

8、示：ZXT窘yHe例如，资U经衰变为。留TMUXI),其表示式可写为：资UT需Th+iHe同一种放射性核素进行衰变时放出的粒子能量是一定的。但是，有的核素衰变时放出单一能量的粒子，有的核素衰变时放出几种能量不同的粒子。当衰变放出几种能量的粒子时，可伴随放出丫射线。图1-3222Ra的衰变纲图例如，都Ra经衰变后变成熟Rn：RaRnHe镭经0(衰变放出4.785MeV和4.602MeV两种能量的Ct粒子，并分别形成处于基态和激发态的氨核。处于激发态的氧核很快跃迁到基态，并放出能量为0.183MeV的丫光子，示于图131.2.2B衰变放射性核素的原子核自发地放出粒子或俘获一个轨道电子而变成另一个核

9、素的原子核的过程称为B衰变。衰变分为变，Ir衰变，轨道电子俘获等三种类型。1.r衰变放射性核素的原子核自发地放出B粒子而变成另一个核素的原子核的过程称为B衰变。从原子核中放出的一粒子实际上就是高速运动着的电子，它的静止质量等于电子的质量，带有一个负电荷。因为B的质量比原子核的质量小得多，所以B衰变前后，母核与子核的质量数相同，但子核的原子序数提高一位。B衰变的表示式如下：第一着yj-v式中，-V反中微子，是质量十分微小的(为电子质量的1/2000)中性粒子。衰变时，母核中的一个中子()转变成一个质子(p)，即1.p+V母核经衰变所释放出的能量被子核、粒子及反中微子带走。由于三个粒子发射方向所成

10、的角度是任意的，所以它们带走的能量也是不固定的。子核的质量远大于-粒子及反中微子的质量，所以子核带走的反冲动能可忽略不计。这样，-衰变放出的能量就在B粒子与反中微子之间进行分配。实际测到的粒子的能谱曲线示于图14。从图可看出：粒子的能量是连续分布的，形成一连续谱，有一个确定的最大能量值瓦，一般图表上所给的某一放射性核素的粒子能量，均指旷粒子的最大能量值及；在能量约为;EO处，曲线有一极大值，即在该处引粒子的能注量率最大。照CS是B衰变纲图示于图1-5,衰变后形成的子核常处于激发态，原子核由激发态回到基态时放出Y射线，所以B衰变时往往伴随放出Y射线。有的核素衰变时放出几组不同能量的粒子，因而伴随

11、放出几种能量的Y射线。与衰变相比，衰变放出的Y射线的能注量率大得多。天然放射性核素放出的几组主要的Y射线，几乎都是伴随B-衰变产生的。图M的粒子的能量分布曲线图1-5n7Cs的B衰变纲图2 .P粒子放射性核素的原子核自发地放出甲粒子而变成另一种核素的过程称为+衰变。+粒子就是高速运动着的正电子(或阳电子)，它是一种质量与电子相等，但带一个正电荷的粒子。衰变只在人工放射性核素衰变时才发生，这种衰变实际上是核内个质子P转变成一个中子，并放出+粒子和中微子V的结果，即P+V经取衰变形成的子核与母核具有相同的质量数但原子序数减少一位。Ir衰变可用下式表示：z-z-y+v例如，Si就是作+衰变的，其衰变

12、过程可表示如下:SilAl+vIy粒子的能谱是连续的。+粒子被介质阻止而丧失动能时，将与介质中的电子相结合，同时辐射出两个方向相反，能量各为0.51MeV的光子，这种辐射称为阳电子湮没辐射（又称光化辐射）。在苗衰变时，也伴随放出Y射线。3 .轨道电子俘获轨道电子俘获系指原子核俘获了一个轨道电子，使原子核内的质子转变成中子并放出中微子的过程，经轨道电子俘获形成的子核与母核的质量数相同，但原子序数减少一位，其衰变过程可用下式表示p+e-+yx+-.1r+v例如，：1K经轨道电子俘获形成;?Ar即40JZ4.o40.19K+e8Ar+V北K因为K层电子靠近原子核，K层电子被俘获的几率比其他壳层电子被

13、俘获的几率都大（即自K层吸收电子的可能性比自1.层吸收电子的可能性大100倍左右），所以这种衰变也叫K电子俘获，简称K俘获。轨道电子俘获时只放出一个中激子，其能量是单一的。轨道电子俘获后，新形成的核素的K电子层产生了空位，这个空位由外层电子（例如1.层电子）来充填。当能级较高的轨道电子（例如1.层电子）充填K层电子空位时，多余的能量（等于K层电子与1.层电子结合能之差）以特征X射线（或称标识X射线）的形式放出。这个多余的能量也可以传给1.层电子，使之成为自由电子，即俄歇电子。俄歇电子的能量也是单一的。有很多放射性核素能同时发生炉衰变和轨道电子俘获，少数核素能同时发生B衰变和轨道电子俘获。例如自

14、然界分布较广的MK就能同时发生-衰变及轨道电子俘获。如图14所示，89%的;:K经B-衰变形成益Ca,11%的嚣K经轨道电子俘获方式衰变放出Y射线而形成tAro1.2.3Y跃迁衰变或衰变形成的子核往往处于激发态，而激发态是不稳定的，它要直接退激或级联退激到基态，原子核由激发态跃迁到较低能态（能量较低的激发态或基态）时，常常放出Y光子。这种原子核由激发态跃迁到较低能态，而核的原子序数Z和质量数A均保持不变的过程，称为Y跃迁（或称Y衰变）。-般情况下，原子核处于激发态的时间极短（约为IO-13S）,很快就跃迁到较低能态（或基态）并放出Y光子，因此不能作为独立的核素。有些原子核的激发态存在时间较长，

15、其寿命可用仪器测出，这些核索就可作为独立的核素。这类具有相同质量数和相同原子序数而半衰期有明显差别的核素，称为同质异能素。这种衰变方式称为同质异能跃迁。例如，在天然放射性核素中。g4Pa就有一对同质异能素器ImPa（UXl）和空Pa（UZ）。99.85%的Pa进行3衰变,形成咨U,歌IPa的半衰期为1.17min,0.15%的律WPa先放出Y射线变成岑Pa,再作*衰变而成界U,举pa的半衰期为6.75hof4Pa的衰变图见图1-7o人工放射性核素中同质异能素较多，例如：,其衰变纲图示于图1-8。I-II7JHMeV.i5F*675h1.17ain图1-860CO衰变纲图图1-7254Pa衰变纲图原子核从激发态跃迁到较低的能态或基态时，除发射丫光子外，还可以通过发射电子的方式来完成，即原子核将多余的能量传给壳层(K层或1.层)电子，使电子脱离原来轨道，形成单能的内转换电子，这种现象简称为内转换。内转换过程使核素的一个电子亮层中留下了一个空位，该空位被外壳层电子充填时，会产生特征X射线，甚至可导致发射俄歇电子。1.3放射性系列在