期末复习 核工业研究生部课程 核化学与放射化学 第1章 认识原子 元素周期表 几个基本概念 核素(nuclide):具有相同的质子数Z、相同中子数N，处于 相同的、寿命可测的的一类原子 名称ZNAm 同位素(Isotope)相同不同 同中子素(Isotone)不同相同 同量异位素(Isobar)不同相同 同质异能素(Isomer)相同相同相同不同 镜像核(mirror nuclei) Z1=N2Z2=N1相同 核素 幻数（magic numbers） u2,8,20,28,50,82,126,184 特点： （1）同位素的数目多 （2）同中子素的数目多 （3）同位素的天然丰度高 （4）核素在地壳、陨石和星球中的含量高 （5）最后一个中了的结合能大 核素的稳定性 2005年为止，已知共有117种元素。其中仅有 81种元素有稳定同位素，其中最重的是83Bi；其余 36种只有放射性同位素；92U是自然界存在最重的元 素，它具有自然界存在最高的核子数，A=238。 在117种元素共有3000多个核素，一种元素的 已知同位素种数从3个（氢）到36个（氙）；其中稳 定核素只有279个，其余为放射性核素； 核素 核素图 以N，Z分别为横、纵坐标 把核素排在这个平面上，每个核素占一个格，在格中注明 核素符号、稳定性、半衰期、放射性等参数，构成一张核 素图。 核素图 原子性质 原子核的质量 u原子质量单位(U)：等于12C原子质量的1/12 u1uC2=931MeV u(12C)0 质量过剩的计算： M(Z, A) - A 摩尔：1摩尔总是含有同样数量的原子，约为6.0221023个 原子性质 马特奥许（Mattauch）同量异位规律：不存在原子序数相差 1的成对的稳定同量异位素。 质量数为50、113、180时例外 马特奥许同量异位规律对发现天然存在的放射性核素非常重要 ，例如自然界存在的三个一组的同量异位素： 中间的核素是放射性的。 第二章 放射性衰变 放射性衰变类型 p 衰变 p 衰变 p 衰变 p 自发裂变 第二章 放射性衰变 能谱 能谱有三个特点： 能谱连续分布，与分立 的能谱十分不同； 有确定的最大能量Emax ，实验证明，它等于衰 变能Q； 大约在1/3 Emax处有最 大强度。 放射性衰变规律 放射性核素经过一次或多次衰变放出粒子和量子辐射直到稳 定核为止。 放射性衰变是一个统计过程，原子核发生彼此独立的变化 。 每一种放射性核素均有其特征的衰变概率。 不稳定核的单个原子的转变时刻不能被预测。 衰变概率是特定核种的一种性质，它与放射性核素的化学与 物理状态无关。 放射性衰变规律 放射性衰变的时间规律 简单情况： 单位时间内衰变的原子核数dN/dt与此时现 有的原子核数N成正比： 的物理意义：单位时间内放射性核发生衰变的概率 ，称为衰变常数 半衰期（T1/2）：即放射性核素的活度降低1/2所需 的时间。 放射性衰变规律 放射性衰变的时间规律 在时间0到t内对下式积分： 得到： N0是在0时刻的放射性核素数目。 指数定律指出在给定的时间间隔内，放射性核素将总是 衰变相同的份额。 （1）放射性活度：单位时间内该放射性核素的 衰变数。单位贝可（Bq）。1Bq相当于每秒1个 衰变数。 1Ci3.71010Bq（1Ci近似相当于1g226Ra 的放射性活度） 单位：1kBq（103s-1），1MBq和1GBq 在放射性活度说明上，除了放射性活度外， 还必须给出放射性核素和时刻。 放射性衰变规律 （2）放射性物质的比活度 单位质量的某种物质的放射性活度。即活度A 除以质量m。 （3）放射性浓度 一定体积V中的某放射性活度A的含量。 放射性衰变规律 分支衰变 A B C B c 混合衰变 A B DC 放射性衰变平衡的建立 两级衰变： 在衰变产生子体原子数的计算中，除了要母体生成的子体原子数的 增加外，还要考虑它衰变生成下一代子体使其减少： 根据： 可以得到： 放射性衰变平衡的建立 它是一个描述母子体之间的关系的二阶微分方程，它的解为： 假定在t0时刻，核素2可以从核素1中定量分离出来，此时N2.0 0，N2则为： 用放射性活度表示为： (1) 长期平衡（ ） (2) 暂时平衡（ ) N2到达最大值的时间: (3) 不成平衡（ ） 当t=0时，子体核素的原子数 ，则在t 时刻 当 时，仅有子体核素的衰变能 够被观察到，此时子体核素的原子数N2正比于分离 时刻存在母体核素的原子数N1,0。在这种情况下，没 有放射性平衡可以达到。 放射性衰变规律的应用 1、放射源活度的修正 一种常用的放射源为 137Cs（称铯137 ），是十年前制备的，当时源活度为 20Ci ，问现在源的活度是多少？已知 137Cs的半衰期为 30.23a 。 2、确定远期年代 1) 14C 断代年代法 测定的年代范围约为100年到10万年左右 2）地质放射性鉴年法 由于铀系、锕系等衰变系列的母体半衰期长，与地 球年龄相近，早期用来测量地质年代，后来也发展 了利用40K、87Rb等长寿命核素 。 2)地质放射性鉴年法 母体子体 已知衰变常数和目前子核与母核的原子数比 ，即可求得样品的年代。 地质放射性鉴年法 铀系 锕系 放射系 钍系：以232Th为起点，经过了10次转化（6次衰变，4次衰变），终 点为208Pb；为4n系。 放射系 铀系：以238U为起点，经过14次转化（8次衰变，6次衰变）终点为 206Pb；为4n2系。 放射系 锕铀系：以235U为起点，经过了11次转化（7次衰变，4次衰变终 点为207Pd；为4n+3系。 放射系 镎系：以237Np为起点，经过了11次转化（7次衰变，4次衰变），终 点为209Bi；为4n+1系。 3 、短寿命核素发生器 生理盐水淋洗交换柱 暂时平衡 第四章 射线与物质的相互作用 带电粒子在物质中的慢化 粒子及重离子束与物质的相互作用 射线与物质的相互作用 射线与物质的相互作用 中子与物质的相互作用 第四章 射线与物质的相互作用 第四章 射线与物质的相互作用 第四章 射线与物质的相互作用 Bragg曲线： 质子束射程末端的 高比电离效应已经 被用于治疗癌症 第四章 射线与物质的相互作用 重离子的能量损失： 射程：带电粒子沿入射点到被物质所吸收的终止点 之间的直线距离 4.2 射线与物质的相互作用 切连科夫辐射 当粒子在透明介质中传播，它的速度比相同介质中 光的速度还大时，就产生切连科夫辐射。 粒子经过介质时，使路径上的原子发生瞬时极化， 产生瞬时电偶极矩，原子去极化将放出电磁波，是以角 为顶角的圆锥体发出的强蓝色辐射。 4.2 射线与物质的相互作用 切连科夫辐射 发生切连科夫辐射的条件为 式中：为粒子运动的相对速度（粒子速度/光速）；n为透 明介质的折射系数，对于相对论电子，和电子能量E（ keV）有关。 4.2 射线与物质的相互作用 切连科夫辐射 如介质是纯水，其n1.332，于是对于电子形成切连科 夫辐射必须大于0.7508。由此，得到E=263keV。这 就说明只有能量大于263keV阈能的电子才能形成切连科 夫辐射。 4.2 射线与物质的相互作用 切连科夫辐射 切连科夫过程产生的光子有着确定形状的连续谱分布，和计数测 量有关的主要部分处在近紫外到蓝色的区域。 切科可夫计数法测量放射性核素的主要优点是： （1）直接在水溶液中测量，不需要加入有机闪烁液，成本低， 无毒性； （2）制备测量样品简便； （3）测量瓶中可充满待测溶液，有效灵敏度高； （4）测量后的溶液可以回收； （5）不需要专门的测量仪器，普通液闪装置即可。 4.2 射线与物质的相互作用 反散射 反散射效应：电子与核发生弹性散射，多次散射后 ，部分电子散射角大于90度，成为反散射。 使用原子序数和不同密度的材料做活度测量的托 盘时，测得的活度随托盘原子序数和密度的增加而 增加。它是由电子在托盘上的反射造成的。 4.3 射线与物质的相互作用 光电效应吸收边 4.3 射线与物质的相互作用 光电效应吸收边 The X-ray absorption coefficient of MnO2 near the K edge. X射线吸收近边结构, 包含原子的结构信息, 如氧化态 扩展X射线吸收精细 结构,包含所处化学 环境的信息 4.3 射线与物质的相互作用 射线的减弱 射线穿过一定厚度的物质后，由于与核外电子 或核的库仑场发生相互作用，部分光子的全部 能量交给电子，使原入射光束光子数目变少， 称为射线在物质中的减弱（或吸收）。 4.3 射线与物质的相互作用 射线的减弱 4.3 射线与物质的相互作用 三种效应与原子序数和光子能量的关系 4.4 中子与物质相互作用 中子分类 慢中子(0103eV)、 热中子,0.0253eV。 快中子(0.510 MeV) 、 非常快中子(1050MeV) 、 超快中子(50104MeV) 、 相对论中子(104MeV) 4.4 中子与物质相互作用 中子与原子核作用 散射 弹性(n,n) 非弹性(n,n) 吸收 (n, ) (n, f) 吸收剂量(absorbed dose)： 是单位质量的物质所吸收的辐射能量，它是 辐射防护中最基本的量 基本概念： 第五章 辐射防护 剂量和剂量率 剂 量：辐射与物质相互作用后给出的能量 剂量率：单位时间的剂量 吸收剂量和吸收剂量率 吸收剂量D：单位质量物质吸收电离辐射的能量 单位：Gy， 1Gy=1J/kg 吸收剂量率：单位时间内吸收剂量的增量 第五章 辐射防护 器官或组织的平均吸收剂量DT: 单位质量某器官或组织吸收的辐射能量。 当量剂量 为辐射权重因子 单位Sv， 1Sv=1J/kg 第五章 辐射防护 JCRP(90)提出的辐射权重因子 辐射种类和能量范围 辐射权重因子WR 光子, 所有能量 1 电子和子, 所有能量 1 中子, 能量100KeV, 到2MeV 20 中子, 能量2MeV, 到20MeV 10 中子, 能量20MeV 5 质子, 反冲质子, 能量2MeV 5 粒子, 裂变碎片, 重核 20 第五章 辐射防护 外照射防护 控制受照时间 增大与辐射源距离 屏蔽 内照射防护 防止吸入 防止食入 内照射监测 第五章 辐射防护 第七章 核反应 1. 核反应和化学反应的区别？ 2. 核反应的表述方法，核反应描述的3个过程？ 3. 核反应道、截面？ 4. 裂变反应的能量分布？ 5. 核反应截面的含义是什么？ 6. 产额定义、计算 核反应概述 核反应通常是指原子核与原子核之间或原子核与其他粒子 之间的相互作用所引起的各种变化。各种各样的 核反应是产 生不稳定原子核的最根本途径。 放射性衰变中也包含核的转变，但这种转变是自发的，不受 外界影响。 核反应通常表示为 起始核或靶核 轰击粒子 出射粒子 最终产物 可以简式写出： A（a，b）B 括号外面是起始核和最终产物，括号内是轰击粒子和出射 粒子。 反应道： 每一个核反应过程称为一个反应道。由入射 道和出射道组成。反应前的道称入射道，反 应后的道称出射道。 一个入射道可以对应多个出射道；多个入射 道也可以对应一个出射道。 入射粒子能量越高，开放的