放射性基础知识放射性基础知识山东省环保学校与培训中心 张文革2013. 1. 8 济南放射性同位素与射线装置 安全和防护培训主要内容： 放射性基础知识 辐射量和单位 放射性同位素与射线装置应用关于放射性 “放射性”因其看不见、摸不着、听不到且对人的身体有 害，人们常称其为“无形的杀手”。 “放射性”是一柄“双刃剑”，既有优点又有缺点。放射性 同位素与射线装置在国民经济各个行业和人们日常生活 中的应用是其它技术无法替代的，为人类造福。但是， 如果对放射源管理和防护不当，会对工作人员身体健康 造成危害，甚至造成环境的放射性污染。 放射性是自然界存在的一种自然现象。有些物质的原子 核不稳定，会自发地发生某些变化，这些不稳定的原子 核在发生变化的同时会发射各种各样的射线，这种现象 就是人们常说的放射性。第一部分 放射性基础知识 原子和原子核的基本性质 放射性 放射性核素的衰变 放射性强弱的表示-放射性活度 辐射源 辐射危害 所有的物质都是由所有的物质都是由分子分子构成的构成的 分子是由分子是由原子原子构成的构成的组成元素的基本单位组成元素的基本单位 原子是由原子是由原子核原子核和和电子电子构成的构成的 原子核由原子核由质子质子和和中子中子构成的，构成原构成的，构成原 子核的质子和中子统称为子核的质子和中子统称为核子核子。1. 原子和原子核的基本性质原子的核式结构 19111911年英国物理学家欧内斯特年英国物理学家欧内斯特 卢瑟福指导他的助手做了一个卢瑟福指导他的助手做了一个 用钍用钍“ “弹弹” ”轰击金箔轰击金箔1/500001/50000英寸英寸的实验的实验 ：大部分：大部分粒子会畅通无阻地粒子会畅通无阻地 穿过金箔，少数的发生偏转，穿过金箔，少数的发生偏转， 极少数的被弹了回来。极少数的被弹了回来。原子的核式结构：原子的核式结构：原子核原子核位于原子的中心位于原子的中心 ，带正电荷，几乎集中了原，带正电荷，几乎集中了原 子的全部质量；子的全部质量；带负电的电带负电的电 子子沿一定的轨道绕原子核旋沿一定的轨道绕原子核旋 转。转。原子核所带的正电荷等原子核所带的正电荷等 于核外的电子数，整个原子于核外的电子数，整个原子 呈电中性。呈电中性。18971897年英国科学家汤姆年英国科学家汤姆 孙发现了电子。孙发现了电子。原子核的结构模型原子核 原子的半径原子的半径：R R约为约为1010-10-10m m 原子核的半径原子核的半径：约为：约为1010-14-141010-15-15m m原子核的体积只相当于整个原子体积的原子核的体积只相当于整个原子体积的 万亿分之一。万亿分之一。 原子的质量：原子的质量：1u=1u=1212C C原子质量原子质量1/121/12=1.6605655 =1.66056551010-27-27kgkg 原子核的密度原子核的密度2.84102.84108 8t/cmt/cm3 3即在每立方厘米体积中有近即在每立方厘米体积中有近3 3亿吨的物质亿吨的物质 电子：带有一个单位的负电荷，电子：带有一个单位的负电荷，e= -1.610e= -1.610-19-19C Cm me e= 9.110= 9.110-31-31kg (me=5.510kg (me=5.510-4-4u) u) 质子：带有一个单位的正电荷，质子：带有一个单位的正电荷，e= +1.610e= +1.610-19-19C Cm mp p=1.672610=1.672610-27-27kg (mp=1.00727u) kg (mp=1.00727u) 中子：是不带电的中性粒子中子：是不带电的中性粒子m mn n=1.674910=1.674910-27-27kg (mn=1.00867u) kg (mn=1.00867u) 元素及符号表示元素及符号表示 1.元素：质子数相同的原子称为一种元素。原子核 中质子的个数称为原子序数，原子包含的质子数决 定了由此原子构成的物质的性质，一种元素代表了 一种物质。 2.符号表示：通常用一个符号来表示一种元素，如 氢元素用H表示。元素符号既表示了元素的名字， 同时又隐含地表示了原子序数。 到目前为止，包括人工制造的不稳定元素，有 110多种元素。原子序数相同的原子具有相同的化学性质，但原子核的 性质由质子数与中子数共同决定的。核素及符号表示核素及符号表示 1.核素：是指在其原子核内具有一定数目的质子和中 子以及特定能态的一种原子核或原子。根据原子核 的稳定性，核素分为稳定的核素和不稳定的放射性 核素。 2.符号表示： X，X核素代号Z原子序数A A质量数质量数 A=A=Z+N(中子数)如： H、 He、 C等。在实际应用中，有时只标记核素的质量数， 如14C、C-14、碳-14AZ1142146核 素质子数中子数质量数符 号氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C3. 3.同核异能素同核异能素激发态原子核称为基态原子核的同核异能素，它们 的A和Z均相同只是核能量状态不同。符号表示：如99mTc锝称为99Tc的同核异能素。99mTc表示该核素的原子核处于激发态。注意：注意： 9999TcTc和和99m99mTcTc是两种独立的核素。是两种独立的核素。同位素同位素1.同位素：同位素是原子序数Z相同而质量数A不 相同的各核素的总称。同位是指各核素在元素周 期表中处于同一个位置，它们具有相同的化学性 质，但各原子核的物理性质不同。2.自然界中许多元素具有同位素，如：天然存 在的氢同位素有3种：1H(氕99.985)、2H(重氢、氘0.015)、3H( 超重氢、氚）核素丰度：在同位素中各核素天然含量的百分比。天然存在的氧同位素有3种：16O(99.756)17O(0.039)、18O(0.205)。 2.1 2.1 放射性的发现放射性的发现 2.1.12.1.1伦琴发现伦琴发现X X射线射线18951895年年FF 伦琴：伦琴：德国物理学家。1894年任维尔茨堡大 学校长，1900年任慕尼黑大学物理学教授和 物理研究所主任。伦琴于1901年荣获全世界 首次颁发的诺贝尔物理学奖。 1923年2月10 日在慕尼黑逝世，终年78岁。2.放射性FF X X射线的发现：射线的发现：1895年冬，伦琴在德国维尔茨堡大学的实验室 里做阴极射线管辉光实验。伦琴用高压电场轰击阴极射线管内的 两个金属电极，把电子从金属原子中打出来，此即“阴极射线” 。1111月月8 8日晚，为了更好地观察管子的日晚，为了更好地观察管子的 发光现象，他用黑色硬纸板将管子周围发光现象，他用黑色硬纸板将管子周围 严实地挡住，不让光线漏出来。当他关严实地挡住，不让光线漏出来。当他关 掉室内电灯时，突然发现掉室内电灯时，突然发现1 1米以外的一条米以外的一条 凳子上的一块涂有亚铂氰化钡磷光材料凳子上的一块涂有亚铂氰化钡磷光材料 的纸板发出了绿色的荧光。只要管子通的纸板发出了绿色的荧光。只要管子通 电就发光，断电荧光就消失。电就发光，断电荧光就消失。更令他惊讶的是，将这张涂有磷光物质的纸板拿到 隔壁去，会有同样的现象。这种不知名的射线能够穿 透轻物质，但金属和人的骨骼等重物质则可以挡住它 的去路。伦琴认为，这不是阴极射线，而是一种新射 线，因为阴极射线不可能有这样强的穿透本领。伦琴夫人的手骸骨X射线照片F 经过反复的研究，在对自己的发现确信 无疑后，伦琴于1895年12月28日向维尔 茨堡医学协会提交了一种新的射线： 初步报告的论文，阐明了产生这种射 线的方法和它的穿透性质，并正式命名 它为“X X射线射线”。F 由于X射线的发现，使伦琴成为世界上 第一位荣获诺贝尔物理奖的人。伦琴把 金钱看得很淡薄，他拒绝了有关专利权 ，他把得到的奖金也捐赠给维尔茨堡大 学。X射线的本质FX射线又叫伦琴射线，是一种波长比紫外 线还短的电磁波，类似于光的辐射。伦琴 用高压电场轰击阴极射线管内的两个金属 电极，当接通阴极灯丝电源后，灯丝加热 ，发射热电子。在阳极和阴极间的电场加 速下，高速电子流轰击阳极靶物质产生X 射线。电磁波谱X射线的产生过程：F 一种是高速电子在靶物质的原子核附近经 过时，受靶核的强库仑场作用突然受阻， 而损失部分或全部的能量，转换成具有连 续能谱的X射线。F 一种是高速电子轰击靶物质时，靶原子内 壳层电子被激发和电离，当外壳层电子进 入内层轨道填补空位，放出具有确定能量 的特定X射线。 伦琴的实验室X射线装置2.1.2 贝克勒尔发现放射性1896年FF 亨利亨利贝克勒尔：贝克勒尔：法国法国物理学家。他一 直从事铀盐的研究，1880年，他制备出 一种导致发现放射性的铀和钾的复合硫 酸盐硫酸铀酰钾。同居里夫妇一起荣 获了1903年度诺贝尔物理奖。FF 放射性的发现：放射性的发现：贝克勒尔在听伦琴发现贝克勒尔在听伦琴发现X X射线的报告时射线的报告时 ，引起了他的联想：，引起了他的联想：“ “荧光物质在普通光照下也会发出荧光物质在普通光照下也会发出 X X射线吗？射线吗？” ”他用他用硫酸铀酰钾这种荧光物质做了实验： 让阳光曝晒硫酸铀酰钾,在铀盐晶体下放一张用黑纸包 好的照相底片，并剪了一块带花样的金属片F放在底片上，发现底片上留下了黑白 分明的金属片图案。他继续重复做实 验，这时遇上了阴天，他将准备好的 样品放进抽屉里，想等晴天后立即用 阳光曝晒，可是天气连阴了好几天。 使他感到意外的是，冲洗出来的底片 出现了清晰的花纹。他又做了实验， 把样品放入不透光的黑箱里长达15天 ，出现了同样的结果。F经过反复实验，贝克勒尔得出一个崭新的结论：铀能放 出一种新的射线，这种射线后来被称为铀射线或贝克勒 尔射线。这就是具有重要意义的放射性的发现。2.1.3 2.1.3 居里夫妇发现新的放射性元素居里夫妇发现新的放射性元素F18971906年，居里夫人与其丈夫、法 国物理学家皮埃尔居里对放射现象进 行了长达10年的开拓性研究。他们确定 ：除了铀可以发出看不见的射线外，钍 也可以发出看不见的射线。F 1898年，居里夫妇发现了一种新的具有放居里夫妇发现了一种新的具有放 射性的元素，它的放射性比铀强射性的元素，它的放射性比铀强400400倍，为倍，为 了纪念居里夫人当时被俄国侵占的祖国波了纪念居里夫人当时被俄国侵占的祖国波 兰，她把这种新的元素命名为兰，她把这种新的元素命名为“ “钋钋” ”。F居里夫人在对沥青铀矿进行检测时，发 现其放射强度确实如贝克勒尔所说，比 铀强许多倍。居里夫妇在巴黎市立理化 学校找到一个不避风雨的废弃厂棚，用 奥地利政府免费赠送的棕色沥青铀矿残 渣倒进大锅，加上化学药品和水煮沸， 用铁棒连续地搅动几小时。F 18981902年，居里夫妇经过居里夫妇经过4 4年的艰苦努力，终于从几年的艰苦努力，终于从几 十吨沥青铀矿中提炼出十吨沥青铀矿中提炼出0.1g0.1g新的放射性元素镭的氯化物晶新的放射性元素镭的氯化物晶 体，发现了体，发现了镭镭。镭的放射性强度是铀的。镭的放射性强度是铀的250250万倍。居里夫万倍。居里夫 妇妇荣获了1903年度诺贝尔物理奖。 1906年皮埃尔居里逝世后，居里 夫人继续进行放射性元素的研究 。1911年，由于钋和镭的发现、 镭的分离及其化合物的研究，又 荣获本年度的诺贝尔化学奖，成 为两次获得诺贝尔奖的第一人。 并且是至今获得这种殊荣的唯一 女性。 正是由于居里夫人的忘我献身精 神、严格的科学态度，和她的巨 大的成就而受到世界科学技术界 的广泛的崇敬，因而放射性活度 的单位命名为居里。F1934年，法国核物理学家约里奥- 居里夫妇用钋的射线轰击铝箔， 发现当源移去后，铝箔有