放射性及其衰变规律.ppt

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1、核技术勘查,第二章 放射性及其衰变规律,第二章放射性及其衰变规律,教学内容 1、核衰变及放射性核素 2、放射性衰变与积累规律 3、放射性测量单位与标准源,核衰变与放射性核素,一、原子结构及原子核衰变 自然界由各种各样的物质组成，每种物质的元素都由化学性质完全相同的原子组成。每种元素的原子由原子核及核外的电子组成。原子核由质子和中子组成，中子不带电，质子带正电，质子所带的正电荷量与核外电子所带负电荷量相等，电性相反，整个原子成电中性。所有这些物质都是由存在于自然界的90多种元素的原子(核)组成。例如水由二个氢原子和一个氧原子组成()；乙醇由六个氢原子，二个碳原子和一个氧原子组成(CHOH).,核

2、衰变与放射性核素,原子很小，其直径为10cm；原子核的直径只有1010cm，约为原子线度的1/10000。原子核集中了原子的全部正电荷和99.95以上的质量，原子质量在1010g的范围内。例如，自然界最轻的氢元素的原子质量只有1.673610-24g，最重的铀原子的质量也只有3.951010-22g 质子质量m=1.67252x10-24g 电子质量m=9.1091x10-28g 所以质子的质量为电子质量的1836。,原子与原子核,一个原子核由个质子(原子序数)和N个中子所组成，则该原子核质量m=Zm+Nm,由于m和m都很接近于1，因此，当用u作单位时，原子核质量非常接近于一个整数，我们用A来

3、表示原子核质量最接近的整数，并称为质量数，这样有A=Z+N。铀原子核表示为238U。,核衰变及放射性核素,具有确定质子数和中子数的一类原子或原子核称为核素。原子序数相同而质量数不相同的核素互为同位素，如氢，氘和氚原子序数都为，但质量数A分别为1，2，3这种具有相同原子序数但质量数不同的核素称为同位素。这三种核素为氢的同位素。原子序数和质量数都相同的原子核，原子核处于不同核能态的一类核素称为同质异能素。世界上已发现109种元素，核素2000多种(其中稳定性核素300种左右，如31，32等；其余都是放射性核素，如131，32等)。,核衰变及放射性核素,原子核结合能处于最低能量状态（即基态），是所有

4、稳定原子核的状态。高于基态的能量状态，为不稳定的激发态。自然界中有些天然物质是由不稳定的原子组成的。它们能自发地转变成稳定的原子。在这种转变过程中，常伴随着发射带电粒子和射线，其本身变成另一种核素，该过程称放射性衰变，这种现象称放射性现象，这类元素称放射性核素（同位素）。,核衰变及放射性核素,1896年法国科学家亨利贝可勒尔(HBecquerel)发现了放射性现象。这些不稳定的原子核主要的衰变类型如下：1）衰变：处于激发态的放射性核素（X)，自发地放出粒子，而转变成另一种原子核（Y)的过程，称为衰变。例如：原子核经衰变转变成 为,核衰变及放射性核素,2）衰变：处于激发态的放射性核素（X)，自发

5、地放出粒子，而转变成另一种原子核（Y)的过程，称为衰变。+衰变:-衰变:3)电子俘获:放射性核素（X)自发地俘获一个轨道电子,使核内一个质子变为中子,生成的新核素质量数与母核相同,原子序数比母核减少一位.,核衰变及放射性核素,4)同质异能跃迁 衰变和衰变产生的新原子核,处于激发态的时间很短,(约10-13s），很快跃迁到较低能级或基态，并放出光子。而核的原子序数和质量数都不变。,天然放射性核素,天然放射性核素可分为两类：1）与地球同时形成的至今存在的一些的长寿命放射性核素。如：238U、232Th、87Rb、40K等。2）宇宙射线撞击地球物质原子核，引起核反应生成的放射性核素。如：14C、10

6、Be、26Al、36CL等。自然界的放射性系列有三个：铀(U)系、钍(Th)系和锕铀(AcU)系。有人工方法能够得到镎(Np)系，放射性系列中的元素的原子序数都大于81。除上述成系列的天然放射性元素外，还有180多种不成系列的天然放射性元素，它们经过一次衰变后即成稳定元素，如钾40K，铷87Rb等。,天然放射性核素,(一）三个天然放射性系列 1、铀系 铀是在然界存在的主要放射性元素矿产，起始的放射性母体核素为238U,如图所示：,天然放射性核素,天然放射性核素,2）钍系 钍系的起始放射性母体核素为232Th，如图所示：,天然放射性核素,天然放射性核素,3）锕（铀）系 锕系的起始放射性母体核素为

7、232U,衰变如图所示：,天然放射性核素,天然放射性核素,（二）三个放射性系列的共同特点 1）每个系列都有一个常寿命的起始放射性核素，半衰期都在7.13x108 1.41x108a之间。2）每个系列得最后都是铅的稳定同位素。3）每个系列都有一个气体，氡的放射性核素。4）每个系列核素的质量数变化有相似的规律性。人工,放射性核素的衰变与积累规律,衰变前的核称为母核,衰变后的核称为子核。一、衰变规律 如果起始时刻放射性核素母核数目为N0。由于衰变减少，精确试验测定表明t到t+dt内核衰变数目dN与尚未衰变母核数N成正比，即 dNNdt 写成等式：式中：为比例系数，称衰变常数，负号表示N随时间增长而减

8、少。,放射性核素的衰变与积累规律,半衰期的定义：当原子核的数目衰减到原来一半所经历的时间，称为半衰期。二、系列放射性核素的衰变与积累规律 放射性核素（A)衰变产生的子体（B)也是放射性核素，且没有与A分离。核素B一方面按自身衰变规律减少，另一方面由核素A衰变使B得到积累。,放射性核素的衰变与积累规律,在应用中，尚存的原子个数N不易测量，而放射性活度A可用仪器测量它的放射性射线，因为每次核衰变都有某种放射性射线放出，仪器的计数率I(t)与原子核的衰变率-dN/dt成正比，即：放射性活度单位是Bg(贝克勒尔)，即每秒衰变次数：放射性浓度专用于液体或气体，指单位体积的物质中含有的放射性活度，即贝克/

9、毫升(Bq/ml)。,放射性核素的衰变与积累规律,子体核素B具有积累规律和自身衰变规律。在t时刻的瞬间间隔dt内B核素的原子数变化率应为：己知t=0时，A原子数为N0A，有：得一阶线性非齐次微分方程：给定初始条件t=0时，NB=N0B，解得下式：,放射性核素的衰变与积累规律,式中 A、B，则 ANA为核素A的衰变率，也即核素B的增加率；核素B的衰变率为 BNB。则得出：1）AB时，可以达到放射性平衡；2）AB时，可以达到暂时平衡；3）AB时，不能达到放射性平衡。,放射性核素的衰变与积累规律,铀镭平衡系数K：衡量铀镭处于平衡状态的量。当k=1时，铀镭处于平衡状态，k1时偏铀；k1时偏镭。,放射性测量单位与标准源,一、放射性测量的常用单位（1）放射性活度与比活度：Bq、Bq/kg（2）放射性物质的质量及含量单位：g、g/g（3）照射量与照射量率：C/kg、C/kg.s（4）辐射吸收剂量：Gy（5）剂量当量:Sv 二、放射性标准源（1）射线标准源和射线标准源（2）射线标准源,放射性测量单位与标准源,（3）氡气标准源 三、放射性标准模型 1）平衡铀模型 2）钍模型 3）铀和钍混合模型 4）钾模型 5）“零值”模型,