輻射防護(hù)基礎(chǔ)知識2013-3

1、《輻射安全與防護(hù)》,原子核物理與放射性基礎(chǔ)知識培訓(xùn),鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院趙書俊(zhaosj@zzu.edu.cn)2013年3月,1,《輻射安全與防護(hù)》,原子核物理與放射性基礎(chǔ)知識了解原子核物理基礎(chǔ)熟悉放射性的概念、衰變及其規(guī)律 熟悉射線與物質(zhì)的相互作用 了解輻射探測方法熟悉輻射劑量與生物效應(yīng) 掌握輻射防護(hù)基礎(chǔ),2,原子核物理基礎(chǔ),知識要點：原子與原子核原子核的組成及其穩(wěn)定性原子核的大小原子核的結(jié)合能,輻射安

2、全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),3,原子和原子核（1）威廉·康拉德·倫琴，德國物理學(xué)家，1895年1月5日，發(fā)現(xiàn)X射線。他因此于1901年獲第一次諾貝爾物理學(xué)獎金。這一發(fā)現(xiàn)宣布了現(xiàn)代物理學(xué)時代的到來，使醫(yī)學(xué)發(fā)生了革命。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),4,原子和原子核（2）受倫琴的影響，1896年法國科學(xué)家貝克勒爾(A. H. Becquerel)發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象，人類第一次觀察到核變化，這一重大發(fā)現(xiàn)是原子核物理的開

3、端，因為該發(fā)現(xiàn)1903年貝克勒爾和居里夫人被共同授予諾貝爾獎。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),5,原子和原子核,3）萬物是由原子、分子構(gòu)成，每一種原子對應(yīng)一種化學(xué)元素。目前，人們已知一百多種元素?，F(xiàn)代化學(xué)的元素周期律是1869年俄國科學(xué)家門捷列夫(Dmitri Mendeleev)首創(chuàng)的。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),6,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),元素周期表,7,原子和原子核（4）1911年盧瑟福根據(jù)α粒子的散射實驗提

4、出了原子由原子核和核外電子組成的假設(shè)。核外電子的運(yùn)動構(gòu)成了原子物理學(xué)的主要內(nèi)容，而原子核成了原子核物理學(xué)的主要研究對象。原子和原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩個層次，但也是互相關(guān)聯(lián)又涇渭分明的兩個層次。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),8,原子和原子核（5）電子帶負(fù)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(shù)。電子的質(zhì)量為me=9.1093897x10-31kg。原子核帶正電荷

5、，集中了原子的全部正電荷。 原子的大小是由核外運(yùn)動的電子所占的空間范圍來表征的，原子可以設(shè)想為電子在以原子核為中心的、距核非常遠(yuǎn)的若干軌道上運(yùn)行。原子的大小半徑約為10-8cm的量級 。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),9,原子和原子核（6）原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)超過核外電子的總質(zhì)量，原子的質(zhì)量中心與原子核的質(zhì)量中心非常接近。原子核的線度只有幾十飛米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度高達(dá)108t.cm-3 。物質(zhì)的許多化學(xué)

6、性質(zhì)及物理性質(zhì)、光譜特性基本上只與核外電子有關(guān)；而放射現(xiàn)象則主要與原子核有關(guān) 。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),10,原子核的組成及其穩(wěn)定性（1）知識要點：核的組成、核素/同位素/同質(zhì)異能素、核的穩(wěn)定性,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子，海森堡提出原子核由質(zhì)子和中子組成的假設(shè) 。中子為中性粒子，質(zhì)子為帶有單位正電荷的粒子。查德威克因發(fā)現(xiàn)中子的杰出貢獻(xiàn)，獲得1935年諾貝爾物理學(xué)獎。,11,原子核的組成及其穩(wěn)

7、定性（2）中子和質(zhì)子的質(zhì)量相差甚微，它們的質(zhì)量分別為：mn=1.00866492u，mp=1.00727646u，u為原子質(zhì)量單位。1960年國際上規(guī)定把碳-12(12C)原子質(zhì)量的1/12定義為原子質(zhì)量單位，用u表示， 1u=1.6605402±0.0000010x10-27kg =931.494013MeV/c2 。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),12,原子核的質(zhì)量數(shù)：A稱為原子核的質(zhì)量數(shù)，A

8、= Z + N原子序數(shù)：原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)Z又稱為原子序數(shù)，它決定了該核素在元素周期表里的位置,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),13,原子核的組成及其穩(wěn)定性（4）根據(jù)原子核的穩(wěn)定性，可以把核素分為穩(wěn)定的核素和不穩(wěn)定的放射性核素。原子核的穩(wěn)定性與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之間的比例存在密切的關(guān)系。 核素圖必須是一個含有N-Z數(shù)的兩維圖。在現(xiàn)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(wěn)定核素)，也包括了自1934年以來人工制

9、造的1600多個放射性核素，一共約2000個核素。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),14,原子核的組成及其穩(wěn)定性（5）,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),15,原子核的結(jié)合能（1）知識要點：質(zhì)能聯(lián)系定律、質(zhì)量虧損、核的結(jié)合能E=mc2稱為質(zhì)能關(guān)系式， 也就是質(zhì)能聯(lián)系定律 。原子核的質(zhì)量虧損為組成原子核的Z個質(zhì)子和(A-Z)個中子的質(zhì)量與該原子核的質(zhì)量之差。從原子核的質(zhì)量虧損的定義可以明確的看出，所有的核都存在質(zhì)量虧損，即⊿m（Z,A

10、）>0。⊿m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) ，其中 m（Z,A）為電荷數(shù)為Z、質(zhì)量數(shù)為A的原子核的質(zhì)量 。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),16,原子核的結(jié)合能（2）既然原子核的質(zhì)量虧損⊿m（Z,A）>0 ，由質(zhì)能關(guān)系式，那么相應(yīng)能量的減少就是⊿ E=⊿mc2 >0 。這表明核子結(jié)合成原子核時，會釋放出能量，這個能量稱之為結(jié)合能。一個中子和一個質(zhì)子組成氘核時，會釋放一部分能量2.225MeV,

11、這就是氘的結(jié)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(dāng)有能量為2.225MeV的光子照射氘核時, 氘核將一分為二, 飛出質(zhì)子和中子。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),17,原子核的結(jié)合能（3）結(jié)合能: B(Z,A)= ⊿mc2 比結(jié)合能:ε(Z,A)= B(Z,A)/A= ⊿mc2/A 比結(jié)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(jié)合成原子核時，平均一個核子所釋

12、放的能量。比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度。比結(jié)合能大，原子核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；比結(jié)合能小，結(jié)合松，穩(wěn)定性差。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),18,原子核的結(jié)合能（4）當(dāng)結(jié)合能小的核變成結(jié)合能大的核，即當(dāng)結(jié)合得比較松的核變到結(jié)合得緊的核，就會釋放能量（所謂原子能）。從比結(jié)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(zhì)量的核； 輕核聚變，即兩個輕核融合為一個較重質(zhì)量的核。人們依靠重核裂變的

13、原理制造出原子核反應(yīng)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(yīng)。,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),19,,8.79,7.07,1.112,比結(jié)合能曲線,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),20,原子核裂變的應(yīng)用——反應(yīng)堆簡圖,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),21,原子核裂變的應(yīng)用——原子彈簡圖,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),22,輻射安全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),原子核聚變的應(yīng)用——?dú)鋸椇秃司圩兎磻?yīng)堆,23,輻射安

14、全與防護(hù)—原子核物理基礎(chǔ),原子核聚變的應(yīng)用——?dú)鋸椇秃司圩兎磻?yīng)堆,實現(xiàn)可控制的核聚變反應(yīng)，打造一個“人造太陽”，已成為當(dāng)今世界擋不住的一大誘惑。因為，這可以一勞永逸地解決人類存在的能源短缺問題。 2007年5月24日，在歐盟總部布魯塞爾，中國、歐盟、美國、韓國、日本、俄羅斯和印度7方代表共同草簽了《成立國際組織聯(lián)合實施國際熱核聚變反應(yīng)堆（ITER）計劃的協(xié)定》，這意味著與此相關(guān)的科研項目將全面啟動，“人造太陽”將由夢想逐步變

15、為現(xiàn)實。 ITER計劃是一項重大的國際科技合作計劃。它的目標(biāo)是要建造可控制的核聚變反應(yīng)堆，最終實現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行。,,24,放射性的概念、衰變及其規(guī)律,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(guī)律放射規(guī)律的應(yīng)用,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,25,原子核的衰變與放射性核素（1）知識要點：放射性核素、核衰變不穩(wěn)定核素是指其原子核會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種原子核或另一種狀態(tài)并伴隨一些粒子或碎片的發(fā)射，它又稱為放射

16、性原子核 。在無外界影響下，原子核自發(fā)地發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)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(fā)裂變及發(fā)射中子、質(zhì)子的蛻變過程。不穩(wěn)定原子核會自發(fā)地發(fā)生衰變。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,26,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,27,放射性衰變的基本規(guī)律（1）知識要點：指數(shù)衰變規(guī)律、衰變常數(shù)/半衰期/平均壽命、放射性活度實驗表明，任何放射性物質(zhì)在單獨(dú)存在時都服從相同的指數(shù)衰減規(guī)律。指數(shù)衰減

17、規(guī)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(shù)衰減規(guī)律也是適用的，這是一個普遍的規(guī)律。指數(shù)衰減規(guī)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(shù)λ（或半衰期/平均壽命）各不相同，所以衰變常數(shù)又反映了它們的個性。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,28,放射性衰變的基本規(guī)律（2）知識要點：指數(shù)衰變規(guī)律、衰變常數(shù)/半衰期/平均壽命、放射性活度應(yīng)該指出，放射性指

18、數(shù)衰減規(guī)律是一種統(tǒng)計規(guī)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(fā)生衰變。實驗發(fā)現(xiàn)，用加壓、加熱、加電磁場、機(jī)械運(yùn)動等物理或化學(xué)手段不能改變指數(shù)衰減規(guī)律，也不能改變其衰變常數(shù)。這表明，放射性衰變是由原子核內(nèi)部運(yùn)動規(guī)律所決定的,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,29,放射性衰變的基本規(guī)律（3）衰變常數(shù)λ是單位時間內(nèi)（單一放射性物質(zhì)）一個原子核發(fā)生衰變的概率

19、，其單位為時間的倒數(shù)：s-1，min-1，h-1，d-1，a-1等。衰變常數(shù)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(shù)，衰變常數(shù)λ的大小與這種核素如何形成的或何時形成的都無關(guān)。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,30,放射性衰變的基本規(guī)律（4）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(jù)指數(shù)衰變規(guī)律，可得：

20、 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。平均壽命比半衰期長一點， τ是T1/2的1.44倍。放射性核素的平均壽命表示經(jīng)過時間τ以后，剩下的核素數(shù)目約為原來的37%。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,31,,,222Rn的衰變曲線,實驗發(fā)現(xiàn)，放射性核素 放出一個?粒子，變成 （釙），而 的數(shù)目每4天減少一半。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,

21、32,放射性衰變的基本規(guī)律（5）一個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)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(shù)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(yīng)隨時間增加而指數(shù)地衰減 。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,33,放射性衰變的基本規(guī)律（6）由于歷史

22、的原因，放射性活度采用居里(Ci)為單位。1950年，為了統(tǒng)一起見，國際上共同規(guī)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(1?Ci=10-6Ci)。在1975年國際計量大會(General Conference on Weights and Measures)上，規(guī)定了放射性活度的SI單位叫Bq(貝克［勒爾

23、］)，1Bq=1s-1 應(yīng)該指出，放射性活度僅僅是指單位時間內(nèi)原子核衰變的數(shù)目，而不是指在衰變過程中放射出的粒子數(shù)目。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,34,放射規(guī)律的應(yīng)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)=M x NA/A NA=6.022x1023mol-1, A是放射源物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)。人工生成的放射性核數(shù)呈指數(shù)增長，要達(dá)到飽和值，必須

24、經(jīng)過相當(dāng)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飽和值的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。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,35,放射規(guī)律的應(yīng)用（2）,例：單一放射性核素137Cs ，1984年3月9日制備時的質(zhì)量為 W=2?10–5g。已知137Cs的原子量 A=136.907，半衰期T1/2=30.17年。 請計算該源2004年3月9日的放射性活度。解：根據(jù)：

25、 先來計算1984年源制備時的137Cs核數(shù)， 137Cs的衰變常數(shù)：,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,36,1984年137Cs源的放射性活度：,2004年137Cs源的放射性活度：,137Cs源經(jīng)過20年，其放射性活度減弱為原來的63％。,輻射安全與防護(hù)—原子核的放射性及規(guī)律,,37,射線與物質(zhì)的相互作用,知識要點：常用的核輻射類型及特征射線與物質(zhì)相互作用,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,38,常用的核輻射類

26、型及特征（1） 知識要點：α、β、γ射線及X射線輻射的定義是指以波或粒子的形式向周圍空間或物質(zhì)發(fā)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(tǒng)稱。物體受熱向周圍介質(zhì)發(fā)射熱量叫做熱輻射；受激原子退激時發(fā)射的紫外線或X射線叫做原子輻射；不穩(wěn)定的原子核發(fā)生衰變時發(fā)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”。,輻射安全與防

27、護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,39,常用的核輻射類型及特征（2） 知識要點：α、β、γ射線及X射線核輻射粒子就其荷電性質(zhì)可以分為帶電粒子和非帶電粒子；就其質(zhì)量而言，可以分為輕粒子和重粒子；以及處于不同能區(qū)的電磁輻射。主要有α輻射、 β輻射、 γ輻射和中子輻射等。,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,40,常用的核輻射類型及特征（3）α射線α射線通常也稱α粒子，它是氦的原子核，由兩個質(zhì)子和兩個中子組成；核電荷數(shù)為+2，質(zhì)量為4。

28、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(fā)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。,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,41,常用的核輻射類型及特征（4）β射線原子核發(fā)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(fù)電荷，以符號e或e-表示，負(fù)電子是穩(wěn)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

29、種電子靜止質(zhì)量相同，其質(zhì)量約為質(zhì)子質(zhì)量的1/1846。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。,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,42,常用的核輻射類型及特征（5）X射線和γ射線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(zhì)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(shù)，它的數(shù)值等于6.626×10-34J&#

30、183;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(qū)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(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)（或基態(tài)）的躍遷或粒子的湮滅輻射。,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,43,γ射線是波長很短能量高的電磁輻射 （? ﹤ 10-11 米，keV，MeV），來自原子核γ衰變, 不

31、帶電， 靜止質(zhì)量 0 。,γ射線是什麼？,能夠同物質(zhì)原子發(fā)生作用，但不能直接使原子 電離；有動量和能量交換,能夠產(chǎn)生載能次級 帶電粒子，可以對物質(zhì)發(fā)生電離作用。,能量 E = hν動量 p = hν / c,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,44,X射線是什麼？,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,45,(1).X-射線管核心部分,(2).低壓源 (5~10v),(3).高壓源(104~105

32、v ),1. X射線裝置,X射線是什麼？,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,46,2.X線的產(chǎn)生機(jī)制,X線譜由兩部分組成,,1、連續(xù)X線譜,2、特征X線譜,X射線是什麼？,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,47,2.X線的產(chǎn)生機(jī)制,韌致輻射 高速電子進(jìn)入到原子核附近的強(qiáng)電場區(qū)域（路程伴隨庫侖力的變化過程），電子的速度大小和方向必然變化，以電磁波的形式向外輻射能量，即損失的能量直接轉(zhuǎn)化成X線。由于電子與靶原子核的相對位置是任意的，

33、電子進(jìn)入靶的初動能經(jīng)過多少次碰撞輻射而完全喪失也不確定，故輻射出的X線波長連續(xù)分布。,連續(xù)X線譜,X射線是什麼？,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,48,2.X線的產(chǎn)生機(jī)制,,,,,nuclear,k,L,M,,,,,Exciting inter electron,,,High speed electron,,,特征X線的產(chǎn)生過程：高速電子進(jìn)入靶物質(zhì)后，其動能被靶原子內(nèi)殼層電子獲得，一部分用來脫離原子核束縛作功（逸出功）；另一部分

34、變成逸出后電子的動能。,當(dāng)電子逸出后，原子內(nèi)殼層就出現(xiàn)了空位，外殼層電子將向內(nèi)殼層填充，輻射的電磁波（ X線）由兩能級差確定,E2- E1= hf21,,X射線是什麼？,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,49,2.X線的產(chǎn)生機(jī)制,特征X射線的激發(fā)電壓,靶原子的軌道電子在原子中有確定的結(jié)合能W。當(dāng)炸彈電子的動能大于內(nèi)層電子結(jié)合能時，才可能使電子逸出造成空位，產(chǎn)生X射線。,炸彈電子的動能大小完全由管電壓確定,U = W/e 為最低激發(fā)電

35、壓。Uk > UL > UM > UN ，X光子輻射以K系為主。,50,常用的核輻射類型及特征（6）中子中子是原子核組成成份之一，它不帶電荷，質(zhì)量數(shù)為1，比質(zhì)子略重。自由中子是不穩(wěn)定的，它可以自發(fā)地發(fā)生衰變，生成質(zhì)子、電子和反中微子，其半衰期為10.6分 。 中子的產(chǎn)生主要是通過核反應(yīng)或原子核自發(fā)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(yīng)堆中子源 。,輻射安全與防護(hù)—射線與物

36、質(zhì)的相互作用,51,射線與物質(zhì)相互作用（1）知識要點：帶電粒子、γ射線、X射線、中子與物質(zhì)相互作用,。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。原子。。。,,αβγ X n,物 質(zhì)：氣體 液體 固體 包括人體 等,微觀粒子間碰撞有動量和能量的傳遞 庫侖作用 1 電離作用 2 電離效應(yīng),,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,52,電離輻射 直接或間接使介質(zhì)發(fā)生電離效應(yīng)的帶電或不

37、帶電的射線或粒子 (能量 ﹥keV )α、β、γ、 x、 n、p、裂變碎片 ? 介子等 　　來 源　 1)放射性物質(zhì) (人造 天然） 2)加速器3)反應(yīng)堆 4)宇宙射線 5)地球環(huán)境,,電離輻射和非電離輻射,非電離輻射 紫外線、紅外線、微波等這些粒子雖能夠同物質(zhì)發(fā)生作用但都不能使物質(zhì)發(fā)生電離效應(yīng) ～ eV 量級移動電話 800-1800 MHz ﹤0.01 eV

38、 (沒有電離作用）,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,53,射線與物質(zhì)相互作用（2）知識要點：帶電粒子、γ、X射線與物質(zhì)相互作用帶電粒子通過物質(zhì)時，同物質(zhì)原子中的電子和原子核發(fā)生碰撞進(jìn)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(fā)。非帶電粒子則通過次級效應(yīng)產(chǎn)生次帶電粒子使原子電離或激發(fā)。能夠直接或間接引起介質(zhì)原子電離或激發(fā)的核輻射通常叫做電離輻射。,,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,54,

39、射線與物質(zhì)相互作用（3）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。,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,55,α + 靶原子 → 正離子 + 電子 + α 4He + Ar → A

40、r+ + e- + 4He,物質(zhì)中原子被電離，在粒子通過的路徑上形成許多離子對：正離子和自由電子,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,56,射線與物質(zhì)相互作用（4）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(tài)躍遷到高能級狀態(tài)（原子處于激發(fā)態(tài)），這種過程叫原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，原子從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，這種過程叫做原子退激，釋放出來的能量

41、以光子形式發(fā)射出來，這就是受激原子的發(fā)光現(xiàn)象 。,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,57,α 射線與β射線電離效應(yīng)比較,α 射線 β 射線徑跡 粗 直 細(xì) 彎,α 電離作用強(qiáng) 電離作用嚴(yán)重 產(chǎn)生離子對數(shù)目多,電離作用 ? Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序數(shù) Z2 靶粒子原子序數(shù) v 入射粒子速度,實驗結(jié)果,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,58,γ 、X射

42、線對物質(zhì)的電離作用 兩步過程,三種作用效應(yīng) 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 電子對效應(yīng) 產(chǎn)生次級電子,電離效應(yīng)次級電子使物質(zhì)原子電離,,γ射線,,第 1 步初級作用,第 2 步次級作用,,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,59,光電效應(yīng),,自由電子,作用機(jī)制光子同(整個)原子作用把自己的全部能量傳遞給原子,殼層中某一電子獲得動能克服原子束縛跑出來,成為自由電子，光子本身消失了。

43、 γ + A ? A* + e- （光電子） 原子 ? A + X 射線,原子,受激原子,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,60,射線與物質(zhì)相互作用（12）入射?光子同原子中外層電子發(fā)生碰撞，入射光子僅有一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子；而光子

44、能量減小，變成新光子，叫做散射光子，運(yùn)動方向發(fā)生變化，這一過程叫康普頓散射或效應(yīng)。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(zhì)中會繼續(xù)產(chǎn)生電離和激發(fā)等過程，對物質(zhì)發(fā)生作用和影響；散射光子有的可能從物質(zhì)中逃走，有的留在物質(zhì)中再發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)等等，最終一部分被物質(zhì)吸收，一部分逃逸出去。,輻射

45、安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,61,射線與物質(zhì)相互作用（13）當(dāng)一定能量的?光子進(jìn)入物質(zhì)時，?光子在原子核庫侖場作用下會轉(zhuǎn)化為一對正負(fù)電子，這一現(xiàn)象稱做電子對效應(yīng)。電子對效應(yīng)發(fā)生是有條件的。在原子核庫侖場中，只有當(dāng)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(zhuǎn)化為正負(fù)電子對的靜止能量(0.51MeV + 0.51MeV = 1.02MeV)，剩下部分賦予正負(fù)電子的動能。,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,

46、62,電子對效應(yīng)能量≥1.02 MeV 的γ射線與原子核作用可能產(chǎn)生一對正-負(fù)電子。,,M ＋ γ → M + e+ + e- → γ1 + γ2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV基本條件： γ射線能量 Eγ? 1.02 MeV 為什麼？,能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量M = E /C2,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,63,正

47、電子湮滅,正電子與負(fù)電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個 0.511 MeV的 γ光子。,e+ + e- → γ + γ me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量 轉(zhuǎn)化效率 (100 %）,γ,γ,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,64,αβγ對物質(zhì)電離作用的比

48、較,2 MeV 射程(m) 離子對密度/mm α 0.01 6000 β 2-3 60 γ 10 幾個,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,65,αβγ射線穿透物質(zhì)能力,αβγ 射線穿透 人體皮膚情況,?,?,?,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,66,1 MeV 的粒子穿透物質(zhì)能力,α 1 頁 β

49、 60頁/本,,,,,,,,,,,,,,,,,,鉛,,,,地 下1-2 米深,鉛室,X、γ,n,4580本,,,中子源,輻射安全與防護(hù)—射線與物質(zhì)的相互作用,,67,輻射探測方法放射性測量輻射探測原理氣體探測器閃爍探測器半導(dǎo)體探測器,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,68,放射性測量,,放大與變換,記錄與存儲,,,,,,放射性是人眼睛看不見、身體也感覺不到的，但用儀器可以直接測量 。 核儀表測量系統(tǒng)基本組成如下：

50、,? ? ? X 射線同物質(zhì)作用使原子電離，產(chǎn)生正離子和負(fù)電子。在電場作用下，電子和正離子分別向正極和負(fù)極方向運(yùn)動，引起電流，產(chǎn)生信號。 輻射探測器：把電離產(chǎn)生的信息轉(zhuǎn)化成可觀測的、可輸出的信號： 電、光、熱、徑跡 等。,探測器,,,- - - - + + + +,,,,,放射源,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,69,輻射探測的原理利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應(yīng)及或其它物理、化學(xué)變化進(jìn)行核輻射探測的器件稱為輻

51、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(fā)或核反應(yīng)等過程而在探測器中沉積能量；3) 探測器通過各種機(jī)制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號。探測器按其探測介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為氣體探測器、閃爍探測器和半導(dǎo)體探測器三種。,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,70,氣體探測器氣體探測器的典型圓柱型結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的電子－離子對在外電場的作

52、用下產(chǎn)生定向漂移，引起電極上發(fā)生感應(yīng)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(fù)載電阻產(chǎn)生輸出電壓信號。,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,71,氣體探測器上述過程可以用圖形象的表示，圖中縱坐標(biāo)為產(chǎn)生離子對數(shù)，橫坐標(biāo)為外加電壓。其中I為復(fù)合區(qū)；II為飽和區(qū)；III為正比區(qū)；IV為有限正比區(qū)；V為G-M區(qū)。這條曲線揭示了氣體探測器中由量變到質(zhì)變的規(guī)律 。,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,72,氣體探測器,G-M計數(shù)

53、管：記錄粒子個數(shù)。,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,73,閃爍探測器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(fā)光器件，當(dāng)入射帶電粒子使探測介質(zhì)的原子電離、激發(fā)而退激時，可發(fā)出可見光光子，稱為熒光光子 ，這樣光的強(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?，光電子通過聚焦被光電倍增管的第一聯(lián)極收集，并在其后的聯(lián)極倍增形成一個相當(dāng)大的脈動電子流，在

54、輸出回路上形成輸出信號。,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,74,閃爍探測器,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,75,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,76,閃爍探測器,閃爍體,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,77,閃爍探測器光電倍增管（PMT）是一種光電器件，主要由光陰極、聚焦極、打拿極（聯(lián)極）和陽極組成，封于玻璃殼內(nèi)并帶有各電極引出。光電倍增管的產(chǎn)品很多，但主要要注意它的的光陰極的光譜響應(yīng)與閃爍體的發(fā)射光譜相匹配；具有較高的陰極靈敏度和陽極靈敏

55、度；較低的暗電流或噪聲脈沖；良好的工藝和穩(wěn)定性。,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,78,光電倍增管,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,79,半導(dǎo)體探測器隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展需要，科學(xué)家們在鍺鋰Ge(Li)、硅鋰Si(Li)、高純鍺HPGe、金屬面壘型等探測器的基礎(chǔ)上研制出許多新型的半導(dǎo)體探測器，如硅微條、Pixel、CCD、硅漂移室等，并廣泛應(yīng)用在高能物理、天體物理、工業(yè)、安全檢測、核醫(yī)學(xué)、X光成像、軍事等各個領(lǐng)域。半導(dǎo)體探測器的探測介質(zhì)

56、是半導(dǎo)體材料。入射帶電粒子在探測介質(zhì)內(nèi)在通過電離損失損失能量的同時，在探測介質(zhì)內(nèi)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 。,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,80,半導(dǎo)體探測器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(dǎo)體材料中壽命長的材料，以使載流子在探測介質(zhì)中的漂移長度大于結(jié)區(qū)的寬度，因此，性能優(yōu)異的半導(dǎo)體硅和鍺就成為理想的半導(dǎo)體探測器的介質(zhì)材料。,輻射

57、安全與防護(hù)—輻射探測方法,81,半導(dǎo)體探測器在半導(dǎo)體材料中，形成一個電子－空穴對所需的能量僅為3eV，即電離能W= 3eV ，而氣體探測器中形成一個電子－離子對為30eV ，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300eV 。與氣體和閃爍探測器相比，可獲得最好的能量分辨率。,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,82,半導(dǎo)體探測器,輻射安全與防護(hù)—輻射探測方法,X-123 X光探測器系統(tǒng),83,探測器性能比較,輻射安全與

58、防護(hù)—輻射探測方法,,84,輻射劑量與生物效應(yīng)輻射量和單位吸收劑量照射量倫琴的定義輻射的生物學(xué)效應(yīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組成輻射的作用效果輻射對人體健康的有害效應(yīng)的分類影響輻射生物學(xué)效應(yīng)的因素輻射防護(hù)中使用的量,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),85,吸收劑量即電離輻射沉積于某一小體積元中物質(zhì)的平均授與能除以該體積元中物質(zhì)的質(zhì)量而得的商。即,是電離輻射授與質(zhì)量為dm的物質(zhì)的平均能量，即平均授與能,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生

59、物效應(yīng),輻射量和單位,86,1戈瑞(Gy)=1焦耳/千克(J/kg)=100拉德(rad) 1(Gy)=106微戈瑞( ) =103毫戈瑞(mGy),吸收劑量吸收劑量的國際單位為J/kg，法定單位為戈瑞(Gy)，非法定單位為拉德(rad),輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射量和單位,87,,,吸收劑量率就是單位時間內(nèi)物質(zhì)的吸收劑量，吸收劑量率定義為吸收劑量對時間的導(dǎo)數(shù)，即dD/dt，其中dD是dt時間間隔內(nèi)吸

60、收劑量的增量。,吸收劑量率的法定單位是“Gy/s”，非法定單位為“rad/s”。,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射量和單位,88,照射量定義：X或γ射線在單位質(zhì)量的空氣中擊出的全部次級電子完全被阻停時，在空氣中產(chǎn)生一種符號的帶電粒子（電子或正離子）的總電荷量dQ。,,照射量X的國際單位單位為C/kg，非法定單位為倫琴（R）1R=106 μR =103mR,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射量和單位,89,照射量率就是單

61、位時間內(nèi)的照射量。,,照射率的國際單位單位為(C/kg·s)。非法定單位為倫琴每秒（R/s）,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射量和單位,90,倫琴的定義：在1倫琴X射線照射下，0.001293g空氣（標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1立方厘米空氣的質(zhì)量）中釋放出來的次級電子，在空氣中總共產(chǎn)生電量各為1靜電單位的正離子和負(fù)離子。1靜電單位電量=3.33×10-10C,,,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射量和單位,91,輻

62、射的生物學(xué)效應(yīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組成輻射的作用效果輻射對人體健康的有害效應(yīng)的分類影響輻射生物學(xué)效應(yīng)的因素輻射防護(hù)中使用的量,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),92,細(xì)胞是由一個核和圍繞細(xì)胞核的細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞膜構(gòu)成 。核內(nèi)有特定數(shù)目的染色體，染色體是生物遺傳、變異的物質(zhì)基礎(chǔ) 。染色體的主要成分是兩種重要的有機(jī)化合物―DNA(脫氧核糖核酸)和蛋白質(zhì) 。DNA是長的雙鏈狀的大分子，一個DNA分子上包含多個基因(決定著遺傳特性)。,輻射

63、安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),93,細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組成根據(jù)細(xì)胞的功能，可將組成人的細(xì)胞分成兩大類，一類稱做體細(xì)胞，一類稱做生殖細(xì)胞(精子和卵子)。前者是構(gòu)成個體本身(軀體)的各種細(xì)胞，后者則是專為繁殖后代的細(xì)胞。,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射的生物學(xué)效應(yīng),94,輻射的作用效果輻射粒子與DNA分子作用，可能造成DNA分子的單鏈斷裂或雙鏈斷裂。單鏈斷裂細(xì)胞可自行修復(fù)，雙鏈斷裂可造成錯誤修復(fù)(變異)，甚至細(xì)胞死亡。雙鏈斷裂將造

64、成細(xì)胞損傷 ，損傷分為兩種情況:1).細(xì)胞死亡:體細(xì)胞死亡將造成功能障礙，生殖細(xì)胞死亡將造成不孕2).細(xì)胞變異(錯誤修復(fù)):體細(xì)胞變異將造成腫瘤，生殖細(xì)胞變異將造成遺傳效應(yīng)(剛好變異的精子或卵子結(jié)合形成授精卵時)。,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射的生物學(xué)效應(yīng),95,輻射對人體健康的有害效應(yīng)的分類電離輻射作用于人體，可能造成器官或組織的損傷，因而表現(xiàn)出對人體健康有害的各種生物效應(yīng)，我們把這些有害的效應(yīng)分為兩類: 1.隨機(jī)

65、性效應(yīng)(Stochastic effect)：是指輻射效應(yīng)的發(fā)生幾率與劑量大小有關(guān)的效應(yīng)，不存在劑量閾值，它主要是針對小劑量(小于0.2Gy )、小劑量率(小于0.1 mGy/min )的慢性照射，如致癌效應(yīng)和遺傳效應(yīng)。,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射的生物學(xué)效應(yīng),96,,,,劑量,有害效應(yīng)的發(fā)生率,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),隨機(jī)性效應(yīng),97,輻射對人體健康的有害效應(yīng)的分類2.非隨機(jī)性效應(yīng)，又叫確定性效應(yīng)(Dete

66、rministic effect)ICRP(國際放射防護(hù)委員會，International Commission on Radiological Protection)在其建議書草案(征求意見稿,2006)中將確定性效應(yīng)也稱為組織反應(yīng)，確定性效應(yīng)與組織反應(yīng)作為同義詞在該建議書草案中使用。,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射的生物學(xué)效應(yīng),98,,,劑量,有害效應(yīng)的嚴(yán)重程度,,,閾值,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),確定性效應(yīng),

67、99,確定性效應(yīng)有明確的閾值，在閾值以下不會見到有害效應(yīng)，達(dá)到劑量閾值則有害效應(yīng)肯定發(fā)生，且輻射效應(yīng)的嚴(yán)重程度取決于所受劑量的大小，它主要針對大劑量、大劑量率的急性照射，一般主要是事故照射。例如:輻射引起的白內(nèi)障、皮膚的良性損傷、骨髓內(nèi)血細(xì)胞減少致造血障礙、性細(xì)胞受損致生育能力減退、血管和結(jié)締組織受損等。無論是隨機(jī)性效應(yīng)還是確定性效應(yīng)，若輻射效應(yīng)顯現(xiàn)在受照者本人身上的，稱為軀體效應(yīng);出現(xiàn)在受照者后代身上的稱為遺傳效應(yīng)。,輻射安全與

68、防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射的生物學(xué)效應(yīng),100,影響輻射生物學(xué)效應(yīng)的因素1).物理因素(從入射的電離輻射來談)(1)輻射劑量ICRP(國際放射防護(hù)委員會，International Commission on Radiological Protection) 在第26號出版物中，假定小劑量、低劑量率情況下，在劑量與隨機(jī)性效應(yīng)的發(fā)生率之間存在著線性無閾的關(guān)系 。,輻射安全與防護(hù)—輻射劑量與生物效應(yīng),輻射的生物學(xué)效應(yīng),101,影響