核物理科普系列三

能量产生是通过以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量,统称为辐射(如声辐射、热辐射、电磁辐射、粒子辐射等)。通常论及核”的能量即核辐射,它的定义是狭义的,仅指高能电磁辐射和粒子辐射。

一、常见的核辐射类型及其特征

1.核辐射类型

原子辐射:受激原子退激时发射的紫外线或X射线;

原子核辐射:不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子,简称核辐射;

2.核辐射粒子

核辐射粒子就其荷电性质可分为带电粒子和非带电粒子;

核辐射粒子就其质量而言可分为轻粒子和重粒子;以及处于不同能区的电磁辐射;

重带电粒子(p、d、t、α)、电子(β-、β+)、中性粒子(γ、n),其中t和n是不稳定的;

二、核辐射粒子-射线分类

1.α射线

通常也称为α粒子,它是氦的原子核,由两个质子和两个中子组成;

天然的α粒子来源于较重原子核的自发衰变,叫做α衰变。

2.β射线

原子核发射出的β射线有两类:β-射线及β+射线;

β-就是通常的电子,带有一个单位的负电荷,以符号e-表示,负电子是稳定的。

β+是正电子,带有一个单位的正电荷,以符号e+表示

两种电子静止质量相同,其质量约为质子的1/1846;

β粒子来源于原子的β衰变,有三种类型:β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获;

β-衰变、β+衰变中发射的电子的能量是连续的,从0到极大值Eβ,max都有。

3.X射线和γ射线

X射线和γ射线都是一定范围的电磁辐射,又称为光子。

光子的静止质量为0,不带电荷;

单个光子的能量与辐射的频率ν成正比,即E=hν,h为普朗克常数;

X射线和γ射线起源不同,前者来自核外电子的跃迁,后都来源于原子核本身高激发态向低激发态(或基态的跃迁或粒子的湮灭辐射。

4.中子

中子是原子核组成成分之一,它不带电荷,质量数为1,比质子略重;

自由中子是不稳定的,它可以自发地发生β-衰变,生成质子、电子和反中微子,半衰期为10.6分;

中子主要通过核反应或原子核自发裂变而产生的,常用的中子源基本上有三种:同位素中子源、加速器中子源和反应堆中子源;

在用中子源产生中子时往往伴有γ射线或X射线产生,有的可能比较强。因此,在应用和防护上不仅要考虑中子,而且也要考虑γ射线或X射线。

三、射线与物质的相互作用

电离辐射:能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射;

带电粒子通过物质时在同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的传递和交换,其中一种主要作用是带电粒子直接使原子电离或激发。

非带电粒子则通过次级效应产生次级带电粒子使原子电离或激发。

1.带电粒子与物质相互作用

(1)带电粒子能量损失方式之一——电离损失

电离与激发:

任何快速运动的带电粒子通过物质时由于入射粒子和靶原子核外电子之间库仑力作用,使电子受到吸引或排斥,使入射粒子损失部分能量,而电子获得一部分能量;

最终结果分为两种:电离(电子成为自由电子)和激发;

原子退激,受激原子的发光现象。

电离能量损失率

电离损失:带电粒子与物质原子中核外电子的非弹性碰撞,导致原子的电离或激发,是带电粒子通过物质时动能损失的主要方式。把这种相互作用引起的能量损失称为电离损失;

电离能量损失率:入射带电粒子在物质中穿过单位长度路程时由于电离、激发过程所损失的能量;

从物质角度来说,电离能量损失率也可叫做物质对带电粒子的阻止本领;用Se表示;

电离能量损失率随入射粒子速度增加而减小,呈平方反比关系;

电离能量损失率随入射粒子电荷数平方成正比;

电离能量损失率与原子序数和原子密度的乘积成正比,高原子序数和高密度物质具有较大的阻止本领;

平均电离能:

平均电离能:每产生一个离子对所需要的平均能量;以W表示。

不同物质中的平均电离能是不同的;

但不同能量的α粒子在同一物质中的平均电离能近似为一个常数(如在空气中的W值为35eV)。

(2)带电粒子能量损失方式之二——辐射损失

轫致辐射:高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电磁辐射;

轫致辐射其能量最小值为0,最大值为电子的最大动能;

X射线管和X光机产生的X射线就是轫致辐射。

辐射能量损失率的关系:

正比:入射带电粒子的电荷数的平方和能量;吸收物质的原子序数平方和原子密度;

反比:入射带电粒子质量平方成反比。

(3)射程

一定能量的带电粒子在它入射方向所能穿透的最大距离叫做带电粒子在该物质的射程;

入射粒子在物质中行经的实际轨迹的长度称作路程;

对重带电粒子由于其质量大、与物质原子的核外电子作用时运行方向几乎不变,因此其射程与路程相近;

5.3MeV的α粒子在标准状态空气中的平均射程约3.84cm,在生物肌肉组织中的射程仅为30~40μm;

β粒子通过物质量由于电离碰撞、轫致辐射和散射等因素的影响,其径迹十分曲折,经历的路程远远大于通过物质层的厚度;

β粒子在该物质中的最大射程Rmax是与β粒子的最大能量Emax相对应。

(4)正电子湮灭辐射

原子核β+衰变会产生正电子,快速运行的正电子通过物质时与负电子一样同核外电子和原子核相互作用,产生电离损失、轫致辐射和弹性散射;

能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同;

自由电子是不稳定的,正电子与介质中的电子会发生湮灭,

快速运行的正电子通过物质除了发生与电子相同的效应外,还会产生0.511MeV的γ湮灭辐射;在防护上还要注意对γ射线的防护。

2.γ射线与物质相互作用

能量在几十keV至几十MeV的γ射线通过物质时主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应三种作用过程;

这三种效应的发生都具有一定的概率,通常以截面σ表示作用概率的大小;

以σph表示光电效应截面、σc表示康普顿效应截面、σp表示电子对效应;

γ射线与物质作用的总截面σ=σph+σc+σp

(1)光电效应

光电效应:当γ光子通过物质时,与物质原子中束缚的电子发生作用,光子把全部能量转移给某个束缚电子,使之发射出去,而光子本身消失了,这种过程叫光电效应。

在光电效应中,入射光子能量hν其中一部分用来克服被击中电子的结合能;另一部分转化为光电子动能;原子核反冲能量很小,可以忽略不计;

原子中束缚得越紧的电子参与光电效应的概率也发挥大,因此K壳层打出光电子的概率最大、L层次之、M层、N层更次之;(如果入射光子的能量超过K层电子结合能,大约80%的光电效应应发生在K层电子上;

发生光电效应时若从原子内壳层上打出电子,在此壳层就留下空位,原子处于激发态,这种激发态是不稳定的,有两种退激方式:

发射特征X射线;

发射俄歇电子;

这些粒子将继续与物质作用转移它们的能量。

(2)康普顿效应

入射γ光子同原子中外层电子发生碰撞,入射光子仅有一部分能量转移给电子,使它脱离原子成为反冲电子;而光子能量减小变成新光子,叫做散射光子,运动方向发生变化,这一过程称为康普顿效应;

几个概念:入射光子、散射光子、散射角、反冲解;

反冲电子具有一定动能,等于入射γ光子和散射光子能量之差Ee=hv-hv’;

散射光子能量随散射角不同而变化,因而反冲电子能量也呈一定分布;

反冲电子在物质中会继续产生电离和激发等过程,对物质发生作用和影响;

散射光子有的可能从物质中逃走,有的留在物质中再发生光电效应和康普顿效应等等,最终一部分被物质吸收、一部分逃逸出去。

(3)电子对效应

当一定能量的γ光子进入物质时,γ光子在原子核库仑场作用下会转化为一对正负电子,这一现象称作电子对效应;

在原子核库仑场中只有当入射γ光子的能量不小于1.02MeV时才有可能发生电子对效应;

入射光子的能量首先转化为正负电子的静止质量0.51MeV+0.51MeV=1.02MeV,剩余部分赋予正负电子的动能;hν=Ee++Ee-+2m0c2。

(4)γ射线的吸收

γ射线进行物质主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失其能量;

这些效应的发生使原来的γ光子或者不复存在或者改变能量成为新的光子,偏离了原来的入射方向;

从入射的γ光子束中由于同介质作用而被移去的γ光子称作介质对γ光子的吸收;只能理想的准直束才能满足这种要求,称为“窄束”;

γ射线穿过物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数衰减。I=I0e-μx;

其中μ称为线性吸收系数,其单位为cm-1,它表示γ射线穿过单位厚度时发生相互作用的概率(或被吸收的概率);

μ线性吸收系数与前面所述的作用截面σ的关系为:μ=σN;式中N为吸收物质的原子密度,即单位体积的原子数;

与作用截面一样线性吸收系数包含了光电效应、康普顿效应和电子对效应总的贡献;

由于三种效应的作用概率都与入射光子的能量和作用物质的原子序数有关,所以μ值也随γ光子能量hν和介质原子序数Z而变化。γ光子能量增高,吸收系数减小;介质原子序数高、密度大的物质线性吸收系数也高。

3.中子与物质相互作用

中子不带电,不能直接引起物质原子的电离或激发;

由于不受原子核库仑场的作用,即使很低能量的中子也可深入到原子核内部,同原子核发生弹性散射、非弹性散射或引起其它核反应;这些过程的发生导致中子在物质中被慢化和被吸收,并产生一些次级粒子,如反冲质子、γ射线、α粒子以及其它带电粒子等;

上述带电粒子都具有一定的能量,它们继续同物质发生各自相应的作用,最终使物质原子发生电离和激发,因此中子也是一种电离辐射。

中子与原子核的作用分类两类:中子的散射和中子的俘获;

中子的散射:

1.中子与原子核发生弹性散射与非弹性散射并产生反冲核;

2.中子与靶核发生弹性散射其中靶核没有发生状态变化,散射前后中子与靶核的总动能守恒;对于靶核为氢核且为对心碰撞时,氢核的动能TH=Tn,即中子把自己的动能全部转移给了氢核;

3.在非弹性散射中,中子部分能量被反冲核吸收,反冲核可能处于激发态,这时不仅有中子出射,而且会有γ射线发射;

4.在中子引起的其他核反冲中还会有质子和α粒子等发射出来,这些次级粒子在物质中通过电离效应损失其能量。

中国散裂中子源

中子的俘获:

1.中子进入原子核形成“复合核”后,可能发射一个或多个光子(称为辐射俘获),也可能发射一个或多个粒子(相应于各种中子核反应)而回到基态;

2.有几种重原子核如铀235,俘获一个中子后会分裂为两个或三个较轻的原子核,同时发出2至3个中子以及很大的能量(约200MeV),这就是裂变反应。

来源:核安全综合知识辅导读本