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核安全综合知识(第一章)精品资料核安全综合知识注册核安全工程师考试复习2010年6月核安全综合知识第一章 原子核物理基础l 考试要求l 熟悉原子结构的知识l 熟悉放射性的概念、衰变及其规律 l 熟悉射线及其与物质的相互作用 l 掌握核反应的类型 l 了解核裂变及其裂变反应的知识 核安全综合知识第一章的要求：l 复习内容1.1 原子和原子核的基本性质1.2 原子核的放射性1.3 射线及其与物质相互作用1.4 原子核反应1.5 核裂变及核能的利用核安全综合知识1.1 原子和原子核的基本性质知识要点 ： 原子与原子核 原子的壳层结构 原子核的组成及其稳定性 原子核的大小 原子核的结合能 核安全综合知识l 原子和原子核（1）知识要点：原子、原子核、同位素 1896年法国科学家贝克勒尔(A. H. Becquerel)发现天然放射性现象，人类第一次观察到核变化，这一重大发现是原子核物理的开端。 万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。目前，人们已知一百多种元素。 1911年卢瑟福根据粒子的散射实验提出原子由原子核和核外电子组成的假设。 核外电子运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核内部核子的运动是原子核物理学的主要研究对象。原子和原子核是物质结构的两个层次。 核安全综合知识l 原子和原子核（2） 电子带负电荷，电子电荷的值为：e=1.60217733x10-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。电子的质量为me=9.1093897x10-31kg。原子核带正电荷，集中了原子的全部正电荷。 原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征，原子可以设想为电子在以原子核为中心的、距核非常远的若干轨道上运行。原子的大小半径约为10-8cm的量级 。 原子核的质量远超过核外电子的总质量，原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。原子核的尺度只有几十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，而密度高达108t.cm-3 。 物质的许多化学性质及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要与原子核有关 。 核安全综合知识l 原子和原子核（3） 单选题例：（只有一个答案是正确的）原子物理学的主要内容是（A）。A核外电子的运动, B 原子核的裂变，C 原子核的衰变，D 原子核中核子间的运动 。 多选题例：（有多个答案可能正确，错一个为全错）原子由原子核和核外电子组成，其中(ABCDE)。A 电子带负电荷，B 原子核集中了原子的全部正电荷，C 原子的大小半径约为10-8cm的量级， D 原子核的质量远超过核外电子的总质量，E 原子核的限度只有几十飞米。核安全综合知识l 原子的壳层结构（1）知识要点：原子的壳层、能级、跃迁 原子的核外电子称为轨道电子。原子的轨道电子离核的距离是不能取任意值的，按照一定的规律形成彼此分离的壳层。 最靠近核的一个壳层称为K层，在它的外面依次为L、M、N、O壳层等，以此类推。通常用量子数n(n=1,2,3)代表壳层，并分别对应K、L、M、N、O，壳层。每个壳层可容纳2n2个电子。除了K层以外，其他壳层又可分成(2l+1，l=n-1)个支壳层，l是描述电子轨道的量子数。 处于不同壳层的电子具有不同的位能，当电子从无穷远处移动到靠近原子核的位置时是电场力作功，K层的能级最低。能级的能量大小就等于该壳层电子的结合能，要使该壳层电子脱离核的束缚成为自由电子所需做的功。结合能是负值，通常以KeV为单位，K壳层电子的结合能的绝对值最大。 核安全综合知识l 原子的壳层结构（2） 用n，l，j三个量子数来描述不同的能级。其中n=1，2，3，是主量子数；l=0，1，2，(n-1)是与电子的轨道运动相关的量子数，而j是与电子的自旋运动相关的量子数，j与l的关系是j=|l1/2|。n，l，j三个量子数的不同组合区别轨道电子不同的支壳层。每个支壳层最多可容纳(2j+1)个电子 。 在正常情况下，电子先充满较低能级，但当原子受到内在原因或外来因素的作用时，低能级的电子可以被激发到高能级上（称激发过程），或电子被电离到原子的壳层之外（称电离过程），高能级电子就会跃迁到低能级上留下的空位上，并以电磁辐射的形式释放一个光子。 发生内层电子跃迁时，发射的光子能量较高，而且不同元素的原子均有不同特定的能量，所以通常又称作特征X射线，其能量计算公式为：EX=hc/=E1-E2，式中h=6.6260755x10-34J.s；光速c=2.997925x108m/s；E1和E2分别是跃迁前后两个能级的能量 。 K系特征线是由K壳层之外的电子跃迁到K层空位时发射的特征X射线，同样还有L系、M系特征X射线等，跃迁还需要满足特定的选择定则 。 核安全综合知识l 原子的壳层结构（3） 单选题例：原子的核外电子称为（B）。A 自由电子，B 轨道电子，C 俄歇电子，D 康普顿电子 。 多选题例：电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层，其中各层最多可容纳的电子数分别是(BCE)。A K层1个，B K层2个，C L层8个， D M层10个，E M层18个。核安全综合知识l 原子核的组成及其稳定性（1）知识要点：核的组成、核素/同位素/同质异能素、核的稳定性 1932年查德威克发现中子，海森堡提出原子核由质子和中子组成的假设 。中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。 中子和质子的质量相差甚微，它们的质量分别为：mn=1.00866492u，mp=1.00727646u，u为原子质量单位。1960年国际上规定把碳-12(12C)原子质量的1/12定义为原子质量单位，用u表示， 1u=1.66054020.0000010x10-27kg=931.494013MeV/c2 。 任何一个原子核都可以由符号AZXN表示，N是中子数，Z是质子数或电荷数，A是核子数或质量数，X是该原子核对应的元素符号。只要元素符号X确定后，该元素的电荷数就已经确定，所以符号AX足以表示一个特定的核。 中子数和质子数都相同的原子核称为一种核素。具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。16O,17O,18O的天然丰度比是：99.756%、0.039%、0.205%。寿命较长的激发态原子核称为基态原子核的同质异能素或同核异能素。同质异能素所处的能态又称同质异能态，如：87mSr，87Sr。 核安全综合知识l 原子核的组成及其稳定性（2） 根据原子核的稳定性，可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在密切的关系。 核素图必须是一个含有N-Z数的两维图。在现代核素图上，既包括了天然存在的332个核素(其中280多个是稳定核素)，也包括了自1934年以来人工制造的1600多个放射性核素，一共约2000个核素。 在稳定核素分布图上，相同中子数N的核素是同中异荷素；在N和Z轴截距相等的直线上的核素是同量异位素。在Z0。 m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) ，其中 m（Z,A）为电荷数为Z、质量数为A的原子核的质量 。 既然原子核的质量亏损m（Z,A）0 ，由质能关系式，那么相应能量的减少就是 E=mc2 0 。这表明核子结合成原子核时，会释放出能量，这个能量称之为结合能。 一个中子和一个质子组成氘核时，会释放一部分能量2.225MeV, 这就是氘的结合能。它已为精确的实验测量所证明。实验还证实了它的逆过程：当有能量为2.225MeV的光子照射氘核时, 氘核将一分为两, 飞出质子和中子。 核安全综合知识l 原子核的结合能（2） 结合能: B(Z,A)= mc2 比结合能:(Z,A)= B(Z,A)/A= mc2/A 比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子所做的最小的平均功，或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。 比结合能表征了原子核结合的松紧程度。比结合能大，原子核结合紧，稳定性高；比结合能小，结合松，稳定性差。 核安全综合知识l 原子核的结合能（3） 当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松的核变到结合得紧的核，就会释放能量。 从比结合能曲线可以看出,有两个途径可以获得能量：l 重核裂变，即一个重核分裂成两个中等质量的核；l 轻核聚变，即两个轻核融合为一个较重质量的核。 人们依靠重核裂变的原理制造出原子反应堆与原子 弹，依靠轻核聚变的原理制造出氢弹和人们正在探索的可控聚变反应。 所谓原子能，主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量。 核安全综合知识l 原子核的结合能（4） 核安全综合知识l 原子核的结合能（5） 单选题例：l 一个质子和一个中子结合成氘原子核时，会（B）的能量。 A 吸收2.225MeV，B 释放出2.225MeV， C 吸收14.1MeV，释放出17.6MeVl 在原子核的质量亏损算式中，m(Z, A)为的原子核的（B）。 A 核子数，B 核质量, C 中子数，D 原子序数l 组成氘核的质子和中子质量之和（C）氘核的质量。 A小于, B 等于，C 大于，D 等于两个l E=mc2称为(A)定律。 A 质能联系, B 万有引力，C 宇称守恒，D 库仑 多选题例： 原子能是指原子核结合能发生变化时释放的能量，原子能利用的实例有（ABC）。 A 核反应堆，B 原子弹，C 氢弹，D 激光器，E 氢气复合器核安全综合知识1.2 原子核的放射性知识要点 ： 原子核的衰变与放射性核素 放射性衰变的基本规律 放射系 放射规律的应用 核安全综合知识l 原子核的衰变与放射性核素（1）知识要点：放射性核素、核衰变、衰变纲图 不稳定核素是指其原子核会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射，它又称为放射性原子核 。 在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称为原子核的衰变，核衰变有多种形式，如衰变，衰变，衰变，还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。不稳定原子核会自发地发生衰变。 可以根据衰变纲图和同位素表提供的资料，选取有用的数据。衰变纲图中粗实横划线的态代表原子核基态，细实横划线的态代表原子核的激发态，箭头向左表示原子序数减少，向右表示增加。箭头线上标示了放射粒子的类型及其动能或者动能最大值，图中百分数代表该种衰变所占的比例（又叫分支比）。 核安全综合知识l 原子核的衰变与放射性核素（2）核安全综合知识l 原子核的衰变与放射性核素（3） 单选题例： l 在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称原子 核的（A ） A 衰变 ，B 诱发裂变 ，C 聚变，D 散裂。 l 会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随发射一些粒子或碎片的原子核是(B) A 散射靶核，B 放射性原子核，C 裂变核，D 散裂核 多选题例： 原子核衰变有多种形式，如（ABCDE ）。 A 衰变，B 衰变，C 衰变， D 自发裂变, E 发射质子的蜕变 核安全综合知识l 放射性衰变的基本规律（1）知识要点：指数衰变规律、衰变常数/半衰期/平均寿命、放射性活度 实验表明，任何放射性物质在单独存在时都服从相同的指数衰减规律。指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变，而且对于同时存在分支衰变的过程，指数衰减规律也是适用的，这是一个普遍的规律。 指数衰减规律: N(t)=N0e-t 对各种不同的核素来说，它们衰变的快慢又各不相同，这反映在它们的衰变常数（或半衰期/平均寿命）各不相同，所以衰变常数又反映了它们的个性。 应该指出，放射性指数衰减规律是一种统计规律，它是由大量的全同原子核参与衰变而得到的。对于单个原子核的衰变，只能说它具有一定的衰变概率，而不能确切地确定它何时发生衰变。 实验发现，用加压、加热、加电磁场、机械运动等物理或化学手段不能改变指数衰减规律，也不能改变其衰变常数。这表明，放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的 。 核安全综合知识l 放射性衰变的基本规律（2） 衰变常数是单位时间内（单一放射性物质）一个原子核发生衰变的概率，其单位为时间的倒数：s-1，min-1，h-1，d-1，a-1等。 衰变常数表征该放射性核素衰变的快慢，越大，衰变越快；越小，衰变越慢。实验指出，每种放射性核素都有确定的衰变常数，衰变常数的大小与这种核素如何形成的或何时形成的都无关。 如果一种核素同时有几种衰变模式，如图1-5(b)中137Cs有两种衰变，还有一些放射性同位素同时放射和粒子等，则这核素的总衰常数是各个分支衰变常数之和，即 ：=雐 定义分支比Ri为第个分支衰变在总衰变中所占的比例 ，即 : Ri=i/=i/i 核安全综合知识l 放射性衰变的基本规律（3） 放射性核素衰变掉一半所需要的时间，叫做该放射性核素的半衰期 T1/2，单位为s，min，h，d，a等。根据指数衰变规律，可得： T1/2=ln2/=0.693/ 还可以用平均寿命来量度衰变的快慢， 简称寿命。 =tN(t)dt /N0=1/=1.44T1/2 平均寿命是半衰期的1.44倍。放射性核素的平均寿命表示经过时间以后，剩下的核素数目约为原来的37%。 一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度，通常用符号A表示。 如果一个放射源在t时刻含有N(t)个放射性原子核，放射源核素的衰变常数为 ，则这个放射源的放射性活度为 A(t)=-dN(t)/dt= N(t)=A(0)e-t 上式可见，一个放射源的放射性活度也应随时间增加而指数地衰减 。 核安全综合知识l 放射性衰变的基本规律（4） 历史上放射性活度采用居里(Ci)为单位。1950年，为了统一起见，国际上共同规定：一个放射源每秒钟有3.71010次核衰变定义为一个居里，即： 1Ci=3.71010s-1 更小的单位有毫居里(1mCi=10-3Ci)和微居里(1mCi=10-6Ci)。在1975年国际计量大会(General Conference on Weights and Measures)上，规定了放射性活度的SI单位叫Bq(贝克勒尔)，1Bq=1s-1 放射性活度仅仅指单位时间内原子核衰变的数目，而不是指在衰变过程中放射出的粒子数目。 在实际工作中还经常用到“比放射性活度”或“比活度”的概念。比放射性活度就是单位质量放射源的放射性活度，即： a=A/m，式中m为放射源的质量，比放射性活度的单位为Bq/g 衡量一个放射源或放射性样品的放射性的强弱的物理量，除放射性活度外，还常用“衰变率”这一概念。设t时刻放射性样品中，某一放射性核素的原子核数为N(t)，该放射性核素的衰变常数为 ，我们把这个放射源在单位时间内发生衰变的核的数目称为衰变率J(t) ，则J(t)=N(t)。 核安全综合知识l 放射性衰变的基本规律（5） 单选题例：l 1微居里等于（A）Bq。 A 3.7x104，B 3.7x107，C 3.7x1010，D 3.7x1012 l 平均寿命是半衰期（C）倍 。 A 0.5，B 0.693， C 1.44，D 2 l 的单位或量纲为（B）。 A 时间，B 时间的倒数，C 长度，D 长度的倒数 多选题例：l （ABCDE）等手段不能改变放射性核素的衰变常数。 A 加压，B 加热，C 加电磁场，D 机械运动，E 化学反应 l 表征该放射性核素衰变的快慢的参数是（ACD）。 A 衰变常数，B 射线能量，C 平均寿命， D 半衰期，E 平均自由程 核安全综合知识l 放射系（1）知识要点：天然存在的钍系、铀系、锕系及人造镎系 地球年龄约为10亿年(即109年)。目前还能存在于地球上的放射性核素都只能维系在三个处于长期平衡状态的放射系中。这些放射系的第一个核素的半衰期都很长，和地球的年龄相近或比它更长。 如钍系(4n)的,半衰期为1.411010a；钍系从232Th开始，经过连续10次衰变，最后到达稳定核素208Pb。由于的质量数=232=458，是4的整倍数，故称4n系。 铀系(4n+2)的，半衰期为4.47109a；铀系由238U开始, 经过14次连续衰变而到达稳定核素206Pb 。该系的核素，其质量数皆为4n+2，故称4n+2 系 锕-铀系(4n+3)的，其半衰期为7.04108a；锕-铀系是从开始的，经过11次连续衰变，到达稳定核素207Pb 。该系核素的质量数可表示为4n+3系。 虽然在三个放射系中的其他核素，在单独存在时，衰变都较快，但它们维系在长期平衡体系内时，都按第一个核素的半衰期衰变，因此可保存至今。 在天然存在的放射系中，缺少了4n+1系。后来，由人工方法才发现了这一放射系，以其中半衰期最长的（镎）命名，称为镎系。237Np的半衰期为 2.14106a。 核安全综合知识l 放射系（2） 单选题例：l 锕铀放射系又称为（D）系。 A 4n，B 4n+1，C 4n+2，D 4n+3l 由人工方法发现的4n+1放射系称为镎系，其中半衰期最长核素237Np的半衰期为 (A)。 A 2.14106a, B 7.04108a , C 4.47109a , D 1.411010a 多选题例：l 地球上的原生放射性核素都只能维系在处于长期平衡状态的（ACD）放射系中 。 A锕-铀系，B 镎系，C 铀系，D 钍系，E 钚系 核安全综合知识l 放射规律的应用（1）知识要点：放射源活度的确定、确定人工放射性制备时间 放射源活度的确定: A(t) =N(t), N(t)=M x NA/A NA=6.022x1023mol-1, A是放射源物质的质量数。 在人工制备放射源时，如果反应堆中的中子注量率或加速器中带电粒子束流强是恒定的，则制备的人工放射性核素的产生率是恒定的，而放射性核素同时又在衰变，因此它的数目变化率为N(t)=P(1-e-t)/, P=Nt0 。式中Nt为样品中被用于制备放射源的靶核的总数，而且认为在辐照过程中保持恒定； 0为靶核的热中子截面； 为热中子的注量率 人工生成的放射性核数呈指数增长，要达到饱和值，必须经过相当长的时间。需要半衰期的六七倍时间，即可得到放射性活度为的99%的放射源。如果再延长时间，也只增加其中的1%而已，这是不合算的。 单选题例：l 辐照生产放射性核数一般只需要照射半衰期的（C）倍时间，即可得到放射性活度为的99%的放射源。 A 1-2，B 3-4，C 6-7，D 9-10 核安全综合知识1.3 射线及其与物质相互作用知识要点 ： 常用的核辐射类型及特征 射线与物质相互作用 辐射探测的原理和主要的辐射探测器 核安全综合知识l 常用的核辐射类型及特征（1）知识要点：、射线及中子 辐射的定义是指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（如声辐射、热辐射、电磁辐射、粒子辐射等）的统称。 物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做原子辐射；不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。通常论及的“辐射”概念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射。这种狭义的“辐射”又称“射线”。 核辐射粒子就其荷电性质可以分为带电粒子和非带电粒子；就其质量而言，可以分为轻粒子和重粒子；以及处于不同能区的电磁辐射。主要有辐射、 辐射、 辐射和中子辐射等。 核安全综合知识l 常用的核辐射类型及特征（2） 射线通常也称粒子，它是氦的原子核，由两个质子和两个中子组成；核电荷数为+2，质量为4。 粒子以符号42He表示。天然的粒子来源于较重原子核的自发衰变，叫做衰变。 衰变过程： AZX A-4Z-2Y + 42He； X、Y分别为母核和子核。 原子核发射出的射线有两类：-和+射线。 -射线就是通常的电子，带有一个单位的负电荷，以符号e或e-表示，负电子是稳定的。 +射线就是正电子，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，其质量约为质子质量的1/1846。 核安全综合知识l 常用的核辐射类型及特征（3） 粒子来源于原子核的衰变，衰变有三种类型： -衰变、 +衰变和轨道电子俘获EC。 -衰变、 +衰变中发射的电子或正电子的能量是连续的，从0到极大值E,max都有，图1-7表示了- 衰变中发射电子能量分布，对应某核素的电子的最大动能E,max是确定的。 X射线和射线都是一定能量范围的电磁辐射，又称光子辐射。光子静止质量为0，不带任何电荷。单个光子的能量与辐射的频率n成正比，即, E=h n，h为普朗克常数，它的数值等于6.62610-34Js。 每一个光子的能量都是确定的，任何光子在真空中的速度都是相同的，即为光速C(3108m/s)。 X射线和射线的唯一区别是起源不同。从原子来说X射线来源于核外电子的跃迁, 而射线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。 核安全综合知识l 常用的核辐射类型及特征（4） 中子是原子核组成成份之一，它不带电荷，质量数为1，比质子略重。自由中子是不稳定的，它可以自发地发生衰变，生成质子、电子和反中微子，其半衰期为10.6分 。 中子的产生主要是通过核反应或原子核自发裂变，基本上有三种方法：（1） 同位素中子源；（2）加速器中子源；（3）反应堆中子源 。 在用中子源产生中子时往往伴有射线或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g射线或X射线。 中子在核科学的发展中起过极其重要的作用。中子不带电，当用它轰击原子核时容易进入原子核内部引起核反应。人们用核反应制造出了许多新的核素。随着中子活化分析、中子测水分、中子测井探矿、中子照相、中子辐射育种和中子治癌等技术广泛的应用，对中子的需求越来越多 。 核安全综合知识l 常用的核辐射类型及特征（5） 单选题例：l 受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做（A）。 A 原子辐射，B 原子核辐射，C 核辐射，D 热辐射l 电子的静止质量约为质子质量的（A）。 A 1/1846，B 4倍，C 12倍，D 1846倍 l -射线是带有一个单位 (A)电子。 A负电荷的负，B正电荷的负，C 正电荷的正，D 负电荷的正 多选题例：l 常见核辐射包括（ABCD）。 A 辐射，B 辐射，C 辐射，D 中子辐射， E 受激原子退激时发射的X射线l 衰变包括（BCE）。 A 韧致辐射，B +衰变，C -衰变，D 光电效应， E 轨道电子俘获l 产生中子的基本方法有（ABC） A 同位素中子源，B 加速器中子源，C 反应堆中子源， D 核磁共振，E 电加热 核安全综合知识l 射线与物质相互作用（1）知识要点：带电粒子、射线、中子与物质相互作用 带电粒子通过物质时，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：其中一种主要的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带电粒子使原子电离或激发。 能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射通常叫做电离辐射。 带电粒子能量损失方式之一是电离损失，包括直接电离和原子激发。 带电粒子与物质原子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。我们把这种相互作用引起的能量损失称为电离损失。 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叫做电离能量损失率。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，由于这种阻止主要是电子引起的，所以又叫做电子阻止本领。 核安全综合知识l 射线与物质相互作用（2） 由于带电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。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚，那么这个电子就脱离原子成为自由电子；而靶原子由于失去电子而变成带正电荷的正离子，这一过程称为电离。 如果入射带电粒子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，只是使电子从低能级状态跃迁到高能级状态（原子处于激发态），这种过程叫原子的激发。 处于激发态的原子是不稳定的，原子从激发态跃迁回到基态，这种过程叫做原子退激，释放出来的能量以光子形式发射出来，这就是受激原子的发光现象 。 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；电离能量损失率与入射粒子电荷数平方成正比，入射粒子电荷数越多，能量损失率就越大；电离能量损失率与介质的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。 核安全综合知识l 射线与物质相互作用（3） 每产生一个离子对所需的平均能量叫做平均电离能，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a粒子在同一物质中的平均电离能近似为一常数 。 带电粒子能量损失方式之二是辐射损失。由经典电磁理论可知，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，通常称做轫致辐射，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。电子的轫致辐射能量损失率比质子、a粒子等大得多。例如在速度相同的条件下，质子的轫致辐射比 电子要小18402=3.4106倍。所以对重带电粒子的轫致辐射能量损失一般忽略不计。由于轫致辐射损失与成正比，因此，在原子序数大的物质(如铅, Z=82)中，其轫致辐射能量损失比原子序数小(如铝Z=13)的物质中大得多 。 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中的射程（Range）；入射粒子在物质中行经的实际轨迹的长度称作路程（Path）。对重带电粒子（如粒子）由于其质量大，与物质原子的核外电子作用时，运动方向几乎不变，因此，其射程与路程相近 。 核安全综合知识l 射线与物质相互作用（4） 5.3MeV的a粒子在标准状态空气中的平均射程3.84cm，同样能量的a粒子在生物肌肉组织中的射程仅为30-40mm，人体皮肤的角质层就可把它挡住。因而绝大多数a辐射源不存在外照射危害问题。但是当它进入体内时，由于它的射程短和高的电离本领，会造成集中在辐射源附近的损伤，所以要特别注意防止a粒子进入体内。 对b粒子，其射程要大得多。当b粒子通过物质时，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。加上b粒子具有从零到某一最高值的连续能量。所以，对应于粒子的最大能量仅存在相应于b粒子在该物质中的最大射程原子核b+衰变会有正电子产生，快速运动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、轫致辐射损失和弹性散射。 原子核b+衰变会有正电子产生，快速运动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、轫致辐射损失和弹性散射。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，但自由正电子是不稳定的。正电子与介质中的电子碰撞会发生湮灭过程： e- + e+(0.511MeV)+(0.511MeV)因此，快速运动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0.511Me的g湮灭辐射，在防护上还要注意对g射线的防护 。 核安全综合知识l 射线与物质相互作用（5） 能量在几十keV和几十MeV的g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等三种作用过程。这三种效应的发生都具有一定的概率。g射线与物质作用的总截面s= sph+ sc + sp 。 当g光子通过物质时，与物质原子中束缚电子发生作用，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 ，光电效应中发射出来的电子叫光电子 。 在光电效应中，入射光子能量的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越大。因此，K壳层上打出光电子的概率最大，L层次之，M、N层更次之。如果入射光子能量超过K层电子结合能，大约80%的光电效应发生在K层电子上 。 发生光电效应时，若从原子内壳层上打出电子，在此壳层上就留下空位，原子处于激发态。这种激发态是不稳定的，有两种退激方式；一种是外壳层电子向内层跃迁填充空位，发射特征X射线，使原子恢复到较低能量状态；另一过程是原子的退激直接将能量传递给外壳层中某一电子，使它从原子中发射出来，这个电子叫做俄歇电子。因此，发射光电子的同时，还伴随有特征X射线或俄歇电子产生，这些粒子将继续与物质作用，转移它们的能量 。 核安全综合知识l 射线与物质相互作用（6） 入射g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，这一过程叫康普顿散射或效应。h和h分别为入射光子和散射光子的能量；为散射光子和入射光子间的夹角 ，称做散射角，为反冲电子的反冲角 。反冲电子具有一定动能，等于入射g光子和散射g子光子能量之差。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或康普