辐射防护基础物理知识（1）

辐射防护基础物理知识 第一节放射性的发现 从我们生活所在的地球形成那天开始,在这个星球上就存在着多种放射性物质。各种生物就是在这些放射性物质发出的电离辐射照射下发生和演变的,人类也是在这样一种环境下从猿进化为人的。尽管从类已经由原始社会进化到文明社会,但是直到19世纪末,人类对其周围物质的放射性质仍一无所知,因为人类的感觉器官対放射性无法感知,看不见,摸不着,也没有发现它对生物体和人类的发育成长有什么不利的影响。一、X射线的发现 1895年,伦琴在研究阴极射线产生的荧光现象时,发现了 X射线。这种射线具有贯穿能力,可以穿透一些不透光的物质。以后又发现,这种射线能使空气导电,即具有使物质电离的能力。伦琴的发现使人类第一次认识到电离辐射,并很快把这种辐射用于医学上的诊断和治疗。曲于伦琴这一伟大贡献,在很长一段时间内人们曾用“伦琴”这一名字作为X和γ射线照射量的单位。二、放射性的发现 就在伦琴发现X射线的第二年,1896年贝可勒尔发现了铀的放射性。通过一些试验,认识到铀盐无需阳光照射自身会发射一种射线,这排射线同样可以使空气电离,使胶片感光。但是,它和X射线不一样,不是阴极射线打到靶物质上发出的,而是从一种物质,即从铀中发出的。这是人类第一次发现物质的放射性。为了纪念贝可勒尔这一伟大贡献,人们今天用“贝可勒尔”这一名字作为放射性物质活度的单位。在此以后的几年里,人们又先后发现了其他重元素,如钍、钚、镭、锕等都具有放射性,都能发出射线。物质放射性的发现使人们进入一个新的时代,一切近代物理和核能的开发,都是在它的基础上建立起来的。三、原子内部结构的发现 电离辐射的发现使人们对于原子结构的认识进入一个新的时代。1906年卢瑟福发现,α射线穿透薄的金属片时,有被散射的现象。在以后的几年里,他又和盖革、马斯登一起试验,发现α粒子在穿透金属时,大约有两万分之一的α粒子的散射角大于90°,即向后方散射。根据这些试验,1911年卢瑟福提出了一个原子结构的新模型。卢瑟福认为,原子内部象一个太阳系,原子核带正电,像太阳那样位于太阳系的中心,而电子则像行星一样在自己的轨道上绕原子核飞行。 第二节原子与原子核一、原子结构简述 自然界中的各种物质,在一定的条件下,一种物质可以转变成另一种物质。物质是可分的,一种物质的最小单元就叫做物质的分子。分子是有原子组成的,原子是元素的最小单元。在自然界中天然存在的元素有93种,加上人工制造的元素,截至目前已报道的也不过107种,这些元素的不同组合就构成了各种物质的分子。每种元素在元素周期表中都占有一位置,并且有一个序号,如氢(H)元素的序号是1,氨(He)、碳(C)、铅Pb、铀(U)的序号分别为2、6、82、92。元素的原子序数,通常用Z表示。原子是非常微小的,但是它仍然具有很复杂的结构。原子直径的数量级为10-¹⁰m_o原子的质量很小,氢原子的质量为1.6736X10^-27kg,氧原子的质量为2.656X10⁻²⁰ kg,自然界中最重的铀原子的质量也只有氢原子的238倍。原子核中所含的质子数及中子数之和称为该原子核的质量数。如天然氖气中有90.5%的氖核的质量数为20,有9.2%的氖核的质量数为22,还有少量氖核的质量数是21_o天然氢中有99. 985%的氢核的质量数是1,还有少量氢核的质量数是2。这些质量数不同的同一种元素的原子,在元素周期表中占有同一位置,称为同位素,绝大多数元素都有两种或两种以上的同位素。目前,人们仅发现了 107种元素,而核素(包括人工核素)有将近两千种。三、原子核的基础知识原子是由原子核和核外电子所组成,原子核带正电荷。原子核的质量远远超过核外电子的总质量,因此原子的质量中心和原子核的质量中心非常接近,我们可以近似的认为电子绕核而转动,原子核是原子的中心体。(一)原子核的电荷、质量、半径1、原子核的电荷 电荷数是原子核的重要特征之一。整个原子是中性的,而核外电子带负电,因此原子核所带电荷必然与核外电子的总电荷数值相等而符号相反。在核物理中,常把电子的电量e作为电荷的基本单位,因此原子序数Z称为原子核的电荷数。它是原子核的重要参数之一。例如原子核所形成的库仑场的大小与核电荷数Z有着密切的关系。到目前为止,人类已发现的元素其核电荷数Z是从1至107,其中Z为43、61及Z>94的元素都是用人工方法制造的,它们在地壳中已不复存在了 ;而Z为85、87、93和94的元素,开始是用人工方法获得的,后来在自然界中也发现有极小的存量。Z>92的元素叫做超铀元素。2.原子核的质量原子核的另一个性质是它的质量。原子核的体积很小,但几乎集中了原子的全部质量。由于利用一般的实验方法测出的都是原子的质量,因此有关原子核数据的图表上,通常给出的不是原子核的质量而是原子的质量。所有原子核的质量与12C原子质量的1/12相比都非常接近于一个整数,用符号A表示,A称为原子质量数或核质量数。3.原子核的半径 原子和原子核不像宏观物体有一个明显的界面,所谓原子的大小实质是指核外电子云分布的范围。实验证明原子半径的数量级约为10^-10m。原子核是接近于球形的,所以通常用核半径来表示原子核的大小。所谓核半径一般是指核力的作用范围或核内电荷分布的范围,而不是几何半径。(二)原子核的组成 原子核由带正电荷的质子和中性粒子中子组成。原子序数为Z质量数为A的原子核,是由Z个质子和N = A-Z个中子所组成。Z和N分别称为原子核的质子数和中子数。我们把构成原子核的质子和中子统称为核子。在这里原子核的质量数A等于核内的核子数,而原子序数Z等于核内质子数即核电荷数。因此原子核所带正电荷就是核内质子所带的总电荷。基于原子核的中子一质子模型,我们可以把核质量数为A,质子数为Z,中子数为N的某种原子核或原子,通常标记为^AzX,X为元素代号。例如氢核、氦核和氧核分别用¹1H、⁴2He、用¹⁶8O表示。在实际应用中,有时只在元素符号的左上角标明核质量数A,例如²³⁹pu表示钚的质量数是239。