核安全综合知识第一章原子核物理基础

核安全综合知识,注册核安全工程师考试培训 2010年8月,核安全综合知识,第一章 原子核物理基础 考试要求 熟悉原子结构的知识 熟悉放射性的概念、衰变及其规律 熟悉射线及其与物质的相互作用 掌握核反应的类型 了解核裂变及其裂变反应的知识,核安全综合知识,第一章的考试要求： 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,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了，即原子由原子核和核外电子组成的假设。核外电子的运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核成了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，但也是互相关联又泾渭分明的两个层次。,核安全综合知识,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。原子核的线度只有几十飞米(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,原子和原子核（3） 单选题例： 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： 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,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，这是微观世界的量子特性的一种表现。电子轨道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，在他的外面依次为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。 出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,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，；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=|l±1/2|。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层空位式发射的特征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,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,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=1.6605402±0.0000010x10-27kg=931.494013MeV/c2 。 任何一个原子核都可以由符号AZXN表示，N是核内中子数，Z是核内质子数或电荷数，A是核内的核子数或核的质量数，X是该原子核对应的元素符号。事实上，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,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Z20的轻核时，稳定核位于N=Z的直线附近;Z为中等核时，稳定核位于N/Z1.4的位置；Z90的重核，稳定核位于N/Z1.6的位置。 在稳定核素分布图上，相对于稳定曲线而言，中子数过多或偏少都是不稳定的。位于稳定曲线偏N增大的区域的核素是丰中子核素，易发生-衰变，位于稳定曲线偏Z增大的区域的核素是缺中子核素，易发生+衰变。,核安全综合知识,原子核的组成及其稳定性（3）,核安全综合知识,原子核的组成及其稳定性（4） 由于库仑力是长程相互作用力，它能作用于核内的所有质子；而核力是短程力，只作用与相邻的核子。随Z（A）的增加，稳定核的中子数比质子数越来越多，越来越偏离Z=N的直线。当Z大到一定程度，稳定核素不复存在。 当原子核的中子数或质子数为2，8，20，28，50，82和中子数为126时，原子核特别稳定。上述数目称为“幻数”，核内中子或质子满足幻数条件的原子核称为“幻核”。 。 原子核的稳定性还与核内质子和中子的奇偶性有关，自然界存在的稳定核素共270多种，若包括半衰期109年以上的核素则为284种，其中偶偶(e-e)核166种，偶奇(e-o)核56种，奇偶(o-e)核53种，奇奇(o-o)核9种 。,核安全综合知识,原子核的组成及其稳定性（5） 单选题例： -天然存在的核素的个数为（B） A 280, B 332, C 1600， D 2000。 -Z为90左右的重核，稳定核的中子和质子的比例约为（C） A 0.8, B 1.0, C 1.6，D 1.8。 -丰中子不稳定核素，易发生（A）。 A -衰变, B +衰变, C 轨道电子俘获，E 光合作用 多选题例： - 幻核的质子数或中子数为（ABCD）。 A 2, B 8, C 20, D 28, E 92 - 若半衰期109年以上的核素被认为是稳定核素，那么自然界存在的稳定核素中有(ABCD)。 A 偶偶(e-e)核166种, B偶奇(e-o)核56种, C 奇偶(o-e)核53种， D 奇奇(o-o)核9种, E 半衰期109年以上的核素284种,核安全综合知识,原子核的大小（1） 知识要点：核的核力半径、电荷半径、核物质密度 最早研究原子核的大小是卢瑟福和查德威克。他们用质子或粒子去轰击各种原子核。根据这一方法，发现轻原子核的的半径遵从如下的规律：R=r0A1/3，r0=1.2fm。 单位体积内的核子数称为原子核的密度，其值等于常数, 表明只要核子结合成原子核, 其密度都是相同的，这就形成核物质的概念。在每立厘米体积中竟有近3亿吨(2.3亿吨）的核物质。 其后，出现了许多其他更精确的测量方法。如用中子衍射截面测量原子核的大小（核力半径）；用高能电子散射测量原子核的大小及电荷形状因子（电荷分布半径）等等。并依据所采用的方法，分别给出电荷半径或核力半径。 原子核半径R与A1/3成正比, 而其比例常数r0的最近数据为: r0=（1.2±0.3）fm，电荷分布半径； r0=（1.4±0.1）fm，核力半径。,核安全综合知识,原子核的大小（2） 单选题例： -核物质的密度约为（D）t/cm3。 A 3万, B 3百万，C 3千万, D 3亿 。 -原子核半径的范围约为(D) A 1-10 mm, B 1-10 m, C 1-10 nm, D 1-10fm 多选题例： 测量原子核电荷半径或核力半径的主要方法包括(ABCD) A 中子衍射, B 高能电子散射, C 粒子散射， D 质子散射， E 紫外线成像。,核安全综合知识,原子核的结合能（1） 知识要点：质能联系定律、质量亏损、核的结合能与比结合能 E=mc2称为质能关系式， 也就是质能联系定律 。 原子核的质量亏损为组成原子核的个质子和个中子的质量与该原子核的质量之差。从原子核的质量亏损的定义可以明确的看出，所有的核都存在质量亏损，即m（Z,A）0。 m（Z,A）=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A) ，其中 m（Z,A）为电荷数为、质量数为的原子核的质量 。 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,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,原子核的