高等学校试用教材 核辐射防护基础 王同生张秀儒刘忠文编
前言 本书是为高等学校核化学工程专业而编写的一本试用教 材。全书共分九章。本书重点介绍了原子核物理和辐射测量 的基础知识;同时介绍了剂量学的基本概念、剂量测量的基 本原理和辐射防护标准等内容,根据本专业的{要,还介绍 了天然铀生产中的核辐射防护。本节的讲课学时数为50左 右 本书可供未系统地学过核物理及射线探测技术课程的高 等学校学生阅读,也可供从事核然料、放射性同位素应用及 环境保护工作的科技人员参考。 书中第一、二、三、四章由张秀编写,第五、六、七、 九章由刘忠文编写,第八章由王同生编写。 本书蒙潘自强、姜希文两位同志审校;在编写本书过程 中,中国科学院原子能研究所、国营二七二厂、二六一厂 二六二厂、二六三厂、二O二厂、华东电子管厂和上海电子 管厂等单位的一些同志提供了有关资料并提出了宝贵意见; 轻工业部设计院的一些同志为本书绘制了插图,编者在此谨 向他们一并致谢。 由于编者水平所展,书中缺点和错误在所难免,敬请读 者指正。 编者 1982年6月
录 第一章原子与原子核的基本概念… ……………………1 1.1原子的结构……………………………1 r.2原子核的结构… 1.3原子核的稳定性…………………14 第二章放射性… 2.1放射性的发现……… 2.2自发核跃迁的主要类型…………………18 2.3原子核的能级与衰变图… 26 24放射性衰变规律… “a29 2.5放射性活度及其单位……… 2.6天然放射系…………………………………4 第三章射线与物质的相互作用 中d·面自面mm1 3.1a射线与物质的相互作用………………………155 32射线与物质的相互作用…………………63 3.3y射线与物质的相互作用………………72 3.4a、Bγ射线的相对危害性………8 35中子及其与物质的相互作用…………………89 第四章放射性测量……………………101 41射线探测概述………………………101 4.2气体电离探测器……… …102 4.3闪烁探测器…………… ………124 44半导体探测器… …………………137 4.5放射性活度测量………150
4.6放射性测量中的统计误差………… ……163 第五章剂量及其单位………………………181 5.1照射量及其单位 节节告4日自自自中中中争 …182 52吸收剂量及其单位……………184 53剂量当量及其单位………………………………186 54照射量和吸收剂量的测量…………189 55吸收剂量和照射量的换算………… 197 第六章射线对人体的影响 ……………201 61射线对人体的作用…………………202 62急性放射损伤…………………… …………205 6.3远后效应………208 64本底辐射与医疗照射……214 第七章辐射防护标准…………………………22l 71发展简史… ………221 7.2ICRP的新建议……………………………224 73最大容许身体负荷量和最大容许浓度的计算…237 74我国现行的辐射防护标准……………249 第八章天然铀生产、加工中的辐射安全与防护 鲁 8.1铀的分布及放射性 …253 82铀的物理、化学性质……255 8.3轴的壽性及最大容许浓度……………256 8.4天然铀生产、加工中的辐射防护………………262 第九章辐射防护方法与剂监测………280 9.1辐射防护方法 92个人剂量监测…………………295 93工作场所的监测………………"…1
第一章原子与原子核的 基本概念 1.1原子的结构 原子是保持元素化学性质的最小粒子。俄国化学家门捷 列夫(互.M. Melene)1869年所发现的元素周期律, 指出了各种元素的性质随原子量的增加而呈周期性地变化。 这一律是建立原子结构理论的重要基础。 1897年汤姆逊(J.J. Thomson)发现了电子。接着 些科学家逐渐确定了电子的各种基本特性,并确立了电子 是各种元素的原子的共同组成部分。既然一切原子中都有带 负电的电子,那么原子中就必然有带正电的物质。因此,在 研究原子结构中,首先要解决的问题就是原子中带正电的物 质以及电子在原子中如何分布的问题。 1.原子的有核模型 20世纪初,许多科学家对原子结构曾提出过各种假设 模型。 1903年汤姆逊提出:原子中的正电荷以均匀的体密度 分布在一个大小等于整个原子的球体内,而带负电的电子则 粒粒地在球内不同位置上分布着。这些电子能在它们的平 衡位置上作简谐振动。这种原子模型称为汤姆逊原子模型
其示意图如图1.1所示。 电子 Q O: ⊙ 正电荷 图1、1汤姆逊崸子模开 这个模型由于同一些实验结果,例如卢瑟福(E.Ru ther ford)做的a粒子在金属箔上的散射实验结果相矛盾, 所以很快就被放弃了。 1911年卢瑟福根据实验结果提出了原子的核式模型 c 309 =90° 图1.2卢瑟福散射实验
a粒子是从某些放射性核素中发射出来的高速带电粒 子,它的质量比电子的质量大7300多倍,它带两个单位的 正电荷。卢瑟福用a粒子去轰击金属箔时,穿过金属箔的a 粒子由于受金属原子内正电荷的作用而偏离了原来的运动方 向,即发生了散射。卢瑟福散射实验如图1.2 a源为发射a粒子的放射源,发射出来的a粒子经一细 的孔道后,近似成一乎行束,然后打在金属箔F上。S为用 硫化锌制成的荧光屏,a粒子打在上面时它可以发生闪光, 用闪光显微镜M观察闪光,M及S可以在圆弧上移动,从 而实现对向各个方向散射的a粒子的观察。 重原子 薄箔 图13a粒子在金属箔上被原子核散射示意图 ①-a粒子通过金属笔时未发生偏转或小角度偏转(大多数 α粒子偏转情况如此); ②,③,⑤,⑥一a粒子比较接近原子核时,受到不同程度的偏 ④-a粒子几乎与金属箔中原子核发生对头碰撞时被反向散射 回来
卢瑟福发现;大多数a粒子经过金属箔F后散射角0不 大,平均为2°-3°。但有少数a粒子的散射角8>90°,个别 a粒子的散射角甚至接近180°,即a粒子从相反方向被弹回 来。由于a粒子质最比电子的大7300多倍,它与金属原子 中电子碰撞时不可能产生大角度偏转而在汤姆逊原子模型 中,正电荷均勾地分布在原子中,当a粒子通过原子时,与a 粒子作用的有效电荷很少,所以也不可能使a粒子产生大角 散射。因此,从a粒子散射实验得出的结论是:原子内的正 电荷应当集中在一起,构成一个核心即原子核。当a粒子射 向这种几乎是点电荷的原子核时,才有可能产生大角散射, 这种散射过程如图1.3所示。 根据这一实验结果,卢瑟福提出了原子的核式模型。他 在核式模型中提出:原子中央是带正电的原子核,电子在核 外围绕核运动由于电子质量很小(m=9.10953×10kg), 所以原子的质量基本上集中于原子核。1913年盖革(H Geiger)和马斯顿(E. Marsden)进一步指出,某元素原 子核的正电荷数等于门捷列夫周期表中该元素的原子序数。 2.玻尔假设与原子能级 卢瑟福所提出的原子的核式模型,虽然肯定了核的存在, 对原子物理学的发展起了重大作用,但这个模型仍然是粗糙 的,没有说明原子核外边的电子情况,而且与经典电动力学 理论相矛盾。按照经典电动力学理论,围绕原子核运动的电 子必定要有加速度,因此它应自动地、不断地放出辐射,从 而能量逐渐减少,电子逐渐接近原子核,最后落在核上,这 样导致原子是一个不稳定系统。另一方面,电子发射出来的 辐射,其频率应等于电子围绕核运动的频率,由于电子能量
逐渐减少,因而辐射的频率也将逐渐地改变,故原子发射的 光谱应当是连续光谱。以上这弱个结论都与实验事实不符。 事实上原子是一个稳定体系,它发射的光谱是线状光谱已为 许多实验所证实。这说明由研究宏观现象所建立起来的经典 理论,不能完全应用于微观领城。1913年玻尔(N.Bohr) 基于原子的核式模型并结合原子光谱的经验规律和普朗克 M. Planck)的量子概念,提出了关于原子结构的新假 设。玻尔假设: 原子只能较长久地停留在一些不连续的稳定状态,与这 些稳定状态相应的能量分别为E1、E2、E3…。处于这些 稳定状态的电子虽然有加速度,但不会放出辐射。一切原子 能量的改变,都是由于吸收或放出辐射或者由于碰撞的结果, 使原子从一个稳定状态跃迁到另一个稳定状态,而不能任意 连续地跃迁。 原子从能量为En的稳定状态跃迁到能是为Em的稳定 状态时,它放出(或吸收)单色的辐射,其辐射频率为yn,m 1nm由下列关系式决定x hPm=E,-E (1.1) 式中,h一普朗克常数。 h=6.626×10-34J·s(焦·秒) 1.1)式又称为玻尔频率条件。 根据玻尔理论,原子的能量具有-系列不连续的值,原 子只能处于这一系列间断的能量状态中。原子能量的这些不 连续值称为原子的能级。图1,4绘出了氢原子的能级图。 图中每一条横线代表一个能级,横线间的距离表示能级 的间隔,亦即能量差别。每个能级与电子一定运动轨道相对
日 2 帕邢系 巴尔系 3 5 5 -3.53 赖曼系 图1.4氢原子能级 应,这种对应关系以量子数n表示。从图1,4中我们可以看 到E,所处的位置最低,它对应于#=1,这种能态称为氢原 子的基态。原子若受到外界作用,如适当频率的光照射,它 因吸收光子而使电子从某一轨道跳到另一轨道,这时则说原 子发生了跃迁比基态高的能态,它们的量子数n=2、3…… 这些能态统称为激发态。图1.4中用连接两个能级的箭头表
