核动力工程与辐射科学(上2).ppt
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1、核动力工程与辐射科学,(上),匡 波 上海交通大学 核科学与工程学院 2012年,第二章 原子与原子核能,2.1 原子内部特性, 原子结构 原子模型 核素及其表示 同位素 原子核的质量,一、原子结构,原子,原子的尺寸:10-10m,原子核的尺寸:10-15m,一张纸的厚度相当于10000个原子的厚度,二、原子模型,质子和中子的质量很相近,分别为电子质量的1839和1837倍。,核素:(具有质子和中子的)原子核称为核素;核素是原子核一种统称。,三、核素及其表示,电子 me = 9.110-31 kg = 5.4810-4 u = 0.511 MeV/c2 质子 mp = 1.007276 u
2、= 938.256 MeV/c2 中子 mn = 1.008665 u = 939.550 MeV/c2,原子核质量 = 原子质量 - 全部电子的质量 MN(Z, A) = Ma(Z, A) - Z me 忽略电子的结合能(eV量级),原子的质量可以用质谱仪精确测量; 原子核质量也可精确确定。,四、原子核的质量,2.2 元素的同位素,具有相同质子数,不同中子数 同位素。 同位素具有相同的化学性质,但可能有不同的物理特性。 同位素中有的会放出射线,称为放射性同位素或放射性核素,其余叫做稳定同位素。,2.3 物质的放射特性,放射性 原子核的衰变 放射性衰变 衰变 衰变 衰变 放射性衰变基本规律 半
3、衰期 放射性活度 射线与物质相互作用,原子核放射各种射线的现象,放射性,主要射线种类,氦原子,负或正电子,电磁波,一、放射性,衰变,衰变,衰变,例如,核素X的 衰变如下表示: 式中,Y为新产生的核素。,二、物质的放射性与原子核衰变,原子核为什么会发生放射性现象?,如果某种核素是稳定的,它的核内中子数与质子数的比例必须在某一狭窄范围之内。 当质量数较小时,稳定核素的中子-质子数之比(中质比)基本为1。 随着质量数增加,稳定核的中子-质子比例由1.00一直增加到大约1.56。 当某种原子核内中子数与质子数的比例超出与质量数相应的稳定界限以外时,该核就具有放射性。 不稳定的核向更稳定的方向自发地发生
4、变化。, -, + 或 k 俘获,从母核中射出 的4He核,粒子得到大部分衰变能,238U4He + 234Th,放射性母核,衰变, 衰变的性质, 能辐射 射线的物质的原子序数都大于82; 母核放出的 粒子具有一定动能; 5兆电子伏的 粒子在空气中的射程约7厘米,在铅中约 0.06毫米,在人体组织中约 43微米。所以一般 辐射的 粒子对人体外照射的损伤很小,通常不予考虑; 但是, 粒子的电离本领很大,所以主要防止放射性物质进入体内产生内照射。,衰变241Am(镅) 237Np(镎), 衰变(例),发生原因:母核中子或质子过多,质子转变成中子,并且 带走一个单位的正电荷,中子转变成质子,并且 带
5、走一个单位的负电荷, 衰变, 衰变的性质, 射线的能量对不同核是不同的,大致为十几keV到3MeV。 由于这种粒子的质量小,只带一个电荷,其射程比 粒子长,但产生电离的能力比 粒子弱。 完全吸收 射线所需要的物质长度:铝约5毫米,铅约1毫米。, 衰变 3H 3He,负衰变(例),正 衰变(正电子发射) 11C 11B, 正衰变(例),中微子, 衰变, 从原子核中发射出光子。 常在 或 衰变后核子从激发态退激时发生。 产生的射线能量不连续。 可以通过测量光子能量来鉴定核素种类。, 衰变特点, 衰变 3He 3He, 衰变(例), 衰变, -衰变, +衰变(正电子发射), 衰变, 轨道电子俘获:原
6、子核从核外电子层中俘获一个电子,转变为另一种核素原子核的过程。 如果原子核的能量足够,就可以从核外电子壳层中俘获一个电子,而使自己转变为另一个原子核,并放出一个中微子。 如果核俘获K层轨道电子,就叫“K俘获”;俘获L层轨道电子,就叫“L俘获”。因为K层电子离原子核最近,所以K俘获几率最大。,轨道电子俘获,指数衰减规律 N = N0e-t 式中: N0:t = 0时放射性原子核数目; N:经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目; : 放射性原子核衰变常数,大小只与原子核本身性质有关,与外界条件无关;数值越大衰变越快。,三、放射性衰变基本规律,定义:一定量某种放射性原子核衰变至原来一半所需要的时
7、间。,经过n个半衰期后,未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1/2n。,四、半衰期 (T1/2),部分核素的放射性半衰期,定义:放射性核素在单位时间 (dt) 内发生核衰变的数目(dN),A=-dN / dt,单位: SI: Becquerel(Bq) 1Bq=1s-1 居里 1Ci=3.71010Bq 实际上1Ci就相当于1克镭与它的子系氡在平衡时的放射性。,五、放射性活度(activity, A),辐射效应 射线同物质的相互作用 特征 同原子中的其它粒子产生动量和能量的相互传递 置换或打出原子内部的其它粒子,从而改变物质的种类或特性 典型的相互作用结果 电离作用 & 电离效应,六、核辐射与
8、物质的相互作用,电离作用,物质中原子被电离,在粒子通过的路径上形成许多离子对(ion pair)。 离子带正电或负电,因此能被测量到。,。 。 。 。原子。, n,部分地或全部地吸收,部分穿透出去,电离作用 光电效应,核辐射应用技术, 物质特性改变 材料改性、育种、治癌、治理污染的环境等, -刀,治癌,改良品种,PET-正电子发射断层扫描机,XCT-X射线CT扫描机, 射线的穿透性,带电粒子与 射线,、 射线穿过物质时的特性 物质发生电离或者电子激发; 扰动物质中的原子或电子。 粒子 正电荷: 4He 质量重:能量大,但穿透能力差,射程短 在反应堆中的影响可以忽略 粒子 负/正电荷:e-/e+
9、 质量轻,但穿透能力强,射程长 射线 不带电 穿透能力极强,电离的作用,作用 使化合物的化学键破坏而分解成单体。 共价键结合的化合物 有机化合物及水等无机化合物,外层电子由两个原子共用,抗分解能力差;分解一个共价键需25eV。 离子键结合的化合物 较活泼的金属元素和活泼的非金属元素,电子从一个原子转移到另一个原子,形成阴离子和阳离子,分子间靠离子间的强烈静电吸力,分解能力差。 金属键结合的金属 自由电子; 不会产生永久的辐射效应。,中子的辐照损伤, 间隙原子、空穴: 一个原子从点阵平衡位置移到两个平衡位置之间的不平衡位置时称间隙原子,它留下的空位称空穴。每一间隙原子必有一个相应的空穴。 辐照损
10、伤: 由于辐射作用而产生间隙原子及点阵中相应留下空穴,就或多或少会在晶体中造成永久的缺陷,从而引起材料物理性质的永久变化。这样的效应通常称为辐照损伤。,2.4 核反应,自发裂变, 自发裂变是原子核在没有受到外界激发下而自行分裂的过程,它是一种特殊类型的核衰变。这个现象是由前苏联物理学家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年发现的。 质量为中等以上的核,尤其是一些重元素,如铀-236,从能量的角度讲都具有自发裂变的可能。例如,在1克铀中每小时约有20个铀核会发生自发裂变。这对反应堆启动有明显的帮助。, 定义 2个原子核或1个原子核和1个粒子(如中子、 光子等)接近到10-15米量级时,两者之间的相互作用
11、所引起的各种变化过程称为核反应。 性质 核反应所涉及的能量变化比一般的核衰变大得多,通常大于一个核子的结合能,可以高达1001000MeV,因而它是研究原子核高激发能级的重要手段。,核 反 应,核反应与化学反应的区别, 核反应吸收或释放出来的能量要比化学反应吸收或释放出来的能量大得多。例如,一个铀原子放射出 射线的能量比一个碳原子燃烧释放出来的能量几乎大106倍。 核反应只涉及原子核,而与电子无关。 例:碳原子的核特性是相同的,无论是纯净的碳还是碳与其他元素的化合物(二氧化碳、石蜡、碳氢化合物等)。,中子核反应, 中子核反应 (n,)反应 (n,p )反应 (n,)反应 (n,n)反应 (n,
12、2n)反应 (n,f)反应,(n, )反应, 中子辐射俘获反应 吸收一个中子,放出 射线的过程; 具有强俘获反应的材料可以用于作为控制材料 例:113Cd(n,)114Cd 镉 当中子能量为0.176eV时,镉吸收中子的能力远远大于能量小于这个数值时的能力,即出现共振吸收; 因此经常采用镉作为吸收热中子的物质; 反应堆中常用镉作控制棒的组成材料,吸收中子以调节堆功率。 人工制造 - 放射性同位素的有效方法 中子辐射俘获反应使原子核的中质比增大,反应产物常具有 -放射性, 例:利用铀-238中子辐射俘获反应,可以制造出核燃料钚。 需要重核作为屏蔽材料 在防护 辐照时,需要重核(如Pb)作为屏蔽材
13、料。, ( n, p )反应 吸收一个中子,放出一个质子p的过程; 需要大能量用于分离能和库仑位垒 由于出射粒子是质子,它除了需要足够大的分离能以外,还需要有相当大能量用来克服库仑势垒; 一般慢中子引起这种反应的几率较小;重靶核发生这种反应的几率很小,轻核的几率比较大。 (n,p) 反应例 14N(n,p)14C,3He(n,p)3H等; 但当中子能量增加时,较重核也可发生(n,p)反应。 具有 - 放射性 (n,p)反应使剩余核的中质比增加,中子过多,所以具有 - 放射性; 例:上例中产生的剩余核碳-14就具有 -放射性。,(n,p)反应, (n, ) 反应 吸收一个中子,放出一个 粒子的过
14、程。 需要大能量用于克服分离能和库仑势垒 轻核易发生(n, ) 反应; 慢中子引起重核的(n, )反应的可能很小。 (n, ) 反应例 6Li(n,)3H、10B(n,)7Li 反应等,其中子吸收截面很大; 常利用硼-10 和锂-6作为中子探测材料;聚变反应中的氚增殖包层也常利用6Li(n,)3H反应。 常利用含硼石蜡作为中子的屏蔽材料。,(n, )反应, 中子与原子核的弹性散射过程 中子在散射后,运动方向和动能发生改变; 靶核则受到反冲。 需要轻核作为屏蔽材料 靶核质量数愈大,中子损失的能量愈小; 在防护中子辐照时,需要选择质量数较小的轻物质才行。,(n, n)反应, 释放出二个中子的过程
15、当入射中子的能量足够大时,复合核处于很高的激发态,以致足以释放出2个中子,即(n,2n)反应; 这种反应是吸能反应,因此具有一定的反应阈。 具有+放射性 (n,2n)反应使核的中质比变小,所以剩余核往往具有+放射性; 当入射中子能量更高时还可以发生(n,3n)反应、(n,2np)反应等。 ( n,2n)反应例 55Mn (n,2n) 54Mn、9Be (n,2n) 8Be、27Al (n,2n) 26Al等反应,它们的剩余核锰-54、铍-8、铝-26均具有+衰变及轨道电子俘获放射性。,(n,2n)反应,( n, f )反应, 裂变反应 中子与重核作用,重核分裂成2个碎片,平均放出2 3个中子,
16、并放出大量能量 特性后面将详细介绍,核子的相互吸引力 核 力, 核力是短程强相互作用; 它比电磁相互作用强130倍左右,作用距离只在非常邻近的核子之间。,为何这么多带正电荷的质子能紧密结合?,电磁力,重力,原子核的尺寸:10-15m 原子的尺寸:10-10m,核力的相互作用距离: (1.4 1.5) 10 -13m,核力,质量亏损, 对原子核质量作精确测定时,它比组成它的质子和中子的质量之和要小,即原子核结合前后的核子质量有差异; 亦即,单个核子的质量总是比结合在原子核里的每个核子的质量大; 由于核子间强大的核力的作用,迫使核子排列得很紧密,结果发生了质量减少的现象; 这种质量的差异,称为质量
17、亏损; 不同的原子核,总质量亏损不同,核子平均的质量亏损也不同。, 爱因斯坦指出: 质量只是物质存在的形式之一; 物质的另一种存在形式是能量。 能量和质量的(等价)关系: E=mc2,质量能量,质能方程,原子核结合能:1+12, 原子核的质量不等于核内组成的中子和质子质量之和。 单个核子组成原子核时,由于核子间强大的核力作用,迫使核子相互强力碰撞而紧紧地结合时,发生了质量减少; 核子在结合形成原子核前后的质量差值,称为质量亏损。 按质能方程,这部分质量就对应于核子在结合时放出的能量,称为原子核的结合能。,结合能的利用核能, 每个核子平均结合能称为比结合能; 比结合能反映该原子核核子结合紧密程度
18、; 中等核比结合能最大(质量亏损大); 轻核和重核的比结合能小(质量亏损小)。,2.5 核裂变原理, 重核裂变 裂变临界能量 裂变产物 裂变产生的中子 裂变能量 链式裂变反应 维持链式裂变的条件 临界质量 裂变维持的条件 临界,重核裂变,自发裂变:无需外界作用就有自发分裂的趋势。自然界中某些质量数很大的原子核,如U-236有自发裂变现象。 诱发裂变:在中子轰击下发生的裂变。 链式裂变反应:裂变过程中,有中子释放出来,这样就可能形成链式的裂变反应,从而源源不断地产生核能。,铀-235,平均每次裂变放出2.4个中子,同时放出约200MeV的能量。,重核为何会裂变? 液滴模型,复合核,核裂变是中子轰
19、击原子核,原子核接受中子后变得不稳定,从而分裂。,复合核从变形到分裂需要能量,所需的最小能量称为裂变临界能量。,裂变的条件: (1) 易裂变材料;(2) 外部入射的自由中子;(3) 入射中子能量大于裂变临界能量。,裂变临界能量,复合核从变形到分裂需要能量,所需的最小能量称为裂变临界能量。,易裂变材料,裂变核燃料,在任意能量的中子作用下发生核裂变反应,这些核素称为易裂变(fissile)核素, 铀-235 铀-233 钚-239 钚-241 在天然铀中, 铀-235只占0.72% 铀-238约99.28% 还有极少量铀-234,鈣铀云母,铜铀云母,天然铀,裂变核燃料的生成,铀-钚循环,钍-铀循环
20、,可裂变材料:fissionable,裂变产物, 定义:在铀-235裂变反应时,会形成60余种不同的碎片,通过衰变产生约250种不同的核素,称为裂变产物; 铀-235的裂变产物质量数分布概率曲线呈现出两个明显的峰,分别位于质量数为95和140附近; 铀-233和钚-239的裂变产物质量数分布概率曲线与铀-235的十分接近。,裂变产物,裂变产生的中子,快中子( 0.1MeV),99.3% 瞬发中子,0.65% 缓发中子,裂变后百万分之一秒左右放出(10-14s) 能量约在12MeV范围内,速度为1400020000km/s,热中子 (0.1eV),裂变后几mins几hrs内逐渐释放出来 平均能量
21、约在0.5MeV左右,裂变能量(1), 反应前后的质量,质量亏损:236.132 67-235.9170.215(u),裂变能量(2), 一个铀-235核裂变方式产生的能量 己知1u的总能量为931MeV,则, 0.215931=200(MeV) 裂变能的存在形式 裂变能的大部分(约80%)是以碎片动能的形式出现的。它们很快被周围的介质减速,将能量逐步交给介质。 约有20%的能量由瞬发 射线和中子带走。其余的能量随着裂变产物的放射性衰变,通过 和 辐射的形式逐渐放出。 1g铀-235核裂变释放的能量 1g铀-235的原子数为: 6.0231023 / 235.14=2.5621021 1g铀-
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