【正文】 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 1/132 核安全綜合知識(shí) 原子核物理基礎(chǔ) 2022年 7月 6日 第一章 清華大學(xué)工程物理系 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究室 桂立明 01083186149/13671145451 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 2/132 注冊(cè)核安全工程師執(zhí)業(yè)資格考試大綱（ 2022年版）第二部分 《 核安全綜合 知識(shí) 》 科目考試大綱 考試目的 ：通過(guò)本科目考試，檢驗(yàn)參加考試人員對(duì)核物理、核能與核技術(shù)應(yīng)用、輻射防護(hù)以及安全文化等方面知識(shí)的了解、熟悉或掌握的程度，使參加考試人員從總體上把握注冊(cè)核安全工程師所需要的知識(shí)，并能利用這些知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。本科目是從事核安全審評(píng)、核安全監(jiān)督、民用核設(shè)施操縱與運(yùn)行、核質(zhì)量保證、輻射防護(hù)、輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)和其它與核安全密切相關(guān)工作人員必備的知識(shí)。 考試內(nèi)容： 一（第一章） 原子核物理基礎(chǔ) 原子和原子核的基本性質(zhì)、原子核的放射性、射線及其與物質(zhì)相互作用和核反應(yīng)。 了解 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 3/132 目 錄 引言 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 第二節(jié) 原子核的放射性 第三節(jié) 核輻射射線及其與物質(zhì)相互 作用 第四節(jié) 原子核反應(yīng) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 4/132 引言 ?在 1895年、 1896年和 1897年，相繼發(fā)現(xiàn)了 X射線、放射性和電子，這三大發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了近代物理的序幕，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)始進(jìn)入微觀領(lǐng)域。其中， 1896年法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾（ Becquerel ）發(fā)現(xiàn)的天然放射性現(xiàn)象是人類(lèi)第一次觀察到核變化的情況，通常人們把這一重大發(fā)現(xiàn)看成是核物理的開(kāi)端。 20世紀(jì) 50年代，逐步形成了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三個(gè)分支學(xué)科，即 原子物理、原子核物理和粒子物理 ，這三者各有獨(dú)立的研究領(lǐng)域和對(duì)象，但又緊密關(guān)聯(lián)。本章重點(diǎn)論述原子核物理這一領(lǐng)域。 引言 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 5/132 ?隨著核能和核技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，它們給人類(lèi)帶來(lái)巨大收益的同時(shí)，也給人類(lèi)的生存和發(fā)展帶來(lái)一定的負(fù)面影響，同時(shí)放射性及由此產(chǎn)生的各種輻射也成為人們關(guān)注的問(wèn)題。為趨利避害，使核能和核技術(shù)更好地為人類(lèi)服務(wù)，核安全便成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科而存在。核安全涉及的知識(shí)領(lǐng)域十分廣泛，其中，對(duì)原子、原子核的基本性質(zhì)的了解，對(duì)核衰變、核反應(yīng)和核裂變的了解，是其重要的一個(gè)方面。在本章中，首先介紹有關(guān) 原子核物理 的基礎(chǔ)知識(shí)。 引言 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 6/132 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 一、原子的殼層結(jié)構(gòu) 二、原子核及其穩(wěn)定性 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 7/132 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) ?萬(wàn)物是由原子、分子構(gòu)成，每一種原子對(duì)應(yīng)一種化學(xué)元素。目前，人們已知一百二十種元素。 ? ? 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) ? … ……………………… ……… …………………… ………… 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 8/132 ………………… ? ? ? …………… …… …………… …………………… 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 9/132 原子核的大小 ?電子帶負(fù)電荷 ，電子電荷的值為： e=，且電荷是量子化的，即任何電荷只能是 e的整倍數(shù)。電子的質(zhì)量為 me=。 原子核帶正電荷，集中了原子的全部正電荷。 ?原子的大小是由核外運(yùn)動(dòng)的電子所占的空間范圍來(lái)表征，原子可以設(shè)想為電子在以原子核為中心的、距核非常遠(yuǎn)的若干軌道上運(yùn)行。 原子的大小半徑約為 108cm的量級(jí) 。 ?原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)超過(guò)核外電子的總質(zhì)量 ，原子的質(zhì)量中心與原子核的質(zhì)量中心非常接近。 原子核的尺度只有幾十飛米(1fm=1015m=1013cm)，而密度高達(dá) 。 ?物質(zhì)的許多化學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)、光譜特性基本上只與核外電子有關(guān)；而放射現(xiàn)象則主要與原子核有關(guān) 。 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 10/132 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 11/132 Nobel Prize in 1903 1896年法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾 (A. H. Becquerel)發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象，人類(lèi)歷史上第一次在實(shí)驗(yàn)室觀察到核變化。 這一重大發(fā)現(xiàn)是原子核物理的開(kāi)端。 放射性現(xiàn)象 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 12/132 ?1898, 盧瑟福（ Rutherford） 在“貝可勒爾射線”中發(fā)現(xiàn)了 α 、 β粒子 ,后來(lái)證實(shí)了 α 射線是氦原子核，β 射線是電子。 1911年盧瑟福根據(jù)α 粒子的散射實(shí)驗(yàn)提出原子由原子核和核外電子組成的假設(shè)。 1908年獲諾貝爾獎(jiǎng)。 原子的組成 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 13/132 題 例 ?單選題例 ：（只有一個(gè)答案是正確的） ?原子物理學(xué)的主要內(nèi)容是（ A）。 A 核外電子的運(yùn)動(dòng) , B 原子核的裂變， C 原子核的衰變， D 原子核中核子間的運(yùn)動(dòng) 。 ?原子核半徑的范圍約為 (D) A 110 mm, B 110 μm, C 110 nm, D 110fm ?多選題例 ：（有多個(gè)答案可能正確，錯(cuò)一個(gè)為全錯(cuò)） 原子由原子核和核外電子組成，其中 (ABCDE) A 電子帶負(fù)電荷， B 原子核集中了原子的全部正電荷， C 原子的大小半徑約為 108cm的量級(jí)， D 原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)超過(guò)核外電子的總質(zhì)量， E 原子核的尺度只有幾十飛米。 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 14/132 原子模型 核子 中子 質(zhì)子 電子 + + + 一、原子的殼層結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 15/132 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) ? ? ……………… ………………… …………………… 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 16/132 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) ……………… ……………………………… …………………………… 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 17/132 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) ? ? ……………………………… … ……………………………… 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 18/132 ?原子的核外電子稱(chēng)為軌道電子。 原子的軌道電子離核的距離是不能取任意值的，按照一定的規(guī)律形成彼此分離的殼層 。 ?最靠近核的一個(gè)殼層稱(chēng)為 K層， 在它的外面依次為 L、M、 N、 O殼層等，以此類(lèi)推。通常用量子數(shù)n(n=1,2,3…) 代表殼層，并分別對(duì)應(yīng) K、 L、 M、 N、O， … 殼層。 每個(gè)殼層可容納 2n2個(gè)電子 。除了 K層以外，其他殼層又可分成 (2l+1， l=n1)個(gè)支殼層， l是描述電子軌道的量子數(shù)。 ?處于不同殼層的電子具有不同的位能， 當(dāng)電子從無(wú)窮遠(yuǎn)處移動(dòng)到靠近原子核的位置時(shí)是電場(chǎng)力作功，K層的能級(jí)最低。 能級(jí)的能量大小就等于該殼層電子的結(jié)合能，要使該殼層電子脫離核的束縛成為自由電子所需做的功。 結(jié)合能是負(fù)值 ，通常以 KeV為單位， K殼層電子的結(jié)合能的絕對(duì)值最大。 原子的殼層 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 19/132 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) ? ……………………… ………………… ……………………… …………………… ……………… 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 20/132 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 21/132 原子結(jié)構(gòu)及電子殼層 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 22/132 題例 ?單選題例 ： 原子的核外電子稱(chēng)為（ B）。 A 自由電子 B 軌道電子 C 俄歇電子 D 康普頓電子 ?多選題例 ： 電子軌道按照一定的規(guī)律形成彼此分離的殼層，其中各層最多可容納的電子數(shù)分別是 (BCE)。 A K層 1個(gè) B K層 2個(gè) C L層 8個(gè) D M層 10個(gè) E M層 18個(gè) 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 23/132 二、原子核及其穩(wěn)定性 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 24/132 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 25/132 右下角 N表示核內(nèi)中子數(shù)；左下角 Z表示質(zhì)子數(shù)或稱(chēng)電荷數(shù)；左上角 A（ A=N+Z） 稱(chēng)為核內(nèi)的核子數(shù) ， 又稱(chēng)質(zhì)量數(shù) 。實(shí)際上核素符號(hào) X和質(zhì)子數(shù) Z具有唯一 、 確定的關(guān)系 ， 所以用符號(hào) AX足以表示一個(gè)特定的核素 。 原子核的表示方法 ZANX核子數(shù) 質(zhì)子數(shù) 中子數(shù) 元素符號(hào) 例如： 為三個(gè)核素，可 表示為 781315376129537512853 , IIIIII 1 3 11 2 91 2 8 ,核素是指在其核內(nèi)具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子。 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) ? 輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究窒 26/132 ?同位素實(shí)際上就是 Z相同而 A不同的各核素的總稱(chēng)。 同位素是指元素周期表中處于同一個(gè)位置，它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)。例如 （氕）、 （氘）、 （氚）。 H11K同位素 H21 H31H、11 H、21 H；31K KH11?它們都在第一號(hào)位置，所以記作 1H，由于質(zhì)量數(shù)不同，在 左上角表示， 簡(jiǎn)寫(xiě)成 1H、 2H、 3H。 氕原子核內(nèi)僅有 一個(gè)質(zhì)子即氫 氘原子核內(nèi)有一 個(gè)質(zhì)子一個(gè)中子 氚原子核內(nèi)有一 個(gè)質(zhì)子二個(gè)中子 第一節(jié) 原子和原子核的基本性質(zhì) 輻