核安全工程師綜合知識1

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1、,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,核安全綜合知識,注冊核安全工程師考試復習,2010,年,6,月,核安全綜合知識,第一章 原子核物理基礎,考試要求,熟悉,原子結構的知識,熟悉,放射性的概念、衰變及其規(guī)律,熟悉,射線及其與物質的相互作用,掌握,核反應的類型,了解,核裂變及其裂變反應的知識,核安全綜合知識,第一章的要求：,復習內容,1.1,原子和原子核的基本性質,1.2,原子核的放射性,1.3,射線及其與物質相互作用,1.4,原子核反應,1.5,核裂變及核能的利用,核安全綜合知識,1.1,原子和原子核的基本性質,知識要點,：,原子與原子核,原

2、子的殼層結構,原子核的組成及其穩(wěn)定性,原子核的大小,原子核的結合能,核安全綜合知識,原子和原子核（,1,）,知識要點,：原子、原子核、同位素,1896,年法國科學家貝克勒爾,(A.H.Becquerel),發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象，人類第一次觀察到核變化，這一重大發(fā)現(xiàn)是原子核物理的開端。,萬物是由原子、分子構成，每一種原子對應一種化學元素。目前，人們已知一百多種元素。,1911,年盧瑟福根據(jù),粒子的散射實驗提出原子由原子核和核外電子組成的假設。,核外電子運動構成了原子物理學的主要內容，而原子核內部核子的運動是原子核物理學的主要研究對象。原子和原子核是物質結構的兩個層次。,核安全綜合知識,原子和原子核

3、（,2,）,電子帶負電荷，電子電荷的值為：,e=1.60217733x10,-19,C,，且電荷是量子化的，即任何電荷只能是,e,的整倍數(shù)。電子的質量為,m,e,=9,.1093897x10,-31,kg,。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動的電子所占的空間范圍來表征，原子可以設想為電子在以原子核為中心的、距核非常遠的若干軌道上運行。原子的大小半徑約為,10,-8,cm,的量級。,原子核的質量遠超過核外電子的總質量，原子的質量中心與原子核的質量中心非常接近。原子核的尺度只有幾十飛米,(1fm=10,-15,m=10,-13,cm),，而密度高達,10,8,t.cm

4、,-3,。,物質的許多化學性質及物理性質、光譜特性基本上只與核外電子有關；而放射現(xiàn)象則主要與原子核有關。,核安全綜合知識,原子和原子核（,3,）,單選題例：（只有一個答案是正確的）,原子物理學的主要內容是（,A,）。,A,核外電子的運動,B,原子核的裂變，,C,原子核的衰變，,D,原子核中核子間的運動,。,多選題例：（有多個答案可能正確，錯一個為全錯）,原子由原子核和核外電子組成，其中,(ABCDE),。,A,電子帶負電荷，,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,10,-8,cm,的量級，,D,原子核的質量遠超過核外電子的總質量，,E,原子核的限度只有幾十飛米。,核安全綜

5、合知識,原子的殼層結構（,1,）,知識要點,：原子的殼層、能級、躍遷,原子的核外電子稱為軌道電子。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,。,最靠近核的一個殼層稱為,K,層，在它的外面依次為,L,、,M,、,N,、,O,殼層等，以此類推。通常用量子數(shù),n(n,=1,2,3),代表殼層，并分別對應,K,、,L,、,M,、,N,、,O,，,殼層。每個殼層可容納,2n,2,個電子。除了,K,層以外，其他殼層又可分成,(2,l,+1,，,l,=n-1),個支殼層，,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，當電子從無窮遠處移動到靠近原子核的位置

6、時是電場力作功，,K,層的能級最低。能級的能量大小就等于該殼層電子的結合能，要使該殼層電子脫離核的束縛成為自由電子所需做的功。結合能是負值，通常以,KeV,為單位，,K,殼層電子的結合能的絕對值最大。,核安全綜合知識,原子的殼層結構（,2,）,用,n,，,l,，,j,三個量子數(shù)來描述不同的能級。其中,n=1,，,2,，,3,，是主量子數(shù)；,l,=0,，,1,，,2,，,，,(n-1),是與電子的軌道運動相關的量子數(shù)，而,j,是與電子的自旋運動相關的量子數(shù)，,j,與,l,的關系是,j=|l1/2|,。,n,，,l,，,j,三個量子數(shù)的不同組合區(qū)別軌道電子不同的支殼層。每個支殼層最多可容納,(2j

7、+1),個電子。,在正常情況下，電子先充滿較低能級，但當原子受到內在原因或外來因素的作用時，低能級的電子可以被激發(fā)到高能級上（稱激發(fā)過程），或電子被電離到原子的殼層之外（稱電離過程），高能級電子就會躍遷到低能級上留下的空位上，并以電磁輻射的形式釋放一個光子。,發(fā)生內層電子躍遷時，發(fā)射的光子能量較高，而且不同元素的原子均有不同特定的能量，所以通常又稱作特征,X,射線，其能量計算公式為：,E,X,=,hc/,=E,1,-E,2,，式中,h=6.6260755x10,-34,J.s,；光速,c=2.997925x10,8,m/s,；,E,1,和,E,2,分別是躍遷前后兩個能級的能量。,K,系特征線是

8、由,K,殼層之外的電子躍遷到,K,層空位時發(fā)射的特征,X,射線，同樣還有,L,系、,M,系特征,X,射線等，躍遷還需要滿足特定的選擇定則。,核安全綜合知識,原子的殼層結構（,3,）,單選題例：,原子的核外電子稱為（,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，,B K,層,2,個,，,C L,層,8,個，,D M,層,10,個，,E M,層,18,個。,核安全綜合知識,原子核的組成及其穩(wěn)定性,（,1,）,知識要點,：核的組成、核素,/,同

9、位素,/,同質異能素、核的穩(wěn)定性,1932,年查德威克發(fā)現(xiàn)中子，海森堡提出原子核由質子和中子組成的假設。,中子為中性粒子，質子為帶有單位正電荷的粒子。,中子和質子的質量相差甚微，它們的質量分別為：,m,n,=1.00866492u,，,m,p,=1.00727646u,，,u,為原子質量單位。,1960,年國際上規(guī)定把碳,-12(,12,C),原子質量的,1/12,定義為原子質量單位，用,u,表示，,1u=1.66054020.0000010 x10,-27,kg=931.494013MeV/c2,。,任何一個原子核都可以由符號,A,Z,X,N,表示，,N,是中子數(shù)，,Z,是質子數(shù)或電荷數(shù)，,

10、A,是核子數(shù)或質量數(shù)，,X,是該原子核對應的元素符號。只要元素符號,X,確定后，該元素的電荷數(shù)就已經(jīng)確定，所以符號,A,X,足以表示一個特定的核。,中子數(shù)和質子數(shù)都相同的原子核稱為一種核素。具有相同原子序數(shù)但質量數(shù)不同的核素稱為某元素的同位素。,16,O,17,O,18,O,的天然豐度比是,：,99.756%,、,0.039%,、,0.205%,。,壽命較長的激發(fā)態(tài)原子核稱為基態(tài)原子核的同質異能素或同核異能素。同質異能素所處的能態(tài)又稱同質異能態(tài)，如：,87m,Sr,，,87,Sr,。,核安全綜合知識,原子核的組成及其穩(wěn)定性,（,2,）,根據(jù)原子核的穩(wěn)定性，可以把核素分為穩(wěn)定的核素和不穩(wěn)定的放射

11、性核素。原子核的穩(wěn)定性與核內質子數(shù)和中子數(shù)之間的比例存在密切的關系。,核素圖必須是一個含有,N-Z,數(shù)的兩維圖。在現(xiàn)代核素圖上，既包括了天然存在的,332,個核素,(,其中,280,多個是穩(wěn)定核素,),，也包括了自,1934,年以來人工制造的,1600,多個放射性核素，一共約,2000,個核素。,在,穩(wěn)定核素分布圖上，相同中子數(shù),N,的核素是同中異荷素；在,N,和,Z,軸截距相等的直線上的核素是同量異位素。在,Z0,。,m,（,Z,A,）,=,Zm,p,+(A-Z)m,n,-m(Z,A,),，其中,m,（,Z,A,）,為電荷數(shù)為,Z,、質量數(shù)為,A,的原子核的質量。,既然原子核的質量虧損,m,

12、（,Z,A,）,0,，由質能關系式，那么相應能量的減少就是,E=,mc,2,0,。這表明核子結合成原子核時，會釋放出能量，這個能量稱之為結合能。,一個中子和一個質子組成氘核時，會釋放一部分能量,2.225MeV,這就是氘的結合能。它已為精確的實驗測量所證明。實驗還證實了它的逆過程：當有能量為,2.225MeV,的光子照射氘核時,氘核將一分為兩,飛出質子和中子。,核安全綜合知識,原子核的結合能,（,2,）,結合能,:B(Z,A)=,mc,2,比結合能,:,(Z,A)=,B(Z,A)/A=,mc,2,/A,比結合能的物理意義為原子核拆散成自由核子時，外界對每個核子所做的最小的平均功，或者說，它表示

13、核子結合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。,比結合能表征了原子核結合的松緊程度。比結合能大，原子核結合緊，穩(wěn)定性高；比結合能小，結合松，穩(wěn)定性差。,核安全綜合知識,原子核的結合能,（,3,）,當結合能小的核變成結合能大的核，即當結合得比較松的核變到結合得緊的核，就會釋放能量。,從比結合能曲線可以看出,有兩個途徑可以獲得能量：,重核裂變，即一個重核分裂成兩個中等質量的核；,輕核聚變，即兩個輕核融合為一個較重質量的核。,人們依靠重核裂變的原理制造出原子反應堆與原子 彈，依靠輕核聚變的原理制造出氫彈和人們正在探索的可控聚變反應。,所謂原子能，主要是指原子核結合能發(fā)生變化時釋放的能量。,核安全綜合

14、知識,原子核的結合能,（,4,）,核安全綜合知識,原子核的結合能,（,5,）,單選題例：,一個質子和一個中子結合成氘原子核時，會（,B,）的能量,。,A,吸收,2.225MeV,，,B,釋放出,2.225MeV,，,C,吸收,14.1MeV,，釋放出,17.6MeV,在原子核的質量虧損算式中，,m(Z,A),為的原子核的（,B,）。,A,核子數(shù)，,B,核質量,C,中子數(shù)，,D,原子序數(shù),組成氘核的質子和中子質量之和（,C,）氘核的質量。,A,小于,B,等于，,C,大于，,D,等于兩個,E=mc,2,稱為,(A),定律。,A,質能聯(lián)系,B,萬有引力，,C,宇稱守恒，,D,庫侖,多選題例：,原子能

15、是指原子核結合能發(fā)生變化時釋放的能量，原子能利用的實例有（,ABC,）。,A,核反應堆，,B,原子彈，,C,氫彈，,D,激光器，,E,氫氣復合器,核安全綜合知識,1.2,原子核的放射性,知識要點,：,原子核的衰變與放射性核素,放射性衰變的基本規(guī)律,放射系,放射規(guī)律的應用,核安全綜合知識,原子核的衰變與放射性核素,（,1,）,知識要點,：放射性核素、核衰變、衰變綱圖,不穩(wěn)定核素是指其原子核會自發(fā)地轉變成另一種原子核或另一種狀態(tài)并伴隨一些粒子或碎片的發(fā)射，它又稱為放射性原子核。,在無外界影響下，原子核自發(fā)地發(fā)生轉變的現(xiàn)象稱為原子核的衰變，核衰變有多種形式，如,衰變，,衰變，,衰變，還有自發(fā)裂變及發(fā)

16、射中子、質子的蛻變過程。不穩(wěn)定原子核會自發(fā)地發(fā)生衰變。,可以根據(jù)衰變綱圖和同位素表提供的資料，選取有用的數(shù)據(jù)。衰變綱圖中粗實橫劃線的態(tài)代表原子核基態(tài)，細實橫劃線的態(tài)代表原子核的激發(fā)態(tài)，箭頭向左表示原子序數(shù)減少，向右表示增加。箭頭線上標示了放射粒子的類型及其動能或者動能最大值，圖中百分數(shù)代表該種衰變所占的比例（又叫分支比）。,核安全綜合知識,原子核的衰變與放射性核素,（,2,）,(a)(b),一些核素的衰變綱圖,核安全綜合知識,原子核的衰變與放射性核素,（,3,）,單選題例：,在無外界影響下，原子核自發(fā)地發(fā)生轉變的現(xiàn)象稱原子 核的（,A,）,A,衰變，,B,誘發(fā)裂變，,C,聚變，,D,散裂。,會自發(fā)地轉變成另一種原子核或另一種狀態(tài)并伴隨發(fā)射一些粒子或碎片的原子核是,(B),A,散射靶核，,B,放射性原子核，,C,裂變核，,D,散裂核,多選題例：,原子核衰變有多種形式，如（,ABCDE,）。,A,衰變，,B,衰變，,C,衰變，,D,自發(fā)裂變,E,發(fā)射質子的蛻變,核安全綜合知識,放射性衰變的基本規(guī)律,（,1,）,知識要點,：指數(shù)衰變規(guī)律、衰變常數(shù),/,半衰期,/,平均壽命、放射性活度,實驗表