核安全工程師綜合知識(shí)1

,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,核安全綜合知識(shí),注冊(cè)核安全工程師考試復(fù)習(xí),2010,年,6,月,核安全綜合知識(shí),第一章 原子核物理基礎(chǔ),考試要求,熟悉,原子結(jié)構(gòu)的知識(shí),熟悉,放射性的概念、衰變及其規(guī)律,熟悉,射線(xiàn)及其與物質(zhì)的相互作用,掌握,核反應(yīng)的類(lèi)型,了解,核裂變及其裂變反應(yīng)的知識(shí),核安全綜合知識(shí),第一章的要求：,復(fù)習(xí)內(nèi)容,1.1,原子和原子核的基本性質(zhì),1.2,原子核的放射性,1.3,射線(xiàn)及其與物質(zhì)相互作用,1.4,原子核反應(yīng),1.5,核裂變及核能的利用,核安全綜合知識(shí),1.1,原子和原子核的基本性質(zhì),知識(shí)要點(diǎn),：,原子與原子核,原子的殼層結(jié)構(gòu),原子核的組成及其穩(wěn)定性,原子核的大小,原子核的結(jié)合能,核安全綜合知識(shí),原子和原子核（,1,）,知識(shí)要點(diǎn),：原子、原子核、同位素,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)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(kāi)端。,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，人們已知一百多種元素。,1911,年盧瑟福根據(jù),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)。,核外電子運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了原子物理學(xué)的主要內(nèi)容，而原子核內(nèi)部核子的運(yùn)動(dòng)是原子核物理學(xué)的主要研究對(duì)象。原子和原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)層次。,核安全綜合知識(shí),原子和原子核（,2,）,電子帶負(fù)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(zhì)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(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,10,-8,cm,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=10,-15,m=10,-13,cm),，而密度高達(dá),10,8,t.cm,-3,。,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)。,核安全綜合知識(shí),原子和原子核（,3,）,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),。,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,10,-8,cm,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,原子核的限度只有幾十飛米。,核安全綜合知識(shí),原子的殼層結(jié)構(gòu)（,1,）,知識(shí)要點(diǎn),：原子的殼層、能級(jí)、躍遷,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,2n,2,個(gè)電子。除了,K,層以外，其他殼層又可分成,(2,l,+1,，,l,=n-1),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。,核安全綜合知識(shí),原子的殼層結(jié)構(gòu)（,2,）,用,n,，,l,，,j,三個(gè)量子數(shù)來(lái)描述不同的能級(jí)。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(yùn)動(dòng)相關(guān)的量子數(shù)，而,j,是與電子的自旋運(yùn)動(dòng)相關(guān)的量子數(shù)，,j,與,l,的關(guān)系是,j=|l1/2|,。,n,，,l,，,j,三個(gè)量子數(shù)的不同組合區(qū)別軌道電子不同的支殼層。每個(gè)支殼層最多可容納,(2j+1),個(gè)電子。,在正常情況下，電子先充滿(mǎn)較低能級(jí)，但當(dāng)原子受到內(nèi)在原因或外來(lái)因素的作用時(shí)，低能級(jí)的電子可以被激發(fā)到高能級(jí)上（稱(chēng)激發(fā)過(guò)程），或電子被電離到原子的殼層之外（稱(chēng)電離過(guò)程），高能級(jí)電子就會(huì)躍遷到低能級(jí)上留下的空位上，并以電磁輻射的形式釋放一個(gè)光子。,發(fā)生內(nèi)層電子躍遷時(shí)，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(chēng)作特征,X,射線(xiàn)，其能量計(jì)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(gè)能級(jí)的能量。,K,系特征線(xiàn)是由,K,殼層之外的電子躍遷到,K,層空位時(shí)發(fā)射的特征,X,射線(xiàn)，同樣還有,L,系、,M,系特征,X,射線(xiàn)等，躍遷還需要滿(mǎn)足特定的選擇定則。,核安全綜合知識(shí),原子的殼層結(jié)構(gòu)（,3,）,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)。,核安全綜合知識(shí),原子核的組成及其穩(wěn)定性,（,1,）,知識(shí)要點(diǎn),：核的組成、核素,/,同位素,/,同質(zhì)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(zhì)子和中子組成的假設(shè)。,中子為中性粒子，質(zhì)子為帶有單位正電荷的粒子。,中子和質(zhì)子的質(zhì)量相差甚微，它們的質(zhì)量分別為：,m,n,=1.00866492u,，,m,p,=1.00727646u,，,u,為原子質(zhì)量單位。,1960,年國(guó)際上規(guī)定把碳,-12(,12,C),原子質(zhì)量的,1/12,定義為原子質(zhì)量單位，用,u,表示，,1u=1.66054020.0000010 x10,-27,kg=931.494013MeV/c2,。,任何一個(gè)原子核都可以由符號(hào),A,Z,X,N,表示，,N,是中子數(shù)，,Z,是質(zhì)子數(shù)或電荷數(shù)，,A,是核子數(shù)或質(zhì)量數(shù)，,X,是該原子核對(duì)應(yīng)的元素符號(hào)。只要元素符號(hào),X,確定后，該元素的電荷數(shù)就已經(jīng)確定，所以符號(hào),A,X,足以表示一個(gè)特定的核。,中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同的原子核稱(chēng)為一種核素。具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱(chēng)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(zhǎng)的激發(fā)態(tài)原子核稱(chēng)為基態(tài)原子核的同質(zhì)異能素或同核異能素。同質(zhì)異能素所處的能態(tài)又稱(chēng)同質(zhì)異能態(tài)，如：,87m,Sr,，,87,Sr,。,核安全綜合知識(shí),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)定的放射性核素。原子核的穩(wěn)定性與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之間的比例存在密切的關(guān)系。,核素圖必須是一個(gè)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(gè)核素,(,其中,280,多個(gè)是穩(wěn)定核素,),，也包括了自,1934,年以來(lái)人工制造的,1600,多個(gè)放射性核素，一共約,2000,個(gè)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(xiàn)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(zhì)量數(shù)為,A,的原子核的質(zhì)量。,既然原子核的質(zhì)量虧損,m,（,Z,A,）,0,，由質(zhì)能關(guān)系式，那么相應(yīng)能量的減少就是,E=,mc,2,0,。這表明核子結(jié)合成原子核時(shí)，會(huì)釋放出能量，這個(gè)能量稱(chēng)之為結(jié)合能。,一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子組成氘核時(shí)，會(huì)釋放一部分能量,2.225MeV,這就是氘的結(jié)合能。它已為精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量所證明。實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了它的逆過(guò)程：當(dāng)有能量為,2.225MeV,的光子照射氘核時(shí),氘核將一分為兩,飛出質(zhì)子和中子。,核安全綜合知識(shí),原子核的結(jié)合能,（,2,）,結(jié)合能,:B(Z,A)=,mc,2,比結(jié)合能,:,(Z,A)=,B(Z,A)/A=,mc,2,/A,比結(jié)合能的物理意義為原子核拆散成自由核子時(shí)，外界對(duì)每個(gè)核子所做的最小的平均功，或者說(shuō)，它表示核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均一個(gè)核子所釋放的能量。,比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度。比結(jié)合能大，原子核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；比結(jié)合能小，結(jié)合松，穩(wěn)定性差。,核安全綜合知識(shí),原子核的結(jié)合能,（,3,）,當(dāng)結(jié)合能小的核變成結(jié)合能大的核，即當(dāng)結(jié)合得比較松的核變到結(jié)合得緊的核，就會(huì)釋放能量。,從比結(jié)合能曲線(xiàn)可以看出,有兩個(gè)途徑可以獲得能量：,重核裂變，即一個(gè)重核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核；,輕核聚變，即兩個(gè)輕核融合為一個(gè)較重質(zhì)量的核。,人們依靠重核裂變的原理制造出原子反應(yīng)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(yīng)。,所謂原子能，主要是指原子核結(jié)合能發(fā)生變化時(shí)釋放的能量。,核安全綜合知識(shí),原子核的結(jié)合能,（,4,）,核安全綜合知識(shí),原子核的結(jié)合能,（,5,）,單選題例：,一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘原子核時(shí)，會(huì)（,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(zhì)量虧損算式中，,m(Z,A),為的原子核的（,B,）。,A,核子數(shù)，,B,核質(zhì)量,C,中子數(shù)，,D,原子序數(shù),組成氘核的質(zhì)子和中子質(zhì)量之和（,C,）氘核的質(zhì)量。,A,小于,B,等于，,C,大于，,D,等于兩個(gè),E=mc,2,稱(chēng)為,(A),定律。,A,質(zhì)能聯(lián)系,B,萬(wàn)有引力，,C,宇稱(chēng)守恒，,D,庫(kù)侖,多選題例：,原子能是指原子核結(jié)合能發(fā)生變化時(shí)釋放的能量，原子能利用的實(shí)例有（,ABC,）。,A,核反應(yīng)堆，,B,原子彈，,C,氫彈，,D,激光器，,E,氫氣復(fù)合器,核安全綜合知識(shí),1.2,原子核的放射性,知識(shí)要點(diǎn),：,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(yīng)用,核安全綜合知識(shí),原子核的衰變與放射性核素,（,1,）,知識(shí)要點(diǎn),：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(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)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(chēng)為放射性原子核。,在無(wú)外界影響下，原子核自發(fā)地發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱(chēng)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)射中子、質(zhì)子的蛻變過(guò)程。不穩(wěn)定原子核會(huì)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(shí)橫劃線(xiàn)的態(tài)代表原子核基態(tài)，細(xì)實(shí)橫劃線(xiàn)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(xiàn)上標(biāo)示了放射粒子的類(lèi)型及其動(dòng)能或者動(dòng)能最大值，圖中百分?jǐn)?shù)代表該種衰變所占的比例（又叫分支比）。,核安全綜合知識(shí),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(shí),原子核的衰變與放射性核素,（,3,）,單選題例：,在無(wú)外界影響下，原子核自發(fā)地發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱(chēng)原子 核的（,A,）,A,衰變，,B,誘發(fā)裂變，,C,聚變，,D,散裂。,會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)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(zhì)子的蛻變,核安全綜合知識(shí),放射性衰變的基本規(guī)律,（,1,）,知識(shí)要點(diǎn),：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(shí)驗(yàn)表