总α总β放射性测量培训讲稿

总α、总β放射性测量

培训讲义

1 前言

随着放射性同位素在各个领域中的广泛应用，随着核反应堆、核电站等核设施的不断建立，随着人们对生存环境及健康关注程度的逐步提高，在商品检验、食品卫生、矿物分析、辐射保护、核医学、环境监测、农业科学以及考古等多个领域中,越来越多的微弱的放射性测定问题，摆在了我们面前，有些领域的问题在某种程度上已经关系到了人类的生存和健康，所以需要我们认真对待和研究。

近期，国家对能源结构进行了调查和变更，在第“十一”个五年规划中，由原来的适度发展核电改为大力发展核电，预计2020年，核电的发电能力可达4000万千瓦。核电的大力发展必然会带动整个核工业的发展，与此相关的环境保护与监测的问题也会引起人们的普遍关注，这也是微弱放射性测量增多的一个重要方面。

通常我们把这种微弱放射性的测量称为低本底测量或低水平测量。

2 放射性简述

因为我们所涉及和研究的是微弱放射性的测量问题，所以我们要首先简要介绍一下什么是放射性。

众所周知，物质是由分子组成，分子由原子组成，而原子又由原子核及核外电子组成。原子核带正电，位于原子中心，电子带负电围绕原子核做高速运动。通常情况下，原子呈中性是稳定的，但是，有些原子核是不稳定的，它能自发地放射出粒子或光子，并转换为另一种元素的原子核。这种现象称为放射性衰变，亦称放射性。

核衰变通常放出三种类型的粒子，称α、β和γ。

到目前为止，人们已经发现了三个天然放射系，即铀系、锕系和钍系，及一个人工放射系镎系。

铀系第一代核素为铀（238），它从半衰期（T1/2=4.51×109年）最长的U（238）开始，经过8次α衰变6次β衰变，最后到稳定的Pb(206)。

钍系是从半衰期（T1/2=1.40×1010年）最长的Th（232）开始，经过6次α衰变4次β衰变，最后到稳定的Pb(208)。

锕系是从半衰期（T1/2=7.1×108年）最长的U（235）开始，经过7次α衰变4次β衰变，最后到稳定的Pb(207)。

1

镎系从半衰期Pu(241)开始到Bi(209)为止，系中Np(237)的半衰期最长（T1/2=2.14×106年）,故称镎系。 Np(237)的半衰期比U(238),U(235)及Th(232)半衰期小很多，故除Bi(209)外镎系中各种放射性核素在地壳中存在量极微。

2.1 α衰变

放射出α粒子的核衰变称为α衰变，可用下式表示：

AZA?4X?Z?2Y???Q

42X表示母核，原子序数为Z，原子量为A，Y为子核原子序数减少2为Z-2，原子量减少4为A-4。α粒子实际上是氦原子核He，它的原子序数为2，原子量为4。Q为衰变时释放出的能量。天然α粒子的能量在4～8Mev。一般α粒子具有几个孤立的能量，能谱为分立能谱。α粒子属于重带电粒子，它的阻止本领很大，即单位射程上损失的能量很大，其射程很短，在空气中的天然α粒子其射程仅仅为几个厘米，一张纸就可以挡住α粒子，它穿不过皮肤的角质层，故不存在外照射的危害，但是α粒子一旦不慎进入体内，所产生的内照射危害却是严重的，所以应该对α粒子的内照射问题有足够的重视。

2.2 β衰变

原子核放射β粒子或俘获轨道电子的放射性衰变称为β衰变，可以分为三种类型： 第一种类型是原子核放出高速电子的衰变，这种电子称为β-粒子。通常说的β衰变就是β-衰变，它可以自发地进行，且常伴有γ衰变。β-衰变可以用下式表示：

AZ?X?Z?A1Y?????Q

式中的X为母核，原子序数为Z，原子量为A，Y为子核，由于放出一个电子，故子核的原子序数加1，而电子的质量比原子核质量小的多，可以忽略不计，故子核的原子量仍为A。?为质量非常微小的中性粒子称为中微子，Q为衰变时放出来的能量，此种能量几乎全部分配给β和?，其分配是完全随机的，故β的能量可以从零一直到Q（最大），故β-粒子能谱是一个连续谱。当β-粒子具有最大动能为Q时，?的动能为零。

1β-粒子的平均能量约为Emax,一般资料中给出的β-能量通常是指β-的最大能量Emax。

3--

β-能谱如下图：

2

N 计 数

1/3Emax Emax

E（能量）

β-衰变可以看成原子核内的一个中子变成了质子，同时放出一个β-粒子和中微子的衰变。

另外两种β衰变是指β+衰变和轨道电子俘获，分别用下式表示：

AZ?X?Z?AY?????Q 1（质子变中子衰变）

AZX??1e?Z?A1Y???Q

这里不再详谈。

还有一种情况需要讲解一下，即原子核从激发态跃迁到低能态或基态时，有时不发射γ射线而将多余的能量交给核外的壳层电子，此电子脱离原子核的束缚而发射出去，这种电子称为内转换电子，此种情况可以发生在K层，L层或其它层的电子上，这种电子是单能谱。

通常β辐射只有一种微弱的外部危害，其用薄薄的铝层就可以屏蔽β辐射。用原子序数低的材料屏蔽β，防止靭致辐射。

2.3γ衰变

有些放射性原子核在发生α或β衰变以后，仍处于不稳定的激发态，它必然要向低能态或基态跃迁，这时就会发生γ衰变。γ射线实质上就是一种波长很短（10-8-10-11）的电磁波，又称γ光子。γ射线是从核内发射出来的，能量是单色的，其数值为两个能级之差。在发生γ衰变时，原子核的原子序数和质量数均不变，故γ亦称为同质异能态的跃迁。

通常遇到的Χ射线和γ射线相同，也是一种电磁波。靭致辐射产生的Χ射线，能量为连续谱，而外壳层电子向内壳层跃迁时，所释放的Χ射线为特征Χ射线，能谱为单能谱。

γ射线的穿透能力很强，因此要注意它的外照射的危害。一般选用原子序数高的材料如铅来屏蔽它。

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3 放射性衰变的基本规律 3.1 指数衰变规律

放射性物质的核衰变都是按照指数规律来进行的。数学表达式如下：

N=N0e??t （3.1.1）

N0为初始时（t=0）的原子核数； N为t时刻的原子核数；

λ为衰变常数，它是表征衰变快慢的一个常数，λ大则衰变快，λ小则衰变慢。

λ=

0.693 （3.1.2） T1/2T1/2为半衰期，核衰变到原来活度的一半所需要的时间为该核素的半衰期。不同的核素，半衰期是不同的，有的很长很长，如104年，有的很短很短，如几天，几分钟，甚至更短。半衰期可由相关资料查询。

3.2 放射性衰变的统计涨落

对某一个原子核而言，什么时候衰变，这完全是偶然的，是随机性的。在单位时间内发生衰变的原子核有时多些，有时少些，并不是完全确定的，但是它会在一个平均值上下波动、涨落，这种现象称为放射性衰变的统计涨落，是对大量原子核而言的统计规律。由核衰变统计涨落造成的误差称为统计误差，它服从高斯分布。由于核衰变有统计涨落，所以无论你用的仪器多么精密、准确，工作人员多么仔细认真，对放射性测量的结果也是有起伏涨落的，是在某一个平均值上下涨落的，出现在平均值附近的几率大，远离平均值的几率小，而且平均值两边出现的几率是对称的。

表示统计涨落的大小，通常用标准偏差σ表示：

σ=

?(Ni?N)i?1K2K?1 （3.2.1）

1K算数平均值 N??Ni （3.2.2）

Ki?1Ni为第i次的测量值；

4

K为测量次数；

σ表示测量计数统计分布的一个宽度，σ越大测量计数越分散，分布曲线越平、越宽。反之，σ越小，测量数据越集中，分布曲线越窄越尖。其测量结果可表示为：

N??k （置信系数为1，置信度为68.3%）

N?2?k （置信系数为2，置信度为95.5%）

N?3?k （置信系数为3，置信度为99.8%）

平均值的标准偏差 ?N??k

对于核辐射测量，标准偏差σ≈N?N （3.2.3）

其中N为有限次测量的平均值，N为一次测量值。在计数测量中若不存在其它误差，则（3.2.1）式与（3.2.3）式的结果是一致的。若计数中除统计误差外，还存在有其它随机误差，则前者给出的结果要大些。

这里顺便讲一下测量的准确度和精确度这两个不同的概念。测量的准确度是指测量值与真值符合的程度，即测量值与真值相差的大小。准确度是由系统误差决定的，如果测量的系统误差小，结果的准确度就高，反之，系统误差大，准确度就差。

精确度是指测量数据的重复性，或者说是指测量数据的分散性大小。精确度是由偶然误差决定的，偶然误差大，重复性就差，精确度就低，反之，偶然误差小，数据的重复性就好，分散性就小，精确度就高。

有的测量结果准确度还可以，但精确度不高，有的精确度较高而准确度较差。当然，亦有的测量结果准确度高，精确度亦不差。总之，准确度与精确度是两个完全不同的概念。

4 射线与物质的相互作用

上面谈到原子发生衰变，发射出各种射线，可是人们用肉眼是根本看不见它们的，手也摸不到它们。如何感知它们的存在呢？这就要研究射线与物质的相互作用，利用射线与物质的相互作用所产生的一系列效应，探知射线的存在，以及它的种类、强度、能谱等等相关的信息。因此，研究射线与物质的相互作用是研究射线探测、辐射防护和同

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