0111學年度第二學期輻射安全-期末作業(yè)

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1.?請描述原子質量單位的定義及原子內粒子質量大小?(10分)

原子質量單位（amu）是用于描述原子和分子質量的單位。它定義為氧-16原子質量的1/12，即1 amu等于1/12（1.66053906660×10^-27 kg）的氧-16原子質量，約為1.66053906660×10^-27 kg。

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在原子內，核子是原子核的組成部分，包括質子和中子。質子質量為1.007276 amu，中子質量為1.008665 amu。電子質量約為5.48579909070×10^-4 amu，比核子質量小約2000倍。因此，原子核的質量主要來自于質子和中子的質量。

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2.?請描述質子與中子比例(Z/N)與核種衰變的關系?(10分)

質子與中子比例（Z/N）是指原子核中質子數(shù)（原子序數(shù)，Z）與中子數(shù)（N）之間的比例關系。不同種類的原子核可以有不同的Z/N比例，而這個比例在一定程度上決定了核的穩(wěn)定性。

當Z/N大于某一臨界值時，核的結構變得不穩(wěn)定，容易發(fā)生放射性衰變。放射性衰變是指核的不穩(wěn)定性導致核自發(fā)地放出粒子或電磁波，以達到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。放射性衰變可以通過α衰變、β衰變或γ衰變等方式進行。

α衰變是指原子核放出一個α粒子（即兩個質子和兩個中子組成的粒子），Z和N數(shù)都減2，質量數(shù)減4。β衰變是指原子核放出一個β粒子（即電子或正電子），質子數(shù)增加或減少1，中子數(shù)也相應地減少或增加1。γ衰變是指原子核從一個能級躍遷到另一個能級時放出的伽馬射線，不改變Z和N數(shù)。

因此，當核的Z/N比例超過一定范圍時，它就會變得不穩(wěn)定，發(fā)生核衰變以達到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。這種衰變過程是放出粒子或電磁波，使得Z/N比例得到調整以達到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。

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3.?請描述奧杰電子與特性輻射定義? (10分)

奧杰電子（Auger electron）是指當內層電子被光子或其他粒子激發(fā)后，該原子會再次釋放出一個電子，稱為奧杰電子。這個過程被稱為奧杰電子發(fā)射。奧杰電子發(fā)射是一種重要的電子能級轉移過程，它可以提供有關原子中的內層電子能級和原子結構的信息。

特性輻射（Characteristics radiation）是指當原子被高能光子或其他粒子激發(fā)時，原子中的外層電子會躍遷到原子中空缺的內層電子能級，釋放出一定能量的光子能級，稱為特性X射線。特性輻射是一種重要的X射線來源，它提供了有關原子中的內層電子能級和原子結構的信息。

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奧杰電子和特性輻射是原子結構研究中的重要現(xiàn)象，它們可以幫助科學家了解原子的結構和性質，從而推動物理學、化學、天文學等領域的研究和應用。

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4.?請描述熒光產率與內轉換額定義??(10分)

熒光產率是指處于激發(fā)態(tài)的分子或原子回到基態(tài)時所發(fā)射的熒光光子數(shù)量占到吸收光子數(shù)量的比例，通常用Φ表示。熒光產率表示了熒光發(fā)射的效率和強度，它可以通過測量熒光和吸收光的光譜強度來計算得到。

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內轉換額是指分子或原子從一個激發(fā)態(tài)回到另一個低能激發(fā)態(tài)的概率，通常用k_IC表示。內轉換額與熒光產率有關，因為熒光產生的前提是分子或原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，如果它們發(fā)生了內轉換，就不會產生熒光。內轉換額的值受到分子或原子的結構和性質的影響，通常通過分析分子或原子的電子能級結構來理解。

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熒光產率和內轉換額是研究分子或原子光物理學的重要參數(shù)，可以幫助科學家了解分子或原子的光學性質和電子能級結構，從而推動藥物研究、材料科學和化學等領域的發(fā)展。

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5.?請描述輻射源有哪些分類??(10分)

輻射源可以根據(jù)它的性質和應用進行不同的分類。

1. 自然輻射源：地球內部的放射性元素和太陽輻射等都是自然輻射源。它們產生的輻射包括伽馬射線、X射線和粒子輻射等。

2. 人工輻射源：人工輻射源包括醫(yī)療用途的X射線和伽馬射線、核能事故產生的放射性物質以及用作核武器的放射性物質等。

3. 宇宙輻射源：宇宙輻射包括來自太陽風、銀河系和宇宙射線等的輻射。它們產生的輻射包括伽馬射線、X射線和粒子輻射等。

4. 工業(yè)輻射源：工業(yè)輻射源包括用于工業(yè)和科研應用的X射線和伽馬射線以及放射性同位素等。

5. 生物輻射源：生物輻射源包括天然的輻射背景、醫(yī)學診斷和治療用的放射性同位素、輻射性藥物和化學品等。

不同類型的輻射源產生的輻射特性和對人體健康的影響也有所不同，因此對它們進行分類可以更好地了解它們的性質和應用。

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6.?請描述活度-核種的穩(wěn)定性有哪些相關參數(shù)需要考慮??(10分)

活度-核種穩(wěn)定性的參數(shù)通常包括以下幾個方面：

1. 核種半衰期：核種半衰期是指半數(shù)核種原子核分解所需的時間。核種的半衰期越長，其放射性衰變的速度就越慢，穩(wěn)定性就越高。

2. 活度：活度反映了核種的衰變速率，也就是單位時間內發(fā)生衰變的原子核數(shù)?；疃仍降?，核種的穩(wěn)定性越高。

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3. 能量和方式：不同種類的輻射能量和方式對穩(wěn)定性影響不同。例如，某些類型的輻射比其他類型更容易被吸收或穿透，因此，它們的危害程度也不同。

4. 放射性產物：衰變的核種會產生一些放射性產物，這些產物也可能具有放射性，進一步影響穩(wěn)定性。這些產物的半衰期和活度也需要考慮。

綜上所述，活度-核種的穩(wěn)定性需要考慮多種參數(shù)，并綜合分析才能得出最終結論。

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7.?請描述母核與子核半化期的比較，可將衰變系列是否會形成平衡之特性，區(qū)分為以下哪三類??(10分)

母核與子核半衰期的比較：

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- 母核半衰期較長，子核半衰期較短：這種情況下，母核衰變得很慢，而子核衰變得很快，衰變過程可以看作母核衰變的第一步。在實際應用中，常常利用這種性質來測定母核的濃度。

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- 母核半衰期與子核半衰期相當：這種情況下，母核和子核的衰變速率相當，衰變過程就不能看作單獨的兩步，而是要考慮母核和所有不穩(wěn)定子核的共同衰變過程。這種情況下會形成衰變系列，并且系列中各子核的濃度比是穩(wěn)定的，也就是說，衰變系列會形成平衡態(tài)。

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- 母核半衰期較短，子核半衰期較長：這種情況下，母核衰變得很快，子核衰變得較慢，衰變過程可以看作母核衰變前的瞬間快速衰變。這種情況在實驗室常常用于產生短壽命的同位素束。

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區(qū)分衰變系列是否會形成平衡的特性:

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- 同位素衰變系列：在同位素衰變系列中，母核和其衰變產物的半衰期相近，衰變過程會形成平衡態(tài)，衰變系列一直衰變至穩(wěn)定核。

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- 放射性衰變系列：在放射性衰變系列中，母核和其衰變產物的半衰期相差很大，衰變過程不會形成平衡態(tài)，母核的衰變通過多步進行，經過多個中間態(tài)穩(wěn)定在最終穩(wěn)定核。

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- 捕獲過程：捕獲過程指的是一種核反應，其中一個原子核吸收另一個原子核（通常是中子），并轉化為另一個核狀態(tài)。在捕獲過程中，母核和子核之間沒有穩(wěn)定的半衰期比較關系。

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8.?請描述荷電粒子與物質作用的特性，何謂阻擋本領??(10分)

荷電粒子與物質作用的特性：

荷電粒子與物質作用時，主要通過電離與激發(fā)作用來與物質相互作用。其特性包括：

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1. 能量轉移：荷電粒子在穿過物質時會失去能量，將其轉移給物質中原子或分子，導致電離或激發(fā)。

2. 電離作用：荷電粒子穿過物質時會撞擊物質中的原子或分子，將它們離子化。這種作用在輻射防護等領域有著重要的應用。

3. 激發(fā)作用：荷電粒子穿過物質時也會讓物質中的原子或分子處于激發(fā)態(tài)，但不會離子化。

4. 阻擋作用：荷電粒子在穿過物質時會和物質原子或分子發(fā)生作用，由于相互作用而失去能量，最終被物質阻擋。其阻擋程度被稱為阻擋本領，是一個衡量材料對荷電粒子輻射阻擋能力的重要參數(shù)。

阻擋本領指的是材料對荷電粒子輻射的阻擋程度，一般用厘米厚度單位的材料來測量。阻擋本領的大小取決于荷電粒子的能量和質量、材料的密度和組成。常用的材料包括鋁、銅、鐵、混凝土等。在核反應堆、加速器、X射線等應用中，選擇合適的材料和厚度來提高阻擋本領，降低對人員和環(huán)境的輻射傷害至關重要。

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9.?請描述輻射線與物質的作用，重荷電粒子、輕荷電粒子、光子及中子??(10分)

輻射線與物質的作用是指輻射線(包括重荷電粒子、輕荷電粒子、光子、中子等)與物質相互作用的過程。

重荷電粒子與物質作用的特點是質量大、電荷量大、能量低。它們與物質相互作用時，主要通過電離作用和激發(fā)作用來與物質相互作用。電離作用和激發(fā)作用造成的物質損傷較大，容易引起輻射損傷。

輕荷電粒子與物質作用的特點是質量較小、電荷量較小、能量較高。它們與物質相互作用時，主要通過電離作用、激發(fā)作用和俘獲作用來與物質相互作用。俘獲作用會導致物質中的原子或分子變成另一種元素。輕荷電粒子對人體傷害較大，易引起化學損傷。

光子與物質作用的特點是因其無電荷、無質量，作用時只通過能量轉移，其與物質相互作用的主要方式是光電效應、康普頓散射和正負電子對產生作用等。光子對生物和環(huán)境的損害程度較輕，但高劑量下會引發(fā)癌癥等問題。

中子與物質作用的特點是一般沒有電荷，質量大、能量高。其與物質相互作用的主要方式是散射作用、反應作用和吸收作用等。中子對人體傷害較大，容易引起核輻射損傷，其特別適用于工業(yè)和軍事領域的應用。

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10.?請描述光子與物質的作用主要機制??(10分)

光子與物質相互作用的主要機制有以下三種：

1. 光電效應：光子能量傳遞給物質中的原子或分子中的電子，將其從原子或分子中拋出，形成自由電子。這種機制主要適用于靠近光子能量的原子或分子。

2. 康普頓散射：光子與物質中的電子發(fā)生碰撞，導致一部分光子能量被傳遞給電子，使其獲得動能，并發(fā)生方向改變。這種機制主要應用于低能光子。

3. 正電子與電子對產生：高能光子(通常是伽馬射線)經過物質時，會與物質中原子核碰撞產生強相互作用，進而產生電子-正電子對。這種機制主要應用于高能光子。

由于光子沒有電荷、質量輕，其相互作用能力較弱，在與物質相互作用時，主要通過能量轉移來影響物質。這種能量轉移會導致物質中原子或分子的電子發(fā)生激發(fā)、電離等過程，從而引起一系列的化學反應和發(fā)光現(xiàn)象。