放射性地球物理第一章 放射性方法到基本知识.ppt

放射性地球物理,核技术与自动化工程学院,一、课程安排 1、理论16学时 1）第1章放射性方法勘查的基本知识 3学时 2）第2章射线与物质相互作用 3学时 3）第3章核辐射测量单位及核辐射防护2学时 4）第4章带电粒子测量方法2学时 5）第5章r射线测量方法 2学时 6）第6章x射线荧光测量方法2学时 7）其他核辐射测量方法2学时 2、实验8学时 1）r能谱测量 4学时 2）x荧光测量4学时,一、考核办法 1、平时成绩15%（包括点名、实验） 2、考试85%,第一章 放射性方法基本知识,第一节 原子和原子核 第二节 核衰变 第三节 放射性系列 第四节 天然放射性核素的射线谱 第五节 放射性核素衰变的基本规律 第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律 第七节 核衰变规律的应用 第八节 中子及人工放射性核素,第一节 原子和原子核,有人类记载以来，对五光十色的大千世界人们一直在追寻： 物质世界是由什麽组成的？ 是什麽把它们组合在一起？,一、原子,1) “原子” 概念的提出 古希腊时代 哲学思辩,泰勒斯: 万物源于水 自然现象归于自然物 质 水 空气 土 火 等,德谟克利特:万物由原子构成,原子是物质世界的共同基础.不能再分割. 原子 思辩性概念,思辩球,思辩性“原子”在沉睡了 2000 多年后,2） 1803道耳顿原子科学概念球,科学概念球,3) 1911 年 卢瑟福有核原子 原子由电子和原子核组成 4） 1913 玻耳 电子绕原子核做定 态运动 原子是稳定的 5) 1932年 查德威克发现中子 6) 1932年 海森堡 原子核 =中子 + 质子 7）1964年 盖尔曼提出夸克 粒子概念,后来又发现其它一些粒子,构成了丰富多彩的物质世界.,基本粒子,公元前4世纪 德寞克利特,1803 道尔顿,1911 卢瑟福,1913 玻耳,1932海森堡,？,人类认识物质“基本砖块”历程,电子,2000 多年,6 0 多 年,100,1990年代 “基本砖块” 轻子 12 夸克 36 媒介子 13 希格斯粒子 1 合计 62 其中 2个粒子尚未发现：引力子和希格斯粒子。,1964夸克,8）现代原子的概念,构成元素的基本单位； 由原子核与核外轨道电子组成，核带正电，电子带负电，整个原子呈中性； 原子大小：108cm；原子核：1013cm； 原子的质量几乎全集中在核上。电子与核的质量比：氢原子1/1840；铀原子1/4717。 原子的质量采用原子质量单位表示：amu,原子结构模型演化示意图,现代原子结构,现代原子结构,9)原子的能级与能谱,原子核外电子按一定轨道绕核运动时，相应的原子处于一定的能量状态。 一种原子绕行电子数目和运动轨道是一定的，因此，一种原子总是处于一系列确定的稳定能量状态。这一系列确定的稳定能量状态称为原子的能级，记为Wi 原子的能级是量子化的，即不连续的。 当原子由较高能级跃迁到较低能级时，原子将以光的形式释放能量： h W1 W2 将某种原子发射的各种频率的光子按波长排列，就构成该原子的发射光谱，也即原子的能谱。,原子的发射光谱,1. 现代原子核的组成,n (udd),P (uud),二、 原子核与原子核的基本性质,A Z N,2. 核素及符号表示,核素 ：具有确定质子数、中子数、核能态，而且其平均寿命长的足以被观察的一类原子核称做核素；核素是原子核的一种统称。,核素表示符号,3 常用名词术语,其它： 稳定核素和不稳定核素 稳定同位素和不稳定同位素 放射性核素和非放射性核素,最常用的两个术语：核素和同位素,4. 原子核的基本性质,实验发现:原子核内的质子+中子紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同). 稳定原子核基本上类似与球体 原子核的半径 R = r0A1/3 原子核半径常数 r0 = 1.2 10-15 m = 1.2 fm A 原子核的质量数 例如：238U 7.4 fm,1) 原子核的大小,R,2) 原子核的质量,电子 me = 9.1×10-31 kg = 5.48×10-4 u = 0.511 MeV/c2 质子 mp = 1.007276 u = 938.256 MeV/c2 中子 mn = 1.008665 u = 939.550 MeV/c2,原子核质量 = 原子质量 全部电子的质量 MN(Z,A) = Ma(Z,A) Z me 忽略了电子的结合能 （ eV 量级） 原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查) 原子核质量可以精确确定,3) 核物质密度,原子核中核子紧密挤在一起 根据 = M/V 计算 核物质密度 : 2.3 1014 g/cm3 1 cm3 核物质 2 亿吨重 !,黑 洞 1018 核物质 1014 中子星 109 白矮星 105 水 1,密度比较 g/cm3,5.原子核的稳定性,现在已发现核素 2800 种，天然存在 300多 其中 稳定的 271 不稳定的 2500多 （89%） 估计总数有 6000 多种 3000 多种尚未发现,超重核稳定岛,1)、核素基本情况,，,稳定核素的核电荷范围从Z1到Z82(除Z43和Z6l之外)，即从氢到铅的每个元素除了Z43的锝（Tc）和Z61的钷（Pm）之外，至少有一种稳定的同位素。 当Z43，61；N19，35，39，45，61，89，115，126，或AZN53时，有不稳定的原子核，所有Z83，N126和A209的原子核都是不稳定的。,2）、稳定与不稳定核素,中子和质子在原子核内不断运动，运动状态不同，相应的能量状态不同。原子核的不同能量状态组成原子核的能级。 原子核的能级是不连续的，即量子化的。 当原子核获得的能量准确等于两个能级的能量差时，将由低能级跃迁到高能级。处于激发态。 处于激发态的原子核是不稳定的，会自动从激发态跃迁到较低能态，同时以电磁辐射形式释放出等于两个能级差的能量。,6. 原子核的能级,核能级示意图,第二节 核衰变和射线,一、 核衰变及其表示,1 什麽是核辐射 不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子，有的带电有的不带电。 中子 质子 裂变碎片等,2 亚原子粒子 ( 原子大小 10-10 m） 射线 氦原子核（4He） 2.2 x 10-15 m 射线 电子(e)经典电子半径 2.8 x 10-15 m 射线 光子(电磁辐射） 0 质子和中子 1-2 x 10-15 m 原子核 Au (金） 7 x 10-15 m,二、 核衰变的基本类型,主要有三种基本类型： 衰变 衰变 衰变,母核 子核 发射射线 衰变能量 226Ra 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) ( 2,4 ),衰变能在反冲核与 粒子间按动量能量守恒分配 原子核变化发射的载能的亚原子粒子 放射性粒子。,1、衰变, (4He),从母核中射出 的4He原子核,粒子得到大部分衰变能,238U4He + 234Th,放射性母核!,基本衰变衰变,衰变241Am 237Np,发生原因：母核中中子或质子过多,质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷,中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷,2、基本衰变衰变,发生-衰变的原因 ：原子核中中子数太多,14 C原子核中的中子发生 -衰变，产生一个质子， 一个负电子和一个反中微子 中子-衰变： n p + e- +,p,n,2、衰变 衰变,基本衰变衰变（动画）,衰变3H 3He,发生衰变的原因 ：原子核中质子数太多,27Si 原子核中的质子发生 衰变，产生一个中子， 一个正电子和一个中微子。,2、衰变衰变,衰变一般发生在核反应生成的核中，天然核素没有。,中子衰变： p n + e + ,正衰变11C 11B,发生轨道电子俘获的原因 ：原子核中质子数太多,40K 原子核中的质子俘获一个轨道电子转变成中子，放出 一个中微子。,3、衰变轨道电子俘获,轨道电子俘获一般发生在原子核的K壳层电子上，所以又称为K电子俘获,轨道电子俘获： p + e n + ,电子俘获,电子俘获7Be 7Li,3、衰变,处于激发态的原子核由较高能态向较低能态跃迁时，发出光子的过程，称为衰变。,1、衰变过程中只有原子核能量状态的变化，没有原子核的转变。,讨论,2、衰变一般是伴随衰变和衰变过程发生的。即发生衰变和衰变后原子核往往处于激发态，随后发生衰变。,3、一般情况下处于激发态的原子核的寿命很短，10-13s；,4、同质异能素：如果处于激发态的原子核的寿命长到可以用仪器测量出来，这种处于激发态的原子核就可以独立的作为一种核素。,基本衰变衰变,衰变3He 3He,基本衰变衰变,衰变特点： 1、从原子核中发射出光子 2、常常在 或 衰变后核子从激发态退 激时发生 3、产生的射线能量不连续 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别, 衰变,- 衰变,+ 衰变, 衰变,4、衰变纲图,衰变：衰变后子核质量数减少4、原子序数减少2，在元素周期表上前移（左移），衰变纲图箭头指向左。,衰变：-衰变后子核质量数不变、原子序数增加1，在元素周期表上后移（右移），衰变纲图箭头指向右。 电子捕获与原子序数减少1，在元素周期表上前移（左移），衰变纲图箭头指向左。,铀 镤 钍 锕 镭 钫 氡 砹 钋 铋 铅 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 U Pa Th Ac Ra Fr Rn At Po Bi Pb,第三节 自然界的天然放射性系列,自然界存在三个天然放射性系列：,A= 4n,钍系,锕系,A= 4n+3,放射性系列-铀系,放射性系列钍系,放射性系列锕系,铀系（4n+2）特征,铀系由15个放射性核素组成，它从238U开始，中间经过8次衰变、6次衰变，最终以生成稳定核素206Pb结束。 铀系各核素的质量数均为4的整数倍加上2，故又称为4n+2系。 铀的半衰期为4.468×109a， 子体半衰期最长的核素是234U T1/22.45×105a 238U和234U达到长期平衡的时间 t7T1/2(234U)1.9×106a。,錒系(4n3)特征,235U开始，中间经过7次衰变，4次衰变，最后生成稳定核素207Pb。 錒系各核素的质量数均为4的整数倍加上3，故又称为4n+3系。 起始核素是235U，半衰期：T1/27.038×108a 子体中半衰期最长的是231Pa(T1/23.28×104a) 整个錒系的平衡就是235U和231Pa的长期平衡，达到平衡的时间约为2.3×105a。,钍系（4n） 特征,钍系以232Th为开头，中间经过6次衰变、4次衰变最后生成稳定核素208Pb结束。 232Th和它各代子体的质量数均为4的整数倍，所以钍系又称4n系。 232Th的半衰期为1.41×1010a 除232Th外，所有子体的半衰期都相对很短。各代子体中半衰期最长的是228Ra（T1/25.76a），所以钍系的平衡就是232Th与228Ra的长期平衡，达到平衡的时间约为40a。 一般情况下，钍系总是处于平衡状态。,讨论,1、三个系列的母核的半衰期都很长，在1081010a之间，故三个系列才得以在自然界存在。 2、三个系列中都有一个气态元素： 铀系222Rn；半衰期-3.825d 钍系220Rn；半衰期-54.5s 锕系219Rn；半衰期-3.96s,3、三个系列的射气都能逸散，其衰变子体可附着于物体表面，成为放射性沉淀物。 钍系、锕系的射气衰变物均为短寿沉淀物； 铀系有长、短两类沉淀物： 短寿218Po、214Pb 、 214Bi 、 214Po 、 210Tl 长寿210Pb、210Bi、210Po 4、射气及其子体的衰变特征 射气()钋同位素()铅同位素()铋同位素() 钋同位素(214Po、212Po、211Po所释放的射线是各系最大能量的射线) 铋同位素(214Bi、212Bi是各系的主要辐射体) 各系衰变的最后产物为206Pb、207Pb、208Pb,不成系列的放射性核素,自然界有不成系列的放射性核素180多种 40K是最重要的一种核素 钾（K）是IA族碱金属元素，原子序数为19，是地壳中8种最丰富的元素之一（它在地壳中的丰度为2.6），是许多造岩矿物（如：云母、钾长石、粘土矿物和某些蒸发盐矿物）的主要成分。K有18个同位素，其中3个天然出现的同位素钾39、钾40，钾41及其丰度是：39K 93.2581%、40K 0.01167%、 41K 6.7302%，由此计算得原子量为39.0983（Garner et al., 1975）。,钾的三种同位素中，只有钾40具有放射性。40K具有分支衰变性质（图2.4.1），以电子捕获(Electron Capture)或衰变等方式，衰变为40Ar与40Ca。其中，88.4的 40K 经过衰变,成为稳定的40Ca，其衰变能为1.31MeV；11.6的40K则以电子捕获方式衰变成40Ar的激发态，再经跃迁回到40Ar的基态，同时放出1.46MeV的射线。, 衰变的衰变常数： =4.96210-10a-1 电子捕获衰变常数： e=0.58110-10a-1,1.31MeV,1.46MeV,常用天然放射性核素的特征,1、铀（Z92） 基本特征： 银色金属，具金属光泽，较软，易加工； 化学活动性与铁类似，在空气中易氧化，易溶于酸； 密度：19.05g/cm3 同位素： 238U（4.468×109a）；235U （7.04×108a） 234U （2.45×105a） 238U：235U：234U1：1/1700：1/140 235U总是与238U共生，在自然界不单独存在，丰度0.7 地壳中铀的含量约为0.0004%，我国铀矿石的边界品位是0.03%。天然铀矿石有10多种。沥青铀矿、晶质铀矿等,沥青铀矿（黑色）与“脂鉛铀矿”（橙黄色）,沥青铀矿（黑色）、红铀矿（红色）与“脂鉛铀矿”（橙黄色）,鳞片状钒钙铀矿（黄色）,钙铀云母（黄绿色）,准翠砷铜铀矿（绿色）,水硫铀矿（黄色）,铜铀云母（绿色）,常用天然放射性核素的特征,1、铀（Z92） 235U 235U是主要的核燃料 235U在热中子的轰击下会分裂成两个中等质量的原子核，并释放出大约200MeV的能量；,原子核裂变 （放出23个中子和 200MeV 能量）,原子弹,核反应堆,常用天然放射性核素的特征,1、铀（Z92） 238U 238U可以用于制造另一种核燃料：239Pu 238U在快中子的轰击下会生成239U， 239U经过2次衰变生成239Pu； 239Pu与235U具有类似的核物理性质，即通过裂变释放能量 目前239Pu与235U作为核燃料的核武器、核电站已经得到广泛应用。,常用天然放射性核素的特征,2、钍（Z90） 基本特征： 银白色金属，具金属光泽，密度：11.0g/cm3； 难与氧化合，在一定氟离子参与下可易溶于盐酸与硝酸； 同位素： 232Th、 230Th、 228Th、 234Th、 227Th、 231Th、 232Th丰度较高，其余均很低 232Th的应用前景 232Th经中子轰击形成233Th，233Th再经两次衰变生成233U 233U可以作为核燃料,常用天然放射性核素的特征,3、镭（Z88） 基本特征： 银白色金属，具金属光泽，密度：5g/cm3； 在空气中不稳定，易于与水作用形成Ra(OH)； 镭在自然界分布广泛，但含量低 同位素： 226Ra、 228Ra、 224Ra、 223Ra 镭的应用 镭的短寿衰变产物具有高放射性，可以作为放射性找矿的信息,常用天然放射性核素的特征,4、氡（Z86） 基本特征： 放射性气体，属于惰性气体，密度：9.27g/l,比空气重7.5倍多； 在0oC及101325Pa压力下可形成水合物。 镭衰变产生氡，在自然界分布广泛。 同位素： 222Rn(3.825d)、 220Rn(54.5s)、 219Rn(3.96s) 氡的应用 氡的短寿衰变产物具有高、放射性，可以作为放射性找矿的信息。 氡对人类的潜在影响：致癌因素,常用天然放射性核素的特征,5、钋（Z84） 基本特征： 银色金属，具金属光泽，密度：9.4g/cm3 钋在空气中或氧气中可氧化成黄色氧化物。钋及其氧化物能溶于盐酸，生成PoCl4。 钋盐易水解形成胶体。 同位素：7个 210Po(138.4d)、 218Po(3min)、 216Po(0.15s)、 215Po(1.8×10-3s)、 214Po(1.64×10-4s)、 212Po(3.05×10-7s)、 211Po(0.56s)、 钋的应用 210Po(138.4d)半衰期较长，具有高放射性，可以作为放射性找矿的信息。,常用天然放射性核素的特征,6、铅（Z82） 基本特征： 深灰色金属，密度：11.35g/cm3 在空气加热可溶化生成PbO。铅能溶于稀硝酸，难溶于稀硫酸与盐酸。 同位素：7个 210Pb(7.02×103s)、 214Pb(26.8min)、 212Pb(10.64h)、 211Pb(36.1min)、 206Pb(稳定)、 207Pb(稳定)、 208Pb(稳定) 铅的应用 206Pb、 207Pb、 208Pb可用于测年 重材料，广泛用于做核辐射防护材料,第四节 天然放射性核素的射线谱,自学要点： 三个天然放射性系列中每个系列的主要、辐射体有哪些？其谱能量多少？ 射气后的短寿固态子体有哪些？主要辐射射线种类？射线能量？,第五节 放射性核素衰变的基本规律,N = N0e-t,基本规律推导,假定 t 时刻所有的放射性原子核的数目为 N,则在t 时间间隔内衰变掉的原子核数目应该为,N Nt,引入比例系数，并用微分代替小量，有,dN N dt,对上式分离变量后在等式两边积分，并考虑 t=0时NN0 有,上式表示的是经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目,第五节 放射性核素衰变的基本规律,讨论,2、是放射性原子核衰变常数，大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关；数值越大衰变越快。,1、的物理意义,由此可知，的物理意义是：单位时间内，单个原子核被衰变掉的几率。N个原子核在单位时间发生衰变的次数则应为N。,由公式 dN N dt 有,第五节 放射性核素衰变的基本规律,N = N0e-t,3、半衰期 (T1/2),定义：一定量的某种放射性原子核，其中有一半发生了衰变所经过的时间。,经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n,经过10倍半衰期，原子核只剩下不到1/1000，可以认为衰变完了。所以，10倍半衰期，可以认为是放射性核的寿命。,N = N0e-t 由半衰期定义 t = T1/2 ， N=N0/2 代入计算得到 T1/2 = ln 2/ T1/2 = 0.693 / , 和 T1/2 两者有一一对应关系 理论研究中多用衰变常数 实际应用中一般用半衰期,4、半衰期与衰变常数的关系,N = N0e-t 由半衰期定义 t = T1/2 ， N=N0/2 代入计算得到 T1/2 = ln 2/ T1/2 = 0.693 / , 、 T1/2 、三者有一一对应关系 理论研究中多用衰变常数 实际应用中一般用半衰期,5、平均寿命,对衰变系列：B1B2···,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,如果我们假定：,t0时，母核B1的核数目为N1(0)，其余所有子核均等于零，即,N2(0)0,则可以写出母核在t时刻的核数目N1(t)和衰变率A1(t)分别为：,一、两种放射性核素的衰变规律,而子核B2单位时间核数目的变化来自两个方面：从B1衰变中获得的积累；从自身衰变中发生的减少。即,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,其解为：,由此得到的放射性活度为：,讨论：,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,此时，212，e-1t1，N1(0)N1,t， e-2t0， N2 达到极大值,此时，单位时间内核素2衰变掉的原子核个数与核素1衰变掉的原子核个数相等。我们称核素1、2达到“放射性平衡”。,实际情况下，t?，可以认为核素1、2间达到放射性平衡？,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,取0.001误差，可以认为是,之t,上式表明，经过10T2时间，1、2两核素达到放射性平衡。,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,核素2的衰变与积累曲线,T2,讨论：,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,此时,由于2与1相差不多，不能立即化简。N2的变化由两部分构成。,t0，N2为0，随t，从N1衰变中得到积累。在积累的同时，也在按照自己的衰变规律衰变。在时间较短时，积累大于衰变， N2总体增加，直到达到极大值。,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,N2达到极大值后。随时间继续增加，由于核素N1的数量不断减少，生成N2的数量也逐渐减少，因此， N2总数不断减少。,N2达到极大值所需的时间为：,由于随时间N1逐渐减少，生成的N2也逐渐减少，满足上式的时间很短。,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,t足够大(10T2)后,下式中,N1、N2两个核素的原子核数的比值保持不变，且N2的变化规律随N1的变化规律而变。放射性动平衡。,讨论：,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,t10T1，方程第二项先趋于0，则有,t10T1后，N2按自己的衰变规律变化。,对衰变系列：B1B2B3B4···Bn,在初始条件：t0时，母核B1的核数目为N1(0) N2(0)N3(0)N4(0)···Nn(0)0,有解：,第六节 两种和多种放射性核素的衰变规律,二、多种放射性核素的衰变规律,······,Nn的变化规律分为a与b两端，a段Nn等于零， b段变化规律基本与两个核素依次衰变规律相同。,a段的长短与N1Nn-1的衰变常数及n之大小有关， b段变化规律基本与两个核素依次衰变规律相同。,思考题： a段的长短与N1Nn-1的 衰变常数大小有何关系？,第七节 核衰变规律的应用,1、放射性平衡的建立 对于三个天然放射性系列，由于其起始核素的半衰期均远远大于任一子核的半衰期，所以，在一般情况下，经过子体中半衰期最长者的10倍半衰期时间，除起始核素外，其它核素的指数衰变项e-ntn均趋近于0，于是，第n个子体的核素方程简化为：,一、放射性系列平衡的建立及铀镭平衡系数,上述结论可以推广到整个系列，即当时间超过系列 中最长子核寿命的10倍半衰期后，系列中任意一个核 素的衰变率都相同。,N11 N22N33N44···Nnn,第七节 核衰变规律的应用,讨论 1）系列达到放射性平衡的时间是最长子体核素半衰期的10倍。 2）达到系列平衡后，系列中任意一个核素的衰变率都相同。即核素间原子核的个数比例保持固定。据此，只要知道系列中某一核素的原子核个数，就可以推算出系列中任一其他核素的原子核数或重量数。 3）铀系子体核素中234U的半衰期最长为2.5×105年，达到系列平衡的时间是250万年。 4）钍系子体核素中228Ra的半衰期最长为5.75年，达到系列平衡的时间是58年。,一、放射性系列平衡的建立及铀镭平衡系数,第七节 核衰变规律的应用,2、铀镭平衡系数 1）放射性平衡系数的定义：放射性系列中，任何两种核素在岩（矿）石中的质量比值与它们处于平衡状态时质量比值之比，称为这两种核素的放射性平衡系数。 2）铀镭平衡系数表示岩（矿）石中铀镭的质量比值与处于平衡状态时铀镭质量比值之比。,一、放射性系列平衡的建立及铀镭平衡系数,第七节 核衰变规律的应用,2、铀镭平衡系数 3）铀镭平衡系数的确定 A) 确定铀(238)镭平衡时铀镭的质量比,一、放射性系列平衡的建立及铀镭平衡系数,设铀的质量为1克，求与1克铀处于平衡时的镭的量。,铀原子的质量数为238，1克铀的原子数为：,与铀平衡的1克镭的原子数为：,第七节 核衰变规律的应用,一、放射性系列平衡的建立及铀镭平衡系数,将镭的原子数化为克数,即与1克铀238平衡时的镭为：3.37×10-7g。,B) 确定天然铀与镭平衡时铀镭的质量比,天然铀中238U的丰度为：0.9927；与天然铀平衡时镭为,3.37×10-7×0.99273.348×10-7g 3.35 ×10-7g,第七节 核衰变规律的应用,2、铀镭平衡系数 4）铀镭平衡系数的意义,一、放射性系列平衡的建立及铀镭平衡系数,铀镭的化学性质有差异，在某些地球化学条件下，两者常常被分离，然后经迁移后重新富集。实际工作中，特别是在通过伽玛测量寻找铀矿时，所测量的主要伽玛辐射体是镭的子体。只有当铀镭平衡时，所测量的伽玛辐射的强弱才能代表铀含量的高低。,富镭,富铀,第七节 核衰变规律的应用,2、铀镭平衡系数 4）铀镭平衡系数的意义,一、放射性系列平衡的建立及铀镭平衡系数,实际工作中，为了方便，采用平衡系数kp来表示某一地区的铀镭平衡情况。等于,铀镭平衡,kp1,偏镭,Kp1,偏铀,Kp1,第七节 核衰变规律的应用,（一）Rn及其短寿子体原子核数的计算 Rn主要短寿子体：218Po(RaA)、214Pb(RaB)、214Bi(RaC)、214PoRaC4个； Rn及其短寿子体原子数的计算,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,······,第七节 核衰变规律的应用,Rn及其短寿子体原子数的计算实例,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,t =2min,第七节 核衰变规律的应用,Rn及其短寿子体原子数的计算实例,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,t =2min,RaC半衰期很短，只有1.64×10-4s,因此总与RaC处于平衡，故RaC0。,第七节 核衰变规律的应用,Rn及其短寿子体的衰变积累,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,218Po(RaA)积累快，20多分达到最大值；,214Pb(RaB)、214Bi(RaC) 相对积累较慢，34小时才达到最大值。,第七节 核衰变规律的应用,Rn及其短寿子体的衰变积累,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,总衰变率为：,射气测量中，将Rn引入ZnS（Ag）闪烁体后引起的闪烁效应（仪器读数）增长，就是由这一因素决定的。,第七节 核衰变规律的应用,（二）Rn的短寿子体的衰变规律 1.物体与氡接触时间很短(10min)左右,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,当氡与物体接触10min时,沉淀在物体表面上的除218Po(RaA)外，还有一定量的214Pb(RaB)及214Bi(RaC)。当氡被除去后,218Po(RaA)将按指数规律eRaA t 衰变，214Pb(RaB)及214Bi(RaC)则按多个核素相继衰变规律衰变。若沉淀物的原子数以Nmax作为相对单位表示,则三个子体的衰变规律如右图所示。,随着218Po(RaA)的衰变，214Pb(RaB)很快积累，约经30min积累到最大值，以后渐渐减少。214Po(RaC)是辐射体，半衰期极短，它总是与214Bi(RaC)处于平衡状态,因此它的变化规律与214Bi(RaC)相同。 在开始的几分钟(5min)内，由于RaC比RaA小，且NRaC又小于NRaA，所以这段时间内辐射主要由218Po(RaA)的衰变决定。,20分钟后214Bi(RaC)的量显著超过218Po(RaA)，以后的辐射将由和214Bi(RaC)处于平衡的214Po(RaC)决定。不过当214Bi(RaC)积累到极大值时，214Po(RaC)相应的衰变率只有起始时218Po(RaA)衰变率的10或更小一些。,（二）Rn的短寿子体的衰变规律 1.物体与氡接触时间很短(10min)左右,第七节 核衰变规律的应用,（二）Rn的短寿子体的衰变规律 2.如果氡浓度不变,物体与氡接触的时间较长(大于4h) 经过4小时后，氡已与其短寿子体达到平衡，将物体从氡气中移走，物体上的218Po(RaA)、214Pb(RaB)、214Bi(RaC)的变化规律可按两种和多种核衰变律计算，结果见下图,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,第七节 核衰变规律的应用,（二）Rn的短寿子体的衰变规律 2.如果氡浓度不变,物体与氡接触的时间较长(大于4h) 污染物上的辐射将由218Po(RaA)及214Po(RaC)决定。前十多分钟，污染物上的辐射能注量率将由于218Po(RaA)的迅速衰变而降低，以后将由214Bi(RaC)的变化决定。 污染所引起的、辐射将由214Pb(RaB) 及214Bi(RaC)所决定。经过两个小时后，RaA降低到开始时的2左右, 、辐射将降低到4左右。 结论：被氡的短寿子体污染的测量装置或仪器，在空气中放置三小时后，一般情况下可继续使用。,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,第七节 核衰变规律的应用,（三）Tn引入密封容器后辐射能注量率的变化规律,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,1.0 0.8 0.6 0.4 0.2,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,t(min),N/Nmax,Tn和它的衰变子体216Po(ThA)都是辐射体。因212Pb(ThB)的半衰期10.64h，位于它后面的衰变子体在短时间内无明显积累，所以辐射能注量率由Tn及216Po(ThA)的衰变决定。 216Po(ThA)半衰期为0.15s很短，在极短时间内，Tn与216Po(ThA)已达到平衡，以后将依照Tn的指数规律衰减。Tn半衰期54.5s，约一分钟减少一半，经十分钟后，可以认为衰变完了。,第七节 核衰变规律的应用,讨论： Tn引入密封容器后的辐射变化规律与Rn引入密封容器后的辐射变化规律明显不同，可以利用这个差别来鉴定矿物的性质，射气测量中的Rn、Tn定性测量，就是以此为依据的。 问题： Tn引入密封容器后的辐射变化规律与Rn引入密封容器后的辐射变化规律有什么明显的不同？ 答案：前者在几分钟内几乎迅速衰减到零，后者则没有明显变化或略有上升。,二、Rn、Tn射气的短寿衰变产物的衰变规律,第七节 核衰变规律的应用,1、根据放射性衰变规律求年龄的基本公式 假定在t时刻放射性母体同位素的原子数为N； 在时间dt内，母体同位素原子的改变数dN应该与母体同位素的原子数成正比，即：,三、利用核衰变规律测定地质年龄,比例系数代表了该母体同位素在单位时间内衰变的(原子)分数，我们称其为衰变常数。 负号表示母体核素是减少的。,解前方程得放射性核素衰变基本方程：,设放射性衰变积累的子体核素的原子数为D，则,衰变过程中，母核素的衰减与子体核素的增加的规律。,在实际工作中，对于现存样品来说，其初始时刻的核素数目N0是不知道的。通过分析测试只能求得样品被分析时刻的N和D。所以，计算年龄的公式必须以样品（矿物、岩石）中现存的母体核素和子体核素含量为根据。,代入,整理,利用核素衰变规律测定年代的基本条件: 1. 它必须是密闭的系统： 这也就是说，在样品所经历的历史时间内，绝不可有外来的因素干涉这个系统。即这系统中没有任何东西流失或添加。 2. 它必须在一开始时不包含任何子核素： 若是一开始时就包含子核素， 则此因素必须经过校正，然後所计算出来的数目才有意义。 3. 变化速率，必须一直保持不变： 同样的，若是在过去变化速率曾发生过变化， 我们也必须知道并加以校正，所求得的年龄才有意义。 对于每一特定方法还可能有其他的假设， 但以上三点是各方法所共有， 且是最重要的三个假设。当上述3个假设不成立时，我们得到的测定年龄是不可能准确的。,第七节 核衰变规律的应用,2、UPb法 当铀系列处于放射性平衡时，系列起、止核素间可以看作一对核素对，即可视为238U直接衰变为206Pb。依据衰变规律可以写出,三、利用核衰变规律测定地质年龄,从而依据206Pb和238U确定样品年龄的公式为,对于锕铀系，与铀系同样考虑，假定系列处于放射性平衡，依据放射性衰变规律有：,第七节 核衰变规律的应用,三、利用核衰变规律测定地质年龄,对于钍系，与铀系同样考虑，假定系列处于放射性平衡，依据放射性衰变规律有：,第七节 核衰变规律的应用,三、利用核衰变规律测定地质年龄,由207Pb 206Pb可以得到第四个确定年龄公式,两式相除,第七节 核衰变规律的应用,3、KAr法 利用40K衰变成40Ar的规律可以构建计时时钟。 实际上，除通过电子捕获衰变成40Ar外， 40K尚通过衰变生成40Ca。理论上，是否存在利用这一衰变过程测定年龄的可能？在实际工作为什么不用40Ca与40K来测定年龄？ 这是因为Ca是造岩元素，岩石和矿物中绝大部分40Ca不是由放射性40K衰变产生的。无法区分岩石和矿物中非放射性成因的40Ca。,三、利用核衰变规律测定地质年龄,Ar与Ca不同。Ar是惰性气体，在火山喷发时，岩石溶化，储存在岩石中的原有的Ar受到高温作用将会跑掉。当岩石重新固化时，火成岩中将不会含有Ar。以后，随40K的衰减，40Ar将得到积累。 因此，利用40K衰变成40Ar测定的地质年龄，应该代表岩石最后一次热事件以来所经历的时间。 根据核素衰变的基本规律，可以写出，标本内衰变源之40Ar*含量与40K含量与年龄间，具有下列关系：,第八节 中子及人工放射性核素,关于中子 1932年，英国查德威克发现中子。 中子是组成原子核的基本粒子之一，与质子统称为核子。 中子是由3种称为夸克的粒子组成的。 自由中子是不稳定的。当其中的“下”夸克衰变成“上”夸克，中子就变成质子。 自由中子的衰变方程： 1n1pQ 中子的发现是20世纪物理学发展史中一个极其重要的事件，与核反应诱发人工放射性、发明带电粒子加速器技术并列为20世纪原子核研究发展中的三个里程碑,一、中子,第八节 中子及人工放射性核素,中子的基本特征 质量：1.00866 amu(1.675×10-27kg)。 电荷上限为：10-19e，可以视为不带电。 中子的半衰期为11.7min 中子与其它基本粒子一样具有粒子性与波动性。 中子不带电，它不受原子电场的作用，因此，中子可以轻松进入原子核内，引起各种核反应，因此，中子是研究原子核的良好武器。,一、中子,第八节 中子及人工放射性核素,中子能组分类 相对论中子： 能量50MeV 极快中子： 1050MeV 快中子： 0.510MeV 中能中子： 1keV0.5MeV 超热中子： 0.5eV1keV 热中子： 0.025eV(0.0050.5eV) 冷中子： 0.0010.005eV 甚冷中子： 10-70.001eV 超冷中子： 10-7eV,一、中子,第八节 中子及人工放射性核素,一、中子,冷中子源系统 Cold Neutron Source,第八节 中子及人工放射性核素,中子源种类