放射性地球物理第一章 放射性方法到基本知识.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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 = 9.110-31 kg = 5.4810-4 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
7、(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
8、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
9、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
10、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
11、: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
12、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
13、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
14、 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4.468109a, 子体半衰期最长的核素是234U T1/22.45105a 238U和234U达到长期平衡的时间 t7T1/2(234U)1.9106a。,錒系(4n3)特征,235U开始,中间经过7次衰变,4
15、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:T1/27.038108a 子体中半衰期最长的是231Pa(T1/23.28104a) 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2.3105a。,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1.411010a 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/
16、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210
17、Pb、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
18、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
19、 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(4.468109a);235U (7.04108a) 234U (2.45105a) 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
20、(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2
21、39Pu; 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
22、: 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
23、,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(1.810-3s)、 214Po(1.6410-4s)、 212Po(3.0510-7s)、 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
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