放射性探测.

放射性探测2014.7.25定义：利用岩石中天然放射性元素含量及种类的差异，以及在人工放射源激发下岩石核辐射特征的不同，寻找矿产资源及解决包括水文、工程、环境地质在内的某些地质问题的地球物理方法，称为放射性探测。•应用条件1.必要条件：放射性差异①.放射性的共生、伴生矿；②.不同元素组成的岩矿石具有不同的放射性含量；③.不同时代形成的岩矿石，放射性含量不同；④.油、气田具有弱放射性异常；⑤.构造有放射性异常。2.充分条件：①.能测量的异常；②.干扰小，仪器灵敏度高；③.环境条件允许。•应用1.寻找放射性矿产(U、Th和K)；2.寻找与放射性相关的矿产；3.破碎带；4.圈定花岗岩体；5.分层，确定岩性，煤层；6.找水；7.测定密度、孔隙度等；8.解决环境问题。•七、优点1.几乎不受环境影响：化学状态、温度、压力和电磁场等；2.直观，易解释；3.高效、快捷、方便和成本低。•不足•探测深度小。•简史•1932年，加拿大的沃格特(W.Voget)首次采用装有盖革计数器的野外辐射仪。1949年，美国普林格尔(R.W.Pringle)和劳洛顿(K.I.Rouloton)试制成功了第一批闪烁式野外辐射仪，并在加拿大阿萨巴斯卡湖附近的铀矿区试验成功。•简史1944年航空放射性测量开始作实验性飞行。1949年美国、加拿大和英国开始设计航空闪烁辐射仪，1950年开始大量生产。1962年美国研制了高灵敏度的航空γ能谱仪，并从1966年开始用于矿产资源调查。60年代后期美国、英国、加拿大、日本等国开始采用汽车γ能谱测量。70年代测氡技术有了新的发展。中国于1954年开始进行放射性普查工作。几个概念•在原子世界中，淹没在电子云中的原子核是一个具有质量和电荷的核心。现在已经弄清楚，半径仅为原子半径万分之一的原子核，集中着99％以上的原子质量和全部正电。•原子核带有正电荷，其电量g等于电子电量的绝对值e的整数倍，亦即g＝Ze。这里，整数Z称为这元素原子核的电荷数，也就是这化学元素的原子序数．原子核的质量同原子的质量相差极小。•原子核•原子的质量应包括原子核的质量和核外各电子的质量。在原子核物理中通常使用另一个叫做“原子质量单位”的单位。按现在的规定，取碳的最丰富的同位素126C原子处于基态的静止质量的1/12作为1“原子质量单位”，以u表示．根据计算•1u＝1.660566X1.0-27kg•同位素•原子的质量以“原子质量单位”计算时都接近于一整数，这整数称为原子核的质量数，或称核子数，以A表示。•电荷数Z和质量数A是标志原子核特征的两个重要物理量，常用AZX(或AX)来标记某原子核，其中X代表与Z相应的化学元素符号。Z和A都相同的原子核称为某种核素，Z相同而A不相同的原子核称为同位素。•例如氢有三种同位素，即11H、21H(或21D)和31H(或31T)，分别称为氢核、氘核(又称重氢)和氚核。•中子•原子核X是由Z个质子和A-Z个中子所构成。对于轻核，质子数和中子数近乎相等，对于重核，中子数约为质子数的1．5倍。这是由核子之间作用力的性质所决定的。•例如氦42He核中有两个质子和两个中子；铁5626Fe核中有26个质子和30个中子；铀23892U核中有92个质子和146个中子等。•中子在原子核中是构成核的稳定粒子，但在核外并不稳定，一个自由的中子的平均寿命约15min，它将衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子，因此自由中子是有放射性的。•核力•质子与质子之间有着很大的斥力，中子又不带电，不可能是电性力使质子、中子聚集成原子核，也不可能是万有引力，因为它比电磁力还小1039倍。那么，是一种什么力能够使质子与质子，质子与中子，中子与中子紧紧地束缚在一起呢?经研究发现，这是一种强相互作用力，称为核力。•实验说明核力具有下列重要的性质：•(1)核力比电磁力强100多倍，是强相互作用力；•(2)核力是短程力．只有当核子之间的距离为2个fm（1fm＝10-15m）之内，核力才显示出来。•结合能•原子核既然是由核子组成的，它的质量就应等于全部核子质量之和。设以mx、mp、mn分别表示原子核AZX、质子和中子的质量，于是应该有：•Mx=Zmp+(A-Z)mn•但实验测定的原子核质量mx总是小于上式所给出的量值，这一差额称为原子核质量亏损。•相对论指出，当系统有质量改变时一定也有相应的能量改变，关系为⊿E=(⊿m)c2。由此可知，质子和中子组成核的过程中必有大量的能量放出，这能量称为原子核的结合能，常用EB来表示．反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须给予和结合能等值的能量。•例如氘的结合能为2.23MeV。实验证实，当γ射线光子具有的能量达到2.23MeV时，就能将氘核分解为自由的中子和自由的质子。第一节原子核的放射性衰变•在人们发现的2000多种同位素中，绝大多数(约1600多种)都是不稳定的，它们会自发地蜕变，变为另一种同位素，同时放出各种射线．这样的现象称为放射性衰变。•1896年贝克勒耳(H．Bacquerel)首先发现了铀的放射性现象，随后于1898年居里夫妇(P.&M.Curie)又发现了放射性元素钋和镭，这是人类认识原子核的开始．19-34年约里奥·居里夫妇(F．&I．Joliot—Curie)发现人工放射性，从而开始人工制备放射性元素，并为应用放射性开辟了广阔的途径.一、放射性探测的基本知识（一）放射性核素及其衰变规律化学元素的原子是由带正电的原子核和绕核旋转的壳层电子组成，而原子核又由质子和中子组成，质子带正电、中子不带电。以电子所带的电荷作为单位量，则质子带一个单位的正电荷。用字母Ｚ表示原子核的质子数，称为原子序数，字母N表示中子数，字母A表示核内质子和中子的总数，称为质量数。具有确定质子数的一类原子称为元素。具有确定质子数和中子数的原子称为核素，以符号表示，其中X是原子所属化学元素的符号。某些核素的原子核不稳定，能自发地放出射线面变成另一种核素的原子核，这种现象称为放射性衰变。具有不稳定原子核的核素称为放射性核素。放射性衰变有三种类型:1.从原子核内放出α射线，称为α衰变。α射线是高速的氦核()流，某一放射性核素的原子核经α衰变后，将转换为原子序数减少2,质量数减少4的新核素的原子核。42HeAZXβ射线是高速运动的电子流。经β衰变产生的新核素，其原子序数比原核素增加1，但质量数不变。例如：146C→147N+β2.放射性核素自发的使核内一个中子转变为质子，放出带负电的β粒子，称为β衰变。3.核素经过α衰变和β衰变产生的新原子核，处于激发状态的时间很短，很快跃迁到低能级，放出γ光子，称为γ衰变。γ射线是一种波长极短的电磁辐射。若以N0和N表示某放射性核素在时间t=0和t时的原子核数，则其衰变规律可表示为N=N0e-λt式中λ称为衰变常数(单位为s-1)，λ越大，衰变越快。负号表示原子核数N随时间延长而减少。通常还用一种称为半衰期的量来表示核素衰变的快慢。半衰期T1/2是指处于特定能态的某种放射性核元素的原子核减少一半所需要的时间(单位为s)。23892U23292U23592U22286Rn22086Rn21986Rn（二）天然放射性系列及放射性平衡天然放射性核素都是由一代母体，连同相继衰变的各代子体，构成一个放射性系列。三种天然放射性系列分别以各自的第一代母体命名，称为铀系（）、钍系（）和锕（铀）系（）。这三个放射性系列的共同特点是：1.起始母体的半衰期都在108a以上，因此这三个系列至今还能存在于自然界中。2.每个系各有一代原子序数为86的气态子体，称为射气。它们分别是铀系的氡（）、钍系的钍射气（）（Th）、锕铀系的锕射气（）（An）。后两种也都是氡的同位素，氡是镭的α衰变产物。23892U3.各系最后的稳定核素都是铅（Pb）的同位素，铀系为206Pb，锕系为207Pb，钍系为208Pb。4.每个系列核素的质量数变化有相似的规律性，在放射性系列中，除起始母体外，任一代子体在其衰变过程中只要与母体共存，都能不断得到补充。子体的原子数保持不变，母、子核素间在数量上有一定的比例，两代核素达到了放射性平衡状态。第二章射线与物质的相互作用一、α射线、β射线与物质的相互作用α粒子可与原子的壳层电子发生静电作用，使电子获得能量，从原子中逸出，成为自由电子，同时原子变成带正电的离子，这种效应称为电离。如果壳层电子获得的能量不足，它就只能跃迁到更高的能级，这种效应称为激发。β粒子的质量很小，它与原子的壳层电子或原子核作用时，容易改变自身的运动方向，但变向前后的总动能不变，这种现象称为弹性散射。当快速母粒子掠过原子核附近时，由于受核库仑力的作用而突然改变速度，使其一部分动能转变为电磁辐射，称为轫致辐射。二、γ射线与物质的相互作用天然放射性核素放出的γ光子的能量范围大致为(0.0n～n)MeV，它与物质作用时，主要产生三种效应:1.光电效应低能量(＜0.5MeV)的γ光子与物质作用时，可将其能量全部转移给原子而自身消失，原子又将这些能量几乎全部交给一个壳层电子。该电子耗去一部分能量克服原子的束缚而逸出，成为光电子。另一部分能量则成为光电子的动能。这种作用称为光电效应(图(a))。2.康普顿效应能量较高(0.5～1.02MeV)的γ光子可以直接与原子中的壳层电子(有时也与自由电子)发生弹性碰拉。碰撞后，光子损失能量，从而改变运动方向，电子获得能量，从原子中飞出。这种现象称为康普顿效应·(或康普顿散射)。从原子中逸出的电子称为反冲电子，改变了运动方向的γ光子称为散射光子，见图(b)。3.电子对效应能量大于1.02MeV的γ光子经过物质的原子核(特别是重原子核)附近时，有可能被吸收而失去全部能量，转化成一个正电子和一个负电子组成的电子对。这种作用称为电子对效应图(c)。在岩石和覆盖层中,γ射线一般能透过0.5~1m,β射线能透过几毫米，而α射线只能穿透30μm。三、放射性测量单位与标准源（一）放射性活度、比活度1.活度与比活度处于特定能态的一定量放射性核素，在单位时间内产生自发核衰变或核跃迁的次数，称为放射性活度(A)，即A=dN/dt。SI单位：为贝可[勒尔]),简称贝可，以符号Bq表示。lBq是指一定量的核素每秒产生一次核衰变，即lBq=ls-1。可以用千贝可、兆贝可等表示。过去使用的单位是居里(Ci)；它表示放射性核素在一秒钟内衰变了3.7×1010次。•比活度（质量活度）：单位质量物质中放射性核素的活度。单位：Bq/Kg，Bq/g。用于固体物质。对于气体物质，常用Bq/L或者Bq/m3表示放射性核素的浓度单位（称为活度浓度）；这也适用于液体。以前常用“爱曼（em）”作为气体中放射性核素的浓度单位，可以通过下面关系进行换算：1em=1×10-10Ci/L=3.7Bq/L•2.放射性物质的质量及含量单位长寿命的放射性核素如铀、钍，可以用称量的方法来度量，用克（g）或千克（kg）来表示。在固体物质中放射性物质的含量，常用质量百分数（%）来表示；也可以用g/t（克/吨）来表示。1976年国际原子能机构（IAEA）提出建议，用“放射性元素含量单位”来表示γ总量测量得到的地质体中放射性元素含量。用符号Ur表示。其定义为：具有一个放射性元素含量单位的地质体，用仪器测得的γ总量计数率与含有1g/t平衡铀的地质体的γ总量的计数率相等。也就是：一个放射性元素含量单位（Ur）=1g/t平衡铀含量。在液体或气体中的放射性核素含量，一般用g/L（或Bq/L）表示。（二）放射性辐射剂量单位1.照射量（X）照射量（X）是指X射线或γ射线在空气中引起电离数量的量，其法定计量单位为库每千克，符号C/kg。照射量定义为X=dQ/dm式中：dQ表示在质量为dm（某一体积内）的空气中产生的一种符号电荷量。伦琴与库/千克的关系为：1C/kg=3.8277×103R。2.照射量率（）定义是：单位时间内的照射量，可写为=dX/dt其单位是C/kg·s(库仑/千克.秒)。过去曾用单位是R/s（伦琴/秒）或R/h（伦琴/小时）；还有μR/h（γ，伽马）。关系是1γ=1μR/h=10-6