绪论及基础知识1(2011)COPY

1、核地球物理教师信息：教师信息：地球物理与信息技术学院地球物理与信息技术学院王南萍王南萍Tel: 82321833E-mail: 核?核地球物理 目的目的通过本课程的学习，使学生了解核辐射探通过本课程的学习，使学生了解核辐射探测及核地球物理的基础理论，掌握放射性测及核地球物理的基础理论，掌握放射性测量的基本方法及常用仪器的使用，培养测量的基本方法及常用仪器的使用，培养学生应用核地球物理方法技术解决矿产资学生应用核地球物理方法技术解决矿产资源勘查、电离辐射环境监测与评价、以及源勘查、电离辐射环境监测与评价、以及地学相关实际问题的能力。地学相关实际问题的能力。 学时安排学时安排讲授：讲授：3232

2、实验：实验：1616（每个班分成两组）（每个班分成两组） 时间时间11-1711-17周周周五及周日周五及周日 考试方式考试方式闭卷闭卷教材 核辐射场与放射性勘查核辐射场与放射性勘查 程业勋等编程业勋等编 地质出版社，地质出版社，20052005 （有不少印刷错误，请谅）（有不少印刷错误，请谅） 参考教材 1.1.核技术勘查核技术勘查吴慧山主编吴慧山主编 19981998 2.2.放射性方法勘查放射性方法勘查章晔等编章晔等编 19901990 3.3.氡及其子体测量氡及其子体测量吴慧山等吴慧山等 19951995 4.4.核方法原理及应用核方法原理及应用周蓉生周蓉生 19941994期刊杂志

3、5. Applied Radiation and Isotopes 6. Journal of Environmental Radiation 7.J.G.R Journal of Geophysics Review 8.Environmental International 9.Journal of Nuclear Science and Technology (JNST)期刊杂志 10. 核技术核技术 11. 11. 辐射防护辐射防护 12. 12. 物探与化探物探与化探 13. 13. 成都理工大学学报成都理工大学学报 14.14.www.eml.doe.g

4、ov 15.www.E(15.www.E(出版社）出版社） 为何要开设为何要开设核地球物理核地球物理？应用 寻找铀资源寻找铀资源 放射性污染监测放射性污染监测 教学方法教学方法 原理仪器野外方法原理仪器野外方法 室内资料处理成图室内资料处理成图何为地球物理？ 地球物理是应用物理的原地球物理是应用物理的原理研究地球的科学。理研究地球的科学。绪绪 论论 方法简介方法简介介质物性差异地球物理方法介质物性差异地球物理方法密度重力勘探密度重力勘探磁性磁法勘探磁性磁法勘探电性电法与电磁法电性电法与电磁法弹性波速地震勘探弹性波速地震勘探放射性放射性勘探放射性放射性勘探地球物理测井地球物理测井异同点？异同点？

5、经典经典近代近代课堂讨论题 核地球物理方法与其他核地球物理方法与其他地球物理方法有什么不同？地球物理方法有什么不同？方法特点 是一种地球物理场是一种地球物理场 可在现场直接测定可在现场直接测定元素的元素的含量含量，与其他地球物理方，与其他地球物理方法明显不同法明显不同如何能测定如何能测定元素含量？元素含量？基础理论和关键技术 核物理与核物理与地球化学地球化学理论理论 核辐射探测技术核辐射探测技术 核地球物理方法，简称核物探，核地球物理方法，简称核物探，是应用原子核物理学、地质学、是应用原子核物理学、地质学、地球化学等学科的基础理论，地球化学等学科的基础理论，通过核辐射探测的方法技术来通过核辐射

6、探测的方法技术来研究地球介质中研究地球介质中天然和人工天然和人工的的核辐射场及放射性核素活度核辐射场及放射性核素活度的的分布和变化规律，从而达到矿分布和变化规律，从而达到矿产资源勘查及解决地学、环境产资源勘查及解决地学、环境相关问题的一组方法。相关问题的一组方法。绪论 方法发展简史方法发展简史 方法分类方法分类 方法的应用方法的应用发展简史（仪器） 2020年代：电离室年代：电离室 3030年代：年代：GMGM计数管计数管 4040年代：年代： 5050年代：闪烁探测器年代：闪烁探测器 7070年代：半导体年代：半导体 Ge(Li)Ge(Li) 80 80年代年代 9090年代以来：半导体年代

7、以来：半导体 GeGe，Si Si 发展简史（应用） 3030年代：寻找油气年代：寻找油气 4040年代：寻找放射性矿产年代：寻找放射性矿产 5050年代：中国开始寻找铀矿年代：中国开始寻找铀矿 7070年代：累积方法出现年代：累积方法出现 8080年代：寻找油气资源年代：寻找油气资源 9090年代：环境辐射评价年代：环境辐射评价 2121世纪初：大力发展铀资源勘查世纪初：大力发展铀资源勘查方法分类按空间位置分类按空间位置分类 1.1.航空放射性测量航空放射性测量 2.2.地面放射性测量地面放射性测量 伽马能谱测量伽马能谱测量 氡及其子体测量氡及其子体测量 3.3.井中（核测井）井中（核测井）

8、 4.4.海洋（水下）放射性测量海洋（水下）放射性测量方法分类 按方法分类按方法分类1.1.天然放射性方法天然放射性方法 伽马测量伽马测量 氡及其子体测量氡及其子体测量 2.2.人工放射性方法人工放射性方法 X X荧光方法荧光方法 中子方法中子方法应用领域 1.基础地质研究及地球化学研究基础地质研究及地球化学研究（地质填图）（地质填图） 2.2.寻找矿产资源寻找矿产资源 铀、钍、油气、煤、金、稀土、铀、钍、油气、煤、金、稀土、 钾盐钾盐 3.3.在水文地质中的应用在水文地质中的应用 寻找冷热水资源寻找冷热水资源应用领域 4.在工程中的应用在工程中的应用 测定湿度和密度测定湿度和密度 5.5.核

9、测井核测井 伽马、密度、中子伽马、密度、中子 6.6.在环境科学中的应用在环境科学中的应用 天然辐射评价、核应急、核事天然辐射评价、核应急、核事 故监测故监测第一章第一章 核地球物理理论基础核地球物理理论基础1. 核衰变及放射性核素核衰变及放射性核素2.天然放射性系列天然放射性系列3. 放射性核素的衰变与积累规律放射性核素的衰变与积累规律4. 放射性平衡放射性平衡5. 放射性测量单位与标准源放射性测量单位与标准源1.核衰变及放射性核素 放射性放射性 同位素同位素 核衰变（核衰变（4种）种）原子与原子核(电、质量、尺寸) 原子：原子核与电子等组成，显中性原子：原子核与电子等组成，显中性 原子核：

10、由中子与质子组成，质量几乎都原子核：由中子与质子组成，质量几乎都 集中在原子核，密度大约是集中在原子核，密度大约是 10101414克克cmcm3 3 原子核的半径：不到原子本身半径的原子核的半径：不到原子本身半径的 1 11000010000 原子质量：若以克为单位，则等于它的原原子质量：若以克为单位，则等于它的原子量除以阿伏伽德罗常数（子量除以阿伏伽德罗常数（6.026.02 1023 ) 质子数质子数:P 中子数中子数:N 原子序数原子序数:Z Z=P 原子质量数原子质量数:A=Z+N 核素核素 具有一定数目的中子及质具有一定数目的中子及质子以及特定能态的一种原子以及特定能态的一种原子或

11、原子核称为核素子或原子核称为核素 核素泛指各种元素的各种核素泛指各种元素的各种原子原子,包括包括Z相同相同A不同的原不同的原子子,Z不同不同A相同的原子相同的原子,Z、A皆不同的原子，以及皆不同的原子，以及Z、A相同核能态不同的原子。相同核能态不同的原子。同位素表示方法AzXA质量数，等于中子和质子的总和；Z原子序数。同质异能素表示方法 处于较长寿命激发态的核处于较长寿命激发态的核素称为同质异能素。素称为同质异能素。113mIn和 113In 同位素和同位素丰度 某元素中同位素天然含量的某元素中同位素天然含量的原子百分比称为同位素丰度原子百分比称为同位素丰度234U、 235U、 238U分别

12、为分别为 0.0055%, 0.7200%和和99.2745% 稳定同位素和放射性同位素稳定同位素和放射性同位素 天然放射性核素天然放射性核素 人工放射性核素人工放射性核素 是指非天然和自然界的因素生成的是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素，而是在反应堆、加速放射性核素，而是在反应堆、加速器或用粒子轰击靶物质生成，如器或用粒子轰击靶物质生成，如 131I，137Cs, 60Co有哪些衰变类型 衰变衰变 衰变衰变 衰变衰变 K K电子俘获电子俘获放射性衰变的一般表达式XYbE母核 子核 发射射线 能量差放射性衰变的基本类型放射性衰变的基本类型主要有三种基本类型： 衰变 衰变 衰变 母核母核

13、子核子核 发射射线发射射线 衰变能量衰变能量 226Ra 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) ( 2,4)衰变能在反冲核与衰变能在反冲核与 粒子间按动量能量守恒分配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原子核变化发射的载能的亚原子粒子 放射性粒子。放射性粒子。 1 1）衰变衰变2）-衰变 母核 子核 -射线 衰变能量 14 14 C C 1414N + N + 0 0e +e + (Z,A) ( 6,14 ) ( 7,14 ) ( -1,0 ) ( 0,0 )(Z,A) (

14、6,14 ) ( 7,14 ) ( -1,0 ) ( 0,0 ) 负电子负电子 反中微子反中微子 3 3） 衰变衰变 137 137 Cs Cs 137 137 BaBa* * （激发态）（激发态）母核母核 - -衰变衰变 衰变衰变 137 137 Ba + Ba + 射线（射线（661.7 keV661.7 keV） 子核（基态）子核（基态） （0.00.0）光子是什麽？光子是什麽？ 射线就是高能量的光子射线就是高能量的光子 ：几百：几百keV-MeV keV-MeV 量级量级 衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃 迁迁 ，在这个过程中

15、发射，在这个过程中发射 射线，原子核能态降低。射线，原子核能态降低。 射线是高能量的电磁辐射射线是高能量的电磁辐射 光子光子衰变粒子实际上就是氦核，带二个质子，二个中子，二个单位正电荷. 4422AAZZeXYHQ放射性核素的原子核中有一个中子转变成一个质子，并放出粒子的过程。-衰变粒子实际上就是电子流。 1AAZZXYeQ 电子俘获pen40K40Ar40Ca1.46 MeV(11%)1.32 MeV(89%)1AAZZXeY第一章第一章 核地球物理理论基础核地球物理理论基础核衰变及放射性核素核衰变及放射性核素天然放射性系列天然放射性系列放射性核素的衰变与积累规律放射性核素的衰变与积累规律放

16、射性平衡放射性平衡放射性测量单位与标准源放射性测量单位与标准源 自然界已发现的稳定同位自然界已发现的稳定同位素：素：100多个多个 已发现的放射性同位素：已发现的放射性同位素：2300多个多个天然放射性系列 三个天然放射性系列三个天然放射性系列 天然放射性系列特征天然放射性系列特征 射线能量谱射线能量谱 要求总结特征：要求总结特征： 衰变类型、半衰期、射线能衰变类型、半衰期、射线能量、稳定同位素、质量数量、稳定同位素、质量数放射性衰变系列 238铀系铀系(4n+2)（掌握）（掌握）232Th钍系钍系(4n) （掌握）（掌握）235锕铀系锕铀系(4n+3)（了解）（了解）237Np镎系镎系(4n

17、+1)（p.3)（了了解）解）天然放射性系列的特征 起始母元素寿命很长，大于地球形起始母元素寿命很长，大于地球形成的年龄；成的年龄； 最后一个稳定同位素都是铅的同位最后一个稳定同位素都是铅的同位素；素； 都有一个气态元素氡的同位素；都有一个气态元素氡的同位素； 质量数变化有一定规律；质量数变化有一定规律； 有若干个衰变子体有若干个衰变子体, ,氡的子体是强氡的子体是强, , ,辐射体辐射体238与235 共生共生 丰度丰度 235仅占铀的仅占铀的0.7%238：234：235：1/1700 ：1/140 铀铀235是重要的核燃料是重要的核燃料 圈定重要核素：圈定重要核素：U系系238U, UX

18、1 (Th-234), 226Ra222Rn 218Po214Pb 214BiTh系重要核素232Th228Ac220Rn212Pb208Tl天然放射性系列的天然放射性系列的射线谱射线谱 特征谱线特征谱线 理论谱和仪器谱理论谱和仪器谱 阅读阅读3张表张表 谱，谱， 谱谱和和谱谱 讲解表头：强度，份额，讲解表头：强度，份额，多能量粒子多能量粒子 RaC，重要的，重要的辐射体辐射体谱 半衰期短的放射性核素放半衰期短的放射性核素放出的出的射线能量大。射线能量大。谱粒子的能量形成连续谱，粒子的能量形成连续谱，用最大能量表示。用最大能量表示。谱 课堂练习课堂练习 依据表依据表1-1-4 - 表表1-1-

19、5 做做出理论谱图出理论谱图 总结特征总结特征 不成系列的天然核素40K 半衰期：半衰期： a 衰变类型：衰变类型：K电子俘获电子俘获 射线：射线：-1.31 MeV -1.46 MeV不成系列的天然核素核素核素丰度丰度（%）T1/2(a)衰变类衰变类型型能量能量 40K0.0121.27109(89)(89) K(11) K(11)1.311.4687 37Rb 27.854.61010- -0.28 138 La 0.0891.21011- -,K,K0.21 1.44147 Sm 14.971.0710112.23176Lu2.631010- -0.42 0.31人工放射性核素137Cs

20、60Co241Am152Eu人工放射性核素核素核素T1/2(a)衰变类型衰变类型能量能量/MeV/MeV/ /MevMev137Cs30.20.66260Co5.251.1721.332 55 Fe2.6E(X)E(X)152 Eu0.1211.408241Am458(X)(X)0.059 中子源中子源 Am-Be252Cf第一章第一章 核地球物理理论基础核地球物理理论基础核衰变及放射性核素核衰变及放射性核素天然放射性系列天然放射性系列放射性核素的衰变与积累规律放射性核素的衰变与积累规律放射性平衡放射性平衡放射性测量单位与标准源放射性测量单位与标准源放射性核素的衰变和积累规律 放射性衰变放射性

21、衰变 放射性核素自发地发生核跃迁，放射性核素自发地发生核跃迁，转变为另一种核素的过程。转变为另一种核素的过程。 衰变规律衰变规律 服从指数衰变规律。服从指数衰变规律。 放射性原子核个数随时间减少dNNdt 0tNN e-衰变常数，s-1表示单位时间内某种放射性表示单位时间内某种放射性原子核发生衰变的几率原子核发生衰变的几率衰变常数和半衰期 衰变常数衰变常数 放射性核素在单位时间内发生核放射性核素在单位时间内发生核跃迁的几率，跃迁的几率，s-1。 半衰期半衰期 T1/2 给定的同位素衰半到它的初始值给定的同位素衰半到它的初始值的一半所需要的时间的一半所需要的时间2/1002TeNN693. 02

22、/1T衰变曲线02468100.00.11.010.0100.00246810020406080100时间（半衰期）时间（半衰期） 放射性衰变曲线 N=N0e-t N/N0(%)N/N0(%) 放射性核素经过放射性核素经过10个半衰个半衰期，就认为衰变完了。期，就认为衰变完了。放射性活度及其单位活度 在给定的时刻，某一特定能态的一定量的放射性核素的活度A是dN除以dt所得的商，其中dN是在时间间隔dt 内由该能态上发生自发核跃迁数的期望值。 活度单位名称为贝可(勒尔)，表示为Bq，表示每秒核转变数(或衰变数)，称)(Bq)。1 Bq表示放射性核素的核每秒衰变一次。dNANdt放射性活度及其单位

23、 放射性活度放射性活度 (Becquerel 贝可勒贝可勒尔尔) ： （专用单位（专用单位 SI）放射性核素的）放射性核素的核每秒衰变一次。核每秒衰变一次。 符号符号 Bq, 量纲：量纲：s-1 dNANdt0tAA e活度单位-居里 i 1Ci=3.71010 Bq比活度比活度 单位质量物质中放射性核素的单位质量物质中放射性核素的活度活度 Bq/g Bq/kg多个核素的递次衰变规律 掌握：掌握：2个相继核素的衰变个相继核素的衰变 Ra-Rn等等 了解：多个核素了解：多个核素()01ABABAABBttAABBAdNNNdtNNee课堂讨论Rn的衰变与积累 例：例：Rn从液体镭源的积累从液体镭

24、源的积累P.15 Rn引入密闭容器中引入密闭容器中Rn及及Rn子子体的衰变与积累体的衰变与积累第一章第一章 核地球物理理论基础核地球物理理论基础核衰变及放射性核素核衰变及放射性核素天然放射性系列天然放射性系列放射性核素的衰变与积累规律放射性核素的衰变与积累规律放射性平衡放射性平衡放射性测量单位与标准源放射性测量单位与标准源放射性平衡 长期平衡长期平衡 暂时平衡暂时平衡ABAABBNNABBAABANN放射性平衡 长期平衡长期平衡 子核与母核的衰变率（活度）子核与母核的衰变率（活度）相等相等 短期（动）平衡短期（动）平衡 子核与母核的活度比值不变子核与母核的活度比值不变 讲图讲图P.15 图图1-2-2