1緒論及基礎(chǔ)知識(1)

1、核地球物理教師信息：教師信息：地球物理與信息技術(shù)學(xué)院地球物理與信息技術(shù)學(xué)院王南萍王南萍Tel: 82321833E-mail: 核?核地球物理 目的目的通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解核輻射探通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解核輻射探測及核地球物理的基礎(chǔ)理論，掌握放射性測及核地球物理的基礎(chǔ)理論，掌握放射性測量的基本方法及常用儀器的使用，培養(yǎng)測量的基本方法及常用儀器的使用，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用核地球物理方法技術(shù)解決礦產(chǎn)資學(xué)生應(yīng)用核地球物理方法技術(shù)解決礦產(chǎn)資源勘查、電離輻射環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)、以及源勘查、電離輻射環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)、以及地學(xué)相關(guān)實(shí)際問題的能力。地學(xué)相關(guān)實(shí)際問題的能力。 學(xué)時(shí)安排學(xué)時(shí)安排講授：講授：3232

2、實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：1616（每個(gè)班分成兩組）（每個(gè)班分成兩組） 時(shí)間時(shí)間11-1711-17周周周五及周日周五及周日 考試方式考試方式閉卷閉卷教材 核輻射場與放射性勘查核輻射場與放射性勘查 程業(yè)勛等編程業(yè)勛等編 地質(zhì)出版社，地質(zhì)出版社，20052005 （有不少印刷錯(cuò)誤，請諒）（有不少印刷錯(cuò)誤，請諒） 參考教材 1.1.核技術(shù)勘查核技術(shù)勘查吳慧山主編吳慧山主編 19981998 2.2.放射性方法勘查放射性方法勘查章曄等編章曄等編 19901990 3.3.氡及其子體測量氡及其子體測量吳慧山等吳慧山等 19951995 4.4.核方法原理及應(yīng)用核方法原理及應(yīng)用周蓉生周蓉生 19941994期刊雜志

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)期刊雜志 10. 核技術(shù)核技術(shù) 11. 11. 輻射防護(hù)輻射防護(hù) 12. 12. 物探與化探物探與化探 13. 13. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)成都理工大學(xué)學(xué)報(bào) 14.14.www.eml.doe.g

4、ov 15.www.E(15.www.E(出版社）出版社） 為何要開設(shè)為何要開設(shè)核地球物理核地球物理？應(yīng)用 尋找鈾資源尋找鈾資源 放射性污染監(jiān)測放射性污染監(jiān)測 教學(xué)方法教學(xué)方法 原理儀器野外方法原理儀器野外方法 室內(nèi)資料處理成圖室內(nèi)資料處理成圖何為地球物理？ 地球物理是應(yīng)用物理的原地球物理是應(yīng)用物理的原理研究地球的科學(xué)。理研究地球的科學(xué)。緒緒 論論 方法簡介方法簡介介質(zhì)物性差異地球物理方法介質(zhì)物性差異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電性電法與電磁法電性電法與電磁法彈性波速地震勘探彈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測井地球物理測井異同點(diǎn)？異同點(diǎn)？

5、經(jīng)典經(jīng)典近代近代課堂討論題 核地球物理方法與其他核地球物理方法與其他地球物理方法有什么不同？地球物理方法有什么不同？方法特點(diǎn) 是一種地球物理場是一種地球物理場 可在現(xiàn)場直接測定可在現(xiàn)場直接測定元素的元素的含量含量，與其他地球物理方，與其他地球物理方法明顯不同法明顯不同如何能測定如何能測定元素含量？元素含量？基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù) 核物理與核物理與地球化學(xué)地球化學(xué)理論理論 核輻射探測技術(shù)核輻射探測技術(shù) 核地球物理方法，簡稱核物探，核地球物理方法，簡稱核物探，是應(yīng)用原子核物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、是應(yīng)用原子核物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)理論，地球化學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)理論，通過核輻射探測的方法技術(shù)來通過核輻射

6、探測的方法技術(shù)來研究地球介質(zhì)中研究地球介質(zhì)中天然和人工天然和人工的的核輻射場及放射性核素活度核輻射場及放射性核素活度的的分布和變化規(guī)律，從而達(dá)到礦分布和變化規(guī)律，從而達(dá)到礦產(chǎn)資源勘查及解決地學(xué)、環(huán)境產(chǎn)資源勘查及解決地學(xué)、環(huán)境相關(guān)問題的一組方法。相關(guān)問題的一組方法。緒論 方法發(fā)展簡史方法發(fā)展簡史 方法分類方法分類 方法的應(yīng)用方法的應(yīng)用發(fā)展簡史（儀器） 2020年代：電離室年代：電離室 3030年代：年代：GMGM計(jì)數(shù)管計(jì)數(shù)管 4040年代：年代： 5050年代：閃爍探測器年代：閃爍探測器 7070年代：半導(dǎo)體年代：半導(dǎo)體 Ge(Li)Ge(Li) 80 80年代年代 9090年代以來：半導(dǎo)體年代

7、以來：半導(dǎo)體 GeGe，Si Si 發(fā)展簡史（應(yīng)用） 3030年代：尋找油氣年代：尋找油氣 4040年代：尋找放射性礦產(chǎn)年代：尋找放射性礦產(chǎn) 5050年代：中國開始尋找鈾礦年代：中國開始尋找鈾礦 7070年代：累積方法出現(xiàn)年代：累積方法出現(xiàn) 8080年代：尋找油氣資源年代：尋找油氣資源 9090年代：環(huán)境輻射評價(jià)年代：環(huán)境輻射評價(jià) 2121世紀(jì)初：大力發(fā)展鈾資源勘查世紀(jì)初：大力發(fā)展鈾資源勘查方法分類按空間位置分類按空間位置分類 1.1.航空放射性測量航空放射性測量 2.2.地面放射性測量地面放射性測量 伽馬能譜測量伽馬能譜測量 氡及其子體測量氡及其子體測量 3.3.井中（核測井）井中（核測井）

8、 4.4.海洋（水下）放射性測量海洋（水下）放射性測量方法分類 按方法分類按方法分類1.1.天然放射性方法天然放射性方法 伽馬測量伽馬測量 氡及其子體測量氡及其子體測量 2.2.人工放射性方法人工放射性方法 X X熒光方法熒光方法 中子方法中子方法應(yīng)用領(lǐng)域 1.基礎(chǔ)地質(zhì)研究及地球化學(xué)研究基礎(chǔ)地質(zhì)研究及地球化學(xué)研究（地質(zhì)填圖）（地質(zhì)填圖） 2.2.尋找礦產(chǎn)資源尋找礦產(chǎn)資源 鈾、釷、油氣、煤、金、稀土、鈾、釷、油氣、煤、金、稀土、 鉀鹽鉀鹽 3.3.在水文地質(zhì)中的應(yīng)用在水文地質(zhì)中的應(yīng)用 尋找冷熱水資源尋找冷熱水資源應(yīng)用領(lǐng)域 4.在工程中的應(yīng)用在工程中的應(yīng)用 測定濕度和密度測定濕度和密度 5.5.核

9、測井核測井 伽馬、密度、中子伽馬、密度、中子 6.6.在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用 天然輻射評價(jià)、核應(yīng)急、核事天然輻射評價(jià)、核應(yīng)急、核事 故監(jiān)測故監(jiān)測第一章第一章 核地球物理理論基礎(chǔ)核地球物理理論基礎(chǔ)1. 核衰變及放射性核素核衰變及放射性核素2.天然放射性系列天然放射性系列3. 放射性核素的衰變與積累規(guī)律放射性核素的衰變與積累規(guī)律4. 放射性平衡放射性平衡5. 放射性測量單位與標(biāo)準(zhǔn)源放射性測量單位與標(biāo)準(zhǔn)源1.核衰變及放射性核素 放射性放射性 同位素同位素 核衰變（核衰變（4種）種）原子與原子核(電、質(zhì)量、尺寸) 原子：原子核與電子等組成，顯中性原子：原子核與電子等組成，顯中性 原子核：

10、由中子與質(zhì)子組成，質(zhì)量幾乎都原子核：由中子與質(zhì)子組成，質(zhì)量幾乎都 集中在原子核，密度大約是集中在原子核，密度大約是 10101414克克cmcm3 3 原子核的半徑：不到原子本身半徑的原子核的半徑：不到原子本身半徑的 1 11000010000 原子質(zhì)量：若以克為單位，則等于它的原原子質(zhì)量：若以克為單位，則等于它的原子量除以阿伏伽德羅常數(shù)（子量除以阿伏伽德羅常數(shù)（6.026.02 1023 ) 質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù):P 中子數(shù)中子數(shù):N 原子序數(shù)原子序數(shù):Z Z=P 原子質(zhì)量數(shù)原子質(zhì)量數(shù):A=Z+N 核素核素 具有一定數(shù)目的中子及質(zhì)具有一定數(shù)目的中子及質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子以及特定能態(tài)的一種原子或

11、原子核稱為核素子或原子核稱為核素 核素泛指各種元素的各種核素泛指各種元素的各種原子原子,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相同核能態(tài)不同的原子。相同核能態(tài)不同的原子。同位素表示方法AzXA質(zhì)量數(shù)，等于中子和質(zhì)子的總和；Z原子序數(shù)。同質(zhì)異能素表示方法 處于較長壽命激發(fā)態(tài)的核處于較長壽命激發(fā)態(tài)的核素稱為同質(zhì)異能素。素稱為同質(zhì)異能素。113mIn和 113In 同位素和同位素豐度 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稱為同位素豐度原子百分比稱為同位素豐度234U、 235U、 238U分別

12、為分別為 0.0055%, 0.7200%和和99.2745% 穩(wěn)定同位素和放射性同位素穩(wěn)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，而是在反應(yīng)堆、加速放射性核素，而是在反應(yīng)堆、加速器或用粒子轟擊靶物質(zhì)生成，如器或用粒子轟擊靶物質(zhì)生成，如 131I，137Cs, 60Co有哪些衰變類型 衰變衰變 衰變衰變 衰變衰變 K K電子俘獲電子俘獲放射性衰變的一般表達(dá)式XYbE母核 子核 發(fā)射射線 能量差放射性衰變的基本類型放射性衰變的基本類型主要有三種基本類型： 衰變 衰變 衰變 母核母核

13、子核子核 發(fā)射射線發(fā)射射線 衰變能量衰變能量 226Ra 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) ( 2,4)衰變能在反沖核與衰變能在反沖核與 粒子間按動量能量守恒分配粒子間按動量能量守恒分配 原子核變化發(fā)射的載能的亞原子粒子原子核變化發(fā)射的載能的亞原子粒子 放射性粒子。放射性粒子。 1 1）衰變衰變2）-衰變 母核 子核 -射線 衰變能量 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 ) 負(fù)電子負(fù)電子 反中微子反中微子 不穩(wěn)定8/6 = 1.33 14 C穩(wěn)定6/6 = 1 12 C穩(wěn)定性N / Z 比值原子核發(fā)生發(fā)生- -衰變的原因衰變的原因 ：原子核中：原子核中中子數(shù)太多中子數(shù)太多 14 14 C C原子核中的中子發(fā)生原子核中的中子發(fā)生 - -衰變，產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子，衰變，產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子， 一個(gè)負(fù)電子和一個(gè)反中微子一個(gè)負(fù)電子和一個(gè)反中微子 中子中子- -衰變：衰變： n p + e- + pn 3 3） 衰變衰變 137 137 Cs Cs 137 137 BaBa* * （激發(fā)態(tài)）（激發(fā)態(tài)）母核母核 - -衰變衰

15、變 衰變衰變 137 137 Ba + Ba + 射線（射線（661.7 keV661.7 keV） 子核（基態(tài)）子核（基態(tài)） （0.00.0）光子是什麼？光子是什麼？ 射線就是高能量的光子射線就是高能量的光子 ：幾百：幾百keV-MeV keV-MeV 量級量級 衰變發(fā)生由于原子核能量態(tài)高，從高能態(tài)向低能態(tài)躍衰變發(fā)生由于原子核能量態(tài)高，從高能態(tài)向低能態(tài)躍 遷遷 ，在這個(gè)過程中發(fā)射，在這個(gè)過程中發(fā)射 射線，原子核能態(tài)降低。射線，原子核能態(tài)降低。 射線是高能量的電磁輻射射線是高能量的電磁輻射 光子光子衰變粒子實(shí)際上就是氦核，帶二個(gè)質(zhì)子，二個(gè)中子，二個(gè)單位正電荷. 4422AAZZeXYHQ放射性

16、核素的原子核中有一個(gè)中子轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子，并放出粒子的過程。-衰變粒子實(shí)際上就是電子流。 1AAZZXYeQ 電子俘獲pen40K40Ar40Ca1.46 MeV(11%)1.32 MeV(89%)1AAZZXeY第一章第一章 核地球物理理論基礎(chǔ)核地球物理理論基礎(chǔ)核衰變及放射性核素核衰變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變與積累規(guī)律放射性核素的衰變與積累規(guī)律放射性平衡放射性平衡放射性測量單位與標(biāo)準(zhǔn)源放射性測量單位與標(biāo)準(zhǔn)源 自然界已發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位自然界已發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素：素：100多個(gè)多個(gè) 已發(fā)現(xiàn)的放射性同位素：已發(fā)現(xiàn)的放射性同位素：2300多個(gè)多個(gè)天然放射性系列 三個(gè)天然放射

17、性系列三個(gè)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 射線能量譜射線能量譜 要求總結(jié)特征：要求總結(jié)特征： 衰變類型、半衰期、射線能衰變類型、半衰期、射線能量、穩(wěn)定同位素、質(zhì)量數(shù)量、穩(wěn)定同位素、質(zhì)量數(shù)放射性衰變系列 238鈾系鈾系(4n+2)（掌握）（掌握）232Th釷系釷系(4n) （掌握）（掌握）235錒鈾系錒鈾系(4n+3)（了解）（了解）237Np镎系镎系(4n+1)（p.3)（了了解）解）天然放射性系列的特征 起始母元素壽命很長，大于地球形起始母元素壽命很長，大于地球形成的年齡；成的年齡； 最后一個(gè)穩(wěn)定同位素都是鉛的同位最后一個(gè)穩(wěn)定同位素都是鉛的同位素；素； 都有一個(gè)氣態(tài)元素

18、氡的同位素；都有一個(gè)氣態(tài)元素氡的同位素； 質(zhì)量數(shù)變化有一定規(guī)律；質(zhì)量數(shù)變化有一定規(guī)律； 有若干個(gè)衰變子體有若干個(gè)衰變子體, ,氡的子體是強(qiáng)氡的子體是強(qiáng), , ,輻射體輻射體238與235 共生共生 豐度豐度 235僅占鈾的僅占鈾的0.7%238：234：235：1/1700 ：1/140 鈾鈾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, UX1 (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線譜射線譜 特征譜線特征譜線 理論譜和儀器譜

19、理論譜和儀器譜 閱讀閱讀3張表張表 譜，譜， 譜譜和和譜譜 講解表頭：強(qiáng)度，份額，講解表頭：強(qiáng)度，份額，多能量粒子多能量粒子 RaC，重要的，重要的輻射體輻射體譜 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線能量大。射線能量大。譜粒子的能量形成連續(xù)譜，粒子的能量形成連續(xù)譜，用最大能量表示。用最大能量表示。譜 課堂練習(xí)課堂練習(xí) 依據(jù)表依據(jù)表1-1-4 - 表表1-1-5 做做出理論譜圖出理論譜圖 總結(jié)特征總結(jié)特征 不成系列的天然核素40K 半衰期：半衰期： a 衰變類型：衰變類型：K電子俘獲電子俘獲 射線：射線：-1.31 MeV -1.46 MeV不成系列的天然核素核素核素豐度豐度

20、（%）T1/2(a)衰變類衰變類型型能量能量 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137Cs60Co241Am152Eu人工放射性核素核素核素T1/2(a)衰變類型衰變類型能量能量/MeV/MeV/ /MevMev137Cs30.20.66260Co5.251.1721.332 55 Fe2.6E(X)E(X)

21、152 Eu0.1211.408241Am458(X)(X)0.059 中子源中子源 Am-Be252Cf第一章第一章 核地球物理理論基礎(chǔ)核地球物理理論基礎(chǔ)核衰變及放射性核素核衰變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變與積累規(guī)律放射性核素的衰變與積累規(guī)律放射性平衡放射性平衡放射性測量單位與標(biāo)準(zhǔn)源放射性測量單位與標(biāo)準(zhǔn)源放射性核素的衰變和積累規(guī)律 放射性衰變放射性衰變 放射性核素自發(fā)地發(fā)生核躍遷，放射性核素自發(fā)地發(fā)生核躍遷，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素的過程。轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素的過程。 衰變規(guī)律衰變規(guī)律 服從指數(shù)衰變規(guī)律。服從指數(shù)衰變規(guī)律。 放射性原子核個(gè)數(shù)隨時(shí)間減少dNNdt 0tNN e-

22、衰變常數(shù)，s-1表示單位時(shí)間內(nèi)某種放射性表示單位時(shí)間內(nèi)某種放射性原子核發(fā)生衰變的幾率原子核發(fā)生衰變的幾率衰變常數(shù)和半衰期 衰變常數(shù)衰變常數(shù) 放射性核素在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生核放射性核素在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生核躍遷的幾率，躍遷的幾率，s-1。 半衰期半衰期 T1/2 給定的同位素衰半到它的初始值給定的同位素衰半到它的初始值的一半所需要的時(shí)間的一半所需要的時(shí)間2/1002TeNN693. 02/1T衰變曲線02468100.00.11.010.0100.00246810020406080100時(shí)間（半衰期）時(shí)間（半衰期） 放射性衰變曲線 N=N0e-t N/N0(%)N/N0(%) 放射性核素經(jīng)過放射性核素經(jīng)

23、過10個(gè)半衰個(gè)半衰期，就認(rèn)為衰變完了。期，就認(rèn)為衰變完了。放射性活度及其單位活度 在給定的時(shí)刻，某一特定能態(tài)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是在時(shí)間間隔dt 內(nèi)由該能態(tài)上發(fā)生自發(fā)核躍遷數(shù)的期望值。 活度單位名稱為貝可(勒爾)，表示為Bq，表示每秒核轉(zhuǎn)變數(shù)(或衰變數(shù))，稱)(Bq)。1 Bq表示放射性核素的核每秒衰變一次。dNANdt放射性活度及其單位 放射性活度放射性活度 (Becquerel 貝可勒貝可勒爾爾) ： （專用單位（專用單位 SI）放射性核素的）放射性核素的核每秒衰變一次。核每秒衰變一次。 符號符號 Bq, 量綱：量綱：s-1 dNANdt0tAA e

24、活度單位-居里 i 1Ci=3.71010 Bq比活度比活度 單位質(zhì)量物質(zhì)中放射性核素的單位質(zhì)量物質(zhì)中放射性核素的活度活度 Bq/g Bq/kg多個(gè)核素的遞次衰變規(guī)律 掌握：掌握：2個(gè)相繼核素的衰變個(gè)相繼核素的衰變 Ra-Rn等等 了解：多個(gè)核素了解：多個(gè)核素()01ABABAABBttAABBAdNNNdtNNee課堂討論Rn的衰變與積累 例：例：Rn從液體鐳源的積累從液體鐳源的積累P.15 Rn引入密閉容器中引入密閉容器中Rn及及Rn子子體的衰變與積累體的衰變與積累第一章第一章 核地球物理理論基礎(chǔ)核地球物理理論基礎(chǔ)核衰變及放射性核素核衰變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變與積累規(guī)律放射性核素的衰變與積累規(guī)律放射性平衡放射性平衡放射性測量單位與標(biāo)準(zhǔn)源放射性測量單位與標(biāo)準(zhǔn)源放射性平衡 長期平衡長期平衡 暫時(shí)平衡暫時(shí)平衡ABAABBNNABBAABANN放射性平衡 長期平衡長期平衡 子核與母核的衰變率（活度）子核與母核的衰變率（活度）相等相等 短期（動）平衡短期（動）平衡 子核與母核的活度比值不變子核與母核的活度比值不