核物理基礎(chǔ)2014

1、核物理基礎(chǔ)核物理基礎(chǔ) 吳文圣吳文圣 Phone:89733310E-mail: 核輻射測(cè)井核輻射測(cè)井 之之v輻射、核輻射（輻射、核輻射（Radioactivity)v生活中的核輻射生活中的核輻射v核輻射測(cè)井概況核輻射測(cè)井概況v本課程內(nèi)容及成績(jī)構(gòu)成本課程內(nèi)容及成績(jī)構(gòu)成 緒論緒論n1896年，貝可勒爾（Becquerel, 法國， 1852-19081852-1908，19031903年獲得年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)。 ）發(fā)現(xiàn)鈾天然放射性，這是人類第一次觀察到的核變化。通常就把這一重大發(fā)現(xiàn)看成是核物理學(xué)的開端。一、核物理學(xué)的發(fā)展的重要人物和重要事件一、核物理學(xué)的發(fā)展的重要人

2、物和重要事件n1911年，Rutherford（盧瑟福），英國物理學(xué)家(1871-1937)，新西蘭人，1908年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。用實(shí)驗(yàn)確定原子中有核存在，證實(shí)了射線為4He， 射線為電子； 提出了原子的核式模型。n1919年，首次實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。n培養(yǎng)了10位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。n1932年，J.Chadwick（查德威克），英國物理學(xué)家(1891-1974)，發(fā)現(xiàn)了中子。（并獲得諾貝爾獎(jiǎng)），中子的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是原子核物理的誕生。n接著，伊凡寧科（蘇聯(lián)）和Heisenberg（德國）提出了原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的假說，這一假說已得到充分證明。n1932年，考克洛夫和瓦爾頓(Cockcr

3、oft和walton,英國)實(shí)現(xiàn)了人工加速粒子的核反應(yīng)。 nM.Curie（居里夫人），法國物理學(xué)家（1867-1934），波蘭人，1903年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。發(fā)現(xiàn)釙(Po)和鐳(Ra); n1934年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了人為放射性核素。n 她的女兒(I.Joliot-Curie, 1897-1956)和女婿(F. Joliot-Curie, 1900-1958)因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲1934年諾貝爾獎(jiǎng)。n1934年，勞倫斯(Lawrence,美國)用人工加速粒子產(chǎn)生放射性核;n1934年，費(fèi)米(Fermi,意大利)用熱中子引起了鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)，打開了同位素應(yīng)用和核反應(yīng)研究的途徑（1938年諾貝爾獎(jiǎng)）。194

4、2年，費(fèi)米及其同事倆建成了世界上第一個(gè)原子核反應(yīng)堆。 n 1939年，哈恩(O. Hahn)和史特拉斯曼(F. Strassmann,德國)發(fā)現(xiàn)了重核的分裂，自此，鈾的身價(jià)百倍。 nR.L.Mossbauer（穆斯堡爾）, 德國物理學(xué)家(1929-1976)。1961年因?yàn)閷?duì)輻射的共振吸收的研究和發(fā)現(xiàn)的Mossbauer效應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。n1957年李政道、楊振寧因發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了在弱相互年李政道、楊振寧因發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了在弱相互作用中宇稱不守恒，并由吳健雄的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。作用中宇稱不守恒，并由吳健雄的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。n1965年，丁肇中，(1936)與 B.Richter, (1931)分別發(fā)現(xiàn)J粒子，找

5、到了美夸克存在的證據(jù)，1976年獲諾貝爾獎(jiǎng)。n 1896：H.Becquerel發(fā)現(xiàn)了鈾(U)放射現(xiàn)象;n 1897：P.&M.Curie發(fā)現(xiàn)釙(Po)和鐳(Ra);n 1899：盧瑟福發(fā)現(xiàn)a , 射線；n 1900：維拉德發(fā)現(xiàn)射線;n 1903：盧瑟福證實(shí)射線為4He， 射線為電子；n 1911：盧瑟福提出原子的核式模型；n 1919：盧瑟福首次實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。n 1932：J.Chadwick發(fā)現(xiàn)了中子;n 1934：F.&I.Joliot-Curie發(fā)現(xiàn)人工放射性；n 1939：O.Hahn（哈恩）等人發(fā)現(xiàn)重核裂變；n 1939：N.Bohr（玻爾）等提出液滴

6、模型;n 1942：E.Fermi發(fā)明熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆；n 1945：原子彈試爆成功，并在廣島上空爆炸；n 1952：氫彈試爆成功。n 1958：我國建成第一座重水型原子反應(yīng)堆;n 1964：我國第一顆原子彈試爆成功；n 1967：我國第一顆氫彈試爆成功；n 1969：我國首次成功地下核實(shí)驗(yàn)；n 1984：我國受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置順利啟動(dòng)；n 1988：北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次對(duì)撞成功；n 1991：秦山核電站發(fā)電成功; 主要參考教材主要參考教材n石油測(cè)井中的核物理基礎(chǔ)，郭余峰，石油工業(yè)出版社，1990年。 n放射性測(cè)井原理，黃隆基，石油工業(yè)出版社，放射性測(cè)井原理，黃隆基，石油工業(yè)出版社，198

7、5年年 。n核測(cè)井原理，黃隆基，石油大學(xué)出版社，2000年。n核物理基礎(chǔ)，龐巨豐，石油工業(yè)出版社，2005年。第一章第一章 原子核物理的一些基本概念和基本知識(shí)原子核物理的一些基本概念和基本知識(shí)o主要介紹一些原子核物理的基本概念，放射性和放射性射線，放射性衰變及衰變規(guī)律.基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)1、原子和原子核、原子和原子核原子序數(shù)原子序數(shù)Z核電荷數(shù)核電荷數(shù)Z電子數(shù)電子數(shù)質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A中子數(shù)中子數(shù)N質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)Zo原子的表示方法o原子質(zhì)量單位：是以碳的同位素12C為標(biāo)準(zhǔn)確定的，即1個(gè)原子質(zhì)量單位u為12C靜止質(zhì)量的1/12，也就是1u=mc/12=1.66056610-27kg。o質(zhì)

8、子質(zhì)量為：1.00758u。o中子質(zhì)量為：1.00887u。XAZ元素符號(hào)原子序數(shù)質(zhì) 量 數(shù)XAo能態(tài)：能態(tài)：o基態(tài)：基態(tài)：o激發(fā)態(tài)：激發(fā)態(tài)：2、能態(tài)、基態(tài)和激發(fā)態(tài)、能態(tài)、基態(tài)和激發(fā)態(tài)原子核處于不同的能量狀態(tài)。能量最低的狀態(tài)。處于比基態(tài)高的能量狀態(tài)。3. 結(jié)合能結(jié)合能1) 定義：定義： 分散的核子結(jié)合成原子核時(shí)所釋放出分散的核子結(jié)合成原子核時(shí)所釋放出 的能量稱為原子核的結(jié)合能。的能量稱為原子核的結(jié)合能。2) 計(jì)算公式：計(jì)算公式： 22cmNmZmmcEXnHb比結(jié)合能：比結(jié)合能：1) 定義：定義：若干分散的核子組成原子核時(shí)，平均每個(gè)核子所若干分散的核子組成原子核時(shí)，平均每個(gè)核子所釋放的能量或把

9、原子核分離成單個(gè)核子時(shí)，平均需要供釋放的能量或把原子核分離成單個(gè)核子時(shí)，平均需要供給每個(gè)核子的能量稱之為比結(jié)合能。給每個(gè)核子的能量稱之為比結(jié)合能。2) 計(jì)算公式：計(jì)算公式：3) 平均結(jié)合能的物理意義：標(biāo)志著原子核的穩(wěn)定性。平均結(jié)合能的物理意義：標(biāo)志著原子核的穩(wěn)定性。比結(jié)合能：比結(jié)合能： AEb核共三種情況，核共三種情況，偶偶核偶偶核最穩(wěn)定，相應(yīng)的結(jié)合能最穩(wěn)定，相應(yīng)的結(jié)合能較大；較大；奇奇核奇奇核最不穩(wěn)定，最不穩(wěn)定，相應(yīng)的結(jié)合能較小。相應(yīng)的結(jié)合能較小。比結(jié)合能曲線比結(jié)合能曲線1）質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A 83的核不穩(wěn)定2.質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)有一合適的比例質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)有一合適的比例 Z 20，N/Z = 1.

10、5 的核穩(wěn)定3.偶偶核的穩(wěn)定性高于奇奇核偶偶核的穩(wěn)定性高于奇奇核o元素的豐度可以用列表法列表法或作圖法作圖法給出。在列表或作圖時(shí)，通常都把硅(Si)的豐度值取為10，其他核素的豐度值按比例確定。某種核素在其天然同位素混合物中所占的原子某種核素在其天然同位素混合物中所占的原子核數(shù)目的百分比稱為該核素的豐度核數(shù)目的百分比稱為該核素的豐度6、豐度、豐度7、放射性及放射性衰變、放射性及放射性衰變o1）定義：）定義：原子核自發(fā)的放出各種射線而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素的過程。o2 2） 衰變表達(dá)式：衰變表達(dá)式：o特點(diǎn)：特點(diǎn)： 衰變主要發(fā)生于重核,絕大多數(shù)衰變發(fā)生于A200的重核。但不等于A200都能發(fā)生衰變。XA

11、-4ZYAZ-2+He24o3 3） 衰變表達(dá)式：衰變表達(dá)式：XAZYAZ+1+e-+v_XZAYZ-1A+e+v_-衰變：+衰變：o特點(diǎn)：特點(diǎn)：o中子數(shù)過多發(fā)生衰變，質(zhì)子數(shù)過多發(fā)生+衰變。o粒子的能量是連續(xù)能量，能譜連續(xù)分布。o幾乎所有的放射性核素都存在衰變4 4） 衰變衰變o定義：定義：原子核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)，放出射線的衰變過程稱為衰變 .o原子核的退激退激，必然伴隨有射線的放出， 射線的能量就等于相應(yīng)的核能級(jí)之間的能量差能量差。oX X射線射線產(chǎn)生于原子內(nèi)層電子的躍遷躍遷，它與射線的差別在于能量和產(chǎn)生的方式不同而已。o發(fā)生衰變時(shí)，原子核的激發(fā)能也可以直接傳遞給核外的

12、內(nèi)層電子，使之脫離軌道成為自由電子，這一過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換，發(fā)射的電子叫做內(nèi)轉(zhuǎn)換電內(nèi)轉(zhuǎn)換電子子。發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換后該層軌道的空缺隨后由外層電子填補(bǔ)，從而發(fā)射特征 X X射線射線和俄歇電子俄歇電子(Auger electron) 5 5）放射性衰變的特點(diǎn)）放射性衰變的特點(diǎn)o放射性衰變過程是由核內(nèi)擾動(dòng)影響而發(fā)生的，與外界條件無關(guān)；o有些原子核衰變釋放一種或二種射線，有些卻同時(shí)釋放三種射線；o原子核衰變規(guī)律與放出射線的種類無關(guān)，與外界環(huán)境無關(guān)。o放射性核素發(fā)射的射線有三種：o、和射線。6）放射性射線及性質(zhì)）放射性射線及性質(zhì)放射源鉛盒照相底片 o 射線：射線：o由高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核（稱為粒子）組成的。它的

13、穿透能力最低（在巖石中只有0.001cm），但電離作用最強(qiáng)。o在核輻射測(cè)井中，利用粒子與某些原子核的相互作用可制造中子源。o 射線：射線：o是高速運(yùn)動(dòng)的電子流。它的穿透能力比射線強(qiáng)(在金屬中為0.09cm)，但電離作用比粒子弱。o在核輻射測(cè)井中，利用某些發(fā)射射線的核素作為井間監(jiān)測(cè)示蹤劑。 o 射線：射線：o是波長(zhǎng)很短的電磁波。它的穿透能力最強(qiáng)，電離作用最弱。o射線能穿透幾十厘米的地層、水泥環(huán)、套管和下井儀器的外殼。這一特性使得它成為核輻射測(cè)井主要探測(cè)對(duì)象。 o1908年，放射性現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)不久，盧瑟福等人做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將氡氣密封儲(chǔ)存，發(fā)現(xiàn)，4天后氡氣減少至原來的1/2，8天后減少至原來的1/4

14、，12天后減少至原來的1/830天后基本已經(jīng)沒有了7）簡(jiǎn)單放射性衰變的基本規(guī)律）簡(jiǎn)單放射性衰變的基本規(guī)律o如果我們用N(t)表示時(shí)刻t存在的原子核數(shù)，那么在時(shí)刻t到t+dt之間單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)dN/dt就應(yīng)當(dāng)和N(t) 成正比，即 Rn22286-dN=N(t)dt Po21884o對(duì)上式積分并令t=0時(shí)的原子數(shù)為N0，則有：o這就是原子核衰變的基本規(guī)律：這就是原子核衰變的基本規(guī)律：原子核衰變遵循指數(shù)衰減規(guī)律。o原子核衰變的指數(shù)規(guī)律是原子核本身固有的性質(zhì)，原子核本身固有的性質(zhì)，只和它的內(nèi)部狀態(tài)有關(guān)只和它的內(nèi)部狀態(tài)有關(guān)。外界因素如高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、電場(chǎng)等都不能改變?cè)雍诉@種指數(shù)衰變

15、特性。 o不同的放射性核素的不同的放射性核素的 不同，即衰變速度不同不同，即衰變速度不同。 N(t)=N0e-t o必須指出：原子核衰變規(guī)律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)性規(guī)律統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，只有在原子核的數(shù)目足夠大時(shí)才是正確的，否則沒有意義。o這是因?yàn)楹怂プ兪亲园l(fā)的，對(duì)于一個(gè)核來講純屬偶然，只有大數(shù)目的原子核才遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律。o定義：定義：衰變規(guī)律公式中的常數(shù)，反映了原子核衰變速度的快慢，稱之為衰變常數(shù)。o表達(dá)式：表達(dá)式：o-dN/dtdN/dt的意義：的意義：表示在時(shí)刻t的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)，它與當(dāng)時(shí)存在的原子核數(shù)N(t)成正比的。8）衰變常數(shù)）衰變常數(shù)=dNdt/N(t)_o衰變常數(shù)衰變常數(shù) 的確切物理

16、意義的確切物理意義 ：表示一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率。o衰變常數(shù)衰變常數(shù) 量綱量綱 ：T-1，通常用秒-1或分-1。o不同的放射性核素具有不同的衰變常數(shù)。指數(shù)指數(shù)衰減規(guī)律反映了原子核衰變的衰減規(guī)律反映了原子核衰變的“共性共性”，衰變常，衰變常數(shù)反映了各種原子核的數(shù)反映了各種原子核的“個(gè)性個(gè)性”。 o定義：定義：放射性原子核衰變到數(shù)量減少一半所經(jīng)過得時(shí)間。 o表示符號(hào)：表示符號(hào)：T1/2o意義：意義：表示原子核衰變的快慢。oT1/2和都表示原子核衰變的快慢。9）半衰期）半衰期o那么二者之間的關(guān)系：那么二者之間的關(guān)系：由半衰期的定義知：由衰減的規(guī)律公式有：當(dāng)t= T1/2N=N02N=N

17、02=N0e-T1/2T1/2=ln2=0.693o可見：可見：原子核的半衰期與衰變常數(shù)成反比關(guān)系，原子核的半衰期與衰變常數(shù)成反比關(guān)系，即半衰期長(zhǎng)，衰變常數(shù)就??；半衰期短，衰變常即半衰期長(zhǎng)，衰變常數(shù)就??；半衰期短，衰變常數(shù)就大。數(shù)就大。 o原因：原因：在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率越大，原子核得衰變就越快，原子核總數(shù)減少一半的時(shí)間自然也就越短。 o定義：定義：就是指一種放射性原子核平均能夠生存的時(shí)間，通常用表示。 o求取方法：求取方法：由衰減規(guī)律公式知由衰減規(guī)律公式知：o在時(shí)刻t的一個(gè)極小時(shí)間間隔dt內(nèi)，發(fā)生衰變的原子核數(shù)為Ndt；o可以認(rèn)為有Ndt個(gè)原子核生存的時(shí)間（即壽命）是t，即這些原子核的

18、壽命之和為tNdt。8、平均壽命、平均壽命如果t=0時(shí)的原子核數(shù)為N0 ，則原子核的總壽命原子核的平均壽命為：0dttN001dttNNN=N0e-t 10dttet693. 02/1T2/144. 11To定義：定義：把單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)放射源發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為放射性活度，也稱放射性強(qiáng)度，通常用符號(hào)A表示。 9、放射性活度、放射性活度dtdNNAA=N=A=N=N0e-t =A0e-t oA0稱為初始放射性活度。o放射性活度的單位：放射性活度的單位：由于歷史原因，習(xí)慣上采用居里（Ci）作為放射性活度單位。它的定義是：一個(gè)放射源如果在每秒內(nèi)產(chǎn)生3.71010次衰變，這個(gè)放射源的放射性活度即為1

19、居里，即 放射性活度的國際單位是貝可勒爾，簡(jiǎn)稱貝可，記作Bq。它的定義是：放射源每秒產(chǎn)生一次衰變?yōu)?貝可，1Bq=1s-1。 二者關(guān)系：二者關(guān)系： 1Ci=3.7o定義：定義：o表達(dá)式：表達(dá)式：o意義：意義：比放射性活度比放射性活度單位質(zhì)量放射性物質(zhì)的放射性活度。即放射源的放射性活度與其質(zhì)量比，也稱比活度，用a表示。a=A/m (Bq/g 或或Ci/g) 。a a的大小表示放射源純度的高低。的大小表示放射源純度的高低。1010、 原子核裂變?cè)雍肆炎傾0 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 9050150100250200)(MeV 核子0 .

20、0H21He42C126Ni6228U23892A = 240 ，7.6 MeV A = 120 ， 8.5 MeV 比結(jié)合能差：比結(jié)合能差：0.9 MeV MeV200MeV9 . 0235釋放能量：釋放能量：MeV200MeV9 . 0235 原子核裂變是一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)質(zhì)量相差不遠(yuǎn)的碎塊的現(xiàn)象。 7090110 130 150鈾鈾 裂變碎片按裂變碎片按質(zhì)量數(shù)分布圖。質(zhì)量數(shù)分布圖。 U23592裂變反應(yīng)式：裂變反應(yīng)式： nYXUnU23692101023592k（k = 1，2，） 常見的反應(yīng)式：常見的反應(yīng)式：n3KrBanU109236141561023592 n2KrXenU10

21、9438140541023592二分裂變：二分裂變：分裂成兩塊碎片。分裂成兩塊碎片。三分裂變：三分裂變：分裂成三塊碎片。分裂成三塊碎片。裂變機(jī)制液滴模型在裂變前，原子核處于能量最低的基態(tài)，呈球形。當(dāng)中子轟擊重核時(shí)，重核吸收中子形成復(fù)合核，能量增加，核子振蕩加劇，由球形變成橢球形。當(dāng)啞鈴形的兩端之間的庫侖斥力大于中間收縮部分核子間總的核力時(shí)，形變不能恢復(fù)，原子核分裂成兩塊，放出中子，同時(shí)釋放能量。nSrXenU1095381395410235922 裂變不僅釋放大量能量而且伴隨中子的發(fā)射形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)平均一個(gè)鈾核裂變產(chǎn)生平均一個(gè)鈾核裂變產(chǎn)生2.52.5個(gè)中子。個(gè)中子。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng) ：1212、

22、 核聚變核聚變 核聚變：核聚變：當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的輕核結(jié)合成較重原當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的輕核結(jié)合成較重原子核時(shí)，會(huì)有能量釋放出來的過程。子核時(shí)，會(huì)有能量釋放出來的過程。 目前實(shí)驗(yàn)室研究的核聚變反應(yīng)目前實(shí)驗(yàn)室研究的核聚變反應(yīng) ：HHHH11312121MeV03. 4nHeHH10423121MeV6 .17nHeHH10322121MeV27. 3HHeHeH11423221MeV3 .18聚變核子平均：聚變核子平均： 3.6 MeV 裂變核子平均：裂變核子平均： 0.85 MeV 核聚變的幾種約束核聚變的幾種約束 引力約束聚變引力約束聚變太陽能太陽能太陽燃燒氫：太陽燃燒氫： 51016 kg/s

23、，放出能量，放出能量3.21031J 慣性約束聚變慣性約束聚變氫彈氫彈通過通過 裂變點(diǎn)火裂變點(diǎn)火 U235924.9MeVHHeLin31426310nHeHH10423121MeV6 .17 磁約束磁約束可控聚變反應(yīng)可控聚變反應(yīng) 變壓器螺線環(huán)等離子體螺線環(huán)變壓器等離子體托卡馬克裝置托卡馬克裝置 1313、放射性與人體的健康、放射性與人體的健康- -吸收劑量吸收劑量n核輻射對(duì)人體的危害取決于受不同輻射的時(shí)間輻射的時(shí)間以及吸收劑量吸收劑量。n吸收劑量D的定義為：任何核輻射對(duì)某體積元中質(zhì)量為dm的物質(zhì)產(chǎn)生的平均能量,即D=/dm。nD的國際單位SI單位是焦耳焦耳/千克千克 (J/kg)，專業(yè)名稱叫

24、戈瑞(Gy)；D的專用單位是拉德拉德(rad)，1Gy=100rad=1J/kg。n相應(yīng)地，當(dāng)量劑量：衡量射線生物效應(yīng)及危險(xiǎn)度的輻射劑量。國際單位 單位的專名叫希沃特 (Sv)，專用單位叫雷姆(rem),1Sv=100rem=1J/kg。 o450000800000： 30 天內(nèi)將進(jìn)入垂死狀態(tài)；o200000450000： 掉頭發(fā)，血液發(fā)生嚴(yán)重病變，一些人在 2 至 6 周內(nèi)死亡；o60000100000： 出現(xiàn)各種輻射疾??；o10000： 患癌癥的可能性為 1/130；o5000： 每年工作中所遭受的核輻射量；o700： 大腦掃描的核輻射量；o60： 人體內(nèi)的輻射量；o10： 乘飛機(jī)時(shí)遭受的

25、輻射量；o8： 建筑材料每年所產(chǎn)生的輻射量；o1： 腿部或者手臂進(jìn)行 X 光檢查時(shí)的輻射量。 單位：毫雷姆單位：毫雷姆14、安全防護(hù)知識(shí)、安全防護(hù)知識(shí)（一）最大容許劑量和最大容許濃度n最大容許劑量 在這樣的劑量下，人的一生中不會(huì)引起身體的顯著損傷。（電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)，GB18871-2002）n最大容許濃度 該濃度下的放射性物質(zhì)，進(jìn)入人體器官產(chǎn)生的劑量均在劑量范圍之內(nèi)（3.7Bq/L)。 （二）（二）輻射防護(hù)的原則輻射防護(hù)的原則n 減少體外照射 縮短照射時(shí)間、增大放射源與工作人員之間的距離、用一定厚度的屏蔽體。n 防止放射性物質(zhì)進(jìn)去體內(nèi) （1）吸入放射性氣體和塵埃； （2）吞食

26、被放射性物質(zhì)污染的水或食物等； （3）放射性物質(zhì)由損傷的皮膚傷口，通過血液循環(huán)進(jìn)入體內(nèi)。為防止放射性物質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)必須注意以下幾點(diǎn)：A、工作地點(diǎn)空氣中放射性物質(zhì)的濃度不能超過最大允許濃度。B、從事放射性物質(zhì)的操作要小心，防止放射性物質(zhì)灑落。C、手、腳等有傷口時(shí)，不要接觸放射性物質(zhì)，有必要時(shí)需要包扎后再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室等。D、有放射性物質(zhì)的場(chǎng)所，嚴(yán)禁吸煙、吃東西、喝水等，工作完畢要洗手、洗澡等。E、工作時(shí)要穿工作服帶口罩。o國務(wù)院放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例規(guī)定，從高到低將放射源分為 、類，V類源的下限活度值為該種核素的豁免活度豁免活度。 o類放射源類放射源為極高危險(xiǎn)源。沒有防護(hù)情況下，接觸這類

27、源幾分鐘到1小時(shí)就可致人死亡;o類放射源類放射源為高危險(xiǎn)源。沒有防護(hù)情況下，接觸這類源幾小時(shí)至幾天可致人死亡; o類放射源類放射源為危險(xiǎn)源。沒有防護(hù)情況下，接觸這類源幾小時(shí)就可對(duì)人造成永久性損傷，接觸幾天至 幾周也可致人死亡; o類放射源類放射源為低危險(xiǎn)源?；静粫?huì)對(duì)人造成永久性損傷，但對(duì)長(zhǎng)時(shí)間、近距離接觸這些放射源的人 可能造成可恢復(fù)的臨時(shí)性損傷; o類放射源類放射源為極低危險(xiǎn)源。不會(huì)對(duì)人造成永久性損傷。 第二章第二章 射線與物質(zhì)的作用巖石的伽馬射線特征射線與物質(zhì)的作用巖石的伽馬射線特征本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：n伽馬射線與物質(zhì)的相互作用伽馬射線與物質(zhì)的相互作用n伽馬射線的探測(cè)伽馬射線的探測(cè)n巖石

28、的伽馬射線特征巖石的伽馬射線特征第一節(jié)第一節(jié) 伽馬射線與物質(zhì)的相互作用伽馬射線與物質(zhì)的相互作用o天然天然產(chǎn)生產(chǎn)生o由由伽馬源伽馬源產(chǎn)生產(chǎn)生一、伽馬射線的來源1、伽馬射線的產(chǎn)生方式、伽馬射線的產(chǎn)生方式o定義：能夠產(chǎn)生伽馬射線的裝置。定義：能夠產(chǎn)生伽馬射線的裝置。o進(jìn)行-測(cè)井、活化法測(cè)井時(shí)使用的射線源，它由人工或天然放射性同位素制成，如鈷(60Co)源，銫(137Cs)源，鋅(65Zn)源、汞(203Hg)源和鈰(141Ce)源。o測(cè)井中最常用的是測(cè)井中最常用的是：鈷鈷(60Co)源源和銫銫(137Cs)源源2、伽馬源、伽馬源o目前-測(cè)井即巖性密度測(cè)井中使用的伽馬源基本上都是137Cs源源。o伽馬

29、源的性質(zhì)：伽馬源的性質(zhì)：o伽馬源的性質(zhì)是由源強(qiáng)源強(qiáng)、能量分布能量分布、角分布角分布等決定的。o以密度測(cè)井的137Cs源為例，其源強(qiáng)是2、1.5或1Ci，單能伽馬射線（0.662MeV），各向同性發(fā)射。思考：能否產(chǎn)生可控伽馬源？思考：能否產(chǎn)生可控伽馬源？o目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地層中的元素有100100多種，幾乎所所有的化學(xué)元素有的化學(xué)元素都能在地層中找到。但主要的地層元素只有少數(shù)幾種。o在地殼內(nèi)化學(xué)元素含量按重量百分比大小的分布依次為O O、Si Si、AlAl、FeFe、CaCa、NaNa、K K、MgMg、H H、TiTi、C C、ClCl等。二、地層元素分布及含量二、地層元素分布及含量o各元素在地

30、層中的總量分布極不均勻，前三種元素O O、Si Si和AlAl總量占地殼總量的82.58%82.58%；o前9種即O O、Si Si、AlAl、FeFe、CaCa、NaNa、K K、MgMg和和H H總量占地殼總量的98.13%98.13%；o而其余元素僅占地殼元素總量的1.87%1.87%。o核輻射測(cè)井所關(guān)心的不是不是地層中所有所有的元素，而是含量在前1010種元素。地層元素質(zhì)量百分比/%OSiAlFeCaKMgH其他49.1326.007.454.203.252.402.351.001.87地層元素含量分布表地層元素含量分布表1、光電效應(yīng)的發(fā)展歷史、光電效應(yīng)的發(fā)展歷史1887 年H.Her

31、tz（赫茲）在研究電磁場(chǎng)波波動(dòng)性質(zhì)時(shí)無意中發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)現(xiàn)象。1899年， J.J.Thomson（湯姆生，1856-1940)測(cè)量光電流的荷質(zhì)比，肯定光電流和陰極射線同樣都是高速運(yùn)動(dòng)的電子，他于1906獲諾貝爾獎(jiǎng)。1900年，年，Lenard（雷納，1862-1947)發(fā)現(xiàn)改變光的強(qiáng)度對(duì)截止電壓沒有影響，1902 提出出發(fā)假說，他于1905獲得諾貝爾獎(jiǎng)。三、光電效應(yīng)三、光電效應(yīng)1905 愛因斯坦愛因斯坦(Einstein)提出光量子理論和光電方程。1921獲得諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)槊芰⒏鶎?shí)驗(yàn)證實(shí)了他的光電方程，光量子理論才開始被人們接受，因而得到此獎(jiǎng)。(註：光子一詞是1926年由路易斯(Lewis)提

32、出的)19041916 密立根密立根(Millikan,1868-1953, 美)歷經(jīng)了十多年，終于在1916年發(fā)表實(shí)驗(yàn)證實(shí)愛因斯坦的光量子理論和光電方程，并由此測(cè)得普朗克常數(shù)，1923獲得諾貝爾獎(jiǎng)。AKGV陽陽極極陰陰極極W石英窗石英窗2. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在光（包括不可見光）照射下物體中，電路中產(chǎn)生的電流。光電效應(yīng)實(shí)質(zhì)：光轉(zhuǎn)換為電。光電效應(yīng)實(shí)質(zhì)：光轉(zhuǎn)換為電。1）光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：）光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：o任何一種金屬都有一極限頻率任何一種金屬都有一極限頻率 0 0，入射光的頻率，入射光的頻率必須大于必須大于 0 0（無論光強(qiáng)多大）才能發(fā)生光電效應(yīng)。（無論光強(qiáng)多大）才

33、能發(fā)生光電效應(yīng)。o光電子的最大初動(dòng)能只隨入射光的頻率增大而增光電子的最大初動(dòng)能只隨入射光的頻率增大而增大，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。大，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。o光電效應(yīng)的發(fā)生是瞬時(shí)的，不超過光電效應(yīng)的發(fā)生是瞬時(shí)的，不超過1010-9 -9s so發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，光電流越大，相發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，光電流越大，相同時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多。同時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多。2 2）波動(dòng)說（電磁理論）對(duì)光電效應(yīng)解釋遇到的困難）波動(dòng)說（電磁理論）對(duì)光電效應(yīng)解釋遇到的困難波動(dòng)理論波動(dòng)理論光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果困難困難1 光能由振幅決定，與光頻率無光能由振幅決定，與光頻率無關(guān)，只要光強(qiáng)

34、足夠大（不論入關(guān)，只要光強(qiáng)足夠大（不論入射光的頻率多），總可以使電射光的頻率多），總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應(yīng)電效應(yīng)如果如果 0 0，無論光強(qiáng)，無論光強(qiáng)有多大，都不能發(fā)生有多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)，光能應(yīng)由光電效應(yīng)，光能應(yīng)由光頻率來決定光頻率來決定困難困難2 光強(qiáng)越大，電子可獲得更多能光強(qiáng)越大，電子可獲得更多能量，光電子的最大初動(dòng)能也應(yīng)量，光電子的最大初動(dòng)能也應(yīng)該越大，即出射電子的最大初該越大，即出射電子的最大初動(dòng)能應(yīng)該由光強(qiáng)來決定動(dòng)能應(yīng)該由光強(qiáng)來決定光電子的最大初動(dòng)能光電子的最大初動(dòng)能與光強(qiáng)無關(guān)，而與頻與光強(qiáng)無關(guān)，而與頻率有關(guān)率有關(guān)3）光子說的提出）光

35、子說的提出o愛因斯坦在1905年提出光子說，即在空間中傳播的光也不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光量子，簡(jiǎn)稱光子。o光子的能量光子的能量E跟光的頻率跟光的頻率成正比。成正比。 E=h 其中其中h是一個(gè)常量，叫普朗克常量。是一個(gè)常量，叫普朗克常量。 h=6.631034J.so1）光電效應(yīng)定義：）光電效應(yīng)定義：當(dāng)一個(gè)光子與物質(zhì)原子中的束縛電子作用時(shí)，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子，使之脫離原子而發(fā)射出去，而光子本身被全部吸收，這個(gè)過程稱為光電效應(yīng) 。o由光電效應(yīng)發(fā)射出來的電子稱為光電子。由光電效應(yīng)發(fā)射出來的電子稱為光電子。3、核輻射測(cè)井中的光電效應(yīng)、核輻射測(cè)井中的光電效應(yīng)o2）光電子

36、的能量：）光電子的能量：由能量守恒定律知，光電子能量Ee為ohv為入射光子的能量；oEi為第i殼層電子的結(jié)合能。 Ee=hv_Ei光電峰光電峰NEo光電效應(yīng)只有在束縛電子束縛電子上發(fā)生，電子在原子中被束縛得越緊越緊，就越容易越容易發(fā)生光電效應(yīng)。o光子與原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面（即幾率）與光子與原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面（即幾率）與入射光子能量的關(guān)系：入射光子能量的關(guān)系：入射光子能量hv很高時(shí)，截面ph很小。因?yàn)殡娮釉谠又惺`程度的大小是與入射光子的能量相比較而言的。當(dāng)入射光子的能量很高時(shí)，相對(duì)來說，電子的束縛程度就很低，所以截面就很小。3）光電效應(yīng)的特點(diǎn)：）光電效應(yīng)的特點(diǎn)：o發(fā)生光電效應(yīng)的截面原子

37、序數(shù)的關(guān)系：發(fā)生光電效應(yīng)的截面原子序數(shù)的關(guān)系：對(duì)于同一能量的入射光子來說，物質(zhì)的原子序數(shù)越高，光電效應(yīng)截面越大。因?yàn)樵有驍?shù)高，電子在原子中束縛程度也就高，所以截面就大。光電效應(yīng)截面與作用物質(zhì)的原子序數(shù)有著強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。這就是巖性密度測(cè)井利用光電效應(yīng)判斷地層巖性這就是巖性密度測(cè)井利用光電效應(yīng)判斷地層巖性的依據(jù)。的依據(jù)。探測(cè)器應(yīng)選用盡可能高探測(cè)器應(yīng)選用盡可能高Z的物質(zhì)作為介質(zhì)。的物質(zhì)作為介質(zhì)。7/ 25201520Z h h m C Kph o射線或中子與物質(zhì)發(fā)生各種相互作用都有一定的幾率，通常用截面截面 這個(gè)物理量來表示作用幾率的大小，其定義是： 截面截面=NINs單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的核反應(yīng)數(shù)單

38、位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的核反應(yīng)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)入射粒子數(shù)單位時(shí)間內(nèi)入射粒子數(shù)單位面積的靶核數(shù)單位面積的靶核數(shù)=o的確切物理意義是：的確切物理意義是：一個(gè)入射光子或中子與單位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生作用的幾率。o單位：?jiǎn)挝唬核哂忻娣e的量綱。一般用10-24cm2作為的單位，稱為靶恩（b）。o截面僅反映射線或中子與物質(zhì)相互作用幾率大小的一個(gè)物理量，但不表示原子或原子核的真實(shí)幾何截面 。o1923年，美國物理學(xué)家康普頓和中國物理學(xué)家吳有訓(xùn)在研究x射線通過實(shí)際物質(zhì)發(fā)生散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長(zhǎng)I0的X光外，還產(chǎn)生了波長(zhǎng)不同的X光，其波長(zhǎng)的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓康普頓

39、-吳有訓(xùn)效應(yīng)吳有訓(xùn)效應(yīng)（1927年獲諾貝爾獎(jiǎng)）年獲諾貝爾獎(jiǎng)）四、康普頓四、康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)吳有訓(xùn)效應(yīng)(compton effect). . . . . . .=0=45=90=135OOOO(a)(b)(c)(d)相相對(duì)對(duì)強(qiáng)強(qiáng)度度0.7000.750o波長(zhǎng)波長(zhǎng) (A)實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果o在我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)與康普頓康普頓合作期間，在1926年所作的實(shí)驗(yàn)指出：o在原子量小的物質(zhì)中，康普頓散射較強(qiáng)，在原子量大的物質(zhì)中，康普頓散射較弱；o波長(zhǎng)的改變隨散射角(散射線與入射線之間接的夾角)而異；o當(dāng)散射角增加時(shí)，波長(zhǎng)的改變也隨之增加；o在同一散射角下，對(duì)于所有散射物質(zhì)，波長(zhǎng)的改變都相同。1 1、實(shí)

40、驗(yàn)結(jié)論：、實(shí)驗(yàn)結(jié)論：o從波動(dòng)理論來看，帶電粒子受迫振動(dòng)頻率應(yīng)等于入射光的頻率；所以，散射光的頻率應(yīng)與入射光的頻率相同?？梢?，用光的波動(dòng)理論只能解釋波長(zhǎng)不變的散射，而不能解釋康普頓效應(yīng)。o1923年5月，康普頓用愛因斯坦的光子概念成功地解釋了x 射線通過石墨時(shí)所發(fā)生的散射。2 2、實(shí)驗(yàn)解釋、實(shí)驗(yàn)解釋o1 1）康普頓效應(yīng)：）康普頓效應(yīng)：當(dāng)入射光子能量增高后，光電效應(yīng)逐漸減弱，康普頓效應(yīng)成為光子損失能量的主要方式。在康普頓效應(yīng)中，入射光子與原子的核外電子發(fā)生彈性碰撞，把一部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，使電子脫離原子成為反沖電子，損失能量后的光子則朝另一個(gè)方向散射出來。 5 5、核輻射測(cè)井中的康普頓效應(yīng)、核輻

41、射測(cè)井中的康普頓效應(yīng)能量E0光子靶核反沖電子束縛電子散射光子o2）散射光子的能量）散射光子的能量hv：0碰撞前：碰撞前：光子能量為ho，動(dòng)量為ho/c；電子的能量為moc2，動(dòng)量為零。碰撞后：碰撞后：光子散射角為，光子能量為h，動(dòng)量為h/c；電子飛出的方向與入射光子的夾角為，它的能量為 ，動(dòng)量為 。2201cvvm22201cvcm伽馬光子伽馬光子chP/00mvPchP/碰撞過程能量守恒碰撞過程能量守恒22202001ccvmhcmhP P0P PeP P動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒cos1cos2200cvvmchchsin1sin0220cvvmch)cos1 (120cmEEE = 201(1 c

42、os )eEEEEm CE從上面式子可以推出：從上面式子可以推出：201/2Ectgtgm C散射光子能量散射光子能量反沖電子能量反沖電子能量角度關(guān)系角度關(guān)系o康普頓效應(yīng)不僅在束縛電子上可以發(fā)生，而且在自由電子上也可以發(fā)生。正因?yàn)槿绱?，康普頓效應(yīng)大多是在原子的外層電子上發(fā)生。o思考：原子序數(shù)？o思考：入射能量？3）康普頓效應(yīng)的特點(diǎn)）康普頓效應(yīng)的特點(diǎn)4）康普頓散射截面）康普頓散射截面 能量比較低時(shí)能量比較低時(shí): : 入射入射 能量比較高時(shí)能量比較高時(shí): : 式中，式中，r r0 0 為電子的經(jīng)典半徑。散射截面與為電子的經(jīng)典半徑。散射截面與Z Z的一次方的一次方成正比，而隨成正比，而隨E E 增加

43、而減少。增加而減少。22008 , h,3cr Zm C2220002021 ln, h,2cEmCr ZmCEmC5）反沖電子能量分布）反沖電子能量分布 即便是單能射線入射，反沖電子能量是連續(xù)分布的。由上面的公式：可得： = 0時(shí)，E = E，Eemin = 0, 反沖電子能量為零。 = 180時(shí)， 對(duì)不同的角度，反沖電子能量不同，為一連續(xù)分布, 201(1c o s)eEEm CE2max0/ 1/(2)eEEmCEo6）康普頓效應(yīng)減弱系數(shù)）康普頓效應(yīng)減弱系數(shù) e： 由康普頓效應(yīng)導(dǎo)致的射線在通過單位距離物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度減弱。AZNAee這也是康普頓效應(yīng)求取地層密度的依據(jù)這也是康普頓效應(yīng)求取地層

44、密度的依據(jù)o1）電子對(duì)效應(yīng)：）電子對(duì)效應(yīng)：當(dāng)入射光子的能量大于兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量能（即大于1.022MeV）時(shí)，在原子核的庫倫場(chǎng)作用下，光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)負(fù)電子和一個(gè)正電子，形成正負(fù)電子對(duì)，這個(gè)過程稱為電子對(duì)效應(yīng)。 o2）發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的條件：）發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的條件：一是除了光子和電子外，還必須由原子核參與；二是光子必須具有足夠大的能量（大于1.022MeV）。 五、電子對(duì)效應(yīng)五、電子對(duì)效應(yīng)o4）產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)在物質(zhì)中損失能量后，達(dá)到熱平衡熱平衡，正電子在熱平衡時(shí)與物質(zhì)中的負(fù)電子產(chǎn)生淹沒淹沒 光子光子，發(fā)出兩個(gè)0.511MeV的射線，方向相反。這兩個(gè)射線產(chǎn)生的時(shí)間非常短，與物質(zhì)再次相互作用產(chǎn)生光

45、電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)，產(chǎn)生次級(jí)快速電子。o5）由正負(fù)電子對(duì)在物質(zhì)中產(chǎn)生的電子離子電子離子對(duì)將與淹沒輻射產(chǎn)生的次級(jí)電子在物質(zhì)中再產(chǎn)生的電子離子對(duì)疊加在一起，形成電子對(duì)效應(yīng)的射線信號(hào)輸出譜。6）電子對(duì)效應(yīng)的截面：）電子對(duì)效應(yīng)的截面：所以，電子對(duì)效應(yīng)的所以，電子對(duì)效應(yīng)的截面與截面與Z Z2 2成正比，隨成正比，隨 射線能量增大而增射線能量增大而增大。大。220220 Z ln pZEEm CEEm C能量不太高時(shí).能量高時(shí).o7）電子對(duì)效應(yīng)減弱系數(shù)）電子對(duì)效應(yīng)減弱系數(shù) p：射線通過單位厚度的吸收介質(zhì)時(shí)，因形成電子對(duì)而導(dǎo)致射線強(qiáng)度的減弱。 )022. 1(2EZANKAPo對(duì)低能對(duì)低能 射線與高原子序數(shù)

46、的作用物質(zhì)，射線與高原子序數(shù)的作用物質(zhì)，光電效應(yīng)光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；占優(yōu)勢(shì)；o對(duì)中能對(duì)中能 射線與低原子序數(shù)的作用物質(zhì)，射線與低原子序數(shù)的作用物質(zhì)，康普頓效康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；o對(duì)高能對(duì)高能 射線與高原子序數(shù)的作用物質(zhì)，射線與高原子序數(shù)的作用物質(zhì)，電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。占優(yōu)勢(shì)。0.010.1110100020406080100 ZE/MeV光電效 應(yīng)區(qū)域康普頓效 應(yīng)區(qū)電 子 對(duì) 效 應(yīng) 區(qū)電子 對(duì)效 應(yīng)區(qū)思考：0.662MeV？1.022MeV? o光電效應(yīng)截面用ph表示，康普頓散射截面用c表示，電子對(duì)效應(yīng)截面用p表示。pcph六、伽馬射線與物質(zhì)作用的總截面六、伽馬射線與物質(zhì)作用的總

47、截面o設(shè)有一束強(qiáng)度為I0，準(zhǔn)直的單能射線沿水平方向垂直地通過單位面積吸收物質(zhì)。設(shè)吸收物質(zhì)單位體積內(nèi)的原子數(shù)為N，密度為，吸收截面為r。 七、物質(zhì)對(duì)伽馬射線的吸收規(guī)律七、物質(zhì)對(duì)伽馬射線的吸收規(guī)律o穿過物質(zhì)后的強(qiáng)度減弱為：-dI = I0NrdxANNA/dxNAIdIA0令A(yù)NAdxIdI0o這表明：這表明： 射線通過吸收物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度的減弱射線通過吸收物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度的減弱服從指數(shù)衰減規(guī)律。服從指數(shù)衰減規(guī)律。 積分I = I0e-xo 是物質(zhì)的總吸收系數(shù)是物質(zhì)的總吸收系數(shù)，單位，單位cmcm-1 -1：o由于線性吸收系數(shù)近似正比于吸收物質(zhì)的密度 ，而是隨介質(zhì)的物理狀態(tài)而變化的，為了消除的影響，常

48、采用質(zhì)量吸收系數(shù)m=/，單位是cm2/g。 =phep+mphep=+第二節(jié)第二節(jié) 帶電粒子對(duì)物質(zhì)的作用帶電粒子對(duì)物質(zhì)的作用 n帶電粒子：帶電粒子： 、 、 n對(duì)物質(zhì)的作用：對(duì)物質(zhì)的作用： 電離、激發(fā)、散射、韌致輻射、湮滅輻射電離、激發(fā)、散射、韌致輻射、湮滅輻射一、一、電離電離（ionization ）o電離：、物質(zhì)核外電子e-脫離軌道自由電子；失去e-的核帶正電荷，兩者形成一對(duì)離子。o自由電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級(jí)電離帶電粒子e-正負(fù)離子對(duì)次級(jí)電離33.85eV二、激發(fā) （excitation） ：n、物質(zhì)軌道電子獲能由低能級(jí)高能級(jí)，使整個(gè)原子處于激發(fā)態(tài)；退激時(shí)可發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線和Aug

49、er電子。帶電粒子粒子(退激)三三、軔致輻射、軔致輻射 bremsstrahlungn高速帶電粒子通過物質(zhì)原子核電場(chǎng)時(shí)受到突然阻滯，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分或全部動(dòng)能以X射線的形式輻射出來稱為軔致輻射；產(chǎn)生幾率隨帶電粒子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)增大而增大。 粒子粒子X四四、散射、散射 scatteringn入射粒子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運(yùn)動(dòng)入射粒子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向與能量的過程。僅改變運(yùn)動(dòng)方向方向與能量的過程。僅改變運(yùn)動(dòng)方向而而能量能量不變者為彈性碰撞。不變者為彈性碰撞。 n粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線，發(fā)生散粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線，發(fā)生散射較少。射較少。粒子輕，運(yùn)動(dòng)為

50、曲線，散射明顯。粒子輕，運(yùn)動(dòng)為曲線，散射明顯。粒子粒子五、湮滅輻射五、湮滅輻射o粒子穿過物質(zhì)粒子穿過物質(zhì),喪失動(dòng)能后與自由電子喪失動(dòng)能后與自由電子e結(jié)合結(jié)合,轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反兩個(gè)方向相反,能量各為能量各為0.511MeV的的光子，這種現(xiàn)象光子，這種現(xiàn)象稱為湮滅輻射。稱為湮滅輻射。o 探測(cè)湮滅輻射產(chǎn)生的探測(cè)湮滅輻射產(chǎn)生的光子是正電子發(fā)射斷層成像即光子是正電子發(fā)射斷層成像即PET的基礎(chǔ)的基礎(chǔ) PET, positron emission tomography 第三節(jié)第三節(jié) 射線的探測(cè)射線的探測(cè)o射線與物質(zhì)相互作用過程中，發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。這三種效應(yīng)均產(chǎn)生次級(jí)電子，這些電

51、子能引起組成探測(cè)器靈敏元件中物質(zhì)原子的電離電離和激發(fā)激發(fā)。絕大多數(shù)儀器都是利用這兩種物理現(xiàn)象來探測(cè)射線的。 射線探測(cè)的基本原理射線探測(cè)的基本原理o1、電離作用：、電離作用：o定義：定義：帶電粒子電粒子（次級(jí)電子）與組成物質(zhì)原子的束縛電子束縛電子發(fā)生非彈性碰撞非彈性碰撞，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子與束縛電子之間產(chǎn)生靜電作用靜電作用，使束縛電子產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，因而獲得足夠的能量掙脫原子核的束縛，變成自由電子自由電子，這樣就產(chǎn)生了由自由電子和正離子組成的離子對(duì)。o探測(cè)儀器：探測(cè)儀器：利用這種現(xiàn)象的探測(cè)器主要有電離室電離室、正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器、蓋革蓋革- -彌勒計(jì)數(shù)管彌勒計(jì)數(shù)管（早期測(cè)井探測(cè)射線幾乎都采用），但由

52、于計(jì)數(shù)效率低且不能記錄能譜，現(xiàn)已不用。o2、激發(fā)：、激發(fā)：o定義：定義：如果束縛電子所獲得的能量還不足以使它變成自由電子，而只是激發(fā)到更高的能級(jí)，則稱之為激發(fā)。o受激的原子在退激時(shí)能釋放出光子，發(fā)生閃光，稱之為熒光熒光。o探測(cè)儀器：探測(cè)儀器：收集熒光的探測(cè)器是閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器/ /閃閃爍計(jì)數(shù)器爍計(jì)數(shù)器，是目前測(cè)井應(yīng)用最廣泛的探測(cè)器。o在1903年就有人發(fā)現(xiàn) 粒子照射在硫化鋅粉末上可產(chǎn)生熒光的現(xiàn)象。 o1947年，將光電倍增管與閃爍體結(jié)合起來后才制成現(xiàn)代的閃爍探測(cè)器。 二、閃爍探測(cè)器二、閃爍探測(cè)器scintillation detector o1、閃爍探測(cè)器的組成、閃爍探測(cè)器的組成o閃爍探測(cè)

53、器主要由閃爍體閃爍體、光電倍增管光電倍增管和電子儀電子儀器器三部分組成。通常將閃爍體、光電倍增管和前置放大器都裝在一個(gè)暗盒中，統(tǒng)稱為探頭探頭。NaI晶體晶體NaI晶體晶體反射層反射層/ /氧化鎂粉氧化鎂粉玻璃片玻璃片晶體簡(jiǎn)單封裝示意圖晶體簡(jiǎn)單封裝示意圖2、閃爍探測(cè)器探測(cè)、閃爍探測(cè)器探測(cè)射線原理：射線原理：o 射線進(jìn)入探測(cè)器閃爍體中，通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)電子；o 閃爍體吸收這些電子的能量，使原子、分子電離和激發(fā)；o 被激發(fā)的原子、分子在退激時(shí)產(chǎn)生光子即發(fā)生閃爍；o利用反射物質(zhì)和光耦合劑使光子盡可能被收集到光電倍增管的光陰極上，并經(jīng)光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子；o光電子在光電倍增管中

54、倍增，電子數(shù)量增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并被陽極收集，在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號(hào)；o這些電信號(hào)由電子儀器處理和記錄。NaI晶體晶體NaI晶體晶體反射層反射層/ /氧化鎂粉氧化鎂粉玻璃片玻璃片晶體簡(jiǎn)單封裝示意圖晶體簡(jiǎn)單封裝示意圖光密物質(zhì)光密物質(zhì)光疏物質(zhì)光疏物質(zhì)n1n2臨界角臨界角121sinnn光子產(chǎn)生點(diǎn)光子產(chǎn)生點(diǎn)反射層反射層玻璃片玻璃片n1=1.77n2=1(空氣空氣)=34.4on2=1.5(硅油硅油)=58o光電陰極光電陰極聚焦極聚焦極倍增極倍增極陽極陽極工作原理如下：工作原理如下：光照射在光電倍增管上，光電陰極在入射光的激發(fā)下逸出光電子，該光電子在電場(chǎng)被加速后打到第一倍增極D1上，然后又在高速初級(jí)電子

55、的激發(fā)下，D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這些電子又被電場(chǎng)加速并入射到D2上，激發(fā)出更多的二次電子，最后經(jīng)倍增的光電子被陽極a收集而輸出光電流。 3、光電倍增管、光電倍增管4、閃爍體：、閃爍體：o目前測(cè)井中最常用的閃爍晶體：目前測(cè)井中最常用的閃爍晶體：NaI(Tl)、Cs(Tl)、BGO、GSO o1）發(fā)射光譜：）發(fā)射光譜：即閃爍體受核輻射激發(fā)后發(fā)射光子的波長(zhǎng)范圍，該范圍應(yīng)與光電倍增管的光陰極光譜響應(yīng)匹配。o2）發(fā)光效率：）發(fā)光效率：閃爍體把吸收的射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾谋绢I(lǐng)。發(fā)光效率越高，輸出脈沖幅度越大，統(tǒng)計(jì)漲落越小，能量分辨率有所改善。通常用相對(duì)值，如NaI為100，CsI為45，BGO為12。o3）發(fā)

56、光衰減時(shí)間：）發(fā)光衰減時(shí)間：退激時(shí)發(fā)出的光子數(shù)由最大值下降到原來的1/e 所經(jīng)歷的時(shí)間。發(fā)光衰減時(shí)間短的適合高強(qiáng)度或短時(shí)間測(cè)量。閃爍體的特性參數(shù)閃爍體的特性參數(shù)o4）探測(cè)效率：）探測(cè)效率：指一個(gè)光子進(jìn)入閃爍體引起閃光的幾率。一般閃爍體的密度越大，原子序數(shù)越大，探測(cè)效率越高。在探測(cè)能量高的光子時(shí)，探測(cè)效率高的閃爍體體積可以做得更小。o5）能量分辨率：）能量分辨率：是指對(duì)單能光子的能量測(cè)量峰的半寬度，它是閃爍體主要性能。如NaI為6.5%，CSI和BGO分別為7.3%和9.3%。o6）其他特性）其他特性性能性能CsI(Na)BGONaI(Tl)GSO化學(xué)式化學(xué)式CsI(Na)Bi4Ge3O12Na

57、I(Tl)Gd2SiO5密度密度(g/cm3)4.517.133.676.71機(jī)械穩(wěn)定性機(jī)械穩(wěn)定性可展可展堅(jiān)固堅(jiān)固易破裂易破裂易破裂易破裂化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性好好好好不好不好好好水溶性水溶性比比NaI好好不溶不溶易潮解易潮解不溶不溶放射光最大值處波長(zhǎng)放射光最大值處波長(zhǎng)(nm)420480410430上升時(shí)間上升時(shí)間(ns)5050衰減時(shí)間衰減時(shí)間(ns)63030023056;600折射率折射率1.842.151.851.9相對(duì)相對(duì)NaI的發(fā)光效率的發(fā)光效率(%)6583131510020溫度系數(shù)溫度系數(shù)(%/oC)-1.5-0.3-0.3對(duì)對(duì)0.661MeV的能量分辨的能量分辨率率9.3%6

58、.5%8.0%有效原子序數(shù)有效原子序數(shù)667551595、電子儀器：、電子儀器：收集電脈沖/信號(hào)，并處理和記錄這些電信號(hào)。探頭前置放大主放大器幅度分析定標(biāo)器電子儀器部分電子儀器部分o6、閃爍探測(cè)器的特性：、閃爍探測(cè)器的特性：能量分辨率能量分辨率 ：通常是用0.662MeV的137Cs源的全能峰的分辨率來表示，即有 %100EE計(jì)數(shù)率NN/2能量EE坪特性坪特性閃爍探測(cè)器記錄強(qiáng)度不變的放射源時(shí)，可以得到一條計(jì)數(shù)率與外加電壓的關(guān)系曲線?！捌浩骸钡奶匦允堑奶匦允怯?jì)數(shù)率基本上不隨電壓升高而改變。計(jì)數(shù)率基本上不隨電壓升高而改變。把探測(cè)器的工作點(diǎn)選在坪的中點(diǎn)可保證探測(cè)器的工作穩(wěn)定。 計(jì)數(shù)率電壓U1U2N1

59、N2時(shí)間分辨率：時(shí)間分辨率：能夠區(qū)分入射的兩個(gè)粒子的最小時(shí)間，閃爍探測(cè)器的時(shí)間分辨率與閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間、光電倍增管的飛行時(shí)間漲落以及電子記錄系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間有關(guān)。在做高強(qiáng)度射線測(cè)量要注意。 脈沖幅度和能量的關(guān)系：脈沖幅度和能量的關(guān)系：對(duì)理想的閃爍探測(cè)器，脈沖幅度與能量成線性關(guān)系。實(shí)際上總有些偏離，呈非線性。這就需要用能量已知的一組標(biāo)準(zhǔn)源，測(cè)量相應(yīng)的全能峰幅度，建立脈沖幅度與能量的關(guān)系，即進(jìn)行能量刻度。 三、記錄方式三、記錄方式o對(duì)測(cè)井來說主要有三類：對(duì)測(cè)井來說主要有三類：1、計(jì)數(shù)（單位時(shí)間內(nèi)記錄的粒子數(shù)量）、計(jì)數(shù)（單位時(shí)間內(nèi)記錄的粒子數(shù)量）2、能譜、能譜3 、時(shí)間譜、時(shí)間譜一、巖石的一、巖石

60、的 特征參數(shù)特征參數(shù)巖石的真密度b電子密度ne電子密度指數(shù)e光電吸收截面光電吸收截面指數(shù)Pe巖石的視密度a第三節(jié)第三節(jié) 巖石的散射伽馬特征巖石的散射伽馬特征o1 1）真密度定義：）真密度定義：巖石的真密度是指每立方厘米體積巖石的質(zhì)量，用b表示，單位是g/cm3。也稱為體積密度，通常所說的密度就是指真密度。o對(duì)于孔隙度為 ，飽含水的純石灰?guī)r，其真密度為 1、巖石的真密度、電子密度、電子密度指數(shù)和視密度、巖石的真密度、電子密度、電子密度指數(shù)和視密度00. 1)1 (71. 2b 不同礦物具有不同的密度不同礦物具有不同的密度o不同巖石的骨架密度不同，這樣在井剖面中可以根據(jù)密度把不同巖性的地層區(qū)分開。o孔隙性地層相當(dāng)