地球的核辐射场与放射性勘探.ppt

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1、地球的核辐射场与放射性勘探 吴健生 海洋与地球科学学院 2005.12.25 一、几个概念 原子核 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 12

2、6C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 1.660566 X 1.0-27kg 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

3、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

4、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，

5、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 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。 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

6、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 JoliotCurie)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 . 放射性衰变 原子核的放射性衰变模式主要是 衰变、 衰变和 衰变 (跃迁 )。 (1) 衰变 衰变是原子核自发放射出 粒子，即氦核 42He。 例如 22688Ra(镭 )核的 衰变过程如下： 22688Ra 22286Rn+42He 22286Rn（氡 ）

7、核的 衰变过程如下： 22286Rn 21884Po+42He 衰变使母核失去 2个与电子电荷量相等的正电荷，因此衰变后原子序 数减少 2，而子核在周期表上的位置将向前移 2位，质量数应减少 4。 (2) 衰变： 衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰 变。 它主要包括 - 衰变、 +衰变和电子俘获。 -衰变是原子核放出高速电子，实验指出：“只有假 定在 衰变过程中，伴随每一个电子有一个中性粒子 (称之为中微子 )一起被发射出来，使中微子和电子的 能量之和为常数，才能解决连续 谱”由于中微子 既不带电，质量又近为零，在实验中就极难测量，直 到 1956年才首次在实验中找到。 (3) 衰变 当原子核

8、发生 、 衰变时，往往衰 变到子核的激发态。处于激发态的原子核是不 稳定的，它要向低激发态或基态跃迁，同时放 出 光子。 二、天然放射场 地球近地表环境的天然放射场主要是由岩石圈、水圈和大气圈的各种天然放射 性同位素引起的。按其形成和积累的条件，天然放射性元素可以分为四类。 (1)长寿命放射性重元素，是在地球发育的初期形成的，即三个放射性系列的 母元素 23892U、 23592U和 23290Th。 (2)短寿命放射性元素，是 23892U、 23592U和 23290Th的子产物，其中对研究天然 放射场最有意义的是 Ra和 Rn。 (3)长寿命不成系列的放射性同位素，如 4019K、 87

9、37Rb、 14762Sm等，也是在地 球发育的初期形成的，在这类元素中只有 4019K对天然放射场作出可观的贡献。 (4)由于宇宙射线的粒子与地球物质的原子核相互作用而在大气圈、水圈和岩 石圈中产生的放射性同位素，以轻元素和短寿命元素为主，如 147C。 地壳岩石的绝大部分 、 和 辐射与三个放射系列和钾的放射性衰变有关。 放射性元素衰变的 基本关系 实验证明，放射性元素族中任何一种同位素， 其衰变率和该同位素的数量成正比。假设平衡 时母元素的数量为 u，后来产物的数量分别为 x1， x2， ， xn， xn是最后稳定产物的数量。 它们之间有如下关系： 为衰变常数，它可自实验中求得。初始时

10、t 0，假 设 u uo， x1=x2=x n=0，上式的解答为： 如果除了最后产物外，其他产物 的寿命均较母元素短得多 除最后产物 xn 外，其他产物之间的比值以及它们 与母元素的比值皆为常数。可得初始时间为： 因此分析矿物岩石中的母元素与最后产物 的数量，便能计算矿物岩石的年龄。 物理意义：从物理意义上看， 表示单位时间内 母核的衰变比率。从统计意义上看， 表示单位 时间内一个母核的衰变概率。从数学式子亦可看 出，又为母核按指数减少的系数，或者为子核按 指数增加的系数。母核衰变为子核的方式不同， 衰变常数 不同。因此，衰变常数 的大小有效地 反映了放射性元素的衰变性质。 衰变常数 是 个重

11、要参量： 2衰变“时间”与寿命 (1)半衰期。 令 T1 2为半衰期，按定义 寿命时间 (Tsh)为母核衰变为原来的 1/e所用的 时间。显然 Tme 1/ 。 灭绝时间 (Tme)为母核衰变为原来的 1/1024所 用的时间，表示母核已接近“灭绝”，故称为 灭绝时间。显然 Tme 6.932/ 。这时， u/u0=10-3 放射性物质发现以前 . 在放射性物质发现以前，地质学家和古生物学家便发 明了确定地层相对年龄的方法，其中最重要的是依据 岩石的相对位置和植物化石来测定地层的年龄。由于 古生物埋藏在同一时期的沉积岩层中，故给相应的岩 层打下了时间的烙印，并称这种化石为标准化石。 古生物学家

12、和地质学家依据地层里所含的古生物化石， 不但可以判断地层的相对年龄，而且还可以推断地层 沉积时的自然环境。地质学家根据地球上发生过的重 大地质事件或构造运动和地层中所含的古生物化石， 将地球的形成和演化历史分成了若干时代。 生物进化是个缓慢的过程，所以这样确定的相对年龄 是很粗略的，不过对于解释宏观的地质现象，却给予 了一个概略的依据。 利用放射性元素的衰变确定地球的年龄 要测定远古的时间，首先必须选择一个适当的计时标 准，或者说，选择一个适当的 “ 时钟 ” 。这个 “ 时钟 ” 要在漫长的地质岁月中保持恒定的运行规律而且不受 地点和环境的影响。放射性元素就是这样一种 “ 时 钟 ” 。 它

13、们的 衰变率不随普遍的物理、化学条件而变化 ， 只 决定于原子核的特性 ，可以用来测定由几百年以至几 十亿年的时间，它们是量程最广的 “ 时钟 ” 。利用放 射性元素的衰变，可以测定岩石和矿物的形成时间和 各地质时期的绝对年龄。 计算放射性年龄公式 在自然界中 ， 一般情况下 ， 新生成的子核 ， 还会继续衰变 ， 直到最后生成某种稳定性的 元素为止 。 例如 ， 238U衰变为 234Th， 还会继 续衰变 ， 直到最后生成没有放射性的 206Pb。 我们这一系列物质 ， 称为一个放射系列 ， 或 称为一个 衰变系列 。 在系列衰变过程中 ， 若单位时间内由母核衰变而来 的子核数目 ， 与同

14、一时间内子核衰变掉的数目接近 相等 ， 即子核的数目接近不变时 ， 称为 放射性平衡 ， 这种状态是一种动态平衡 (“动态 ” 是因为衰变并没 有停止； “ 平衡 ” 是因为子核数目接近不变 )。 当放 射系列达到平衡时 ， 虽是多代衰变 ， 但和只有一代 衰变的衰变规律具有同一形式 ， 故可统一写成 t时刻 的母核数目 u与子核数目 Xu的关系 Xu u（ et 1） 对于放射系列， Xu代表 t 时刻最后一代稳定性核子 数目。 求取年龄的难点 (曾融生， 1984) 利用以上公式求矿物的年龄看起来似乎并不困难；其 实不然，理由是： (1)首先需要自实验室准确测定放射性同位素的衰变常 数 。

15、铀和钍的 值已经测量得很准确，但是铷的 值 还有些问题。 (2)定量分析不同的化学元素可以应用化学方法，但 是它要求的准确度十分高 (10-11 g的微量 )。要定量分 析不同同位素的数量，只能用质谱仪。这些困难使得 准确测定岩石年龄的工作推迟到近些年来才能够实现。 (3)计算矿物的年龄一般系指矿物自熔岩结晶出来的 时刻，并假设此时最后产物等于零。但若与结晶同时， 矿物中已含有一定数量的最后产物，这样将使得问题 复杂化。另一方面，如果矿物后来经过变质作用，以 前所含的最后产物可能部分或全部消失；这样测定的 年龄与最后一次变质的时间有关，故使结果的解释复 杂化。 (4)在矿物的历史中，由于某种作用，例如高温时扩 散作用加剧，或是由于矿物孔隙水的流通，产生化学 溶滤作用等均可使母元素或最后产物的含量改变，使 测定的年龄不准确。 测定岩石年龄的放射性方法 测定岩石和矿物年龄的方法随着科学与技 术的发展将越来越多 ， 然而从不同方法的 分辨率 ， 准确度怎样衡量看来 ， 尚无人去 详细讨论 ， 但测量却不断在进行 。 如今通 常用于测定岩石年龄的放射性方法主要有 下面几种：