第2-4章 核辐射测井部分 PPT课件

9）半衰期
定义：放射性原子核衰变到数量减少一半所经过 得时间。
表示符号：T1/2
意义：表示原子核衰变的快慢。
T1/2和λ都表示原子核衰变的快慢。
那么二者之间的关系： 由半衰期的定义知：
当 t= T1/2
由衰减的规律公式有：
N= N0 2
N=
N0 2
=N0e-λT1/2
T1/2=
ln2 λ
-dN/dt∝N(t)
-dN=λN(t)dt
对上式积分并令t=0时的原子数为N0，则有：
N(t)=N0e-λt
这就是原子核衰变的基本规律：原子核衰变遵循 指数衰减规律。
原子核衰变的指数规律是原子核本身固有的性质， 只和它的内部状态有关。外界因素如高温、高压、 强磁场、电场等都不能改变原子核这种指数衰变 特性。
不同的放射性核素的λ不同，即衰变速度不同。
必须指出：原子核衰变规律是一个统计性规律， 只有在原子核的数目足够大时才是正确的，否则 没有意义。
这是因为核衰变是自发的，对于一个核来讲纯属 偶然，只有大数目的原子核才遵循统计规律。
8）衰变常数
定义：衰变规律公式中的常数λ，反映了原子核 衰变速度的快慢，称之为衰变常数。
目前已经发现地层中的元素有100多种，几乎所 有的化学元素都能在地层中找到。但主要的地层 元素只有少数几种。
在地壳内化学元素含量按重量百分比大小的分布 依次为O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti、 C、Cl等。
各元素在地层中的总量分布极不均匀，前三种元 素O、Si和Al总量占地壳总量的82.58%；
激发态： 处于比基态高的能量状态。
3、核素
➢ 定义：具有特定原子序数（即质子数或核电荷
数）、质量数（即核子数）和核能态，而且其 平均寿命长到足以被观察到（一般长于10-10s） 的一类原子。
➢ 核素可以是稳定的，也可以是不稳定的。目前
已经知道的核素大约有2700种，其中约300种 是稳定的，其余是不稳定的，即放射性的。
即便是单能射线入射，反冲电子能量是连续分布的。
由上面的公式：
Ee 1
E m0C 2
E (1 cos )
可得： = 0º时，E = E，
Eemin = 0, 反冲电子能量为零。
= 180º时，Eemax E / 1 m0C2 /(2E )
对不同的角度，反冲电子能量不同，为一连续分布,
5）康普顿效应减弱系数 µe： 由康普顿效应导致
前9种即O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg和H总 量占地壳总量的98.13%；
而其余元素仅占地壳元素总量的1.87%。
核辐射测井所关心的不是地层中所有的元素，而 是含量在前10种元素。
地层元素 质量百分比/% 地
O
49.13
层
Si
26.00
元
Al
7.45
素
Fe
4.20
含
Ca
3.25
量 分
在核辐射测井中，利用α粒子与某些原子核的相 互作用可制造中子源。
β射线：
是高速运动的电子流。它的穿透能力比α射 线强(在金属中为0.09cm)，但电离作用比α 粒子弱。
在核辐射测井中，利用某些发射β射线的核 素作为井间监测示踪剂。
γ射线：
是波长很短的电磁波。它的穿透能力最强， 电离作用最弱。
1）康普顿效应：当入射γ光子能量增高后，光电 效应逐渐减弱，康普顿效应成为γ光子损失能量 的主要方式。在康普顿效应中，入射γ光子与原
子的核外电子发生弹性碰撞，把一部分能量转移 给了电子，使电子脱离原子成为反冲电子，损失
能量后的γ光子则朝另一个方向散射出来。
2）康普顿效应的特点
康普顿效应不仅在束缚电子上可以发生，而且 在自由电子上也可以发生。正因为如此，康普 顿效应大多是在原子的外层电子上发生。
原子质量单位：是以碳的同位素12C为标准确 定的，即1个原子质量单位u为12C静止质量的 1/12，也就是1u=mc/12=1.660566×10-27kg。
质子质量为：1.00758u。
中子质量为：1.00887u。
2、能态、基态和激发态 能态：
原子核处于不同的能量状态。
基态： 能量最低的状态。
的γ射线在通过单位距离物质时A
A
这也是康普顿效应求取地层密度的依据
五、电子对效应
需回答：什么是康普顿效应？康普顿效应的特点是什么？ 在测井中作用是什么？
1）电子对效应：当入射γ光子的能量大于两个电
子的静电质量能（即大于1.022MeV）时，在原子 核的库伦场作用下，光子转化为一个负电子和一 个正电子，形成正负电子对，这个过程称为电子 对效应。
γ光子与原子发生光电效应的截面（即几率）与 入射光子能量的关系：入射光子能量hv很高时， 截是面与入σph射很光小子。的因能为量电相子比在较原而子言中的束。缚当程入度射的光大子小 的能量很高时，相对来说，电子的束缚程度就很 低，所以截面就很小。
发生光电效应的截面原子序数的关系：对于同一 能量的入射光子来说，物质的原子序数越高，光 电效应截面越大。因为原子序数高，电子在原子 中束缚程度也就高，所以截面就大。光电效应截 面与作用物质的原子序数有着强烈的依赖关系。
100
80
光电效应区域
60
电子对效应区
电子对效应区
Z
40
康普顿效应区
20
0
0.01
0.1
1
10 1
11000
Eγ/MeV
对低能射线与高原子序数的作用物质，光电效应占优势；
=
0.693 λ
可见：原子核的半衰期与衰变常数成反比关系， 即半衰期长，衰变常数就小；半衰期短，衰变常 数就大。
原因：在单位时间内发生衰变的几率越大，原子 核得衰变就越快，原子核总数减少一半的时间自 然也就越短。
6、平均寿命
定义：就是指一种放射性原子核平均能够生存的 时间，通常用τ表示。
7、放射性活度
4、丰度 定义：
某种核素在其天然同位素混合物中所占的原子 核数目的百分比称为该核素的丰度
元素的丰度可以用列表法或作图法给出。在列表 或作图时，通常都把硅(Si)的丰度值取为10，其他 核素的丰度值按比例确定。
5、放射性及放射性衰变
1）定义：原子核自发的放出各种射线而转变为 另一种核素的过程。
目前γ-γ测井即岩性密度测井中使用的伽马源基本 上都是137Cs源。
伽马源的性质： 伽马源的性质是由源强、能量分布、角分布等决
定的。 以密度测井的137Cs源为例，其源强是2、1.5或1Ci，
单能伽马射线（0.662MeV），各向同性发射。
思考：能否产生可控伽马源？
二、地层元素分布及含量
表达式：
λ=
_ dN / N(t)
dt
-dN/dt的意义：表示在时刻t的单位时间内发生衰 变的原子核数，它与当时存在的原子核数N(t)成
正比的。
衰变常数λ的确切物理意义 ：表示一个原子核在 单位时间内发生衰变的几率。
衰变常数λ量纲 ：[T]-1，通常用秒-1或分-1。
不同的放射性核素具有不同的衰变常数λ。指数 衰减规律反映了原子核衰变的“共性”，衰变常 数反映了各种原子核的“个性”。
定义：把单位时间内一个放射源发生衰变的原子
核数称为放射性活度，也称放射性强度，通常用
符号A表示。
A=A
λNN =
dN dt
A=λN = λN0e-λt = A0e-λt
A0称为初始放射性活度。
放射性活度的单位：
①由于历史原因，习惯上采用居里（Ci）作为 放射性活度单位。它的定义是：一个放射源 如果在每秒内产生3.7×1010次衰变，这个放 射源的放射性活度即为1居里，即
2）发生电子对效应的条件：一是除了γ光子和电 子外，还必须由原子核参与；二是γ光子必须具
有足够大的能量（大于1.022MeV）。
4）产生的正负电子对在物质中损失能量后， 达到热平衡，正电子在热平衡时与物质中 的负电子产生淹没光子，发出两个 0.511MeV的射线，方向相反。这两个射 线产生的时间非常短，与物质再次相互作 用产生光电效应与康普顿效应，产生次级 快速电子。
思考：原子序数？ 思考：入射能量？
3）康普顿散射截面
能量比较低时:
c
8 3
r02Z,
h m0C2,
入射能量比较高时:
c
r02Z
m0 C 2 E
ln
2E m0C 2
1 2
,
h m0C2,
式中，r0 为电子的经典半径。散射截面与Z的一次方 成正比，而随E增加而减少。
4）反冲电子能量分布
②放射性活度的国际单位是贝可勒尔，简称贝 可，记作Bq。它的定义是：放射源每秒产生 一次衰变为1贝可，1Bq=1s-1。
③二者关系：1Ci=3.7×1010Bq
第二章 伽马射线与物质的作用及密度测井
本章重点： 伽马射线与物质的相互作用 伽马射线的探测 岩性密度测井
第一节 伽马射线与物质的相互作用
有些原子核衰变释放一种或二种射线，有些却同 时释放三种射线；
原子核衰变规律与放出射线的种类无关，与外界 环境无关。
6）放射性射线及性质
放射性核素发射的射线有三种： α、β和γ射线。
照相底片
放射源
铅盒
α射线：
由高速运动的氦原子核（称为α粒子）组成的。 它的穿透能力最低（在岩石中只有0.001cm），但 电离作用最强。
K
2.40
布
Mg
2.35
表
H
1.00
其他
1.87
三、光电效应
2、核辐射测井中的光电效应 需回答：什么是光电效应？光电效应的特点
是什么？在测井中作用是什么？
1）光电效应定义：当一个γ光子与物质原 子中的束缚电子作用时，光子把全部能量 转移给某个束缚电子，使之脱离原子而发 射出去，而光子本身被全部吸收，这个过 程称为光电效应 。
K
Z5 h 7 / 2
ph
Z5 h 1
h <<m0C2 h >>m0C2
这就是岩性密度测井利用光电效应判断地层岩性 的依据。
探测器应选用尽可能高Z的物质作为介质。
四、康普顿-吴有训效应(compton effect)
1、核辐射测井中的康普顿效应
需回答：什么是康普顿效应？康普顿效应的特点 是什么？在测井中作用是什么？
4）γ衰变
定义：原子核由激发态向基态或由高能态向低能态 跃迁时，放出射线的衰变过程称为衰变 .
原子核的退激，必然伴随有γ射线的放出， γ射线 的能量就等于相应的核能级之间的能量差。
X射线产生于原子内层电子的跃迁，它与γ射线的 差别在于能量和产生的方式不同而已。
5）放射性衰变的特点
放射性衰变过程是由核内扰动影响而发生的，与 外界条件无关；
γ射线能穿透几十厘米的地层、水泥环、套 管和下井仪器的外壳。这一特性使得它成 为核辐射测井主要探测对象。
7）简单放射性衰变的基本规律
222 86
Rn
218 84
Po
如果我们用N(t)表示时刻t存在的原子核数，那么 在时刻t到t+dt之间单位时间内发生衰变的原子核 数dN/dt就应当和N(t) 成正比，即
一、伽马射线的来源 1、伽马射线的产生方式
天然产生 由伽马源产生
2、伽马源
定义：能够产生伽马射线的装置。 进行γ-γ测井、γ活化法测井时使用的γ射线源，它
由人工或天然放射性同位素制成，如钴(60Co)源， 铯(137Cs)源，锌(65Zn)源、汞(203Hg)源和铈(141Ce) 源。 测井中最常用的是：钴(60Co)源和铯(137Cs)源
由光电效应发射出来的电子称为光电子。
2）光电子的能量： 由能量守恒定律知，光电子能量Ee为
Ee= hv _ Ei N
hv为入射γ光子的能量； Ei为第i壳层电子的结合能。
光 电 峰
E
3）光电效应的特点：
光电效应只有在束缚电子上发生，电子在原子中 被束缚得越紧，就越容易发生光电效应。所以， K壳层上打出光电子的几率最大，L壳层次之，M、 N壳层更次之。
2）α衰变表达式：
X A
Z
Y He A-4
Z-2
4
+2
特点： α衰变主要发生于重核,绝大多数α衰变发生 于A>200的重核。但不等于A>200都能发生α衰变。
β-衰变：
3）β衰变表达式：
X A
Z
Y A
Z+1
_
+ e- + v
X A
Z
Y A
Z-1
_
+ e+ + v
β+衰变：
特点： 中子数过多发生β¯衰变，质子数过多发生β+衰变。 β粒子的能量是连续能量，能谱连续分布。 几乎所有的放射性核素都存在β衰变
核辐射测井部分
第二章 原子核物理的一些基本概念和基本知识
主要介绍一些原子核物理的基 本概念，放射性和放射性射线， 放射性衰变及衰变规律.
一、基本概念和基础知识
1、原子和原子核
原子序数Z 核电荷数Z 电子数 质量数A 中子数N 质子数Z
原子的表示方法
AX
X 质 量 数 A
原子序数 Z
元素符号