放射性测量

• 8、地震预报
第一章 放射性的基本知识
一、放射性现象
• 目前发现的109种元素中，（自然界存 在92种，原子序数1～92），有1400 多种同位素。 • 同位素就是质子数（原子序数）相同 而中子数不同的元素。 • 天然存在的重元素的核是不稳定的， 称为放射性元素。稳定的最重的原子 209 核是铋 83 Bi ，凡是原子序数在84（含 84）以上的原子核都是不稳定的，会 发生自发性的裂变。
• 当x=1库仑/千克时，1kg空气究竟吸收了多 大能量呢？因为产生一对正负离子所需的平 均能量为32.5ev ，产生1库仑电量的离子就 需要32.5焦耳。 • 过去照射量单位为伦琴(R)或微伦琴(μR) 1R=2.58×10 4 c/kg
提高放射性测量精度的措施
• • • • 1、增加测量时间 2、增加测量次数 3、增强放射源强度和探测器灵敏度 4、减少本底读数。
§4 放射性测量单位
一、放射性物质数量单位 • 1、重量单位：kg、g、mg等通用重量单位，可用 来衡量长寿放射性物质的数量，如1kgU、1gRa。 但对于短寿元素，则无法用重量衡量，必须用另 一种适用于所有放射性元素的活度单位衡量。 • 2、活度单位 活度：单位时间内衰变的原子数 1975年，国际计量委员会决定活度单位用贝可（勒 尔）（Bq）表示，每秒有一个放射性核素衰变即 为1贝可。 3.7 1010 Bq • 1975年以前活度单位用居里（Ci）1Ci=
落），这种涨落服从统计规律，称为放射性测量的
统计涨落现象
在放射性测量中，一般是用仪器观测某种放射性射 线粒子出现的次数，例如在α卡测量中，则是观测几 分钟时间内α卡上放出的α粒子个数，在仪器中每个 α粒子转换成一个电脉冲，读数便是脉冲的计数。即 使测量条件完全不变，计数也存在一定的差别。这 种误差不是由于人的操作失误造成的，而是由于放 射性测量中固有的统计涨落造成的。统计涨落的规 律是，当计数较小时，它满足泊松分布：
二、放射性物质浓度单位
• 固体物质一般用重量浓度单位，如铀矿边 界品位为0.03%，表示1吨岩石中有300克U。 • 液体和气体一般用体积浓度单位，过去用 爱曼，现在用贝可/升。 • 1爱曼= 3.7贝可/升=10-10居里/升
三、照射量和照射量率单位
• 1、照射量：单位质量（千克）空气吸收射 线能量后电离形成同种电荷的电量绝对值：
P( n ) (n ) n n e n!
当计数较大时，它满足高斯分布
P( n ) 1 2n e
( n n)2 2n
对于泊松分布，计数的均方误差为 ( n Biblioteka Baidu ) P ( n) n
n 1
如果计数的数学期望(平均值)是n，则实际读数范围 在n±σ，n±2σ，n±3σ的概率分别为： P（n±σ）=68.3% P（n±2σ）=95.5% P（n±3σ）=99.7% 1 而相对均方误差ε为 n n 显然，计数值n越大，相对均方误差越小，如希望 ε<10%，则计数n必须大于100；要求ε<1%，n必须 大于10000。这一点是与其它物探测量不同的。统 计涨落是误差的主要来源。
• 三个放射性系列以它们各自的起始母体命 名，分别称为 • 铀系 238
U
• 钍系
232
Th
• 锕铀系 235
U
238
U 放射性系列
232
Th
放射性系列
235
U
放射性系列
三个放射性系列的主要特点
• 1) 起始母体的半衰期都在 8年以上，因此这三个 10 系至今能存在于自然界中。
，
，
• 2) 每个系各有一代原子序数为86的气态子体，称 为射气。其中属于铀系的叫做氡( )、钍系的叫 222 Rn 做钍射 气( )、锕铀系的叫做锕射气( )。都 219 Rn 是氡的同位素，氡是镭的α衰变产物。 Rn
中子穿透能力很强，可穿过几十cm厚的铅屏蔽，但中子 与轻元素的原子核如H、He、Li、Be、B等碰撞时，中子 易损失较多的能量而将这一部分能量转移到被碰撞的原 子上，其能量减少的速度较快(作用强烈)，射程较短。 ‚中子—γ测井‛在湿度大（孔隙率高）地层上有低值 响应 中子弹：利用中子射线穿透能力强，而又容易与含水 （含H）较多的生物组织发生作用，从而对生物具有较 强的损害作用这一特点，成为一种可穿透坚固防御工事 对人员进行巨大杀伤的武器。 近年来在遏制恐怖活动中也应用于探测含轻元素多的塑 胶炸弹。
• 当时人们对原子的结构还一无所知。例如，在 1897年，一位著名的物理学家开尔芬（Kelvin）写 道：‚‘电是一种连续的、均匀的液体’的意见 还值得谨慎地考虑‛
放射性的应用
• 广泛地应用于工业、农业、医药、军事、地质勘探以及日 常生活的各个方面，一般人对其在军事上的应用了解较多， 但对其它方面的应用了解则更少。 • 在工业方面，放射性可以用于金属探伤、消除静电、控制 板材厚度、检测化工管道渗漏。 • 农业上，可用于育种、保鲜。
例：1居里(Ci)的镭(Ra)
• 根据居里定义 1Ci= 3.7 1010 N （个原子）
N 3.7 10
10

3.7 10 10 T1 / 2 0.693
10
NA 3.7 10 AT1/ 2 m L 0.693 L (3.7 1010 ) 226 (1602 365 24 60 2 ) 1g 23 0.693 6.023 10
三、γ射线与物质的相互作用
• 1、光电效应
• 2、康普顿效应
• 3、形成电子对效应
1、光电效应
• 低能量（小于0.5MeV）的 γ光子与一个原子碰撞，把 全部能量交给一个轨道电子， 使其脱离原子核的束缚而成 为自由电子，而光子本身被 吸收。
2、康普顿效应
• 能量较高（0.5～1.02MeV）的γ光子与原子 的一个壳层电子作用，类似弹性碰撞，在碰 撞过程中，光子将一部分能量交给电子，使 其从原子中以一定角度射出，称为反冲电子， 光子本身以另一角度散射出去，因其失去了 一部分能量，因此，频率降低了，散射光子 波长的大小与散射角度有关，可以从弹性碰 撞的能量守恒和动量守恒关系推导计算出其 能量。
• 另外还存在电子俘获(K俘获 )，它是指原子核俘获 一个壳层电子，使核内一个质子转变为一个中子 而产生一个新核的物理过程。
A Z
X e
A Z 1
Y
三、描述放射性核素衰减的快慢的参数
• 放射性衰变是一个统计过程。在此过程中，单位时 间内发生衰变的原子数与现存的原子数成正比。原 子核数目随时间的增长按指数规律减少。
3、形成电子对效应
• 光子能量大于1.02Mev并作 用于物质时，可在原子核旁 转化为一对正负电子，原来 的光子消失。
四、中子射线及其与物质的相互作用
• 天然中子射线较难为放射性勘探应 用，人工方法是以Ra和Be混合物 作为中子源，能量不同的中子（快 中子、慢中子、热中子）与物质作 用特点不一样，总的来看有散射和 俘获。
• 医疗上可用于消毒杀菌，治疗肿瘤等。
• 在物理方面，用于探索物质基本结构。
放射性测量的应用
• 1、放射性矿床（主要是铀矿）勘探
• 2、非放射性矿床勘探。 • 3、水文、工程、环境勘探 • 4、石油煤田勘探 • 5、测定岩石、土壤样品中放射性元素种类及含量
• 6、测定岩层的地质年代
• 7、测定岩层密度、孔隙率
• 铀和镭平衡时
U NU Ra N Ra
Nu Ra T1 / 2 (U ) N Ra u T1 / 2 ( Ra)
T1/ 2 (U ) A(u ) U 4.45 10 9 238 2.9 10 6 Ra T1/ 2 ( Ra) A( Ra) 1602 226
220
• 3) 放射系中的主要γ辐射体是气态核素Rn之后的 放射性同位素。其中铀系的214Bi 在衰变过 程中可 放出强γ射线。 • 4) 各系最后的稳定核素都是铅(Pb)的同位素。
五、放射性元素的衰变和积累规律 ----放射性平衡
• 在放射性系列中，只有母元素得不到补充，要按 上述规律衰减，而最终元素则一直增加，中间的 子体元素，一方面本身的衰变使之减少，另一方 面母元素的衰变使其增加，因此，其衰变和积累 规律更复杂些。 • 任意时间范围内B元素衰变掉的原子数与A元素衰 变生成的B元素原子数相等，这时，称A、B两种 元素达到了放射性平衡。经过10倍B元素的半衰 期可认为达到了放射性平衡 • 只要经过系列中最长寿子元素10倍半衰期的时间， 就可以认为整个系列达到了放射性平衡。
• 1、衰变常数 λ 单位时间内每个原子衰变的几率 • 2 、半衰期 是指一种放射性核素，其现有核数 目衰减一半所需要的时间。 • 半衰期与衰变常数的关系:
N N t
N N 0e
t
1 N 0 N 0 e T1 / 2 2
T1/ 2
ln 2


0.693

四、自然界中三个重要的放射性系列
§2 射线与物质的相互作用
10 5
一、α射线及其物质的相互作用
• 主要:1、电离；2、激发 • （还可与核反应产生中子） • 电离：带电粒子通过物质时，与物质中原 子的轨道电子作用（弹性碰接及静电作 用）。将自己的部分能量传给轨道电子， 使其脱离原子核的束缚成为自由电子，原 子本身成为正离子的效应。 • 激发：当轨道电子获得的能量还不足以脱 离原子核的束缚，它便从较低的能级跃迁 到较高的能级，而处于激发态。
生成一对正负离子消耗的能量称 为平均电离能，需要 32.5eV。因一个 α粒子能量为4～10Mev，每个α粒 子生成105数量级的离子对。 在空气中α粒子的射程只有数厘 米，在岩石中实际为零。
二 β射线及其与物质的相互作用 • 1、电离 • 2、激发 • 3、弹性散射 • 4、韧致辐射。
弹性散射：带电粒子经过物质时，受物 质原子核或电子的静电场的作用而改变 运动方向，而粒子本身能量无明显改变 的过程。 韧致辐射：带电粒子通过物质时，受核 或电子静电场阻滞使之运动速度急剧减 小，损失很大一部分动能，这部分能量 以电磁波形式（x光）辐射出去，这一过 程称为韧致辐射。 在空气中β粒子的射程约为1米，在 岩石中实际为零。
放射性测量
放射性的定义
• 不稳定的核素自发地 放出射线，或在轨道 电子俘获后放出x射 线，而核素也发生转 变的现象
放射性的发现
• 放射性现象是1896年贝克勒发现的，他将铀的硫 酸盐放在黑纸包着的照相底片上，后来发现底片 感光了，于是认识到从铀盐中放出了一种肉眼看 不见的射线，这种射线穿透了黑纸使照相底片感 光。
§3 放射性测量的统计规律
• 一方面，某种元素有一定的半衰期，但另一方面，放 射性元素的衰变又存在随机性，这表现在两方面，首 先，对于这种元素的不同原子来说，哪个先衰变哪个 后衰变是不确定的，随机的；其次，虽然某一种元素 的衰变速度是一定的，但并非每一个确定时间间隔期 都有相同数的原子衰变，而是某一时刻有较多的原子 衰变，而另一时间衰变的原子却比较少，一定时间间 隔内衰变的原子数相对于其理论值有一定波动（涨
•
U 2.9 10 6 Ra
称为偏U；相反则称为偏镭
铀系中U—Ra的平衡对找矿及异常 评价的意义
• 铀和镭的化学性质有明显差异，在不同地球化 学条件下，铀和它的衰变产物镭常被分离，各 自迁移和重新富集，(氧化环境→U+6 易溶于水， 流失，还原环境→U+4 不溶于水，沉淀、富 集) ，使系列的放射性平衡遭到破坏。 • 在用γ射线找矿时，由于98%的γ射线来自镭以 后的元素，因此，在富镭的地区，虽然γ异常 较强也不一定有找铀的价值，而在富铀的情况 下，就不能忽略较弱的异常。
二、放射性核素衰变种类
(1)α衰变 核内放出α射线的过程称为α衰变。 4 α粒子就是氦核( ) ，带正电。 2 He •
A Z
X
A 4 Z 2
Y He
4 2
(2)β衰变 核内放出β射线的过程称为β衰 变。 β粒子就是电子，带负电。
A Z
X
A Z 1
Y
• (3)γ衰变 当母体发生 α衰变或β衰变时，所形 成的子体的核往往处于不稳定的激发态，它们就 会以发射γ 光子的形式释放一定的能量而回到较 低的激发能态或基态，这种能量的转换过程叫做 γ衰变。 γ粒子就是高能光子。