同位素地质年代学基础知识——同位素地球化学课件PPT

2.正电子衰变β+
• 一部分放射性原子衰变放射出带正电的 电子。
• 这种衰变可看作一个质子转变为一个中 子、一个正电子和一个中微子。
• 衰变结果，原子序数减少1，中子数增加 1，质量数不变。
3.电子俘获衰变
• 核外电子和质子结合成中子。发射X射线。 • 从形式上看和上种方式接近，都是原子序数
降低一个，质量数不变，但机制不一样。 • 由于K层电子最靠近原子核，其被捕获的可
同位素的猜想
• 放射性衰变引发的原子模型的质疑。原 子量的测量，衰变产生的铅与通常的铅 原子量不同，原子量不是整数值。
• 原子模型是否需要修改？ • 索迪的大胆设想，同位素。
基本概念
• 同位素：指原子核内质子数相同而中子数不同 的一类原子。
• 放射性：不稳定的原子核，自发地发射出粒子 和辐射能的性质。
• 原子弹和原子反应堆。
天然放射性同位素及其子体元素
天然放射性同位素分类
• 单程衰变放射性同位素：经过一次衰变就形 成稳定的子体
• 组成衰变系列的放射性同位素：经过一系列 的α、 β衰变，最终形成稳定子体同位素
• 宇宙核反应生成的放射性同位素：宇宙射线 产生的中子与某种稳定同位素作用形成的放 射性同位素。
4n
宇宙核反应生成的放射性同位素
• 147N + 10n
146C + 11H
• 147N + 10n
126C + 31H
• 14C和3H都用于同位素定年，比较年轻的
体系。
定年原理
衰变定律
• 放射性母体核素衰变为稳定子体核素的衰变 速率，在任何时候（t）都与放射性原子数目 （N）成正比（Rutherford and Soddy，1902） • －dN/dt=λN
单程衰变放射性同位素
同位素
相对丰度 (%)
衰变形式
半衰期(年)
40K 0.01167 分支 1.25×109
子体 40Ca、40Ar
87Fra Baidu bibliotekb 27.8346
β 4.88 ×1010
87Sr
147Sm 15.0
α
1.06 ×1011
143Nd
176Lu
2.60
β
2.7 ×1010
176Hf
187Re 62.93
• 衰变常数：单位时间内放射性同位素的原子发 生衰变的几率
• 半衰期：一定数目的放射性原子衰变一半所需 要的时间
放射性衰变
• 放射性衰变：一种元素的原子自发地发射 出粒子和辐射能，引起母核原子序数Z和 原子量N值的变化，从而使一种元素的原 子转变为另一种元素的原子。
• 天然放射性同位素65种 • 主要有六种衰变机制
放射性的发现
• 阴极射线的发现，1897，汤姆森（J J Thomson）， 负电荷粒子流（电子流），1906，诺贝尔物理学奖。
• 1880，贝可勒尔，紫外线照射铀盐，引起发光。伦 琴，阴极射线穿透黑纸，1895。1896，贝可勒尔， 铀盐的放射性。
• 居里夫妇，铀、钍、钋、镭，放射性。1903，诺贝 尔物理学奖。1911，分离出纯镭，诺贝尔化学奖。
放射性同位素衰变机制
1.β衰变
• 原子核通过发射带负电的β粒子进行衰变。 • 也可以看作一个中子转变成一个质子和一个
电子，这个电子被发射出来。 • 同量异位素：质量数相同而质子数不同的一
类原子 • 能量问题，某一特定放射性核素发射的β粒子
具有连续的能量分布。 • 多余的能量，中微子的假定及发现。
5．α衰变
• 氦核，使原子序数和中子数都减少2，质 量数减少4。
• 铀和钍的几个天然同位素子体要么发射 β负粒子，要么α，封闭循环。最终产 物一致。
6．核裂变
• 某些重核，遭受轰击，裂变为两个或更多的 碎片。裂变过程，伴随产生α粒子、中子等， 引起进一步的裂变，链式反应。
• 裂变产物一般具有多余的中子，因而是放射 性的，通过连续的β衰变，变成稳定的同量 异位素。
放射成因原子数
• we can determine a time simply by determining how much of the nuclide has decayed（ nuclide decays to its daughter ）
• 式中λ为衰变比例常数，简称衰变常数， dN/dt是任一时刻（t）时的衰变速率。
公式推导
衰变常数 与半衰期 关系
• 令N/N0＝1/2，则t＝T1/2 • T1/2=ln2/λ，或者 λ T1/2=ln2 • 对于实际应用，在衰变进行了10个半衰期
后，放射成因子核就算趋于 N0了。2-10， 1/1024
β
4.3 ×1010
187Os
组成衰变系列的放射性同位素
母体
相对 丰度
半衰期 （年）
衰变形式
最终 产物
质量数 特点
238U 99.270 44.7 ×108 8 α +6 β 206Pb 4n+2
235U 0.7205 7.04×108 7 α +4 β 207Pb 4n+3
232Th 100 140×108 6 α +4 β 208Pb
• 1898，卢瑟福(Rutherford)，三种射线，α，β，γ， 氦核、电子、电磁辐射。
放射性速率
• 1900，索迪（Soddy）和卢瑟福，钍的化合 物研究，放射性元素的原子自发蜕变形成另 外的元素的原子，辐射的强度和所在的放射 性原子的数目成正比，与体系T、P等物理化 学条件无关。 －dN/dt=λN
能性最大；但其它层上的电子也可以被捕获。
4．同量异位素的分支衰变
• 马陶克的同量异位素定律，两个相邻的同量异 位素不能都是稳定的。这就意味着，两个稳定 的同量异位素必须被一个放射性同量异位素隔 开，后者通过分支衰变形成两个稳定的同量异 位素子核。
• 4018Ar、4019K、4020Ca，4019K→4018Ar+4020Ca。
同位素地质年代学基础知识
Geochronology
• Geochronology makes use of the constancy of the rate of radioactive decay. Since a radioactive nuclide decays to its daughter at a rate independent of everything, we can determine a time simply by determining how much of the nuclide has decayed.