放射性同位素及其衰变

2.1基本概念
放射性：一些元素的原子核能够自发的发射出射 线或粒子，而转变成另一种元素的原子核，并 同时伴随释放出一定的能量的特性。
放射性同位素：能自发的从原子核中发射出射线 或粒子，同时释放一定的能量的同位素。
放射性衰变：放射性同位素射出各种射线而发生 核转变的过程。
母体(同位素)：衰变前 (发生放射性衰变) 的放射性同位素。
平均寿命: 放射性母体同位素在衰变前所存在的平均时间。
记作τ。
半衰期是放射性同位素衰变的一个主要特征常数，它不随外 界条件、元素状态或质量变化而变。 半衰期的长短差别很大，千万分之一秒～数百亿年。 半衰期愈短的同位素，放射性愈强。
还有数目众多的痕量天然放射性同位素。
元素周期表
半衰期的测定方法
1.3 γ衰变
γ射线是从原子核内部ห้องสมุดไป่ตู้出的一种电磁辐 射，常伴随α或β射线产生。
γ衰变的母体和子体是同种同位素，只是 原子核内部能量状态不同而已。γ衰变亦 可称为同质异能跃迁。
1.4 K层电子捕获
原子核从距离其最近的核外K层电子轨道上捕 获一轨道电子，与质子结合，构成中子同时释 放出中微子，这一过程称K层轨道电子捕获。
自然界中Z≤82的大多数天然放射性同位素均 能β－衰变。
40 19
K
2400Ca
Q
87 37
Rb 3887
Sr
Q
138 57
La
15388Ce
Q
176 71
Lu
17726
Hf
Q
187 85
Re
18867
Os
Q
β－射线由各种不同能量的β－粒子组成，性质 和阴极射线相似，放射能量较小，测定它的半 衰期比较困难，特别是对于半衰期很长的放射 性同位素更难。
安 排
4
钐-钕法定年和钕同位素地球化学
5 钾-氩法定年和稀有气体同位素地球化学
6 铀-钍-铅法定年和铀钍同位素地球化学
7 Re-Os, 14C等其它同位素衰变计时法
课 9 稳定同位素地球化学理论基础
程 10 轻稳定同位素性质概述
内 容
11 岩浆岩和变质岩中的稳定同位素 12 热液成矿作用中的稳定同位素
一般来说，岩石或者矿物形成后，由其中母体同位 素衰变产生的子体同位素称作放射成因子体，如放 射成因Sr，放射成因Nd。
单衰变：放射性母体经过一次衰变就转变成一种稳定子
体的过程。如：
87 37
Rb 3887
Sr
Q
连续衰变：放射性母体（尤其是一些重同位素）可经历若干 次衰变，每次衰变所形成的中间子体都是不稳定的，本身又 会发生衰变，一直持续到产生稳定的最终子体为止的过程。
当放射性同位素发生K层电子捕获衰变，原子 序数减1，质量数不变，也形成同质异位素。
A Z
X
K ZA1Y
Q
40 19
K
K 1480
Ar
Q
138 57
LaK 15368
Ba
Q
1.5 核裂变
原子核裂变：重核分裂成两个或几个中等质量的碎片， 同时发射出中子和能量的过程。
自发裂变：是在没有外来粒子轰击的情形下自行发 生的核裂变，它同样可用半衰期来衡量裂变发生的 难易程度。
Q为衰变能
对于天然放射性同位素而言，只有质量数A 大于140的重原子核才能产生α衰变，特别是
原子序数Z≥83和质量数A≥209的放射性同位素， 都以α衰变为主。
U 238
92
23940Th
Q
U 235
92
29301Th
Q
210 84
Pb
20862Th
Q
147 62
Sm
14630Th
Q
α衰变的半衰期与所放射的α粒子的能量密 切有关，放射的α粒子能量越大，半衰期 越短。
衰变系列：由一个放射性母体、若干个放射性中间 子体和一个最终稳定子体所组成的衰变链。
8次a衰变 6次β－衰变
衰 变 系 列
分支衰变：少数放射性同位素可以有两种或多种 衰变方式，形成不同的子体。
40 19
K
2400Ca
Q
40 19
K
K 1480
Ar
Q
半衰期：在放射性衰变过程中，放射性母体同位 素的原子数衰减到原有数目的一半所需要的时 间。记作T1/2。
1.2 β衰变
β衰变：原子核放出β粒子的衰变。β粒子有正、 负电子之分，放出正电子的称β+衰变，放出负 电子的为β－衰变。
β－衰变：由原子核内的一个中子转变成一个质 子，同时发射出一个β负电子。表达式：
A Z
X
ZA1Y
Q
母体同位素和子体同位素的质量数不变，形成了 质量数相同而原子序数不同的同质异位素。
如：238U、235U、232Th、40K、87Rb、 147Sm、187Re、138La、176Lu等。
子体(同位素)：衰变过程中产生的新同位 素，也叫称为放射成因同位素。
如：206Pb、207Pb、208Pb、40Ar、87Sr、 143Nd、187Os、138Ce、176Hf等。
子体、母体是相对的
自然界的自发裂变仅见于铀和钍的同位素。 比较α衰变，铀和钍自发裂变的分支很小, 几乎可忽略.
诱发裂变：原子核在外来粒子轰击下发生的裂变。
用各种粒子(中子/质子/γ射线等)轰击铀和钍的同位素 都可导致诱发裂变。
1.衰变方式 2.放射性的有关概念 3.放射性衰变定律 4.同位素地质年龄测定的原理与分类 5.同位素地质年龄测定实验技术 6.同位素地质年龄样品送样要求
核物理方法：利用核物理仪器直接测定放射性 同位素的放射性强度随时间的减少量。
直接测量法
适用于半衰期短、放射性强(如a衰变)的同位素。
地球化学方法：通过测定已知年龄的矿物中母 体和子体含量，利用年龄公式获得；该已知年 龄是通过其他方法获得，且其测年方法母体的 半衰期已经经过精确测定。间接测量法
同位素地质学与年代学
地球科学与资源学院 矿床与勘探教研室
张静
zhangjing@
课程要求
考勤 考试-自由选题
书面报告 (report) 50％ 口头报告 (presentation) 50％
课 1 同位素地球化学概述
程 内
2
放射性同位素衰变及地质年龄测定原理 和技术
容 3 铷-锶法定年和锶同位素地球化学
安
排 13 矿床同位素地球化学
14 讨论，报告
第二讲
放射性衰变及地质年龄 测定原理和技术
1.衰变方式 2.放射性
α衰变 β－衰变 γ衰变 K层电子捕获 核裂变
3.放射性衰变定律 4.同位素地质年龄测定的原理与分类 5.同位素地质年龄测定实验技术 6.同位素地质年龄样品送样要求
1.1 α衰变
定义：不稳定的重原子核自发地放射出α粒子而 转变成另一种核的过程。