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1、核地球物理,教师信息： 地球物理与信息技术学院 王南萍 Tel: 82321833 E-mail: ,核?,核地球物理,目的 通过本课程的学习，使学生了解核辐射探测及核地球物理的基础理论，掌握放射性测量的基本方法及常用仪器的使用，培养学生应用核地球物理方法技术解决矿产资源勘查、电离辐射环境监测与评价、以及地学相关实际问题的能力。,学时安排 讲授：32 实验：16（每个班分成两组） 时间11-17周周五及周日 考试方式 闭卷,教材,核辐射场与放射性勘查 程业勋等编 地质出版社，2005 （有不少印刷错误，请谅）,参考教材,1.核技术勘查吴慧山主编 1998 2.放射性方法勘查章晔等编 1990
2、3.氡及其子体测量吴慧山等 1995 4.核方法原理及应用周蓉生 1994,期刊杂志,5. Applied Radiation and Isotopes 6. Journal of Environmental Radiation 7.J.G.R Journal of Geophysics Review 8.Environmental International 9.Journal of Nuclear Science and Technology (JNST),期刊杂志,10. 核技术 11. 辐射防护 12. 物探与化探 13. 成都理工大学学报 14.www.eml.doe.gov 15.
3、www.E(出版社）,为何要开设核地球物理？,应用,寻找铀资源 放射性污染监测,教学方法 原理仪器野外方法 室内资料处理成图,何为地球物理？,地球物理是应用物理的原理研究地球的科学。,绪 论,方法简介 介质物性差异地球物理方法 密度重力勘探 磁性磁法勘探 电性电法与电磁法 弹性波速地震勘探 放射性放射性勘探 地球物理测井,异同点？,经典,近代,课堂讨论题,核地球物理方法与其他 地球物理方法有什么不同？,方法特点,是一种地球物理场 可在现场直接测定元素的含量，与其他地球物理方法明显不同,如何能测定元素含量？,基础理论和关键技术,核物理与地球化学理论 核辐射探测技术,核地球物理方法，简称核物探，是
4、应用原子核物理学、地质学、地球化学等学科的基础理论，通过核辐射探测的方法技术来研究地球介质中天然和人工的核辐射场及放射性核素活度的分布和变化规律，从而达到矿产资源勘查及解决地学、环境相关问题的一组方法。,绪论,方法发展简史 方法分类 方法的应用,发展简史（仪器）,20年代：电离室 30年代：GM计数管 40年代： 50年代：闪烁探测器 70年代：半导体 Ge(Li) 80年代 90年代以来：半导体 Ge，Si,发展简史（应用）,30年代：寻找油气 40年代：寻找放射性矿产 50年代：中国开始寻找铀矿 70年代：累积方法出现 80年代：寻找油气资源 90年代：环境辐射评价 21世纪初：大力发展铀
5、资源勘查,方法分类,按空间位置分类 1.航空放射性测量 2.地面放射性测量 伽马能谱测量 氡及其子体测量 3.井中（核测井） 4.海洋（水下）放射性测量,方法分类,按方法分类 1.天然放射性方法 伽马测量 氡及其子体测量 2.人工放射性方法 X荧光方法 中子方法,应用领域,1.基础地质研究及地球化学研究 （地质填图） 2.寻找矿产资源 铀、钍、油气、煤、金、稀土、 钾盐 3.在水文地质中的应用 寻找冷热水资源,应用领域,4.在工程中的应用 测定湿度和密度 5.核测井 伽马、密度、中子 6.在环境科学中的应用 天然辐射评价、核应急、核事 故监测,第一章 核地球物理理论基础,1. 核衰变及放射性核
6、素 2.天然放射性系列 3. 放射性核素的衰变与积累规律 4. 放射性平衡 5. 放射性测量单位与标准源,1.核衰变及放射性核素,放射性 同位素 核衰变（4种）,原子与原子核(电、质量、尺寸),原子：原子核与电子等组成，显中性 原子核：由中子与质子组成，质量几乎都 集中在原子核，密度大约是 1014克cm3 原子核的半径：不到原子本身半径的 110000 原子质量：若以克为单位，则等于它的原子量除以阿伏伽德罗常数（6.02 1023 ),质子数:P 中子数:N 原子序数:Z Z=P 原子质量数:A=Z+N,核素 具有一定数目的中子及质子以及特定能态的一种原子或原子核称为核素,核素泛指各种元素的
7、各种原子,包括Z相同A不同的原子,Z不同A相同的原子,Z、A皆不同的原子，以及Z、A相同核能态不同的原子。,同位素表示方法,A质量数，等于中子和质子的总和； Z原子序数。,同质异能素表示方法,处于较长寿命激发态的核素称为同质异能素。,113mIn和 113In,同位素和同位素丰度,某元素中同位素天然含量的原子百分比称为同位素丰度 234U、 235U、 238U分别为 0.0055%, 0.7200%和99.2745%,稳定同位素和放射性同位素 天然放射性核素 人工放射性核素 是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素，而是在反应堆、加速器或用粒子轰击靶物质生成，如 131I，137Cs, 60
8、Co,有哪些衰变类型,衰变 衰变 衰变 K电子俘获,放射性衰变的一般表达式,母核 子核 发射射线 能量差,放射性衰变的基本类型,主要有三种基本类型： 衰变 衰变 衰变,母核 子核 发射射线 衰变能量 226Ra 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) ( 2,4),衰变能在反冲核与 粒子间按动量能量守恒分配 原子核变化发射的载能的亚原子粒子 放射性粒子。,1）衰变,2）-衰变 母核 子核 -射线 衰变能量 14 C 14N + 0e + (Z,A) ( 6,14 ) ( 7,14 ) ( -1,0
9、) ( 0,0 ) 负电子 反中微子,发生-衰变的原因 ：原子核中中子数太多,14 C原子核中的中子发生 -衰变，产生一个质子， 一个负电子和一个反中微子 中子-衰变： n p + e- +,p,n,3） 衰变,137 Cs 137 Ba* （激发态） 母核 -衰变 衰变 137 Ba + 射线（661.7 keV） 子核（基态） （0.0）,光子是什麽？ 射线就是高能量的光子 ：几百keV-MeV 量级 衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃 迁 ，在这个过程中发射 射线，原子核能态降低。 射线是高能量的电磁辐射 光子,衰变 粒子实际上就是氦核，带二个质子，二个中子，二个单位正电荷.
10、,放射性核素的原子核中有一个中子转变成一个质子，并放出粒子的过程。 -衰变粒子实际上就是电子流。,电子俘获,40K,40Ar,40Ca,1.46 MeV (11%),1.32 MeV (89%),第一章 核地球物理理论基础,核衰变及放射性核素 天然放射性系列 放射性核素的衰变与积累规律 放射性平衡 放射性测量单位与标准源,自然界已发现的稳定同位素：100多个 已发现的放射性同位素：2300多个,天然放射性系列,三个天然放射性系列 天然放射性系列特征 射线能量谱,要求总结特征： 衰变类型、半衰期、射线能量、稳定同位素、质量数,放射性衰变系列,238铀系(4n+2)（掌握） 232Th钍系(4n)
11、 （掌握） 235锕铀系(4n+3)（了解） 237Np镎系(4n+1)（p.3)（了解）,天然放射性系列的特征,起始母元素寿命很长，大于地球形成的年龄； 最后一个稳定同位素都是铅的同位素； 都有一个气态元素氡的同位素； 质量数变化有一定规律； 有若干个衰变子体,氡的子体是强,辐射体,238与235,共生 丰度 235仅占铀的0.7% 238：234：235：1/1700 ：1/140 铀235是重要的核燃料,圈定重要核素：U系 238U, UX1 (Th-234), 226Ra 222Rn 218Po 214Pb 214Bi,Th系重要核素,232Th 228Ac 220Rn 212Pb 2
12、08Tl,天然放射性系列的射线谱,特征谱线 理论谱和仪器谱,阅读3张表 谱， 谱和谱 讲解表头：强度，份额，多能量粒子 RaC，重要的辐射体,谱,半衰期短的放射性核素放出的射线能量大。,谱,粒子的能量形成连续谱，用最大能量表示。,谱,课堂练习 依据表1-1-4 - 表1-1-5 做出理论谱图 总结特征,不成系列的天然核素,40K 半衰期： a 衰变类型：K电子俘获 射线：-1.31 MeV -1.46 MeV,不成系列的天然核素,人工放射性核素,137Cs 60Co 241Am 152Eu,人工放射性核素,中子源 Am-Be 252Cf,第一章 核地球物理理论基础,核衰变及放射性核素 天然放射
13、性系列 放射性核素的衰变与积累规律 放射性平衡 放射性测量单位与标准源,放射性核素的衰变和积累规律,放射性衰变 放射性核素自发地发生核跃迁，转变为另一种核素的过程。 衰变规律 服从指数衰变规律。,放射性原子核个数随时间减少,-衰变常数，s-1,表示单位时间内某种放射性 原子核发生衰变的几率,衰变常数和半衰期,衰变常数 放射性核素在单位时间内发生核跃迁的几率，s-1。 半衰期 T1/2 给定的同位素衰半到它的初始值的一半所需要的时间,衰变曲线,时间（半衰期）,时间（半衰期）,放射性衰变曲线 N=N0e-t,N/N0(%),N/N0(%),放射性核素经过10个半衰期，就认为衰变完了。,放射性活度及
14、其单位,活度,在给定的时刻，某一特定能态的一定量的放射性核素的活度A是dN除以dt所得的商，其中dN是在时间间隔dt 内由该能态上发生自发核跃迁数的期望值。 活度单位名称为贝可(勒尔)，表示为Bq，表示每秒核转变数(或衰变数)，称)(Bq)。1 Bq表示放射性核素的核每秒衰变一次。,放射性活度及其单位,放射性活度 (Becquerel 贝可勒尔) ： （专用单位 SI）放射性核素的核每秒衰变一次。 符号 Bq, 量纲：s-1,活度单位-居里,i 1Ci=3.71010 Bq,比活度,单位质量物质中放射性核素的活度 Bq/g Bq/kg,多个核素的递次衰变规律,掌握：2个相继核素的衰变 Ra-R
15、n等 了解：多个核素,课堂讨论Rn的衰变与积累,例：Rn从液体镭源的积累P.15 Rn引入密闭容器中Rn及Rn子体的衰变与积累,第一章 核地球物理理论基础,核衰变及放射性核素 天然放射性系列 放射性核素的衰变与积累规律 放射性平衡 放射性测量单位与标准源,放射性平衡,长期平衡 暂时平衡,放射性平衡,长期平衡 子核与母核的衰变率（活度）相等 短期（动）平衡 子核与母核的活度比值不变,讲图P.15 图1-2-2 讲图P.16 图1-2-3 讲图P.16 图1-2-4,放射性平衡,系列平衡（定量计算理论基础） t大于子体半衰期最长的10倍以后,铀和钍系达到放射性平衡的时间,铀镭平衡系数,定义 岩（矿
16、）石中铀镭质量之比与平衡状态时铀镭质量之比称为铀镭平衡系数。 公式：P.17,铀镭平衡系数的意义,铀镭平衡 k=1 偏铀：k1,放射性衰变规律的应用,放射源活度的计算与修正 区分不同的同位素 短寿命核素发生器“母牛”,一个铯源，1987年10月其活度是6.41*107 Bq, 求该源今天的活度。,衰变公式的应用,例：设有3 5mg，求其放射性活度和放射性比活度,母牛,99Mo- 99mTc-99Tc 99Mo- ( T1/2 =66.h ) 99mTc ( T1/2 =6.02h ) 将得到的99Mo钼酸铵溶液，然后装入酸性AlO吸附柱上， 99mTc很容易淋洗下来 用途：核医学示踪,问题： 活度相同的两个放射源，它们在每秒种发生的核衰变是否相同？它们放出的射线数目是否相同？它们的原子核数是
