地球的核輻射場與放射性勘探

地球的核輻射場與放射性勘探第一頁，共三十頁，2022年，8月28日一、幾個(gè)概念

原子核在原子世界中，淹沒在電子云中的原子核是一個(gè)具有質(zhì)量和電荷的核心?，F(xiàn)在已經(jīng)弄清楚，半徑僅為原子半徑萬分之一的原子核，集中著99％以上的原子質(zhì)量和全部正電。原子核帶有正電荷，其電量g等于電子電量的絕對(duì)值e的整數(shù)倍，亦即g＝Ze。這里，整數(shù)Z稱為這元素原子核的電荷數(shù)，也就是這化學(xué)元素的原子序數(shù)．原子核的質(zhì)量同原子的質(zhì)量相差極小。第二頁，共三十頁，2022年，8月28日原子的質(zhì)量應(yīng)包括原子核的質(zhì)量和核外各電子的質(zhì)量。在原子核物理中通常使用另一個(gè)叫做“原子質(zhì)量單位”的單位。按現(xiàn)在的規(guī)定，取碳的最豐富的同位素126C原子處于基態(tài)的靜止質(zhì)量的1/12作為1“原子質(zhì)量單位”，以u(píng)表示．根據(jù)計(jì)算

1u＝1.660566X1.0-27kg第三頁，共三十頁，2022年，8月28日同位素原子的質(zhì)量以“原子質(zhì)量單位”計(jì)算時(shí)都接近于一整數(shù)，這整數(shù)稱為原子核的質(zhì)量數(shù)，或稱核子數(shù)，以A表示。電荷數(shù)Z和質(zhì)量數(shù)A是標(biāo)志原子核特征的兩個(gè)重要物理量，常用AZX(或AX)來標(biāo)記某原子核，其中X代表與Z相應(yīng)的化學(xué)元素符號(hào)。Z和A都相同的原子核稱為某種核素，Z相同而A不相同的原子核稱為同位素。例如氫有三種同位素，即11H、21H(或21D)和31H(或31T)，分別稱為氫核、氘核(又稱重氫)和氚核。第四頁，共三十頁，2022年，8月28日中子原子核X是由Z個(gè)質(zhì)子和A-Z個(gè)中子所構(gòu)成。對(duì)于輕核，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)近乎相等，對(duì)于重核，中子數(shù)約為質(zhì)子數(shù)的1．5倍。這是由核子之間作用力的性質(zhì)所決定的。例如氦42He核中有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子；鐵5626Fe核中有26個(gè)質(zhì)子和30個(gè)中子；鈾23892U核中有92個(gè)質(zhì)子和146個(gè)中子等。中子在原子核中是構(gòu)成核的穩(wěn)定粒子，但在核外并不穩(wěn)定，一個(gè)自由的中子的平均壽命約15min，它將衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，因此自由中子是有放射性的。第五頁，共三十頁，2022年，8月28日核力質(zhì)子與質(zhì)子之間有著很大的斥力，中子又不帶電，不可能是電性力使質(zhì)子、中子聚集成原子核，也不可能是萬有引力，因?yàn)樗入姶帕€小1039倍。那么，是一種什么力能夠使質(zhì)子與質(zhì)子，質(zhì)子與中子，中子與中子緊緊地束縛在一起呢?經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這是一種強(qiáng)相互作用力，稱為核力。實(shí)驗(yàn)說明核力具有下列重要的性質(zhì)：

(1)核力比電磁力強(qiáng)100多倍，是強(qiáng)相互作用力；

(2)核力是短程力．只有當(dāng)核子之間的距離為2個(gè)fm（1fm＝10-15m）之內(nèi)，核力才顯示出來。第六頁，共三十頁，2022年，8月28日結(jié)合能原子核既然是由核子組成的，它的質(zhì)量就應(yīng)等于全部核子質(zhì)量之和。設(shè)以mx、mp、mn分別表示原子核AZX、質(zhì)子和中子的質(zhì)量，于是應(yīng)該有：

Mx=Zmp+(A-Z)mn但實(shí)驗(yàn)測定的原子核質(zhì)量mx總是小于上式所給出的量值，這一差額稱為原子核質(zhì)量虧損。第七頁，共三十頁，2022年，8月28日相對(duì)論指出，當(dāng)系統(tǒng)有質(zhì)量改變時(shí)一定也有相應(yīng)的能量改變，關(guān)系為⊿E=(⊿m)c2。由此可知，質(zhì)子和中子組成核的過程中必有大量的能量放出，這能量稱為原子核的結(jié)合能，常用EB來表示．反之，要使原子核再分解為單個(gè)的質(zhì)子和中子就必須給予和結(jié)合能等值的能量。例如氘的結(jié)合能為2.23MeV。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)γ射線光子具有的能量達(dá)到2.23MeV時(shí)，就能將氘核分解為自由的中子和自由的質(zhì)子。第八頁，共三十頁，2022年，8月28日原子核的放射性衰變?cè)谌藗儼l(fā)現(xiàn)的2000多種同位素中，絕大多數(shù)(約1600多種)都是不穩(wěn)定的，它們會(huì)自發(fā)地蛻變，變?yōu)榱硪环N同位素，同時(shí)放出各種射線．這樣的現(xiàn)象稱為放射性衰變。1896年貝克勒耳(H．Bacquerel)首先發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性現(xiàn)象，隨后于1898年居里夫婦(P.&M.Curie)又發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳，這是人類認(rèn)識(shí)原子核的開始．19-34年約里奧·居里夫婦(F．&I．Joliot—Curie)發(fā)現(xiàn)人工放射性，從而開始人工制備放射性元素，并為應(yīng)用放射性開辟了廣闊的途徑.第九頁，共三十頁，2022年，8月28日放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ兡Ｊ街饕铅了プ?、β衰變和γ衰?γ躍遷)。(1)α衰變?chǔ)了プ兪窃雍俗园l(fā)放射出α粒子，即氦核42He。例如22688Ra(鐳)核的α衰變過程如下：22688Ra22286Rn+42He22286Rn（氡

）核的α衰變過程如下：22286Rn21884Po+42Heα衰變使母核失去2個(gè)與電子電荷量相等的正電荷，因此衰變后原子序數(shù)減少2，而子核在周期表上的位置將向前移2位，質(zhì)量數(shù)應(yīng)減少4。第十頁，共三十頁，2022年，8月28日(2)β衰變：β衰變是核電荷改變而核子數(shù)不變的核衰變。它主要包括β-衰變、β+衰變和電子俘獲。

β-衰變是原子核放出高速電子，實(shí)驗(yàn)指出：“只有假定在β衰變過程中，伴隨每一個(gè)電子有一個(gè)中性粒子(稱之為中微子)一起被發(fā)射出來，使中微子和電子的能量之和為常數(shù)，才能解決連續(xù)β譜”．由于中微子既不帶電，質(zhì)量又近為零，在實(shí)驗(yàn)中就極難測量，直到1956年才首次在實(shí)驗(yàn)中找到。第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日(3)γ衰變當(dāng)原子核發(fā)生α、β衰變時(shí)，往往衰變到子核的激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的，它要向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷，同時(shí)放出γ光子。第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日二、天然放射場地球近地表環(huán)境的天然放射場主要是由巖石圈、水圈和大氣圈的各種天然放射性同位素引起的。按其形成和積累的條件，天然放射性元素可以分為四類。

(1)長壽命放射性重元素，是在地球發(fā)育的初期形成的，即三個(gè)放射性系列的母元素23892U、23592U和23290Th。

(2)短壽命放射性元素，是23892U、23592U和23290Th的子產(chǎn)物，其中對(duì)研究天然放射場最有意義的是Ra和Rn。

(3)長壽命不成系列的放射性同位素，如4019K、8737Rb、14762Sm等，也是在地球發(fā)育的初期形成的，在這類元素中只有4019K對(duì)天然放射場作出可觀的貢獻(xiàn)。

(4)由于宇宙射線的粒子與地球物質(zhì)的原子核相互作用而在大氣圈、水圈和巖石圈中產(chǎn)生的放射性同位素，以輕元素和短壽命元素為主，如147C。地殼巖石的絕大部分α、β和γ輻射與三個(gè)放射系列和鉀的放射性衰變有關(guān)。

第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日放射性元素衰變的基本關(guān)系實(shí)驗(yàn)證明，放射性元素族中任何一種同位素，其衰變率和該同位素的數(shù)量成正比。假設(shè)平衡時(shí)母元素的數(shù)量為u，后來產(chǎn)物的數(shù)量分別為x1，x2，…，xn，xn是最后穩(wěn)定產(chǎn)物的數(shù)量。它們之間有如下關(guān)系：

第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日λ為衰變常數(shù)，它可自實(shí)驗(yàn)中求得。初始時(shí)t＝0，假設(shè)u＝uo，x1=x2=…xn=0，上式的解答為：

第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日如果除了最后產(chǎn)物外，其他產(chǎn)物

的壽命均較母元素短得多

第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日除最后產(chǎn)物xn外，其他產(chǎn)物之間的比值以及它們與母元素的比值皆為常數(shù)?？傻贸跏紩r(shí)間為：

因此分析礦物巖石中的母元素與最后產(chǎn)物的數(shù)量，便能計(jì)算礦物巖石的年齡。第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日物理意義：從物理意義上看，λ表示單位時(shí)間內(nèi)母核的衰變比率。從統(tǒng)計(jì)意義上看，λ表示單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)母核的衰變概率。從數(shù)學(xué)式子亦可看出，又為母核按指數(shù)減少的系數(shù)，或者為子核按指數(shù)增加的系數(shù)。母核衰變?yōu)樽雍说姆绞讲煌プ兂?shù)λ不同。因此，衰變常數(shù)λ的大小有效地反映了放射性元素的衰變性質(zhì)。衰變常數(shù)λ是——個(gè)重要參量：第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日

2．衰變“時(shí)間”與壽命

(1)半衰期。令T1／2為半衰期，按定義第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日壽命時(shí)間(Tsh)為母核衰變?yōu)樵瓉淼?/e所用的時(shí)間。顯然Tme＝1/λ。滅絕時(shí)間(Tme)為母核衰變?yōu)樵瓉淼?/1024所用的時(shí)間，表示母核已接近“滅絕”，故稱為滅絕時(shí)間。顯然Tme＝6.932/λ。這時(shí)，u/u0=10-3第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日放射性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)以前…….在放射性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)以前，地質(zhì)學(xué)家和古生物學(xué)家便發(fā)明了確定地層相對(duì)年齡的方法，其中最重要的是依據(jù)巖石的相對(duì)位置和植物化石來測定地層的年齡。由于古生物埋藏在同一時(shí)期的沉積巖層中，故給相應(yīng)的巖層打下了時(shí)間的烙印，并稱這種化石為標(biāo)準(zhǔn)化石。古生物學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家依據(jù)地層里所含的古生物化石，不但可以判斷地層的相對(duì)年齡，而且還可以推斷地層沉積時(shí)的自然環(huán)境。地質(zhì)學(xué)家根據(jù)地球上發(fā)生過的重大地質(zhì)事件或構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地層中所含的古生物化石，將地球的形成和演化歷史分成了若干時(shí)代。生物進(jìn)化是個(gè)緩慢的過程，所以這樣確定的相對(duì)年齡是很粗略的，不過對(duì)于解釋宏觀的地質(zhì)現(xiàn)象，卻給予了一個(gè)概略的依據(jù)。

第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日利用放射性元素的衰變確定地球的年齡要測定遠(yuǎn)古的時(shí)間，首先必須選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)挠?jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，或者說，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)摹皶r(shí)鐘”。這個(gè)“時(shí)鐘”要在漫長的地質(zhì)歲月中保持恒定的運(yùn)行規(guī)律而且不受地點(diǎn)和環(huán)境的影響。放射性元素就是這樣一種“時(shí)鐘”。它們的衰變率不隨普遍的物理、化學(xué)條件而變化，只決定于原子核的特性，可以用來測定由幾百年以至幾十億年的時(shí)間，它們是量程最廣的“時(shí)鐘”。利用放射性元素的衰變，可以測定巖石和礦物的形成時(shí)間和各地質(zhì)時(shí)期的絕對(duì)年齡。

第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日計(jì)算放射性年齡公式在自然界中，一般情況下，新生成的子核，還會(huì)繼續(xù)衰變，直到最后生成某種穩(wěn)定性的元素為止。例如，238U衰變?yōu)?34Th，還會(huì)繼續(xù)衰變，直到最后生成沒有放射性的206Pb。我們這一系列物質(zhì)，稱為一個(gè)放射系列，或稱為一個(gè)衰變系列。第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日在系列衰變過程中，若單位時(shí)間內(nèi)由母核衰變而來的子核數(shù)目，與同一時(shí)間內(nèi)子核衰變掉的數(shù)目接近相等，即子核的數(shù)目接近不變時(shí)，稱為放射性平衡，這種狀態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡(“動(dòng)態(tài)”是因?yàn)樗プ儾]有停止；“平衡”是因?yàn)樽雍藬?shù)目接近不變)。當(dāng)放射系列達(dá)到平衡時(shí)，雖是多代衰變，但和只有一代衰變的衰變規(guī)律具有同一形式，故可統(tǒng)一寫成t時(shí)刻的母核數(shù)目u與子核數(shù)目Xu的關(guān)系Xu＝u（eλt－1）對(duì)于放射系列，Xu代表t時(shí)刻最后一代穩(wěn)定性核子數(shù)目。第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日求取年齡的難點(diǎn)(曾融生，1984)利用以上公式求礦物的年齡看起來似乎并不困難；其實(shí)不然，理由是：(1)首先需要自實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確測定放射性同位素的衰變常數(shù)λ。鈾和釷的λ值已經(jīng)測量得很準(zhǔn)確，但是銣的λ值還有些問題。

(2)定量分析不同的化學(xué)元素可以應(yīng)用化學(xué)方法，但是它要求的準(zhǔn)確度十分高(10-11g的微量)。要定量分析不同同位素的數(shù)量，只能用質(zhì)譜儀。這些困難使得準(zhǔn)確測定巖石年齡的工作推遲到近些年來才能夠?qū)崿F(xiàn)。第二十八頁，共三十頁，2022年，8月28日

(3)計(jì)算礦物的年齡一般系指礦物自熔巖結(jié)晶出來的時(shí)刻，并假設(shè)此時(shí)最后產(chǎn)物等于零。但若與結(jié)晶同時(shí)，礦物中已含有一定數(shù)量的最后產(chǎn)物，這樣將使得問題復(fù)雜化。另一方面，如果礦物后來經(jīng)過變質(zhì)作用，以前所含的最后產(chǎn)物