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1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一一、幾個概念

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2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一原子的質(zhì)量應包括原子核的質(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表示．根據(jù)計算

1u＝1.660566X1.0-27kg第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一同位素原子的質(zhì)量以“原子質(zhì)量單位”計算時都接近于一整數(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是標志原子核特征的兩個重要物理量，常用AZX(或AX)來標記某原子核，其中X代表與Z相應的化學元素符號。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4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一中子原子核X是由Z個質(zhì)子和A-Z個中子所構(gòu)成。對于輕核，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)近乎相等，對于重核，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核中有兩個質(zhì)子和兩個中子；鐵5626Fe核中有26個質(zhì)子和30個中子；鈾23892U核中有92個質(zhì)子和146個中子等。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，一個自由的中子的平均壽命約15min，它將衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子和一個反中微子，因此自由中子是有放射性的。第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一核力質(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，因為它比電磁力還小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)，這是一種強相互作用力，稱為核力。實驗說明核力具有下列重要的性質(zhì)：

(1)核力比電磁力強100多倍，是強相互作用力；

(2)核力是短程力．只有當核子之間的距離為2個fm（1fm＝10-15m）之內(nèi)，核力才顯示出來。第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)合能原子核既然是由核子組成的，它的質(zhì)量就應等于全部核子質(zhì)量之和。設以mx、mp、mn分別表示原子核AZX、質(zhì)子和中子的質(zhì)量，于是應該有：

Mx=Zmp+(A-Z)mn但實驗測定的原子核質(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7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一相對論指出，當系統(tǒng)有質(zhì)量改變時一定也有相應的能量改變，關系為⊿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。實驗證實，當γ射線光子具有的能量達到2.23MeV時，就能將氘核分解為自由的中子和自由的質(zhì)子。第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一原子核的放射性衰變在人們發(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，它們會自發(fā)地蛻變，變?yōu)榱硪环N同位素，同時放出各種射線．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，這是人類認識原子核的開始．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，并為應用放射性開辟了廣闊的途徑.第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一放射性衰變原子核的放射性衰變模式主要是α衰變、β衰變和γ衰變(γ躍遷)。(1)α衰變α衰變是原子核自發(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)應減少4。第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一(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，實驗指出：“只有假定在β衰變過程中，伴隨每一個電子有一個中性粒子(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，在實驗中就極難測量，直到1956年才首次在實驗中找到。第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一(3)γ衰變當原子核發(fā)生α、β衰變時，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，同時放出γ光子。第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一二、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對天然放射場作出可觀的貢獻。

(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輻射與三個放射系列和鉀的放射性衰變有關。

第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一放射性元素衰變的基本關系實驗證明，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。假設平衡時母元素的數(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。它們之間有如下關系：

第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一λ為衰變常數(shù)，它可自實驗中求得。初始時t＝0，假設u＝uo，x1=x2=…xn=0，上式的解答為：

第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一如果除了最后產(chǎn)物外，其他產(chǎn)物

的壽命均較母元素短得多

第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一除最后產(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，便能計算礦物巖石的年齡。第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一物理意義：從物理意義上看，λ表示單位時間內(nèi)母核的衰變比率。從統(tǒng)計意義上看，λ表示單位時間內(nèi)一個母核的衰變概率。從數(shù)學式子亦可看出，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?，衰變常?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——個重要參量：第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

2．衰變“時間”與壽命

(1)半衰期。令T1／2為半衰期，按定義第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一壽命時間(Tsh)為母核衰變?yōu)樵瓉淼?/e所用的時間。顯然Tme＝1/λ。滅絕時間(Tme)為母核衰變?yōu)樵瓉淼?/1024所用的時間，表示母核已接近“滅絕”，故稱為滅絕時間。顯然Tme＝6.932/λ。這時，u/u0=10-3第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一放射性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)以前…….在放射性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)以前，地質(zhì)學家和古生物學家便發(fā)明了確定地層相對年齡的方法，其中最重要的是依據(jù)巖石的相對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期的沉積巖層中，故給相應的巖層打下了時間的烙印，并稱這種化石為標準化石。古生物學家和地質(zhì)學家依據(jù)地層里所含的古生物化石，不但可以判斷地層的相對年齡，而且還可以推斷地層沉積時的自然環(huán)境。地質(zhì)學家根據(jù)地球上發(fā)生過的重大地質(zhì)事件或構(gòu)造運動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代。生物進化是個緩慢的過程，所以這樣確定的相對年齡是很粗略的，不過對于解釋宏觀的地質(zhì)現(xiàn)象，卻給予了一個概略的依據(jù)。

第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一利用放射性元素的衰變確定地球的年齡要測定遠古的時間，首先必須選擇一個適當?shù)挠嫊r標準，或者說，選擇一個適當?shù)摹皶r鐘”。這個“時鐘”要在漫長的地質(zhì)歲月中保持恒定的運行規(guī)律而且不受地點和環(huán)境的影響。放射性元素就是這樣一種“時鐘”。它們的衰變率不隨普遍的物理、化學條件而變化，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間，它們是量程最廣的“時鐘”。利用放射性元素的衰變，可以測定巖石和礦物的形成時間和各地質(zhì)時期的絕對年齡。

第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一計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)，稱為一個放射系列，或稱為一個衰變系列。第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一在系列衰變過程中，若單位時間內(nèi)由母核衰變而來的子核數(shù)目，與同一時間內(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，稱為放射性平衡，這種狀態(tài)是一種動態(tài)平衡(“動態(tài)”是因為衰變并沒有停止；“平衡”是因為子核數(shù)目接近不變)。當放射系列達到平衡時，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時刻的母核數(shù)目u與子核數(shù)目Xu的關系Xu＝u（eλt－1）對于放射系列，Xu代表t時刻最后一代穩(wěn)定性核子數(shù)目。第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一求取年齡的難點(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；其實不然，理由是：(1)首先需要自實驗室準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)測量得很準確，但是銣的λ值還有些問題。

(2)定量分析不同的化學元素可以應用化學方法，但是它要求的準確度十分高(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28頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

(3)計算礦物的年齡一般系指礦物自熔巖結(jié)晶出來的時刻，并假設此時最后產(chǎn)物等于零。但若與結(jié)晶同時，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)物可能