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量和電荷的核心。現(xiàn)在已經弄清楚，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)．原子核的質量同原子的質量相差極小。第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一原子的質量應包括原子核的質量和核外各電子的質量。在原子核物理中通常使用另一個叫做“原子質量單位”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)的靜止質量的1/12作為1“原子質量單位”，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量以“原子質量單位”計算時都接近于一整數(shù)，這整數(shù)稱為原子核的質量數(shù)，或稱核子數(shù)，以A表示。電荷數(shù)Z和質量數(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個質子和A-Z個中子所構成。對于輕核，質子數(shù)和中子數(shù)近乎相等，對于重核，中子數(shù)約為質子數(shù)的1．5倍。這是由核子之間作用力的性質所決定的。例如氦42He核中有兩個質子和兩個中子；鐵5626Fe核中有26個質子和30個中子；鈾23892U核中有92個質子和146個中子等。中子在原子核中是構成核的穩(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，星期一核力質子與質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子與質子，質子與中子，中子與中子緊緊地束縛在一起呢?經研究發(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：

(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，核力才顯示出來。第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一結合能原子核既然是由核子組成的，它的質量就應等于全部核子質量之和。設以mx、mp、mn分別表示原子核AZX、質子和中子的質量，于是應該有：

Mx=Zmp+(A-Z)mn但實驗測定的原子核質量mx總是小于上式所給出的量值，這一差額稱為原子核質量虧損。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合能，常用EB來表示．反之，要使原子核再分解為單個的質子和中子就必須給予和結合能等值的能量。例如氘的結合能為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的原子核相互作用而在大氣圈、水圈和巖石圈中產生的放射性同位素，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，后來產物的數(shù)量分別為x1，x2，…，xn，xn是最后穩(wěn)定產物的數(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物外，其他產物

的壽命均較母元素短得多

第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一除最后產物xn外，其他產物之間的比值以及它們與母元素的比值皆為常數(shù)。可得初始時間為：

因此分析礦物巖石中的母元素與最后產物的數(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表示單位時間內母核的衰變比率。從統(tǒng)計意義上看，λ表示單位時間內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。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，星期一放射性物質發(fā)現(xiàn)以前…….在放射性物質發(fā)現(xiàn)以前，地質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。地質學家根據(jù)地球上發(fā)生過的重大地質事件或構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，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，若單位時間內由母核衰變而來的子核數(shù)目，與同一時間內子核衰變掉的數(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實現(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晶出來的時刻，并假設此時最后產物等于零。但若與結晶同時，礦物中已含有一定數(shù)量的最后產物，這樣將使得問題復雜化。另一方面，如果礦物后來經過變質作用，以前所含的最后產物可能