[理学]核物理基础student.ppt

核辐射测井物理基础 §2 原子核物理的基本知识 主要介绍一些原子核物理的基本概念，放射性和放射性射线，放射性衰变及衰变规律，伽马射线与物质的相互作用，物质吸收伽马射线的规律，中子与物质的相互作用。 原子核的质量几乎等于整个原子的质量； 质子带正电荷，中子近乎为中性粒子； 质子数（也称为原子序数Z）等于核外电子数； 质子数Z与中子数N之和称为质量数A； 原子核的电荷数 = 质子质子Z = 原子序数 = 原子核外电子数 。 原子的表示方法 原子质量单位：是以碳的同位素12C为标准确定的，即1个原子质量单位u为12C静止质量的1/12，也就是1u=mc/12=1.660566×10-27kg。 质子质量为：1.00758u。 中子质量为：1.00887u。 定义：具有特定原子序数（即质子数或核电荷数）、质量数（即核子数）和核能态，而且其平均寿命长到足以被观察到（一般长于10-10s）的一类原子。 另一种定义：具有一定数目的质子数和中子数，且处于同一能态的一类原子。 核素可以是稳定的，也可以是不稳定的。目前已经知道的核素大约有2700种，其中约300种是稳定的，其余是不稳定的，即放射性的。 定义：一种元素由几种质子数相同而中子数不同的核素组成，这几种核素就称为同位素。 分类：同位素分为放射性同位素和非放射性同位素。 放射性同位素按其来源有天然放射性同位素与人工放射性同位素之分。前者存在于自然界的矿石之中，例如232Th、235U、226Ra等。人工放射性同位素则是借助于核反应堆和带电粒子加速器等手段，采用人工方法制备的。如11C、32P等。 定义： 元素的丰度可以用列表法或作图法给出。在列表或作图时，通常都把硅(Si)的丰度值取为10，其他核素的丰度值按比例确定。作图时，通常取核素的质量数为横坐标，丰度值为纵坐标，用折线或曲线把图中的点连起来，所得的曲线称为元素的丰度曲线。它反映元素按质量数的分布规律 能态： 基态： 激发态： 放射性定义： 核素按有无放射性可分为： 放射性核素： 稳定核素： 放射性核素发射的射线有三种： α、β和γ射线。 α射线： 由高速运动的氦原子核（称为α粒子）组成的。它的穿透能力最低（在岩石中只有0.001cm），但电离作用最强。 原子核自发发射α粒子的转变，称为α衰变。发生α衰变，原子核原子序数Z减少2，质量数A减少4。 在核辐射测井中，利用α粒子与某些原子核的相互作用可制造中子源。 β射线： 是高速运动的电子流。它的穿透能力比α射线强(在金属中为0.09cm)，但电离作用比α粒子弱。 原子核自发发射β射线的转变，称为β衰变。发生β衰变后，原子核的原子序数改变一个单位，质量数不变。 在核辐射测井中，利用某些发射β射线的核素作为井间监测示踪剂。 γ射线： 是波长很短的电磁波。它的穿透能力最强，电离作用最弱。 原子核自发发射γ射线的转变，称为γ衰变。发生γ衰变后，原子核的原子序数和质量数均不变。 γ射线能穿透几十厘米的地层、水泥环、套管和下井仪器的外壳。这一特性使得它成为核辐射测井主要得探测对象。 1、定义：原子核自发的放出各种射线而转变为另一种核素的过程。 原子序数大于83(铋Bi)的所有天然存在的元素,它们的原子核都是不稳定的，都会发生衰变；原子序数小于83的天然元素也有一些不稳定，发生衰变。 这里有两个概念： 母核：衰变前的原子核。 子核：衰变后剩余的余核。 设及到三个主要过程即： α衰变、β衰变或γ衰变 2、α衰变表达式： 特点： α衰变主要发生于重核,绝大多数α衰变发生于A200的重核。但不等于A200都能发生α衰变。 3、β衰变表达式： 特点： 中子数过多发生βˉ衰变，质子数过多发生β+衰变。 β粒子的能量是连续能量，能谱连续分布。 几乎所有的放射性核素都存在β衰变 4、γ衰变 定义：原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时，放出?射线的衰变过程称为?衰变 . 原子核的退激，必然伴随有γ射线的放出， γ射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差。 X射线产生于原子内层电子的跃迁，它与γ 射线的差别在于能量和产生的方式不同而已。 放射性衰变过程是由核内扰动影响而发生的，与外界条件无关； 有些原子核衰变释放一种或二种射线，有些却同时释放三种射线； 原子核衰变规律与放出射线的种类无关，与外界环境无关。 如果我们用N(t)表示时刻t存在的原子核数，那么在时刻t到t+dt之间发生衰变的原子核数dN就应当和N(t)及dt成正比，即 对上式积分并令t=0时的原子数为N0，则有： 这就是原子核衰变的基本规律：原子核衰变遵循指数衰减规律。 原子核衰变的指数规律是原子核本身固有的性质，只和它的内部状态有关。外界因素如高温、高压、强磁场