1、核物理基础核物理基础v辐射、核辐射（辐射、核辐射（Radioactivity)v生活中的核辐射生活中的核辐射v核辐射测井概况核辐射测井概况v本课程内容及成绩构成本课程内容及成绩构成 绪论绪论o一、一、radioactivityv辐射大致可以分为非非电离辐射电离辐射及电离辐射电离辐射两类。v一般來說，非非电离辐射电离辐射(例如光线及无线电波)的能量较低，不足以改变物质的化学性质。v电离辐射电离辐射(例如粒子及粒子)有足够的能量使原子中的电子游离而产生带电离子。这个电离过程通常会引致生物组成产生化学变化，因而对生物构成伤害。v放射性物质以波或微粒形式发射出来叫核辐射，核辐射，也称电离辐射也称电离辐
2、射。1、天然电离辐射、天然电离辐射 人类自古以来受到的天然存在的各种电离辐射人类自古以来受到的天然存在的各种电离辐射源的照射。包括：源的照射。包括：宇宙射线宇宙射线宇生天然放射性核素宇生天然放射性核素原生天然放射性核素原生天然放射性核素二、生活中的核辐射二、生活中的核辐射宇宙射线：连接地球与宇宙的无形纽带宇宙射线：连接地球与宇宙的无形纽带v初级宇宙射线：初级宇宙射线：v 从宇宙空间进入地球大气层的高能粒子如质子，粒子和高能电子等，能谱宽，1-1014MeV；v次级宇宙射线：次级宇宙射线：v 初级宇宙射线与大气层中N、O等原子核作用产生，成分有电子、光子、质子、中子和介子等。v宇宙射线强度随海拔
3、高度、纬度有关宇宙射线强度随海拔高度、纬度有关。宇生放射性核素：宇生放射性核素：o宇生放射性核素：宇生放射性核素：宇宙射线与大气层中的原子核相互作用产生宇宙射线与大气层中的原子核相互作用产生的放射性核素。如的放射性核素。如 3 3H H、7 7BeBe、1414C C、2222NaNa、2424NaNa等等原生放射性核素：陆地存在的天然放射衰变系原生放射性核素：陆地存在的天然放射衰变系v钍系（钍系（4n4n系）：系）：v 232232ThTh：T T1/21/2 1.411.4110101010年；年；v 1010次连续衰变后至稳定核素次连续衰变后至稳定核素208208PbPbv铀系（铀系（4
4、n+24n+2系，铀镭系）：系，铀镭系）：v 238238U U：T T1/21/24.4684.46810109 9年；年；v 1414次联系衰变后至稳定核素次联系衰变后至稳定核素206206PbPbv锕系（锕系（4n+34n+3系，锕铀系）：系，锕铀系）：v 235235U U：T T1/21/2 7.0387.03810108 8年；年；v 1111次连续衰变后至稳定核素次连续衰变后至稳定核素207207PbPb我国部分地区土壤中我国部分地区土壤中232Th含量含量(Bqkg-1)Province Province SamplesSamples numbersnumbersAverage
5、Average (area weighted)(area weighted)RangeRange福建福建 14314396.396.3 51.8 51.819.5-260.019.5-260.0广西广西 36036069.169.1 34.6 34.615.5-270.215.5-270.2西藏西藏 20320369.069.0 28.8 28.820.0-248.020.0-248.0江西江西 27027067.567.5 41.0 41.010.2-199.510.2-199.5浙江浙江 17217262.662.6 19.4 19.429.8-147.629.8-147.6云南云南 42
6、542565.265.2 29.8 29.88.2-206.08.2-206.0广东广东 阳江地区阳江地区HBRAHBRA14414457.257.2 207.6207.6 87.5 87.51.0-278.71.0-278.7香港香港1111146146世界平均值世界平均值303011-6411-64北京地区北京地区2 2水库水中主要天然放射性核素含量水库水中主要天然放射性核素含量放射性核素放射性核素官厅水库官厅水库密云水库密云水库国家浓度限制国家浓度限制天然铀，天然铀，g/Lg/L7.17.10.70.750.050.0天然钍，天然钍，g/Lg/L0.50.50.10.1100.0100.
7、0226226RaRa，g/L7.87.83.73.7111.0111.0北京地区大气氡的连续测量分析北京地区大气氡的连续测量分析测量结果分析（测量结果分析（03年）年）年均值年均值14.15.5 Bq/m3；Max:40.4Bq/m3 Min：2.7Bq/m3氡：长时间、高浓度暴露可导致肺癌氡：长时间、高浓度暴露可导致肺癌 氡是无色无味的惰性氡是无色无味的惰性气体，从土壤、岩石气体，从土壤、岩石和建材表面等逸出，和建材表面等逸出，可随呼吸进入呼吸器可随呼吸进入呼吸器官，氡和其短寿命子官，氡和其短寿命子体衰变产生的体衰变产生的粒子粒子可对气管细胞造成辐可对气管细胞造成辐射照射，导致损伤。射照射
8、，导致损伤。氡的连续测量和结果分析氡的连续测量和结果分析季节变化：最大值多出现在秋季最小值出现在春季日变化：最大值出现在6-8时最小值在16-17时 人体也是一个小放射源人体也是一个小放射源摄入途径：摄入途径：食物、饮水、呼吸食物、饮水、呼吸核素种类：核素种类：40K、14C、87Rb、氡子体、氡子体 正常情况下，体内各种放射性核素相对稳定：正常情况下，体内各种放射性核素相对稳定：40K：2960-4440 Bq 14C:2849 Bq 3H：9.25-37 Bq 210Pb：27.75 Bq 238U：1.85-3.33 Bq 226Ra：1.11-1.48 Bq2、人类活动引起核辐射、人类
9、活动引起核辐射工业工业CT CT 灭菌系统灭菌系统利用准直器将多个密封60Co放射源的射线聚焦于病变组织的中心，通过电离辐射生物效应破坏或抑制病变组织，从而取得不开刀、不出血的手术切除效果，而且对病变周围的正常组织损伤轻微或并不造成损伤。伽马刀伽马刀探测器可疑爆炸物o核工业：核工业：铀矿冶炼铀矿冶炼o航航 空：空：宇宙射线照射宇宙射线照射o建材成分：建材成分：煤渣、粉煤灰的再利用煤渣、粉煤灰的再利用 天然石采的利用天然石采的利用其他引起核辐射的人类活动其他引起核辐射的人类活动公众所受辐射照射比例（公众所受辐射照射比例（19931993年）年）广岛：广岛：近近1515万人消失万人消失3、人类引起
10、的灾难性核辐射。、人类引起的灾难性核辐射。19861986年切尔诺贝利核电站年切尔诺贝利核电站中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图电法测井声波测井核辐射测井核磁共振测井.研究地层核物理研究地层核物理性质的各种测井性质的各种测井方法的总称方法的总称三、核辐射测井概况三、核辐射测井概况按物理性质分按物理性质分伽马测井伽马测井1、核辐射测井的分类、核辐射测井的分类中子测井中子测井CementFormation RegionCasing&BH Fluido上世纪30年代末，美国和前苏联首先采用自然伽马测井法评价地层和区别岩性。o上世纪50年代，出现了中子伽马测井和同位素示踪
11、测井。o上世纪60年代，自然伽马能谱测井得到应用，岩性密度测井和脉冲中子测井逐步投入应用。o上世纪70年代，C/O能谱测井、各种中子测井及能谱测井技术趋于成熟。o上世纪80年代，双探测器技术开始广泛应用，核辐射测井技术趋于成熟。2、核辐射测井的发展、核辐射测井的发展o上世纪90年代，是核辐射测井发展最快的时代，出现了定向中子成像测井方法和地球化学元素测井方法；小井径、多探头、阵列核辐射仪器广泛应用；随钻核辐射测井技术快速发展；非化学源测井开始进入测试阶段。o国内，1956年在玉门油田首次进行了自然伽马测井；3、核辐射测井的整体概况、核辐射测井的整体概况o现有四十多四十多种测井方法，居各种测井方
12、法之首；o能为石油勘探开发提供近五十五十种物理参数，高于电法测井居第一一位；o测井作业量占整个测井作业量的40%左右，居第二二位。o在套管井中或者说在开发测井中，核辐射测井居第一一位，作业量也是第一一的。4、核辐射测井的作用：、核辐射测井的作用：o划分地层，确定储集层位置，如GR；o确定地层岩性，如岩性密度测井；o确定地层中元素的含量等，如自然伽马能谱、地球化学元素测井；o求取地层的各种参数，如孔隙度、储层流体饱和度等，如DEN、中子测井；o井眼流体性质及含量的确定，如氧活化水流速度测井等；o检查套管和水泥环状况等，如伽马测井。5、核辐射测井的独特优势：、核辐射测井的独特优势：o能在含有各种井
13、内流体的裸眼井、套管井中，对不同类型的储层进行测量，这是其他测井方法所不具备的；o能提供大量物理参数，且大部分参数不可能用其它测井方法获得，具有不可替代性，如地层元素含量、含氢指数等；o是套管井测井和生产测井中最主要的测井方法，是油气藏剩余油挖潜和监测的主要测井手段o这门课是为核辐射测井奠定基础。原子核物理基础核辐射岩石物理基础四、本课程的内容及期末成绩构成四、本课程的内容及期末成绩构成o第一章：第一章：原子核物理的一些基本概念和基础知识原子核物理的一些基本概念和基础知识o第二章：第二章：伽马与物质相互作用及岩性密度测井伽马与物质相互作用及岩性密度测井o第三章：第三章：岩石的天然放射性特性及自
14、然伽马测井岩石的天然放射性特性及自然伽马测井o第四章：第四章：中子与物质的作用及相关中子测井中子与物质的作用及相关中子测井o第五章：第五章：核辐射探测及特征核辐射探测及特征主要内容：主要内容：o最后的成绩如何构成最后的成绩如何构成总成绩（总成绩（100分）分）平时表现（平时表现（3540分）分）期末考试（闭卷，期末考试（闭卷，6065分）分）主要参考教材主要参考教材石油测井中的核物理基础，郭余峰，石油工业出版社，1990年。放射性测井原理，黄隆基，石油工业出版社，放射性测井原理，黄隆基，石油工业出版社，1985年年。核测井原理，黄隆基，石油大学出版社，2000年。核物理基础，庞巨丰，石油工业出
15、版社，2005年。第一章第一章 原子核物理的一些基本概念和基本知识原子核物理的一些基本概念和基本知识o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.一、历史回顾一、历史回顾重要人物重要人物oH.BecquerelH.Becquerel（贝克勒尔）（贝克勒尔）,法 国 物 理 学 家（法 国 物 理 学 家（1 8 5 2-1 8 5 2-19081908），），19031903年获得诺贝年获得诺贝尔奖。发现了铀尔奖。发现了铀(U)(U)放射现放射现象，这是人类历史上第一象，这是人类历史上第一次在实验室里观察到原子次在实验室里观察到原子核现象。核现象。oM.Curi
16、eM.Curie（居里夫人），法国（居里夫人），法国物理学家（物理学家（1867-19341867-1934），波），波兰人，兰人，19031903年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。发现钋发现钋(Po)(Po)和镭和镭(Ra);Ra);她的女她的女儿儿(I.Joliot-Curie,1897-1956)(I.Joliot-Curie,1897-1956)和和女婿女婿(F.Joliot-Curie,1900-1958)(F.Joliot-Curie,1900-1958)因发现人工放射性获因发现人工放射性获19341934年年诺贝尔奖。诺贝尔奖。oE.RutherfordE.Rutherford（卢
17、瑟福），（卢瑟福），英国物理学家英国物理学家(1871-1937)(1871-1937)，新西兰人，新西兰人，19081908年获得诺年获得诺贝尔奖。证实了贝尔奖。证实了 射线为射线为4 4HeHe，射线为电子；射线为电子；提提出了原子的核式模型；首出了原子的核式模型；首次实现人工核反应；培养次实现人工核反应；培养了了1010位位诺贝尔奖获得者。诺贝尔奖获得者。oJ.ChadwickJ.Chadwick（查德威克），（查德威克），英国物理学家英国物理学家(1891-1974)(1891-1974)，19321932年因发现了中子获得年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被诺贝尔奖。中子的发现被
18、认为是原子核物理的诞生。认为是原子核物理的诞生。oE.FermiE.Fermi（费米），（费米），意大利物意大利物理学家理学家(1901-1954)(1901-1954)，19381938年年获得诺贝尔奖。发明了热中获得诺贝尔奖。发明了热中子链式反应堆。子链式反应堆。oR.L.MossbauerR.L.Mossbauer（穆斯堡尔）（穆斯堡尔）,德国物理学家德国物理学家(1929-1976)(1929-1976)。19611961年因为对年因为对 辐射的共振吸辐射的共振吸收的研究和发现的收的研究和发现的MossbauerMossbauer效应获诺贝尔物理学奖。效应获诺贝尔物理学奖。o李政道、杨
19、振宁发现了在弱相互作用中宇称不李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄的实验所证实。守恒，并由吴健雄的实验所证实。o丁肇中，丁肇中，(1936)(1936)与与 B.Richter,B.Richter,(1931)(1931)分别发现分别发现J J 粒子，粒子，找到了美夸克存在的证据，找到了美夸克存在的证据，19761976年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。二、基本概念和基础知识二、基本概念和基础知识1、原子和原子核、原子和原子核原子序数原子序数Z核电荷数核电荷数Z电子数电子数质量数质量数A中子数中子数N质子数质子数Zo原子的表示方法o原子质量单位：是以碳的同位素12C为标准确定的，
20、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=1.66056610-27kg。o质子质量为：1.00758u。o中子质量为：1.00887u。XAZ元素符号原子序数质 量 数XAo能态：能态：o基态：基态：o激发态：激发态：2、能态、基态和激发态、能态、基态和激发态原子核处于不同的能量状态。能量最低的状态。处于比基态高的能量状态。o定义：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。o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
21、的，其余是不稳定的，即放射性的。3、核素、核素 核素图核素图o核素与元素是什么关系？核素与元素是什么关系？o核素与同位素什么关系？核素与同位素什么关系？思考：思考：n最初的化学原子概念是元素原子元素原子，即同一种元素对应有同一种原子，因此某种元素的原子量被规定为该元素原子的相对质量。n同位素同位素的发现揭示出元素并不是化学性质和质量完全相同的一类原子，同一种元素的原子其质量可以不同，因而元素原子量所反映的是各种同位素原子质量的平均值。n原子物理学的研究进一步表明，原子的质量主要是由构成原子核的质子和中子的数目决定的，而元素的化学性质只同质子数有关。为了进一步区分元素的同位素，科学家们引进了同位
22、素的质量数，即质子数和中子数之和。从元素的化学性质看，不同的同位素在元素周期表上处于同一位置,故称“同位素”,而从原子核的角度看，同位素又是同一种元素的质量不同的原子核，也称为核素核素。核素是如何引入核物理中的核素是如何引入核物理中的?n这时，核素只不过是同位素的别称。后来发现地球上天然存在的和人工制造的原子核都有“同核异能态同核异能态”的现象，即具有相同质子数和中子数的原子核所显现出来的核性质如衰变方式、半衰期、能量等可以不同。同核异能态是原子核层次的“同分异构体同分异构体”，“同分”是指相同数目的质子和中子，“异构”则表示它们构成原子核的方式不同。n但同位素概念不足以反映这种“同分异构”现
23、象。如果把核素概念定义为同一同位素的核性质不同的原子核，就可核素概念定义为同一同位素的核性质不同的原子核，就可以概括核的同分异构现象以概括核的同分异构现象。因此，核素也就成了表达核性质的独立概念。o元素的丰度可以用列表法列表法或作图法作图法给出。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。某种核素在其天然同位素混合物中所占的原子某种核素在其天然同位素混合物中所占的原子核数目的百分比称为该核素的丰度核数目的百分比称为该核素的丰度4、丰度、丰度5、放射性及放射性衰变、放射性及放射性衰变o1）定义：）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。o2 2
24、）衰变表达式：衰变表达式：o特点：特点：衰变主要发生于重核,绝大多数衰变发生于A200的重核。但不等于A200都能发生衰变。XA-4ZYAZ-2+He24o3 3）衰变表达式：衰变表达式：XAZYAZ+1+e-+v_XZAYZ-1A+e+v_-衰变：+衰变：o特点：特点：o中子数过多发生衰变，质子数过多发生+衰变。o粒子的能量是连续能量，能谱连续分布。o几乎所有的放射性核素都存在衰变4 4）衰变衰变o定义：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.o原子核的退激退激，必然伴随有射线的放出，射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差能量差。oX X射线射线产生
25、于原子内层电子的跃迁跃迁，它与射线的差别在于能量和产生的方式不同而已。o发生衰变时，原子核的激发能也可以直接传递给核外的内层电子，使之脱离轨道成为自由电子，这一过程称为内转换内转换，发射的电子叫做内转换电内转换电子子。发生内转换后该层轨道的空缺随后由外层电子填补，从而发射特征 X X射线射线和俄歇电子俄歇电子(Auger electron)5 5）放射性衰变的特点）放射性衰变的特点o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；o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；o原子核衰变规律与放出射线的种类无关，与外界环境无关。o放射性核素发射的射线有三种：o、和射线。6
26、）放射性射线及性质）放射性射线及性质放射源铅盒照相底片 o 射线：射线：o由高速运动的氦原子核（称为粒子）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。o在核辐射测井中，利用粒子与某些原子核的相互作用可制造中子源。o 射线：射线：o是高速运动的电子流。它的穿透能力比射线强(在金属中为0.09cm)，但电离作用比粒子弱。o在核辐射测井中，利用某些发射射线的核素作为井间监测示踪剂。o 射线：射线：o是波长很短的电磁波。它的穿透能力最强，电离作用最弱。o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探测对象。He42射线种类组成速度
27、贯穿本领电离作用射线射线 粒子是氦原子核 粒子是高速电子流 波长很短的电磁波很小一张薄纸就能挡住很大能穿过几毫米厚的铝板最大能穿过几毫米厚的铅板射线 约接近等于很强很小较弱 e01 CC101C 三种射线三种射线的性质由下表列出：的性质由下表列出：o1908年，放射性现象发现不久，卢瑟福等人做了这样一个实验：将氡气密封储存，发现，4天后氡气减少至原来的1/2，8天后减少至原来的1/4，12天后减少至原来的1/830天后基本已经没有了7）简单放射性衰变的基本规律）简单放射性衰变的基本规律o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之间单位时间内发生衰变的原子核数dN/dt
28、就应当和N(t)成正比，即 Rn22286-dN=N(t)dt Po21884o对上式积分并令t=0时的原子数为N0，则有：o这就是原子核衰变的基本规律：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。o原子核衰变的指数规律是原子核本身固有的性质，原子核本身固有的性质，只和它的内部状态有关只和它的内部状态有关。外界因素如高温、高压、强磁场、电场等都不能改变原子核这种指数衰变特性。o不同的放射性核素的不同，即衰变速度不同。N(t)=N0e-t 0510152025300.00.10.20.30.40.50.60.70.8表面积分计数（粒子数）地层径向厚度（cm）0510152025301
29、E-30.010.1表面积分计数（粒子数）地层径向厚度（cm）o必须指出：原子核衰变规律是一个统计性规律统计性规律，只有在原子核的数目足够大时才是正确的，否则没有意义。o这是因为核衰变是自发的，对于一个核来讲纯属偶然，只有大数目的原子核才遵循统计规律。o定义：定义：衰变规律公式中的常数，反映了原子核衰变速度的快慢，称之为衰变常数。o表达式：表达式：o-dN/dtdN/dt的意义：的意义：表示在时刻t的单位时间内发生衰变的原子核数，它与当时存在的原子核数N(t)成正比的。8）衰变常数）衰变常数=dNdt/N(t)_o衰变常数衰变常数 的确切物理意义的确切物理意义 ：表示一个原子核在单位时间内发生
30、衰变的几率。o衰变常数衰变常数 量纲量纲 ：T-1，通常用秒-1或分-1。o不同的放射性核素具有不同的衰变常数。指数衰减规律反映了原子核衰变的“共性”，衰变常数反映了各种原子核的“个性”。o定义：定义：放射性原子核衰变到数量减少一半所经过得时间。o表示符号：表示符号：T1/2o意义：意义：表示原子核衰变的快慢。oT1/2和都表示原子核衰变的快慢。9）半衰期）半衰期o那么二者之间的关系：那么二者之间的关系：由半衰期的定义知：由衰减的规律公式有：当t=T1/2N=N02N=N02=N0e-T1/2T1/2=ln2=0.693o可见：可见：原子核的半衰期与衰变常数成反比关系，即半衰期长，衰变常数就小
31、；半衰期短，衰变常数就大。o原因：原因：在单位时间内发生衰变的几率越大，原子核得衰变就越快，原子核总数减少一半的时间自然也就越短。o定义：定义：就是指一种放射性原子核平均能够生存的时间，通常用表示。o求取方法：求取方法：由衰减规律公式知由衰减规律公式知：o在时刻t的一个极小时间间隔dt内，发生衰变的原子核数为Ndt；o可以认为有Ndt个原子核生存的时间（即寿命）是t，即这些原子核的寿命之和为tNdt。6、平均寿命、平均寿命如果t=0时的原子核数为N0，则原子核的总寿命原子核的平均寿命为：0dttN001dttNNN=N0e-t 10dttet693.02/1T2/144.11To定义：定义：把
32、单位时间内一个放射源发生衰变的原子核数称为放射性活度，也称放射性强度，通常用符号A表示。7、放射性活度、放射性活度dtdNNAA=N=A=N=N0e-t=A0e-t oA0称为初始放射性活度。o放射性活度的单位：放射性活度的单位：由于历史原因，习惯上采用居里（Ci）作为放射性活度单位。它的定义是：一个放射源如果在每秒内产生3.71010次衰变，这个放射源的放射性活度即为1居里，即 放射性活度的国际单位是贝可勒尔，简称贝可，记作Bq。它的定义是：放射源每秒产生一次衰变为1贝可，1Bq=1s-1。二者关系：二者关系：1Ci=3.7o例例1 1：已知：已知226226RaRa的半衰期为的半衰期为16
33、00y1600y，问，问1g 1g 226226RaRa的放射性活度是多少贝可勒尔？的放射性活度是多少贝可勒尔？o解：解：T1/2=1600365243600=5.041010s；=0.693/T1/2=1.37510-11s-1N=(m/M)NA=(1/226)6.0221023=2.6651021A=N=3.6641010s-1=3.6641010Bqn例例2 2：已知：已知222222RnRn的半衰期为的半衰期为3.82d3.82d，问，问1 1CiCi和和1000Bq1000Bq的的222222RnRn质量分别是多少？质量分别是多少？n解解T1/2=3.82243600=3.3105s
34、；=0.693/T1/2=2.110-6s-1ANMmNAANMmAkgm151105.6kgm1621076.1o定义：定义：o表达式：表达式：o意义：意义：比放射性活度比放射性活度单位质量放射性物质的放射性活度。即放射源的放射性活度与其质量比，也称比活度，用a表示。a=A/m (Bq/g 或或Ci/g)。a a的大小表示放射源纯度的高低。的大小表示放射源纯度的高低。n例例1 1：已知：已知131131I I的半衰期是的半衰期是8.04d8.04d，计算其比发射，计算其比发射性活度。性活度。mAa mNmAaANMmN ANMaa=1.25105(Ci g-1)n例例2：实验室测得纯：实验室
35、测得纯235U样品的比放射性活度为样品的比放射性活度为80Bq.mg-1，试求，试求235U半衰期。半衰期。ANMaaMNTA693.02/18 8、放射性与人体的健康、放射性与人体的健康-吸收剂量吸收剂量o核辐射对人体的危害取决于受不同辐射的时间辐射的时间以及吸收剂量吸收剂量。o吸收剂量D的定义为：任何核辐射对某体积元中质量为dm的物质产生的平均能量,即D=/dm。oD的国际单位SI单位是焦耳焦耳/千克千克(J/kg)，专业名称叫戈瑞(Gy)；D的专用单位是拉德拉德(rad)，1Gy=100rad=1J/kg。o相应地，剂量当量的国际单位 单位的专名叫希 沃 特 (S v)，专 用 单 位
36、叫 雷 姆(rem),1Sv=100rem=1J/kg。o450000800000：30 天内将进入垂死状态；o200000450000：掉头发，血液发生严重病变，一些人在 2 至 6 周内死亡；o60000100000：出现各种辐射疾病；o10000：患癌症的可能性为 1/130；o5000：每年工作中所遭受的核辐射量；o700：大脑扫描的核辐射量；o60：人体内的辐射量；o10：乘飞机时遭受的辐射量；o8：建筑材料每年所产生的辐射量；o1：腿部或者手臂进行 X 光检查时的辐射量。单位：毫雷姆单位：毫雷姆o国务院放射性同位素与射线装置安全和防护条例规定，从高到低将放射源分为、类，V类源的下限
37、活度值为该种核素的豁免活度豁免活度。o类放射源类放射源为极高危险源。没有防护情况下，接触这类源几分钟到1小时就可致人死亡;o类放射源类放射源为高危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时至几天可致人死亡;o类放射源类放射源为危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时就可对人造成永久性损伤，接触几天至 几周也可致人死亡;o类放射源类放射源为低危险源。基本不会对人造成永久性损伤，但对长时间、近距离接触这些放射源的人 可能造成可恢复的临时性损伤;o类放射源类放射源为极低危险源。不会对人造成永久性损伤。第二章第二章 伽马射线与物质的作用及岩性密度测井伽马射线与物质的作用及岩性密度测井本章重点：本章重点：o
38、伽马射线与物质的相互作用伽马射线与物质的相互作用o伽马射线的探测伽马射线的探测o岩性密度测井岩性密度测井第一节第一节 伽马射线与物质的相互作用伽马射线与物质的相互作用o天然天然产生产生o由由伽马源伽马源产生产生一、伽马射线的来源1、伽马射线的产生方式、伽马射线的产生方式o定义：能够产生伽马射线的装置。定义：能够产生伽马射线的装置。o进行-测井、活化法测井时使用的射线源，它由人工或天然放射性同位素制成，如钴(60Co)源，铯(137Cs)源，锌(65Zn)源、汞(203Hg)源和铈(141Ce)源。o测井中最常用的是测井中最常用的是：钴钴(60Co)源源和铯铯(137Cs)源源2、伽马源、伽马源
39、o目前-测井即岩性密度测井中使用的伽马源基本上都是137Cs源源。o伽马源的性质：伽马源的性质：o伽马源的性质是由源强源强、能量分布能量分布、角分布角分布等决定的。o以密度测井的137Cs源为例，其源强是2、1.5或1Ci，单能伽马射线（0.662MeV），各向同性发射。思考：能否产生可控伽马源？思考：能否产生可控伽马源？o目前已经发现地层中的元素有100100多种，几乎所所有的化学元素有的化学元素都能在地层中找到。但主要的地层元素只有少数几种。o在地壳内化学元素含量按重量百分比大小的分布依次为O O、Si Si、AlAl、FeFe、CaCa、NaNa、K K、MgMg、H H、TiTi、C
40、C、ClCl等。二、地层元素分布及含量二、地层元素分布及含量o各元素在地层中的总量分布极不均匀，前三种元素O O、Si Si和AlAl总量占地壳总量的82.58%82.58%；o前9种即O O、Si Si、AlAl、FeFe、CaCa、NaNa、K K、MgMg和和H H总量占地壳总量的98.13%98.13%；o而其余元素仅占地壳元素总量的1.87%1.87%。o核辐射测井所关心的不是不是地层中所有所有的元素，而是含量在前1010种元素。地层元素质量百分比/%OSiAlFeCaKMgH其他49.1326.007.454.203.252.402.351.001.87地层元素含量分布表地层元素含
41、量分布表1、光电效应的发展历史、光电效应的发展历史1887 年H.Hertz（赫兹）在研究电磁场波波动性质时无意中发现光电效应现象。1899年，J.J.Thomson（汤姆生，1856-1940)测量光电流的荷质比，肯定光电流和阴极射线同样都是高速运动的电子，他于1906获诺贝尔奖。1900年，年，Lenard（雷纳，1862-1947)发现改变光的强度对截止电压沒有影响，1902 提出出发假說，他于1905获得诺贝尔奖。三、光电效应三、光电效应1905 愛因斯坦愛因斯坦(Einstein)提出光量子理论和光电方程。1921获得诺贝尔奖，因为密立根实验证实了他的光电方程，光量子理论才开始被人们
42、接受，因而得到此奖。(註：光子一词是1926年由路易斯(Lewis)提出的)19041916 密立根密立根(Millikan,1868-1953,美)历经了十多年，终于在1916年发表实验证实愛因斯坦的光量子理论和光电方程，并由此测得普朗克常数，1923获得诺贝尔奖。AKGV阳阳极极阴阴极极W石英窗石英窗2.光电效应实验光电效应实验实验结果：实验结果：在光（包括不可见光）照射下物体中，电路中产生的电流。光电效应实质：光转换为电。光电效应实质：光转换为电。1）光电效应实验结果：）光电效应实验结果：o任何一种金属都有一极限频率任何一种金属都有一极限频率 0 0，入射光的频率入射光的频率必须大于必须
43、大于 0 0（无论光强多大）才能发生光电效应。（无论光强多大）才能发生光电效应。o光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大，而与入射光的强度无关。大，而与入射光的强度无关。o光电效应的发生是瞬时的，不超过光电效应的发生是瞬时的，不超过1010-9-9s so发生光电效应时，入射光越强，光电流越大，相发生光电效应时，入射光越强，光电流越大，相同时间内逸出的光电子数越多。同时间内逸出的光电子数越多。2 2）波动说（电磁理论）对光电效应解释遇到的困难）波动说（电磁理论）对光电效应解释遇到的困难波动理论波动理论光电效应实验结果光电效应实验结果困难困难1 光
44、能由振幅决定，与光频率无光能由振幅决定，与光频率无关，只要光强足够大（不论入关，只要光强足够大（不论入射光的频率多），总可以使电射光的频率多），总可以使电子获得足够的能量从而发生光子获得足够的能量从而发生光电效应电效应如果如果 0 0，无论光强无论光强有多大，都不能发生有多大，都不能发生光电效应，光能应由光电效应，光能应由光频率来决定光频率来决定困难困难2 光强越大，电子可获得更多能光强越大，电子可获得更多能量，光电子的最大初动能也应量，光电子的最大初动能也应该越大，即出射电子的最大初该越大，即出射电子的最大初动能应该由光强来决定动能应该由光强来决定光电子的最大初动能光电子的最大初动能与光强无
45、关，而与频与光强无关，而与频率有关率有关3）光子说的提出）光子说的提出o爱因斯坦在1905年提出光子说，即在空间中传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子。o光子的能量光子的能量E跟光的频率跟光的频率成正比。成正比。E=h 其中其中h是一个常量，叫普朗克常量。是一个常量，叫普朗克常量。h=6.631034J.so1）光电效应定义：）光电效应定义：当一个光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之脱离原子而发射出去，而光子本身被全部吸收，这个过程称为光电效应。o由光电效应发射出来的电子称为光电子。由光电效应发射出来的电子称为光电子。4、核辐
46、射测井中的光电效应、核辐射测井中的光电效应能量E0光子靶核光电子束缚电子o2）光电子的能量：）光电子的能量：由能量守恒定律知，光电子能量Ee为ohv为入射光子的能量；oEi为第i壳层电子的结合能。Ee=hv_Ei光电峰光电峰NEo光电效应只有在束缚电子束缚电子上发生，电子在原子中被束缚得越紧越紧，就越容易越容易发生光电效应。o光子与原子发生光电效应的截面（即几率）与光子与原子发生光电效应的截面（即几率）与入射光子能量的关系：入射光子能量的关系：入射光子能量hv很高时，截面ph很小。因为电子在原子中束缚程度的大小是与入射光子的能量相比较而言的。当入射光子的能量很高时，相对来说，电子的束缚程度就很
47、低，所以截面就很小。3）光电效应的特点：）光电效应的特点：o发生光电效应的截面原子序数的关系：发生光电效应的截面原子序数的关系：对于同一能量的入射光子来说，物质的原子序数越高，光电效应截面越大。因为原子序数高，电子在原子中束缚程度也就高，所以截面就大。光电效应截面与作用物质的原子序数有着强烈的依赖关系。这就是岩性密度测井利用光电效应判断地层岩性这就是岩性密度测井利用光电效应判断地层岩性的依据。的依据。探测器应选用尽可能高探测器应选用尽可能高Z的物质作为介质。的物质作为介质。7/25201520Z h h m C Kph o射线或中子与物质发生各种相互作用都有一定的几率，通常用截面截面 这个物理
48、量来表示作用几率的大小，其定义是：截面截面=NINs单位时间内发生的核反应数单位时间内发生的核反应数单位时间内入射粒子数单位时间内入射粒子数单位面积的靶核数单位面积的靶核数=o的确切物理意义是：的确切物理意义是：一个入射光子或中子与单位面积上一个靶原子发生作用的几率。o单位：单位：它具有面积的量纲。一般用10-24cm2作为的单位，称为靶恩（b）。o截面仅反映射线或中子与物质相互作用几率大小的一个物理量，但不表示原子或原子核的真实几何截面。o1923年，美国物理学家康普顿和中国物理学家吴有训在研究x射线通过实际物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长I0的X光外，还产生
49、了波长不同的X光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿康普顿-吴有训效应吴有训效应（1927年获诺贝尔奖）年获诺贝尔奖）四、康普顿四、康普顿-吴有训效应吴有训效应(compton effect)吴有训吴有训(18971977)(18971977)物理学家、教育家中国科学院副院长清华大学物理系主任、理学院院长1928年被叶企孙聘为清华大学物理系教授对证实康普顿效应作出了重要贡献对证实康普顿效应作出了重要贡献，在普在普顿的一本著作中曾顿的一本著作中曾1919处提到吴的工作处提到吴的工作.=0=45=90=135OOOO(a)(b)(c)(d)相相对对强强度度0.7000.750o波
50、长波长(A)实验结果实验结果o在我国物理学家吴有训吴有训与康普顿康普顿合作期间，在1926年所作的实验指出：o在原子量小的物质中，康普顿散射较强，在原子量大的物质中，康普顿散射较弱；o波长的改变随散射角(散射线与入射线之间接的夹角)而异；o当散射角增加时，波长的改变也随之增加；o在同一散射角下，对于所有散射物质，波长的改变都相同。1 1、实验结论：、实验结论：o从波动理论来看，带电粒子受迫振动频率应等于入射光的频率；所以，散射光的频率应与入射光的频率相同。可见，用光的波动理论只能解释波长不变的散射，而不能解释康普顿效应。o1923年5月，康普顿用爱因斯坦的光子概念成功地解释了x 射线通过石墨时
