地球的核辐射场与放射性勘探

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1、地球的核辐射场与放射性勘探吴健生海洋与地球科学学院2005.12.25一、几个概念原子核在原子世界中，淹没在电子云中的原子核是一个具有质量和电荷的核心。现在已经弄清楚，半径仅为原子半径万分之一的原子核，集中着99％以上的原子质量和全部正电。原子核带有正电荷，其电量g等于电子电量的绝对值e的整数倍，亦即g＝Ze。这里，整数Z称为这元素原子核的电荷数，也就是这化学元素的原子序数．原子核的质量同原子的质量相差极小。原子的质量应包括原子核的质量和核外各电子的质量。在原子核物理中通常使用另一个叫做“原子质量单位”的单位。按现在的规定，取碳的最丰富的同位素126C原子处于基态的静止质量的1/12作为1

2、“原子质量单位”，以u表示．根据计算1u＝1.660566X1.0-27kg同位素原子的质量以“原子质量单位”计算时都接近于一整数，这整数称为原子核的质量数，或称核子数，以A表示。电荷数Z和质量数A是标志原子核特征的两个重要物理量，常用AZX(或AX)来标记某原子核，其中X代表与Z相应的化学元素符号。Z和A都相同的原子核称为某种核素，Z相同而A不相同的原子核称为同位素。例如氢有三种同位素，即11H、21H(或21D)和31H(或31T)，分别称为氢核、氘核(又称重氢)和氚核。中子原子核X是由Z个质子和A-Z个中子所构成。对于轻核，质子数和中子数近乎相等，对于重核，中子数约为质子数的1．5倍

3、。这是由核子之间作用力的性质所决定的。例如氦42He核中有两个质子和两个中子；铁5626Fe核中有26个质子和30个中子；铀23892U核中有92个质子和146个中子等。中子在原子核中是构成核的稳定粒子，但在核外并不稳定，一个自由的中子的平均寿命约15min，它将衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子，因此自由中子是有放射性的。核力质子与质子之间有着很大的斥力，中子又不带电，不可能是电性力使质子、中子聚集成原子核，也不可能是万有引力，因为它比电磁力还小1039倍。那么，是一种什么力能够使质子与质子，质子与中子，中子与中子紧紧地束缚在一起呢?经研究发现，这是一种强相互作用力，称为核力。实验说

4、明核力具有下列重要的性质：(1)核力比电磁力强100多倍，是强相互作用力；(2)核力是短程力．只有当核子之间的距离为2个fm（1fm＝10-15m）之内，核力才显示出来。结合能原子核既然是由核子组成的，它的质量就应等于全部核子质量之和。设以mx、mp、mn分别表示原子核AZX、质子和中子的质量，于是应该有：Mx=Zmp+(A-Z)mn但实验测定的原子核质量mx总是小于上式所给出的量值，这一差额称为原子核质量亏损。相对论指出，当系统有质量改变时一定也有相应的能量改变，关系为⊿E=(⊿m)c2。由此可知，质子和中子组成核的过程中必有大量的能量放出，这能量称为原子核的结合能，常用EB来表示．反之

5、，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须给予和结合能等值的能量。例如氘的结合能为2.23MeV。实验证实，当γ射线光子具有的能量达到2.23MeV时，就能将氘核分解为自由的中子和自由的质子。原子核的放射性衰变在人们发现的2000多种同位素中，绝大多数(约1600多种)都是不稳定的，它们会自发地蜕变，变为另一种同位素，同时放出各种射线．这样的现象称为放射性衰变。1896年贝克勒耳(H．Bacquerel)首先发现了铀的放射性现象，随后于1898年居里夫妇(P.&M.Curie)又发现了放射性元素钋和镭，这是人类认识原子核的开始．19-34年约里奥·居里夫妇(F．&I．Joliot—Curi

6、e)发现人工放射性，从而开始人工制备放射性元素，并为应用放射性开辟了广阔的途径.放射性衰变原子核的放射性衰变模式主要是α衰变、β衰变和γ衰变(γ跃迁)。(1)α衰变α衰变是原子核自发放射出α粒子，即氦核42He。例如22688Ra(镭)核的α衰变过程如下：22688Ra22286Rn+42He22286Rn（氡）核的α衰变过程如下：22286Rn21884Po+42Heα衰变使母核失去2个与电子电荷量相等的正电荷，因此衰变后原子序数减少2，而子核在周期表上的位置将向前移2位，质量数应减少4。(2)β衰变：β衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变。它主要包括β-衰变、β+衰变和电子俘获。β-衰

7、变是原子核放出高速电子，实验指出：“只有假定在β衰变过程中，伴随每一个电子有一个中性粒子(称之为中微子)一起被发射出来，使中微子和电子的能量之和为常数，才能解决连续β谱”．由于中微子既不带电，质量又近为零，在实验中就极难测量，直到1956年才首次在实验中找到。(3)γ衰变当原子核发生α、β衰变时，往往衰变到子核的激发态。处于激发态的原子核是不稳定的，它要向低激发态或基态跃迁，同时放出γ光子。二、天然放射场地球近地表环境的