放射性同位素及其衰變PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1放射性同位素及其衰變放射性同位素及其衰變第1頁/共83頁1 同位素地球化學(xué)概述2 放射性同位素衰變及地質(zhì)年齡測(cè)定放射性同位素衰變及地質(zhì)年齡測(cè)定原理和技術(shù) 3 銣-鍶法定年和鍶同位素地球化學(xué)4 釤-釹法定年和釹同位素地球化學(xué)5 鉀-氬法定年和稀有氣體同位素地球化學(xué)6 鈾-釷-鉛法定年和鈾釷同位素地球化學(xué)7 Re-Os, 14C等其它同位素衰變計(jì)時(shí)法第2頁/共83頁9穩(wěn)定同位素地球化學(xué)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)理論基礎(chǔ)10 輕穩(wěn)定同位素性質(zhì)概述11 巖漿巖和變質(zhì)巖中的穩(wěn)定同位素12 熱液成礦作用中的穩(wěn)定同位素13 礦床同位素地球化學(xué)14 討論，報(bào)告第3頁/共83頁第二講第4頁/共83頁衰變 衰變

2、衰變 K層電子捕獲核裂變 第5頁/共83頁第6頁/共83頁QThU2349023892QThU2319023592QThPb2068221084QThSm1436014762第7頁/共83頁QYXAZAZ1自然界中自然界中Z82的大多數(shù)天然放射性同位素均的大多數(shù)天然放射性同位素均能能衰變。衰變。母體同位素和子體同位素的質(zhì)量數(shù)不變，形成了質(zhì)量數(shù)相同而原子序數(shù)不同的同質(zhì)異位素同質(zhì)異位素。第8頁/共83頁QCaK40204019QSrRb87388737QHfLu1767217671QCeLa1385813857QOs 1878618785Re第9頁/共83頁第10頁/共83頁QArKK401840

3、19QBaLaK1385613857QYXAZKAZ1第11頁/共83頁第12頁/共83頁第13頁/共83頁2.1基本概念第14頁/共83頁子體、母體是相對(duì)的一般來說，巖石或者礦物形成后，由其中母體同位素衰變產(chǎn)生的子體同位素稱作放射成因子體放射成因子體，如放射成因Sr，放射成因Nd。第15頁/共83頁QSrRb87388737單衰變單衰變：放射性母體經(jīng)過一次衰變就轉(zhuǎn)變成一種穩(wěn)定子體的過程。如：連續(xù)衰變連續(xù)衰變：放射性母體（尤其是一些重同位素）可經(jīng)歷若干次衰變，每次衰變所形成的中間子體都是不穩(wěn)定的，本身又會(huì)發(fā)生衰變，一直持續(xù)到產(chǎn)生穩(wěn)定的最終子體為止的過程。衰變系列衰變系列：由一個(gè)放射性母體、若干

4、個(gè)放射性中間子體和一個(gè)最終穩(wěn)定子體所組成的衰變鏈。第16頁/共83頁 8次a衰變6次衰變衰衰變變系系列列第17頁/共83頁QCaK40204019QArKK40184019分支衰變分支衰變：少數(shù)放射性同位素可以有兩種或多種衰變方式，形成不同的子體。 第18頁/共83頁半衰期：半衰期：在放射性衰變過程中，放射性母體同位素的原子數(shù)衰減到原有數(shù)目的一半所需要的時(shí)間。記作T1/2。平均壽命平均壽命: : 放射性母體同位素在衰變前所存在的平均時(shí)間。 記作。第19頁/共83頁半衰期是放射性同位素衰變的一個(gè)主要特征常數(shù)，它不隨外界條件、元素狀態(tài)或質(zhì)量變化而變。半衰期的長(zhǎng)短差別很大，千萬分之一秒數(shù)百億年。半衰

5、期愈短的同位素，放射性愈強(qiáng)。第20頁/共83頁第21頁/共83頁元素周期表還有數(shù)目眾多的痕量天然放射性同位素。還有數(shù)目眾多的痕量天然放射性同位素。第22頁/共83頁第23頁/共83頁2.2放射性同位素分類自然界已知天然放射性同位素天然放射性同位素6767種種21種(Z79)為單衰變46種(Z79)構(gòu)成3個(gè)衰變系列天然放射性同位素可進(jìn)一步分為 3 類第24頁/共83頁(1)(1)238238U U，235235U U和和232232ThTh及其衰變及其衰變系列的中間產(chǎn)物系列的中間產(chǎn)物。 分別稱為鈾系、分別稱為鈾系、錒鈾系和釷系錒鈾系和釷系。天然放射性同位素分類鈾系鈾系8次a衰變6次衰變第25頁/

6、共83頁錒鈾系錒鈾系7次a衰變4次衰變第26頁/共83頁釷系釷系6次a衰變4次衰變第27頁/共83頁這三個(gè)放射系在同位素年代學(xué)上具有重要意義放射系在同位素年代學(xué)上具有重要意義。這三個(gè)天然放射系母體的半衰期和地球年齡相當(dāng)，經(jīng)過一系列，衰變之后，最終都轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的鉛同位素，而且在較短的時(shí)間內(nèi)都可建立起長(zhǎng)期平衡。第28頁/共83頁第29頁/共83頁Cosmic ray hits atmosphere, breaking atom into smaller particles including 3He, 4He, proton, and neutronNeutrons collides with 1

7、4N to create 14C第30頁/共83頁第31頁/共83頁第32頁/共83頁第33頁/共83頁單衰變的放射性衰變定律單衰變的放射性衰變定律： 放射性同位素隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減 NdtdN在一個(gè)體系內(nèi)，在極短的時(shí)間間隔內(nèi)(從t到t+t時(shí))發(fā)生放射性衰變的數(shù)量N總是與此時(shí)尚未衰變的的核子數(shù)N和這段時(shí)間t成正比，即NNt。當(dāng)t趨于零時(shí)，便可寫成微分方程：N現(xiàn)現(xiàn)=N0et第34頁/共83頁放射成因子體放射成因子體D子的積累的積累，為：D子=N0N現(xiàn)=N0(1-e-t) 或 D子=N現(xiàn)(et-1)平均壽命同位素地質(zhì)年代學(xué)中常用或T1/2來描述放射性衰變，它們是放射性同位素的特性常數(shù)，比平均壽命

8、更易理解。000011NtdtNtdNNtt693. 012/1T第35頁/共83頁在經(jīng)過10個(gè)半衰期后，母體只剩下1/210，母體原子數(shù)可視為衰變完了第36頁/共83頁的原子核衰變一般遵循一種比較復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以出現(xiàn)不平衡、暫時(shí)平衡和永久平衡3種情況，這里只討論一種最簡(jiǎn)單情況，即永久平永久平衡衡。第37頁/共83頁這正是鈾-釷-鉛法年齡測(cè)定的基礎(chǔ)在一衰變系列中，盡管從母體原子核到最終穩(wěn)定子核之間經(jīng)歷了多次連續(xù)衰變，但只要經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到長(zhǎng)期平衡長(zhǎng)期平衡后，最終穩(wěn)定子核的原子數(shù)只隨第一代母體核原子的衰變速率而增加，與中間衰變過程無關(guān)，可作為單衰變形式來處理。任何一個(gè)中間性子體的產(chǎn)生速率衰變

9、速率母體衰變掉的原子數(shù)最終產(chǎn)生的穩(wěn)定子體原子數(shù)第38頁/共83頁原理前提分類第39頁/共83頁第40頁/共83頁可以用各種不同的方法進(jìn)行同位素計(jì)時(shí)，最基本的分式可直接由下式給出 N現(xiàn)現(xiàn)=N0e-t 1Dln1ln10現(xiàn)子現(xiàn)NNNt1DDln1現(xiàn)子初子測(cè)NtD子初為一需求得的常數(shù) 第41頁/共83頁同一對(duì)象，或用同一方法測(cè)定不同對(duì)象，所得到的同位素年齡就有著不同地質(zhì)意義，并不是都能代表結(jié)晶年齡。第42頁/共83頁第43頁/共83頁第44頁/共83頁第45頁/共83頁第46頁/共83頁第47頁/共83頁1DDln1現(xiàn)子初子測(cè)Nt第48頁/共83頁第49頁/共83頁第50頁/共83頁長(zhǎng)半衰期同位素計(jì)

10、時(shí) 直接測(cè)定方法直接測(cè)定方法：根據(jù)放射性定律來測(cè)定地質(zhì)年齡的方法第51頁/共83頁短半衰期同位素計(jì)時(shí) 直接測(cè)定方法直接測(cè)定方法：根據(jù)放射性定律來測(cè)定地質(zhì)年齡的方法第52頁/共83頁間接測(cè)定方法間接測(cè)定方法：根據(jù)射線對(duì)周圍物質(zhì)的作：根據(jù)射線對(duì)周圍物質(zhì)的作用所產(chǎn)生的次級(jí)現(xiàn)象測(cè)定年齡。用所產(chǎn)生的次級(jí)現(xiàn)象測(cè)定年齡。第53頁/共83頁質(zhì)年代學(xué)研究上。各種同位素計(jì)時(shí)方法的年齡極限取決于放射性母體的半衰期、含量及分析測(cè)試的技術(shù)水平，上限通常是半衰期的10倍，下限主要受實(shí)驗(yàn)條件控制。第54頁/共83頁在上述年齡測(cè)定過程中，還可獲得有關(guān)Pb、Sr、Nd、Os等同位素的值/比值，它們是極有價(jià)值的同位素地球化學(xué)示蹤

11、工具。K-Ar法的分支39Ar-40Ar法還是研究構(gòu)造熱力學(xué)的一個(gè)重要手段。 第55頁/共83頁第56頁/共83頁固體的有U-Pb法、Rb-Sr法、Sm-Nd法、Re-Os法等；氣體的是K-Ar法。 第57頁/共83頁5.1樣品分解與元素純化 固體方法固體方法第58頁/共83頁分子篩)等一系列處置，實(shí)現(xiàn)Ar氣的提取和純化。氣體方法氣體方法第59頁/共83頁第60頁/共83頁第61頁/共83頁磁場(chǎng)磁場(chǎng)離子收集器離子收集器離子源離子源第62頁/共83頁第63頁/共83頁容易發(fā)生問題的環(huán)節(jié)稀釋劑溶液的濃度和同位素組成必須準(zhǔn)確地測(cè)定。對(duì)于僅有兩個(gè)天然同位素的元素，在測(cè)定混合物的 同位素比值時(shí)，質(zhì)量分餾

12、效應(yīng)不能校正。在一些樣品中正常元素與稀釋劑不能完全均勻混合。由于水溶液的蒸發(fā)，稀釋劑溶液的濃度會(huì)不斷改變。樣品與稀釋劑的混合，若不滿足最佳稀釋度要求， 引起誤差急劇放大。所有這些問題，實(shí)驗(yàn)中只要注意到，采取相應(yīng)措施可以避免。所有這些問題，實(shí)驗(yàn)中只要注意到，采取相應(yīng)措施可以避免。同位素稀釋法的優(yōu)點(diǎn)靈敏度高，測(cè)定精度比現(xiàn)有化學(xué)分析方法高出12個(gè)數(shù)量級(jí)第64頁/共83頁（1）測(cè)定數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估（2）等時(shí)線的擬合 第65頁/共83頁測(cè)定數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估 標(biāo)準(zhǔn)樣品國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)第66頁/共83頁第67頁/共83頁第68頁/共83頁誤差范圍Rb-Sr等時(shí)線法等時(shí)線法第69頁/共83頁誤差范圍Sm

13、-Nd法法第70頁/共83頁誤差范圍鋯石鋯石U-Pb法法第71頁/共83頁誤差范圍K-Ar稀釋法稀釋法第72頁/共83頁第73頁/共83頁（1）測(cè)定數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估（2）等時(shí)線的擬合 第74頁/共83頁李志昌等，2004，放射性同位素地質(zhì)學(xué)方法與進(jìn)展，武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社。第75頁/共83頁第76頁/共83頁第77頁/共83頁一、明確目的性每一種測(cè)年方法都非萬能，各有自己的局限性；不同類型樣品對(duì)不同方法的適應(yīng)性也不同，因此需要根據(jù)客觀地質(zhì)條件選擇合適樣品的合適測(cè)年方法。不同年齡測(cè)定方法的適應(yīng)性研究是個(gè)永久性課題。二、正確選擇測(cè)年方法第78頁/共83頁三、綜合性研究要求：要求：在地質(zhì)、地球化學(xué)

14、與礦物學(xué)綜合研究基礎(chǔ)上選擇測(cè)年樣品。目的：目的：保證一組欲測(cè)等時(shí)線年齡的樣品能夠滿足等時(shí)線條件，以及在出現(xiàn)異常樣品點(diǎn)時(shí)，能夠有足夠依據(jù)予以剔除。建議建議-1：送年齡樣時(shí)，最好有光、薄片或光片鑒定、巖石 化學(xué)分析和微量元素分析的配套資料。建議建議-2：在有條件情況下，盡可能對(duì)一個(gè)樣品采用多種方 法進(jìn)行測(cè)年，便于測(cè)定結(jié)果間的比較與驗(yàn)證。第79頁/共83頁樣號(hào)樣號(hào)巖性巖性礦物礦物K%40Ar*%40Ar/38Ar38Ar/36ArK-Ar年齡年齡(Ma) 99H23含礦變粒巖含礦變粒巖絹云母絹云母2.9886.620.62360.01683024.016.6119.53.699H32礦石礦石絹云母絹云母5.7395.911.63410.04733646.741.3171.84.999H48圍巖圍巖絹云母絹云母0.0966.420.11260.01025692.89.4500.860.1TB02圍巖圍巖白云母白云母9.4597.185.92880.18951624.647.8370.911.0TB06圍巖圍巖白云母白云母8.997.445