核物理基礎(chǔ)課件

核物理基礎(chǔ)核物理基礎(chǔ)輻射、核輻射（Radioactivity)生活中的核輻射核輻射測井概況本課程內(nèi)容及成績構(gòu)成

緒論輻射、核輻射（Radioactivity)緒論一、radioactivity一、radioactivity核物理基礎(chǔ)課件核物理基礎(chǔ)課件輻射大致可以分為非電離輻射及電離輻射兩類。一般來說，非電離輻射(例如光線及無線電波)的能量較低，不足以改變物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。電離輻射(例如α粒子及β粒子)有足夠的能量使原子中的電子游離而產(chǎn)生帶電離子。這個電離過程通常會引致生物組成產(chǎn)生化學(xué)變化，因而對生物構(gòu)成傷害。放射性物質(zhì)以波或微粒形式發(fā)射出來叫核輻射，也稱電離輻射。輻射大致可以分為非電離輻射及電離輻射兩類。1、天然電離輻射

人類自古以來受到的天然存在的各種電離輻射源的照射。包括：宇宙射線宇生天然放射性核素原生天然放射性核素二、生活中的核輻射1、天然電離輻射人類自古以來受到的天然宇宙射線：連接地球與宇宙的無形紐帶初級宇宙射線：從宇宙空間進入地球大氣層的高能粒子如質(zhì)子，α粒子和高能電子等，能譜寬，1-1014MeV；次級宇宙射線：初級宇宙射線與大氣層中N、O等原子核作用產(chǎn)生，成分有電子、光子、質(zhì)子、中子和π介子等。宇宙射線強度隨海拔高度、緯度有關(guān)。宇宙射線：連接地球與宇宙的無形紐帶初級宇宙射線：宇生放射性核素：宇生放射性核素：宇宙射線與大氣層中的原子核相互作用產(chǎn)生的放射性核素。如

3H、7Be、14C、22Na、24Na等宇生放射性核素：宇生放射性核素：原生放射性核素：陸地存在的天然放射衰變系釷系（4n系）：

232Th：T1/2＝1.41×1010年；

10次連續(xù)衰變后至穩(wěn)定核素208Pb鈾系（4n+2系，鈾鐳系）：

238U：T1/2＝4.468×109年；

14次聯(lián)系衰變后至穩(wěn)定核素206Pb錒系（4n+3系，錒鈾系）：

235U：T1/2＝7.038×108年；

11次連續(xù)衰變后至穩(wěn)定核素207Pb原生放射性核素：陸地存在的天然放射衰變系釷系（4n系）：我國部分地區(qū)土壤中232Th含量(Bqkg-1)ProvinceSamplesnumbersAverage(areaweighted)Range福建14396.3

51.819.5-260.0廣西36069.1

34.615.5-270.2西藏20369.0

28.820.0-248.0江西27067.5

41.010.2-199.5浙江17262.6

19.429.8-147.6云南42565.2

29.88.2-206.0廣東陽江地區(qū)HBRA14457.2

207.6

87.51.0-278.7香港11146世界平均值3011-64我國部分地區(qū)土壤中232Th含量(Bqkg-1)Provin北京地區(qū)2水庫水中主要天然放射性核素含量放射性核素官廳水庫密云水庫國家濃度限制天然鈾，μg/L7.10.750.0天然釷，μg/L0.50.1100.0226Ra，μg/L7.83.7111.0北京地區(qū)2水庫水中主要天然放射性核素含量放射性核素官廳水庫密北京地區(qū)大氣氡的連續(xù)測量分析測量結(jié)果分析（03年）年均值14.1±5.5Bq/m3；Max:40.4Bq/m3Min：2.7Bq/m3ERM原理(T.Iida,1996)測量系統(tǒng)實物北京地區(qū)大氣氡的連續(xù)測量分析測量結(jié)果分析（03年）ERM原理氡：長時間、高濃度暴露可導(dǎo)致肺癌

氡是無色無味的惰性氣體，從土壤、巖石和建材表面等逸出，可隨呼吸進入呼吸器官，氡和其短壽命子體衰變產(chǎn)生的α粒子可對氣管細胞造成輻射照射，導(dǎo)致?lián)p傷。氡：長時間、高濃度暴露可導(dǎo)致肺癌氡是無色無味的惰性氡的連續(xù)測量和結(jié)果分析季節(jié)變化：最大值多出現(xiàn)在秋季最小值出現(xiàn)在春季日變化：最大值出現(xiàn)在6-8時最小值在16-17時

氡的連續(xù)測量和結(jié)果分析季節(jié)變化：日變化：人體也是一個小放射源攝入途徑：食物、飲水、呼吸核素種類：

40K、14C、87Rb、氡子體正常情況下，體內(nèi)各種放射性核素相對穩(wěn)定：

40K：2960-4440Bq

14C:2849Bq

3H：9.25-37Bq210Pb：27.75Bq238U：1.85-3.33Bq226Ra：1.11-1.48Bq人體也是一個小放射源攝入途徑：食物、飲水、呼吸2、人類活動引起核輻射工業(yè)CT2、人類活動引起核輻射工業(yè)CT核物理基礎(chǔ)課件核物理基礎(chǔ)課件滅菌系統(tǒng)滅菌系統(tǒng)利用準直器將多個密封60Co放射源的γ射線聚焦于病變組織的中心，通過電離輻射生物效應(yīng)破壞或抑制病變組織，從而取得不開刀、不出血的手術(shù)切除效果，而且對病變周圍的正常組織損傷輕微或并不造成損傷。伽馬刀利用準直器將多個密封60Co放射源的γ射線聚焦于病變組織的中探測器可疑爆炸物探測器可疑爆炸物核工業(yè)：鈾礦冶煉航空：宇宙射線照射建材成分：煤渣、粉煤灰的再利用天然石采的利用其他引起核輻射的人類活動核工業(yè)：鈾礦冶煉其他引起核輻射的人類活動公眾所受輻射照射比例（1993年）公眾所受輻射照射比例（1993年）廣島：近15萬人消失3、人類引起的災(zāi)難性核輻射。廣島：3、人類引起的災(zāi)難性核輻射。1986年切爾諾貝利核電站1986年切爾諾貝利核電站中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖電法測井聲波測井核輻射測井核磁共振測井...研究地層核物理性質(zhì)的各種測井方法的總稱三、核輻射測井概況按物理性質(zhì)分電法測井聲波測井核輻射測井核磁共振測井...研究地層核物●伽馬測井1、核輻射測井的分類●伽馬測井1、核輻射測井的分類●中子測井以研究中子與地層或流體相互作用為基礎(chǔ)的測井方法。如超熱中子/熱中子測井、脈沖中子測井、中子伽馬測井、活化測井等。CementFormationRegionCasing&BHFluid●中子測井以研究中子與地層或流體相互作用為基礎(chǔ)的測井方法。如上世紀30年代末，美國和前蘇聯(lián)首先采用自然伽馬測井法評價地層和區(qū)別巖性。上世紀50年代，出現(xiàn)了中子伽馬測井和同位素示蹤測井。上世紀60年代，自然伽馬能譜測井得到應(yīng)用，巖性密度測井和脈沖中子測井逐步投入應(yīng)用。上世紀70年代，C/O能譜測井、各種中子測井及能譜測井技術(shù)趨于成熟。上世紀80年代，雙探測器技術(shù)開始廣泛應(yīng)用，核輻射測井技術(shù)趨于成熟。2、核輻射測井的發(fā)展上世紀30年代末，美國和前蘇聯(lián)首先采用自然伽馬測井法評價地層上世紀90年代，是核輻射測井發(fā)展最快的時代，出現(xiàn)了定向中子成像測井方法和地球化學(xué)元素測井方法；小井徑、多探頭、陣列核輻射儀器廣泛應(yīng)用；隨鉆核輻射測井技術(shù)快速發(fā)展；非化學(xué)源測井開始進入測試階段。國內(nèi)，1956年在玉門油田首次進行了自然伽馬測井；上世紀90年代，是核輻射測井發(fā)展最快的時代，出現(xiàn)了定向中子成3、核輻射測井的整體概況現(xiàn)有四十多種測井方法，居各種測井方法之首；能為石油勘探開發(fā)提供近五十種物理參數(shù)，高于電法測井居第一位；測井作業(yè)量占整個測井作業(yè)量的40%左右，居第二位。在套管井中或者說在開發(fā)測井中，核輻射測井居第一位，作業(yè)量也是第一的。3、核輻射測井的整體概況現(xiàn)有四十多種測井方法，居各種測井方法4、核輻射測井的作用：劃分地層，確定儲集層位置，如GR；確定地層巖性，如巖性密度測井；確定地層中元素的含量等，如自然伽馬能譜、地球化學(xué)元素測井；求取地層的各種參數(shù)，如孔隙度、儲層流體飽和度等，如DEN、中子測井；井眼流體性質(zhì)及含量的確定，如氧活化水流速度測井等；檢查套管和水泥環(huán)狀況等，如伽馬測井。4、核輻射測井的作用：劃分地層，確定儲集層位置，如GR；5、核輻射測井的獨特優(yōu)勢：能在含有各種井內(nèi)流體的裸眼井、套管井中，對不同類型的儲層進行測量，這是其他測井方法所不具備的；能提供大量物理參數(shù)，且大部分參數(shù)不可能用其它測井方法獲得，具有不可替代性，如地層元素含量、含氫指數(shù)等；是套管井測井和生產(chǎn)測井中最主要的測井方法，是油氣藏剩余油挖潛和監(jiān)測的主要測井手段5、核輻射測井的獨特優(yōu)勢：能在含有各種井內(nèi)流體的裸眼井、套管這門課是為核輻射測井奠定基礎(chǔ)。原子核物理基礎(chǔ)核輻射巖石物理基礎(chǔ)四、本課程的內(nèi)容及期末成績構(gòu)成這門課是為核輻射測井奠定基礎(chǔ)。原子核物理基礎(chǔ)核輻射巖石物理基第一章：原子核物理的一些基本概念和基礎(chǔ)知識第二章：伽馬與物質(zhì)相互作用及巖性密度測井第三章：巖石的天然放射性特性及自然伽馬測井第四章：中子與物質(zhì)的作用及相關(guān)中子測井第五章：核輻射探測及特征主要內(nèi)容：第一章：原子核物理的一些基本概念和基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容：最后的成績?nèi)绾螛?gòu)成總成績（100分）平時表現(xiàn)（35~40分）期末考試（閉卷，60~65分）最后的成績?nèi)绾螛?gòu)成總成績（100分）平時表現(xiàn)（35~40分）主要參考教材石油測井中的核物理基礎(chǔ)，郭余峰，石油工業(yè)出版社，1990年。放射性測井原理，黃隆基，石油工業(yè)出版社，1985年。核測井原理，黃隆基，石油大學(xué)出版社，2000年。核物理基礎(chǔ)，龐巨豐，石油工業(yè)出版社，2005年。主要參考教材石油測井中的核物理基礎(chǔ)，郭余峰，石油工業(yè)出版社，第一章原子核物理的一些基本概念和基本知識主要介紹一些原子核物理的基本概念，放射性和放射性射線，放射性衰變及衰變規(guī)律.第一章原子核物理的一些基本概念和基本知識主要介紹一些原子核一、歷史回顧重要人物H.Becquerel（貝克勒爾）,法國物理學(xué)家（1852-1908），1903年獲得諾貝爾獎。發(fā)現(xiàn)了鈾(U)放射現(xiàn)象，這是人類歷史上第一次在實驗室里觀察到原子核現(xiàn)象。一、歷史回顧重要人物H.Becquerel（貝克勒爾）,M.Curie（居里夫人），法國物理學(xué)家（1867-1934），波蘭人，1903年獲得諾貝爾獎。發(fā)現(xiàn)釙(Po)和鐳(Ra);她的女兒(I.Joliot-Curie,1897-1956)和女婿(F.Joliot-Curie,1900-1958)因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲1934年諾貝爾獎。M.Curie（居里夫人），法國物理學(xué)家（1867-1934E.Rutherford（盧瑟福），英國物理學(xué)家(1871-1937)，新西蘭人，1908年獲得諾貝爾獎。證實了α射線為4He，β

射線為電子；提出了原子的核式模型；首次實現(xiàn)人工核反應(yīng)；培養(yǎng)了10位諾貝爾獎獲得者。E.Rutherford（盧瑟福），英國物理學(xué)家(1871-J.Chadwick（查德威克），英國物理學(xué)家(1891-1974)，1932年因發(fā)現(xiàn)了中子獲得諾貝爾獎。中子的發(fā)現(xiàn)被認為是原子核物理的誕生。J.Chadwick（查德威克），英國物理學(xué)家(1891-1E.Fermi（費米），意大利物理學(xué)家(1901-1954)，1938年獲得諾貝爾獎。發(fā)明了熱中子鏈式反應(yīng)堆。E.Fermi（費米），意大利物理學(xué)家(1901-1954)R.L.Mossbauer（穆斯堡爾）,德國物理學(xué)家(1929-1976)。1961年因為對γ輻射的共振吸收的研究和發(fā)現(xiàn)的Mossbauer效應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎。R.L.Mossbauer（穆斯堡爾）,德國物理學(xué)家(19李政道、楊振寧發(fā)現(xiàn)了在弱相互作用中宇稱不守恒，并由吳健雄的實驗所證實。李政道、楊振寧發(fā)現(xiàn)了在弱相互作用中宇稱不守恒，并由吳健雄的實丁肇中，(1936—)與B.Richter,(1931—)分別發(fā)現(xiàn)J／ψ粒子，找到了美夸克存在的證據(jù)，1976年獲諾貝爾獎。丁肇中，(1936—)與B.Richter,(1931—二、基本概念和基礎(chǔ)知識1、原子和原子核原子序數(shù)Z核電荷數(shù)Z電子數(shù)質(zhì)量數(shù)A中子數(shù)N質(zhì)子數(shù)Z二、基本概念和基礎(chǔ)知識1、原子和原子核原子序數(shù)Z原子的表示方法原子質(zhì)量單位：是以碳的同位素12C為標準確定的，即1個原子質(zhì)量單位u為12C靜止質(zhì)量的1/12，也就是1u=mc/12=1.660566×10-27kg。質(zhì)子質(zhì)量為：1.00758u。中子質(zhì)量為：1.00887u。XAZ元素符號原子序數(shù)質(zhì)量數(shù)XA原子的表示方法XAZ元素符號原子序數(shù)質(zhì)量數(shù)XA能態(tài)：基態(tài)：激發(fā)態(tài)：2、能態(tài)、基態(tài)和激發(fā)態(tài)原子核處于不同的能量狀態(tài)。能量最低的狀態(tài)。處于比基態(tài)高的能量狀態(tài)。能態(tài)：2、能態(tài)、基態(tài)和激發(fā)態(tài)原子核處于不同的能量狀態(tài)。能量最定義：具有特定原子序數(shù)（即質(zhì)子數(shù)或核電荷數(shù)）、質(zhì)量數(shù)（即核子數(shù)）和核能態(tài)，而且其平均壽命長到足以被觀察到（一般長于10-10s）的一類原子。核素可以是穩(wěn)定的，也可以是不穩(wěn)定的。目前已經(jīng)知道的核素大約有2700種，其中約300種是穩(wěn)定的，其余是不穩(wěn)定的，即放射性的。3、核素

3、核素核素圖核素圖核素與元素是什么關(guān)系？核素與同位素什么關(guān)系？思考：核素與元素是什么關(guān)系？思考：最初的化學(xué)原子概念是元素原子，即同一種元素對應(yīng)有同一種原子，因此某種元素的原子量被規(guī)定為該元素原子的相對質(zhì)量。同位素的發(fā)現(xiàn)揭示出元素并不是化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量完全相同的一類原子，同一種元素的原子其質(zhì)量可以不同，因而元素原子量所反映的是各種同位素原子質(zhì)量的平均值。原子物理學(xué)的研究進一步表明，原子的質(zhì)量主要是由構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子的數(shù)目決定的，而元素的化學(xué)性質(zhì)只同質(zhì)子數(shù)有關(guān)。為了進一步區(qū)分元素的同位素，科學(xué)家們引進了同位素的質(zhì)量數(shù)，即質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。從元素的化學(xué)性質(zhì)看，不同的同位素在元素周期表上處于同一位置,故稱“同位素”,而從原子核的角度看，同位素又是同一種元素的質(zhì)量不同的原子核，也稱為核素。核素是如何引入核物理中的?最初的化學(xué)原子概念是元素原子，即同一種元素對應(yīng)有同一種原子，這時，核素只不過是同位素的別稱。后來發(fā)現(xiàn)地球上天然存在的和人工制造的原子核都有“同核異能態(tài)”的現(xiàn)象，即具有相同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核所顯現(xiàn)出來的核性質(zhì)如衰變方式、半衰期、能量等可以不同。同核異能態(tài)是原子核層次的“同分異構(gòu)體”，“同分”是指相同數(shù)目的質(zhì)子和中子，“異構(gòu)”則表示它們構(gòu)成原子核的方式不同。但同位素概念不足以反映這種“同分異構(gòu)”現(xiàn)象。如果把核素概念定義為同一同位素的核性質(zhì)不同的原子核，就可以概括核的同分異構(gòu)現(xiàn)象。因此，核素也就成了表達核性質(zhì)的獨立概念。這時，核素只不過是同位素的別稱。后來發(fā)現(xiàn)地球上天然存在的和人定義：

元素的豐度可以用列表法或作圖法給出。在列表或作圖時，通常都把硅(Si)的豐度值取為10，其他核素的豐度值按比例確定。某種核素在其天然同位素混合物中所占的原子核數(shù)目的百分比稱為該核素的豐度4、豐度定義：某種核素在其天然同位素混合物中所占的原子核數(shù)目的百分核物理基礎(chǔ)課件5、放射性及放射性衰變1）定義：原子核自發(fā)的放出各種射線而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素的過程。5、放射性及放射性衰變1）定義：原子核自發(fā)的放出各種射線而轉(zhuǎn)2）α衰變表達式：特點：

α衰變主要發(fā)生于重核,絕大多數(shù)α衰變發(fā)生于A>200的重核。但不等于A>200都能發(fā)生α衰變。XA-4ZYAZ-2+He242）α衰變表達式：XA-4ZYAZ-2+He243）β衰變表達式：XAZYAZ+1+e-+v_XZAYZ-1A+e++v_β-衰變：β+衰變：3）β衰變表達式：XAZYAZ+1+e-+v_XZAYZ-1特點：中子數(shù)過多發(fā)生βˉ衰變，質(zhì)子數(shù)過多發(fā)生β+衰變。β粒子的能量是連續(xù)能量，能譜連續(xù)分布。幾乎所有的放射性核素都存在β衰變特點：4）γ衰變定義：原子核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，放出射線的衰變過程稱為衰變.4）γ衰變定義：原子核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時原子核的退激，必然伴隨有γ射線的放出，γ射線的能量就等于相應(yīng)的核能級之間的能量差。X射線產(chǎn)生于原子內(nèi)層電子的躍遷，它與γ射線的差別在于能量和產(chǎn)生的方式不同而已。原子核的退激，必然伴隨有γ射線的放出，γ射線的能量就等于相發(fā)生衰變時，原子核的激發(fā)能也可以直接傳遞給核外的內(nèi)層電子，使之脫離軌道成為自由電子，這一過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，發(fā)射的電子叫做內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換后該層軌道的空缺隨后由外層電子填補，從而發(fā)射特征X射線和俄歇電子(Augerelectron)發(fā)生衰變時，原子核的激發(fā)能也可以直接傳遞給核外的內(nèi)層電子，5）放射性衰變的特點放射性衰變過程是由核內(nèi)擾動影響而發(fā)生的，與外界條件無關(guān)；有些原子核衰變釋放一種或二種射線，有些卻同時釋放三種射線；原子核衰變規(guī)律與放出射線的種類無關(guān)，與外界環(huán)境無關(guān)。5）放射性衰變的特點放射性衰變過程是由核內(nèi)擾動影響而發(fā)生的，放射性核素發(fā)射的射線有三種：α、β和γ射線。6）放射性射線及性質(zhì)放射源鉛盒照相底片放射性核素發(fā)射的射線有三種：6）放射性射線及性質(zhì)放射源鉛盒照α射線：由高速運動的氦原子核（稱為α粒子）組成的。它的穿透能力最低（在巖石中只有0.001cm），但電離作用最強。在核輻射測井中，利用α粒子與某些原子核的相互作用可制造中子源。α射線：β射線：是高速運動的電子流。它的穿透能力比α射線強(在金屬中為0.09cm)，但電離作用比α粒子弱。在核輻射測井中，利用某些發(fā)射β射線的核素作為井間監(jiān)測示蹤劑。β射線：γ射線：是波長很短的電磁波。它的穿透能力最強，電離作用最弱。γ射線能穿透幾十厘米的地層、水泥環(huán)、套管和下井儀器的外殼。這一特性使得它成為核輻射測井主要探測對象。γ射線：射線種類組成速度貫穿本領(lǐng)電離作用射線射線

粒子是氦原子核

粒子是高速電子流

波長很短的電磁波很小一張薄紙就能擋住很大能穿過幾毫米厚的鋁板最大能穿過幾毫米厚的鉛板射線約接近等于很強很小較弱CC三種射線的性質(zhì)由下表列出：射線種類組成速度貫穿本領(lǐng)電離作用射線射線1908年，放射性現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)不久，盧瑟福等人做了這樣一個實驗：將氡氣密封儲存，發(fā)現(xiàn)，4天后氡氣減少至原來的1/2，8天后減少至原來的1/4，12天后減少至原來的1/8…30天后基本已經(jīng)沒有了7）簡單放射性衰變的基本規(guī)律1908年，放射性現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)不久，盧瑟福等人做了這樣一個實驗：核物理基礎(chǔ)課件如果我們用N(t)表示時刻t存在的原子核數(shù)，那么在時刻t到t+dt之間單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)dN/dt就應(yīng)當(dāng)和N(t)成正比，即

-dN/dt∝N(t)-dN=λN(t)dt

如果我們用N(t)表示時刻t存在的原子核數(shù)，那么在時刻t到t對上式積分并令t=0時的原子數(shù)為N0，則有：這就是原子核衰變的基本規(guī)律：原子核衰變遵循指數(shù)衰減規(guī)律。原子核衰變的指數(shù)規(guī)律是原子核本身固有的性質(zhì)，只和它的內(nèi)部狀態(tài)有關(guān)。外界因素如高溫、高壓、強磁場、電場等都不能改變原子核這種指數(shù)衰變特性。不同的放射性核素的λ不同，即衰變速度不同。N(t)=N0e-λt

對上式積分并令t=0時的原子數(shù)為N0，則有：N(t)=N0e核物理基礎(chǔ)課件必須指出：原子核衰變規(guī)律是一個統(tǒng)計性規(guī)律，只有在原子核的數(shù)目足夠大時才是正確的，否則沒有意義。這是因為核衰變是自發(fā)的，對于一個核來講純屬偶然，只有大數(shù)目的原子核才遵循統(tǒng)計規(guī)律。必須指出：原子核衰變規(guī)律是一個統(tǒng)計性規(guī)律，只有在原子核的數(shù)目定義：衰變規(guī)律公式中的常數(shù)λ，反映了原子核衰變速度的快慢，稱之為衰變常數(shù)。表達式：-dN/dt的意義：表示在時刻t的單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)，它與當(dāng)時存在的原子核數(shù)N(t)成正比的。8）衰變常數(shù)λ=dNdt/N(t)_定義：衰變規(guī)律公式中的常數(shù)λ，反映了原子核衰變速度的快慢，稱衰變常數(shù)λ的確切物理意義：表示一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率。衰變常數(shù)λ量綱：[T]-1，通常用秒-1或分-1。不同的放射性核素具有不同的衰變常數(shù)λ。指數(shù)衰減規(guī)律反映了原子核衰變的“共性”，衰變常數(shù)反映了各種原子核的“個性”。

衰變常數(shù)λ的確切物理意義：表示一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰定義：放射性原子核衰變到數(shù)量減少一半所經(jīng)過得時間。

表示符號：T1/2意義：表示原子核衰變的快慢。T1/2和λ都表示原子核衰變的快慢。9）半衰期定義：放射性原子核衰變到數(shù)量減少一半所經(jīng)過得時間。9）半衰那么二者之間的關(guān)系：由半衰期的定義知：由衰減的規(guī)律公式有：當(dāng)t=T1/2N=N02N=N02=N0e-λT1/2那么二者之間的關(guān)系：當(dāng)t=T1/2N=N02N=N02=N0T1/2=ln2λλ=0.693可見：原子核的半衰期與衰變常數(shù)成反比關(guān)系，即半衰期長，衰變常數(shù)就??；半衰期短，衰變常數(shù)就大。

原因：在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率越大，原子核得衰變就越快，原子核總數(shù)減少一半的時間自然也就越短。

T1/2=ln2λλ=0.693定義：就是指一種放射性原子核平均能夠生存的時間，通常用τ表示。求取方法：由衰減規(guī)律公式知：在時刻t的一個極小時間間隔dt內(nèi)，發(fā)生衰變的原子核數(shù)為λNdt；可以認為有λNdt個原子核生存的時間（即壽命）是t，即這些原子核的壽命之和為tλNdt。6、平均壽命定義：就是指一種放射性原子核平均能夠生存的時間，通常用τ表示如果t=0時的原子核數(shù)為N0

，則原子核的總壽命原子核的平均壽命為：N=N0e-λt

如果t=0時的原子核數(shù)為N0，則原子核的總壽命N=N0e-核物理基礎(chǔ)課件定義：把單位時間內(nèi)一個放射源發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為放射性活度，也稱放射性強度，通常用符號A表示。7、放射性活度A=λN=A=λN=λN0e-λt

=A0e-λt

定義：把單位時間內(nèi)一個放射源發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為放射性活度A0稱為初始放射性活度。放射性活度的單位：①由于歷史原因，習(xí)慣上采用居里（Ci）作為放射性活度單位。它的定義是：一個放射源如果在每秒內(nèi)產(chǎn)生3.7×1010次衰變，這個放射源的放射性活度即為1居里，即

②放射性活度的國際單位是貝可勒爾，簡稱貝可，記作Bq。它的定義是：放射源每秒產(chǎn)生一次衰變?yōu)?貝可，1Bq=1s-1。③二者關(guān)系：

1Ci=3.7×1010BqA0稱為初始放射性活度。1Ci=3.7×1010Bq例1：已知226Ra的半衰期為1600y，問1g226Ra的放射性活度是多少貝可勒爾？解：T1/2=1600×365×24×3600=5.04×1010s；λ=0.693/T1/2=1.375×10-11s-1N=(m/M)NA=(1/226)×6.022×1023=2.665×1021A=λN=3.664×1010s-1=3.664×1010Bq例1：已知226Ra的半衰期為1600y，問1g226Ra例2：已知222Rn的半衰期為3.82d，問1μCi和1000Bq的222Rn質(zhì)量分別是多少？解T1/2=3.82×24×3600=3.3×105s；λ=0.693/T1/2=2.1×10-6s-1例2：已知222Rn的半衰期為3.82d，問1μCi和100定義：表達式：意義：比放射性活度單位質(zhì)量放射性物質(zhì)的放射性活度。即放射源的放射性活度與其質(zhì)量比，也稱比活度，用a表示。a=A/m(Bq/g或Ci/g)。a的大小表示放射源純度的高低。定義：比放射性活度單位質(zhì)量放射性物質(zhì)的放射性活度。即放射源的例1：已知131I的半衰期是8.04d，計算其比發(fā)射性活度。a=1.25×105(Cig-1)例1：已知131I的半衰期是8.04d，計算其比發(fā)射性活度。例2：實驗室測得純235U樣品的比放射性活度為80Bq.mg-1，試求235U半衰期。例2：實驗室測得純235U樣品的比放射性活度為80Bq.mg8、放射性與人體的健康-吸收劑量核輻射對人體的危害取決于受不同輻射的時間以及吸收劑量。吸收劑量D的定義為：任何核輻射對某體積元中質(zhì)量為dm的物質(zhì)產(chǎn)生的平均能量,即D=/dm。D的國際單位SI單位是焦耳/千克(J/kg)，專業(yè)名稱叫戈瑞(Gy)；D的專用單位是拉德(rad)，1Gy=100rad=1J/kg。相應(yīng)地，劑量當(dāng)量的國際單位單位的專名叫希［沃特］(Sv)，專用單位叫雷姆(rem),1Sv=100rem=1J/kg。8、放射性與人體的健康-吸收劑量核輻射對人體的危害取決于受不450000～800000：30天內(nèi)將進入垂死狀態(tài)；200000～450000：掉頭發(fā)，血液發(fā)生嚴重病變，一些人在2至6周內(nèi)死亡；60000～100000：出現(xiàn)各種輻射疾?。?0000：患癌癥的可能性為1/130；5000：每年工作中所遭受的核輻射量；700：大腦掃描的核輻射量；60：人體內(nèi)的輻射量；10：乘飛機時遭受的輻射量；8：建筑材料每年所產(chǎn)生的輻射量；1：腿部或者手臂進行X光檢查時的輻射量。單位：毫雷姆450000～800000：30天內(nèi)將進入垂死狀態(tài)；單位國務(wù)院《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》規(guī)定，從高到低將放射源分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，V類源的下限活度值為該種核素的豁免活度。Ⅰ類放射源為極高危險源。沒有防護情況下，接觸這類源幾分鐘到1小時就可致人死亡;Ⅱ類放射源為高危險源。沒有防護情況下，接觸這類源幾小時至幾天可致人死亡;Ⅲ類放射源為危險源。沒有防護情況下，接觸這類源幾小時就可對人造成永久性損傷，接觸幾天至幾周也可致人死亡;Ⅳ類放射源為低危險源?；静粫θ嗽斐捎谰眯該p傷，但對長時間、近距離接觸這些放射源的人可能造成可恢復(fù)的臨時性損傷;Ⅴ類放射源為極低危險源。不會對人造成永久性損傷。國務(wù)院《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》規(guī)定，從高到低第二章伽馬射線與物質(zhì)的作用及巖性密度測井本章重點：伽馬射線與物質(zhì)的相互作用伽馬射線的探測巖性密度測井第二章伽馬射線與物質(zhì)的作用及巖性密度測井本章重點：第一節(jié)伽馬射線與物質(zhì)的相互作用天然產(chǎn)生由伽馬源產(chǎn)生一、伽馬射線的來源1、伽馬射線的產(chǎn)生方式第一節(jié)伽馬射線與物質(zhì)的相互作用天然產(chǎn)生一、伽馬射線的來源定義：能夠產(chǎn)生伽馬射線的裝置。進行γ-γ測井、γ活化法測井時使用的γ射線源，它由人工或天然放射性同位素制成，如鈷(60Co)源，銫(137Cs)源，鋅(65Zn)源、汞(203Hg)源和鈰(141Ce)源。測井中最常用的是：鈷(60Co)源和銫(137Cs)源2、伽馬源定義：能夠產(chǎn)生伽馬射線的裝置。2、伽馬源目前γ-γ測井即巖性密度測井中使用的伽馬源基本上都是137Cs源。伽馬源的性質(zhì)：伽馬源的性質(zhì)是由源強、能量分布、角分布等決定的。以密度測井的137Cs源為例，其源強是2、1.5或1Ci，單能伽馬射線（0.662MeV），各向同性發(fā)射。思考：能否產(chǎn)生可控伽馬源？目前γ-γ測井即巖性密度測井中使用的伽馬源基本上都是137C目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地層中的元素有100多種，幾乎所有的化學(xué)元素都能在地層中找到。但主要的地層元素只有少數(shù)幾種。在地殼內(nèi)化學(xué)元素含量按重量百分比大小的分布依次為O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti、C、Cl等。二、地層元素分布及含量目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地層中的元素有100多種，幾乎所有的化學(xué)元素都能各元素在地層中的總量分布極不均勻，前三種元素O、Si和Al總量占地殼總量的82.58%；前9種即O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg和H總量占地殼總量的98.13%；而其余元素僅占地殼元素總量的1.87%。核輻射測井所關(guān)心的不是地層中所有的元素，而是含量在前10種元素。各元素在地層中的總量分布極不均勻，前三種元素O、Si和Al總地層元素質(zhì)量百分比/%OSiAlFeCaKMgH其他49.1326.007.454.203.252.402.351.001.87地層元素含量分布表地層元素質(zhì)量百分比/%OSiAlFeCaKMgH其他49.11、光電效應(yīng)的發(fā)展歷史1887年H.Hertz（赫茲）在研究電磁場波波動性質(zhì)時無意中發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)現(xiàn)象。1899年，

J.J.Thomson（湯姆生，1856-1940)測量光電流的荷質(zhì)比，肯定光電流和陰極射線同樣都是高速運動的電子，他于1906獲諾貝爾獎。1900年，Lenard（雷納，1862-1947)發(fā)現(xiàn)改變光的強度對截止電壓沒有影響，1902提出出發(fā)假說，他于1905獲得諾貝爾獎。三、光電效應(yīng)1、光電效應(yīng)的發(fā)展歷史1887年H.Hertz（赫茲）在研1905愛因斯坦(Einstein)提出光量子理論和光電方程。1921獲得諾貝爾獎，因為密立根實驗證實了他的光電方程，光量子理論才開始被人們接受，因而得到此獎。(註：光子一詞是1926年由路易斯(Lewis)提出的)1904~1916密立根(Millikan,1868-1953,美)歷經(jīng)了十多年，終于在1916年發(fā)表實驗證實愛因斯坦的光量子理論和光電方程，并由此測得普朗克常數(shù)，1923獲得諾貝爾獎。1905愛因斯坦(Einstein)提出光量子理論和光電方陽極陰極石英窗2.光電效應(yīng)實驗?實驗結(jié)果：在光（包括不可見光）照射下物體中，電路中產(chǎn)生的電流。?光電效應(yīng)實質(zhì)：光轉(zhuǎn)換為電。陽極陰極石英窗2.光電效應(yīng)實驗?實驗結(jié)果：在光（包括不可見1）光電效應(yīng)實驗結(jié)果：任何一種金屬都有一極限頻率ν0，入射光的頻率必須大于ν0（無論光強多大）才能發(fā)生光電效應(yīng)。光電子的最大初動能只隨入射光的頻率增大而增大，而與入射光的強度無關(guān)。光電效應(yīng)的發(fā)生是瞬時的，不超過10-9s發(fā)生光電效應(yīng)時，入射光越強，光電流越大，相同時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多。1）光電效應(yīng)實驗結(jié)果：任何一種金屬都有一極限頻率ν0，入射光2）波動說（電磁理論）對光電效應(yīng)解釋遇到的困難波動理論光電效應(yīng)實驗結(jié)果困難1光能由振幅決定，與光頻率無關(guān)，只要光強足夠大（不論入射光的頻率多），總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應(yīng)如果ν﹤ν0，無論光強有多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)，光能應(yīng)由光頻率來決定困難2光強越大，電子可獲得更多能量，光電子的最大初動能也應(yīng)該越大，即出射電子的最大初動能應(yīng)該由光強來決定光電子的最大初動能與光強無關(guān)，而與頻率有關(guān)2）波動說（電磁理論）對光電效應(yīng)解釋遇到的困難波動理論光電效3）光子說的提出愛因斯坦在1905年提出光子說，即在空間中傳播的光也不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子。光子的能量E跟光的頻率ν成正比。

E=hν

其中h是一個常量，叫普朗克常量。

h=6.63×10－34J.s3）光子說的提出愛因斯坦在1905年提出光子說，即在空間中傳1）光電效應(yīng)定義：當(dāng)一個γ光子與物質(zhì)原子中的束縛電子作用時，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子，使之脫離原子而發(fā)射出去，而光子本身被全部吸收，這個過程稱為光電效應(yīng)。由光電效應(yīng)發(fā)射出來的電子稱為光電子。4、核輻射測井中的光電效應(yīng)1）光電效應(yīng)定義：當(dāng)一個γ光子與物質(zhì)原子中的束縛電子作用時，能量E0光子靶核光電子束縛電子能量E0光子靶核光電子束縛電子2）光電子的能量：由能量守恒定律知，光電子能量Ee為hv為入射γ光子的能量；Ei為第i殼層電子的結(jié)合能。Ee=hv_Ei光電峰NE2）光電子的能量：Ee=hv_Ei光電峰NE光電效應(yīng)只有在束縛電子上發(fā)生，電子在原子中被束縛得越緊，就越容易發(fā)生光電效應(yīng)。所以，K殼層上打出光電子的幾率最大，L殼層次之，M、N殼層更次之。γ光子與原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面（即幾率）與入射光子能量的關(guān)系：入射光子能量hv很高時，截面σph很小。因為電子在原子中束縛程度的大小是與入射光子的能量相比較而言的。當(dāng)入射光子的能量很高時，相對來說，電子的束縛程度就很低，所以截面就很小。3）光電效應(yīng)的特點：光電效應(yīng)只有在束縛電子上發(fā)生，電子在原子中被束縛得越緊，就越發(fā)生光電效應(yīng)的截面原子序數(shù)的關(guān)系：對于同一能量的入射光子來說，物質(zhì)的原子序數(shù)越高，光電效應(yīng)截面越大。因為原子序數(shù)高，電子在原子中束縛程度也就高，所以截面就大。光電效應(yīng)截面與作用物質(zhì)的原子序數(shù)有著強烈的依賴關(guān)系。這就是巖性密度測井利用光電效應(yīng)判斷地層巖性的依據(jù)。探測器應(yīng)選用盡可能高Z的物質(zhì)作為介質(zhì)。發(fā)生光電效應(yīng)的截面原子序數(shù)的關(guān)系：對于同一能量的入射光子來說γ射線或中子與物質(zhì)發(fā)生各種相互作用都有一定的幾率，通常用截面σ這個物理量來表示作用幾率的大小，其定義是：5、核反應(yīng)截面σ=N’INs單位時間內(nèi)發(fā)生的核反應(yīng)數(shù)單位時間內(nèi)入射粒子數(shù)×單位面積的靶核數(shù)=γ射線或中子與物質(zhì)發(fā)生各種相互作用都有一定的幾率，通常用截面σ的確切物理意義是：一個入射γ光子或中子與單位面積上一個靶原子發(fā)生作用的幾率。單位：它具有面積的量綱。一般用10-24cm2作為σ的單位，稱為靶恩（b）。截面σ僅反映γ射線或中子與物質(zhì)相互作用幾率大小的一個物理量，但不表示原子或原子核的真實幾何截面。σ的確切物理意義是：一個入射γ光子或中子與單位面積上一個靶原1923年，美國物理學(xué)家康普頓和中國物理學(xué)家吳有訓(xùn)在研究x射線通過實際物質(zhì)發(fā)生散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)了一個新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長I0的X光外，還產(chǎn)生了波長不同的X光，其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)（1927年獲諾貝爾獎）四、康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)(comptoneffect)1923年，美國物理學(xué)家康普頓和中國物理學(xué)家吳有訓(xùn)在研究x射吳有訓(xùn)(1897—1977)物理學(xué)家、教育家中國科學(xué)院副院長清華大學(xué)物理系主任、理學(xué)院院長1928年被葉企孫聘為清華大學(xué)物理系教授對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻，在普頓的一本著作中曾19處提到吳的工作吳有訓(xùn)(1897—1977)........................................................................................θ=0θ=45θ=90θ=135OOOO(a)(b)(c)(d)相對強度0.7000.750o波長λ(A)實驗結(jié)果..............................在我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)與康普頓合作期間，在1926年所作的實驗指出：在原子量小的物質(zhì)中，康普頓散射較強，在原子量大的物質(zhì)中，康普頓散射較弱；波長的改變隨散射角(散射線與入射線之間接的夾角)而異；當(dāng)散射角增加時，波長的改變也隨之增加；在同一散射角下，對于所有散射物質(zhì)，波長的改變都相同。1、實驗結(jié)論：在我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)與康普頓合作期間，在1926年所作的實驗從波動理論來看，帶電粒子受迫振動頻率應(yīng)等于入射光的頻率；所以，散射光的頻率應(yīng)與入射光的頻率相同?？梢姡霉獾牟▌永碚撝荒芙忉尣ㄩL不變的散射，而不能解釋康普頓效應(yīng)。1923年5月，康普頓用愛因斯坦的光子概念成功地解釋了x

射線通過石墨時所發(fā)生的散射。2、實驗解釋從波動理論來看，帶電粒子受迫振動頻率應(yīng)等于入射光的頻率；所以1）康普頓效應(yīng)：當(dāng)入射γ光子能量增高后，光電效應(yīng)逐漸減弱，康普頓效應(yīng)成為γ光子損失能量的主要方式。在康普頓效應(yīng)中，入射γ光子與原子的核外電子發(fā)生彈性碰撞，把一部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，使電子脫離原子成為反沖電子，損失能量后的γ光子則朝另一個方向散射出來。3、核輻射測井中的康普頓效應(yīng)1）康普頓效應(yīng)：當(dāng)入射γ光子能量增高后，光電效應(yīng)逐漸減弱，康能量E0光子靶核反沖電子束縛電子散射光子能量E0光子靶核反沖電子束縛電子散射光子2）散射光子的能量hv：碰撞前：光子能量為ho，動量為ho/c；電子的能量為moc2，動量為零。碰撞后：光子散射角為，光子能量為h，動量為h/c；電子飛出的方向與入射光子的夾角為，它的能量為，動量為。伽馬光子2）散射光子的能量hv：碰撞前：光子能量為ho，動量為h反沖電子碰撞過程能量守恒動量守恒①②③反沖電子碰撞過程能量守恒動量守恒①②③從上面式子可以推出：散射光子能量反沖電子能量角度關(guān)系從上面式子可以推出：散射光子能量反沖電子能量角度關(guān)系康普頓效應(yīng)不僅在束縛電子上可以發(fā)生，而且在自由電子上也可以發(fā)生。正因為如此，康普頓效應(yīng)大多是在原子的外層電子上發(fā)生。思考：原子序數(shù)？思考：入射能量？3）康普頓效應(yīng)的特點康普頓效應(yīng)不僅在束縛電子上可以發(fā)生，而且在自由電子上也可以發(fā)4）康普頓散射截面能量比較低時:

入射能量比較高時:

式中，r0

為電子的經(jīng)典半徑。散射截面與Z的一次方成正比，而隨E增加而減少。4）康普頓散射截面5）反沖電子能量分布即便是單能射線入射，反沖電子能量是連續(xù)分布的。由上面的公式：可得：=0o時，E=E，Eemin=0,反沖電子能量為零。=180o時，對不同的角度，反沖電子能量不同，為一連續(xù)分布,5）反沖電子能量分布6）康普頓效應(yīng)減弱系數(shù)μe：

由康普頓效應(yīng)導(dǎo)致的γ射線在通過單位距離物質(zhì)時的強度減弱。這也是康普頓效應(yīng)求取地層密度的依據(jù)6）康普頓效應(yīng)減弱系數(shù)μe：由康普頓效應(yīng)導(dǎo)致的γ射線在通1）電子對效應(yīng)：當(dāng)入射γ光子的能量大于兩個電子的靜止質(zhì)量能（即大于1.022MeV）時，在原子核的庫倫場作用下，光子轉(zhuǎn)化為一個負電子和一個正電子，形成正負電子對，這個過程稱為電子對效應(yīng)。2）發(fā)生電子對效應(yīng)的條件：一是除了γ光子和電子外，還必須由原子核參與；二是γ光子必須具有足夠大的能量（大于1.022MeV）。五、電子對效應(yīng)1）電子對效應(yīng)：當(dāng)入射γ光子的能量大于兩個電子的靜止質(zhì)量能（能量E0光子靶核負電子正電子3）正負電子對的動能為：Ee++Ee-=h-2m0C2能量E0光子靶核負電子正電子3）正負電子對的動能為：Ee+4）產(chǎn)生的正負電子對在物質(zhì)中損失能量后，達到熱平衡，正電子在熱平衡時與物質(zhì)中的負電子產(chǎn)生淹沒光子，發(fā)出兩個0.511MeV的射線，方向相反。這兩個射線產(chǎn)生的時間非常短，與物質(zhì)再次相互作用產(chǎn)生光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)，產(chǎn)生次級快速電子。5）由正負電子對在物質(zhì)中產(chǎn)生的電子－離子對將與淹沒輻射產(chǎn)生的次級電子在物質(zhì)中再產(chǎn)生的電子－離子對疊加在一起，形成電子對效應(yīng)的射線信號輸出譜。4）產(chǎn)生的正負電子對在物質(zhì)中損失能量后，達到熱平衡，正電子在6）電子對效應(yīng)的截面：所以，電子對效應(yīng)的截面與Z2成正比，隨射線能量增大而增大。6）電子對效應(yīng)的截面：7）電子對效應(yīng)減弱系數(shù)μp：γ射線通過單位厚度的吸收介質(zhì)時，因形成電子對而導(dǎo)致γ射線強度的減弱。7）電子對效應(yīng)減弱系數(shù)μp：γ射線通過單位厚度的吸收介質(zhì)時對低能射線與高原子序數(shù)的作用物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢；對中能射線與低原子序數(shù)的作用物質(zhì)，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢；對高能射線與高原子序數(shù)的作用物質(zhì)，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。思考：0.662MeV？1.022MeV?對低能射線與高原子序數(shù)的作用物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢；思考：0光電效應(yīng)截面用σph表示，康普頓散射截面用σc表示，電子對效應(yīng)截面用σp表示。六、伽馬射線與物質(zhì)作用的總截面光電效應(yīng)截面用σph表示，康普頓散射截面用σc表示，電子對效設(shè)有一束強度為I0，準直的單能γ射線沿水平方向垂直地通過單位面積吸收物質(zhì)。設(shè)吸收物質(zhì)單位體積內(nèi)的原子數(shù)為N，密度為ρ，吸收截面為σr。七、物質(zhì)對伽馬射線的吸收規(guī)律設(shè)有一束強度為I0，準直的單能γ射線沿水平方向垂直地通過單位穿過物質(zhì)后的強度減弱為：-dI=I0Nσrdx令穿過物質(zhì)后的強度減弱為：-dI=I0Nσrdx令這表明：γ射線通過吸收物質(zhì)時，其強度的減弱服從指數(shù)衰減規(guī)律。積分I=I0e-μx這表明：γ射線通過吸收物質(zhì)時，其強度的減弱服從指數(shù)衰減規(guī)律。μ是物質(zhì)的總吸收系數(shù)，單位cm-1：由于線性吸收系數(shù)μ近似正比于吸收物質(zhì)的密度ρ

，而ρ是隨介質(zhì)的物理狀態(tài)而變化的，為了消除ρ的影響，常采用質(zhì)量吸收系數(shù)μm=μ/ρ，單位是cm2/g。μ=μphμeμp++μmμphμeμpρ=++ρρμ是物質(zhì)的總吸收系數(shù)，單位cm-1：μ=μphμeμp++μ核物理基礎(chǔ)課件當(dāng)光子能量>1.022MeV時，只發(fā)生電子對效應(yīng)。當(dāng)光子能量<0.1MeV時，只能發(fā)生光電效應(yīng)。某一殼層電子的結(jié)合能越大，發(fā)生光電效應(yīng)的截面越大?？灯疹D效應(yīng)更容易發(fā)生在自由電子上。電子對效應(yīng)是光子與電子碰撞產(chǎn)生的一種反應(yīng)。（×）（×）（×）（√）（×）當(dāng)光子能量>1.022MeV時，只發(fā)生電子對效應(yīng)。（×）第二節(jié)γ射線的探測γ射線與物質(zhì)相互作用過程中，發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。這三種效應(yīng)均產(chǎn)生次級電子，這些電子能引起組成探測器靈敏元件中物質(zhì)原子的電離和激發(fā)。絕大多數(shù)儀器都是利用這兩種物理現(xiàn)象來探測γ射線的。一、γ射線探測的基本原理第二節(jié)γ射線的探測γ射線與物質(zhì)相互作用過程中，發(fā)生光電效應(yīng)1、電離作用：定義：帶電粒子（次級電子）與組成物質(zhì)原子的束縛電子發(fā)生非彈性碰撞，運動的帶電粒子與束縛電子之間產(chǎn)生靜電作用，使束縛電子產(chǎn)生加速運動，因而獲得足夠的能量掙脫原子核的束縛，變成自由電子，這樣就產(chǎn)生了由自由電子和正離子組成的離子對。探測儀器：利用這種現(xiàn)象的探測器主要有電離室、正比計數(shù)器、蓋革-彌勒計數(shù)管（早期測井探測γ射線幾乎都采用），但由于計數(shù)效率低且不能記錄能譜，現(xiàn)已不用。1、電離作用：2、激發(fā)：定義：如果束縛電子所獲得的能量還不足以使它變成自由電子，而只是激發(fā)到更高的能級，則稱之為激發(fā)。受激的原子在退激時能釋放出光子，發(fā)生閃光，稱之為熒光。探測儀器：收集熒光的探測器是閃爍探測器/閃爍計數(shù)器，是目前測井應(yīng)用最廣泛的探測器。2、激發(fā)：在1903年就有人發(fā)現(xiàn)α粒子照射在硫化鋅粉末上可產(chǎn)生熒光的現(xiàn)象。1947年，將光電倍增管與閃爍體結(jié)合起來后才制成現(xiàn)代的閃爍探測器。二、閃爍探測器scintillationdetector

在1903年就有人發(fā)現(xiàn)α粒子照射在硫化鋅粉末上可產(chǎn)生熒光的1、閃爍探測器的組成閃爍探測器主要由閃爍體、光電倍增管和電子儀器三部分組成。通常將閃爍體、光電倍增管和前置放大器都裝在一個暗盒中，統(tǒng)稱為探頭。1、閃爍探測器的組成核物理基礎(chǔ)課件NaI晶體NaI晶體反射層/氧化鎂粉玻璃片晶體簡單封裝示意圖NaI晶體NaI晶體反射層/氧化鎂粉玻璃片晶體簡單封裝示意圖2、閃爍探測器探測γ射線原理：γ射線進入探測器閃爍體中，通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)產(chǎn)生次級電子；閃爍體吸收這些電子的能量，使原子、分子電離和激發(fā)；被激發(fā)的原子、分子在退激時產(chǎn)生光子即發(fā)生閃爍；2、閃爍探測器探測γ射線原理：利用反射物質(zhì)和光耦合劑使光子盡可能被收集到光電倍增管的光陰極上，并經(jīng)光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子；光電子在光電倍增管中倍增，電子數(shù)量增加幾個數(shù)量級，并被陽極收集，在陽極負載上產(chǎn)生電信號；這些電信號由電子儀器處理和記錄。利用反射物質(zhì)和光耦合劑使光子盡可能被收集到光電倍增管的光陰極NaI晶體NaI晶體反射層/氧化鎂粉玻璃片晶體簡單封裝示意圖NaI晶體NaI晶體反射層/氧化鎂粉玻璃片晶體簡單封裝示意圖光密物質(zhì)光疏物質(zhì)αn1n2臨界角光密物質(zhì)光疏物質(zhì)αn1n2臨界角光子產(chǎn)生點反射層玻璃片n1=1.77n2=1(空氣)α=34.4on2=1.5(硅油)α=58o光子產(chǎn)生點反射層玻璃片n1=1.77n2=1(空氣)α=34光電陰極聚焦極倍增極陽極工作原理如下：光照射在光電倍增管上，光電陰極在入射光的激發(fā)下逸出光電子，該光電子在電場被加速后打到第一倍增極D1上，然后又在高速初級電子的激發(fā)下，D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這些電子又被電場加速并入射到D2上，激發(fā)出更多的二次電子，最后經(jīng)倍增的光電子被陽極a收集而輸出光電流。3、光電倍增管光電陰極聚焦極倍增極陽極工作原理如下：光照射在光電倍增管上，4、閃爍體：也稱為閃爍晶體或探測晶體，作用是把入射的γ射線的全部或部分能量轉(zhuǎn)化為熒光光子的能量，實現(xiàn)將γ射線的全部或部分能量轉(zhuǎn)化為電信號的第一步。目前測井中最常用的閃爍晶體：NaI(Tl)、Cs(Tl)、BGO、GSO4、閃爍體：1）發(fā)射光譜：即閃爍體受核輻射激發(fā)后發(fā)射光子的波長范圍，該范圍應(yīng)與光電倍增管的光陰極光譜響應(yīng)匹配。2）發(fā)光效率：閃爍體把吸收的射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾谋绢I(lǐng)。發(fā)光效率越高，輸出脈沖幅度越大，統(tǒng)計漲落越小，能量分辨率有所改善。通常用相對值，如NaI為100，CsI為45，BGO為12。3）發(fā)光衰減時間：退激時發(fā)出的光子數(shù)由最大值下降到原來的1/e所經(jīng)歷的時間。發(fā)光衰減時間短的適合高強度或短時間測量。閃爍體的特性參數(shù)1）發(fā)射光譜：即閃爍體受核輻射激發(fā)后發(fā)射光子的波長范圍，該范4）探測效率：指一個光子進入閃爍體引起閃光的幾率。一般閃爍體的密度越大，原子序數(shù)越大，探測效率越高。在探測能量高的光子時，探測效率高的閃爍體體積可以做得更小。5）能量分辨率：是指對單能光子的能量測量峰的半寬度，它是閃爍體主要性能。如NaI為6.5%，CSI和BGO分別為7.3%和9.3%。6）其他特性4）探測效率：指一個光子進入閃爍體引起閃光的幾率。一般閃爍體核物理基礎(chǔ)課件性能CsI(Na)BGONaI(Tl)GSO化學(xué)式CsI(Na)Bi4Ge3O12NaI(Tl)Gd2SiO5密度(g/cm3)4.517.133.676.71機械穩(wěn)定性可展堅固易破裂易破裂化學(xué)穩(wěn)定性好好不好好水溶性比NaI好不溶易潮解不溶放射光最大值處波長(nm)420480410430上升時間(ns)5050衰減時間(ns)63030023056;600折射率1.842.151.851.9相對NaI的發(fā)光效率(%)65~8313~1510020溫度系數(shù)(%/oC)-1.5-0.3-0.3對0.661MeV的能量分辨率9.3%6.5%8.0%有效原子序數(shù)66755159性能CsI(Na)BGONaI(Tl)GSO化學(xué)式CsI(N拓展：目前半導(dǎo)體探測器和納米晶體探測器有哪些？應(yīng)用于核輻射測井的前景如何？拓展：5、電子儀器：收集電脈沖/信號，并處理和記錄這些電信號。探頭前置放大主放大器幅度分析定標器電子儀器部分收集電脈沖/信號，并處理和記錄這些電信號。探頭前置放大主放大6、閃爍探測器的特性：①能量分辨率η：通常是用0.662MeV的137Cs源的全能峰的分辨率來表示，即有計數(shù)率NN/2能量E?E6、閃爍探測器的特性：①能量分辨率η：通常是用0.662Me②坪特性閃爍探測器記錄強度不變的放射源時，可以得到一條計數(shù)率與外加電壓的關(guān)系曲線。“坪”的特性是計數(shù)率基本上不隨電壓升高而改變。把探測器的工作點選在坪的中點可保證探測器的工作穩(wěn)定。計數(shù)率電壓U1U2N1N2②坪特性閃爍探測器記錄強度不變的放射源時，可以得到一條計數(shù)率③時間分辨率：能夠區(qū)分入射的兩個粒子的最小時間，閃爍探測器的時間分辨率與閃爍體的發(fā)光衰減時間、光電倍增管的飛行時間漲落以及電子記錄系統(tǒng)的恢復(fù)時間有關(guān)。在做高強度γ射線測量要注意。④脈沖幅度和能量的關(guān)系：對理想的閃爍探測器，脈沖幅度與能量成線性關(guān)系。實際上總有些偏離，呈非線性。這就需要用能量已知的一組標準源，測量相應(yīng)的全能峰幅度，建立脈沖幅度與能量的關(guān)系，即進行能量刻度。③時間分辨率：能夠區(qū)分入射的兩個粒子的最小時間，閃爍探測器的一、巖石的γ射線特征參數(shù)

特征參數(shù)巖石的真密度ρb電子密度ne電子密度指數(shù)ρe光電吸收截面σ光電吸收截面指數(shù)Pe巖石的視密度ρa第三節(jié)巖性密度測井一、巖石的γ射線特征參數(shù)特征參數(shù)巖石的真密度ρb電子密度n1）真密度定義：巖石的真密度是指每立方厘米體積巖石的質(zhì)量，用ρb表示，單位是g/cm3。也稱為體積密度，通常所說的密度就是指真密度。對于孔隙度為Φ

，飽含水的純石灰?guī)r，其真密度為1、巖石的真密度、電子密度、電子密度指數(shù)和視密度1）真密度定義：巖石的真密度是指每立方厘米體積巖石的質(zhì)量，用

不同礦物具有不同的密度不同礦物具有不同的密度不同巖石的骨架密度不同，這樣在井剖面中可以根據(jù)密度把不同巖性的地層區(qū)分開?？紫缎缘貙酉喈?dāng)于致密地層中巖石骨架的一部分被密度小的水、原油或天然氣所取代，故其密度小于致密地層?？紫抖仍酱?，地層的密度越小，這樣，密度測井資料可以求取地層的孔隙度。事實上，密度測井是孔隙度測井的主要方法之一。不同巖石的骨架密度不同，這樣在井剖面中可以根據(jù)密度把不同巖性2）電子密度定義：單位體積巖石中的電子數(shù)叫巖石的電子密度，用表示ne，單位是電子數(shù)/cm3。若巖石由單一元素組成，則ne若巖石由單一化合物組成，則2）電子密度定義：單位體積巖石中的電子數(shù)叫巖石的電子密度，用3）電子密度指數(shù)ρe：為了方便，在散射γ測井中引入電子密度指數(shù)的概念，其定義為

由單一元素組成的物質(zhì)，其電子密度指數(shù)為

（4-1）3）電子密度指數(shù)ρe：為了方便，在散射γ測井中引入電子密度指由單一化合物組成的物質(zhì)，其電子密度指數(shù)為

（4-2）由單一化合物組成的物質(zhì)，其電子密度指數(shù)為（4-2）元素AZ2Z/AH112C1260.999O1681.000Na22110.957Mg24120.987Al26130.964Si28140.997S32160.998Cl35170.959K39190.972Ca40200.998元素AZ2Z/AH112C1260.999O1681.0004）巖石視密度ρa：用密度測井儀器測得的密度值，不是巖石的真實密度值，是一種表面的密度值，稱為視密度。

對淡水石灰?guī)r地層來說，視密度等于真密度；對其他巖性地層，視密度值不等于它的真密度。

4）巖石視密度ρa：用密度測井儀器測得的密度值，不是巖石的真如砂巖、石灰?guī)r、白云巖的孔隙度為20%，那它們的視石灰?guī)r孔隙度是多少？（其中砂巖、石灰?guī)r、白云巖的密度分別為2.65、2.71、2.87g/cm3）例子：解：第一步：求出20%孔隙度各巖石的密度值：如砂巖、石灰?guī)r、白云巖的孔隙度為20%，那它們的視石灰?guī)r孔隙第二步，求出各巖石的視石灰?guī)r孔隙度第二步，求出各巖石的視石灰?guī)r孔隙度1）光電吸收截面：一個原子的光電吸收截面與Z5成正比，其單位是b/原子，即2、巖石的光電吸收參數(shù)(a)1）光電吸收截面：2、巖石的光電吸收參數(shù)(a)而一個電子的光電吸收截面為(b)2）巖石的光電吸收截面指數(shù)

定義一個與巖石中一個電子的平均光電吸收截面成正比的量Pe為巖石的光電吸收截面指數(shù)，有

(c)Pe是巖性密度測井中所要測的重要參數(shù)，它對地層的巖性很敏感，所以通常也稱之為光電吸收巖性系數(shù)或巖性系數(shù)。

而一個電子的光電吸收截面為(b)2）巖石的光電吸收截面指數(shù)(幾種礦物的Pe和U值幾種礦物的Pe和U值第三節(jié)巖性密度測井第三節(jié)巖性密度測井密度測井基本原理計數(shù)率與地層密度的關(guān)系地層密度的求取影響因素及處理教學(xué)重點：了解內(nèi)容：散射伽馬能譜密度測井的刻度密度測井的國際前沿密度測井基本原理教學(xué)重點：了解內(nèi)容：散射伽馬能譜利用γ射線與物質(zhì)作用的康普頓效應(yīng)來測量地層體積密度的測井方法稱為地層密度測井。也稱γ-γ測井或散射伽馬（能譜）測井。最常見表示符號DEN地層探測器伽馬源一、密度測井的基本原理1、什么是密度測井？利用γ射線與物質(zhì)作用的康普頓效應(yīng)來測量地層體積密度的測井方法2、為什么康普頓效應(yīng)可以確定地層密度？由于任何巖石的體積密度ρb與其電子密度指數(shù)ρe都有確定的關(guān)系。而電子密度指數(shù)ρe完全決定于巖石的電子密度ne，后者又決定于康普頓減弱系數(shù)μc。因而，可以根據(jù)γ射線的康普頓效應(yīng)來測量巖石或地層的體積密度ρb

。2、為什么康普頓效應(yīng)可以確定地層密度？由于任何巖石的體積密度3、幾個概念源距：輻射源到探測器的距離。長源距探測器：源距較大的探測器稱為長源距探測器。短源距探測器：源距較小的探測器稱為短源距探測器。計數(shù)率：單位時間內(nèi)記錄的光子數(shù)或中子數(shù)。3、幾個概念源距：輻射源到探測器的距離。二、密度測井中探測器記錄的是什么？137Cs→137mBa+β-137mBa→137Ba+γ(0.662MeV)sourcedetector二、密度測井中探測器記錄的是什么？137Cs→137mBa+由于探測器都有一定的能量展寬和分辨率能量sourcedetector由于探測器都有一定的能量展寬和分辨率能量sourcedetesourcedetector由Ba釋放出K層電子造成的sourcedetector由Ba釋放出K層電子造成的sourcedetectorsourcedetector地層sourcedetectorsourcedetector地層穿透晶體的光子在與晶體直接接觸的物質(zhì)中反散射而又回到晶體中引起的光電效應(yīng)造成的當(dāng)探測器與源之間加入屏蔽體后穿透晶體的光子在與晶體直接接觸的物質(zhì)中反散射而又回到晶體中引sourcedetector地層sourcedetector地層核物理基礎(chǔ)課件三、如何保證γ射線與地層的作用是以康普頓效應(yīng)為主？

即密度測井需要采取的基本措施①源②記錄伽馬能量門檻③鎘窗三、如何保證γ射線與地層的作用是以康普頓效應(yīng)為主？①源鎘窗鎘窗由γ光子在物質(zhì)中的吸收規(guī)律知，

地層的密度不同，對γ光子的散射和吸收能力不同，探測器記錄的γ光子數(shù)（或強度）也不同。因此，通過探測器記錄的γ光子數(shù)，可以確定地層的密度。1、為什么探測器記錄的伽馬光子數(shù)量可確定密度值？四、如何求取地層密度？由γ光子在物質(zhì)中的吸收規(guī)律知，地層的密度不同，對γ光子的散當(dāng)源的強度和源距選定后，探測器接收的γ光子數(shù)（或強度）取決于兩個過程：一是由源發(fā)出的光子經(jīng)過地層一次或有限次散射，使部分光子射向探測器；二是射向探測器的光子，有一部分被再次散射而改變方向或被吸收。2、探測器計數(shù)率與地層密度關(guān)系地層當(dāng)源的強度和源距選定后，探測器接收的γ光子數(shù)（或強度）取決于當(dāng)源距很小時，第一個過程是主要的，此時，地層的密度越大，探測器接收到的光子數(shù)越多，計數(shù)率越大。隨著源距增大到一定程度，第二個過程的作用逐漸超過第一個過程，處于主導(dǎo)作用，此時，地層的密度越大，吸收的光子數(shù)越多，探測器的計數(shù)率越小。地層當(dāng)源距很小時，第一個過程是主要的，此時，地層的密度越大，探測計數(shù)率lnN源距LL0ρ1ρ2ρ1>ρ2計數(shù)率lnN源距LL0ρ1ρ2ρ1>ρ2基本概念零源距：兩條直線交點對應(yīng)的源距，用L0表示。負源距：小于L0的源距。正源距：大于L0的源距。

現(xiàn)在的雙源距密度測井儀器一般采用的是正源距。計數(shù)率lnN源距NL0ρ1ρ2ρ1>ρ2基本概念零源距：兩條直線交點對應(yīng)的源距，用L0表示。計數(shù)率l為了討論問題方便，我們引入視源距的概念。視源距La等于正源距L與零源距L0之差，即實驗證明，密度測井儀器測量得到的計數(shù)率與視源距的關(guān)系具有普通γ射線吸收方程的形式，即3、由理論和實驗方法求取地層密度為了討論問題方便，我們引入視源距的概念。視源距La等于正源距令B=lnN0：這就是密度測井的基本公式?？梢姡喝绻麅x器貼井壁，且井壁沒有泥餅，只用一個探測器就能測量地層密度。但一般的儲集層處都存在泥餅，所以密度測井通常采用具有兩個不同源距探測器的雙源距補償密度測井儀器令B=lnN0：這就是密度測井的基本公式?？梢姡喝绻麅x器貼地層探測器伽馬源地層探測器伽馬源把上式兩邊取對數(shù)，得式中，A為儀器對地層密度的靈敏度，有可見，源距大時儀器靈敏度高。但源距增大時，探測器的計數(shù)率會降低，統(tǒng)計誤差相應(yīng)增大。把上式兩邊取對數(shù)，得式中，A為儀器對地層密度的靈敏度，有可見實際測井時，儀器測得的地層視密度ρa是下列5個變量的函數(shù)：①地層真密度ρb；②地層平均原子序數(shù)Zb；康普頓效應(yīng)可以使之忽略五、影響因素及處理方法1、影響因素實際測井時，儀器測得的地層視密度ρa是下列5個變量的函數(shù)：泥餅厚度hmc；泥餅密度ρmc；泥餅的平均原子序數(shù)Zmc。結(jié)合在一起研究地層泥餅厚度hmc；結(jié)合在一起研究地層①當(dāng)?shù)貙記]有泥餅的情況下這條線稱為“脊線”NS2、泥餅如何影響？①當(dāng)?shù)貙記]有泥餅的情況下這條線稱為“脊線”NS2、泥餅如何影當(dāng)ρb=2.5g/cm3，ρ*mc=1.5g/cm3，當(dāng)泥餅厚度tmc增加時，短源距計數(shù)率比長源距計數(shù)率增加得快，這樣圖中的點將向“脊線”右側(cè)偏移。

tmc越厚，兩計數(shù)率交點離點ρb=2.5g/cm3越遠；當(dāng)tmc→∞時，兩個探測器這能反映泥餅的性質(zhì)，計數(shù)率的交點將返回到“脊線”上ρb=1.5g/cm3點位置。②有泥餅，只有泥餅厚度變化時當(dāng)ρb=2.5g/cm3，ρ*mc=1.5g/cm3，當(dāng)ρb=2.0、2.5、3.0g/cm3，ρ*mc=1.5g/cm3。隨著泥餅厚度tmc增加，兩計數(shù)率的交點均向“脊線”右側(cè)偏移；當(dāng)tmc→∞時，所有這些曲線都將返回到“脊線”上ρb=1.5g/cm3