成理工核辐射测量方法讲义01放射性方法勘查的基本知识.docx

核辐射测量方法成都理工大学核技术与自化工程学院一刖S本讲义旨在缓解我院“核工程与核技术”专业人才培养计划调整后尚无专业教材的状况。主要内容有核辐射测量基础知识、射线与物质相互作用、核辐射测量的单位、核辐射防护知识、丫射线测量方法、B射线测量方法、射线测量方法、X射线荧光测量方法、核辐射测量统计学与误差预测等。该讲义可作为“核工程与核技术”和“辐射防护与环境保护”专业的核辐射测量方法课程的教材，也可作为“测控技术与仪器”、“勘查技术工程”和“地球化学”（铀矿地质勘探方向）等本科专业的教学参考书，以及“核科学与技术”学科专业研究生教学的参考书。木讲义相关内容主要从以下儿本参考书的有关内容编辑：1章晔，华荣洲、石柏慎编著，放射性方法勘查，原子能出版社，19902葛良全，周四春，赖万昌编著，原位X辐射取样技术，四川科学技术出版社，19973格伦敦F诺尔著（李旭等译），辐射探测与测量，原子能出版社，1984o41复旦大学、清华大学、北京大学，原子核物理实验方法，北京，原子能出版社，1985（51李星洪等编，辐射防护基础，北京，原子能出版社，19826吴慧山，核技术勘查，北京，原子能出版社，19987王韶舜，核与粒子物理实验方法，北京，原子能出版社，1989第1章放射性方法勘查的基本知识1.1原子和原子核1. 1.1原子原子是构成自然界各种元素的最基本单位，由原子核及核外轨道电子(又称束缚电子或绕行电子)组成。原子的体积很小，直径只有10%m左右，原子的质量也很小，例如氢原子质量为1.67356x10-24g,铀原子的质量为3.951×10-22go原子的中心为原子核，它的直径比原子的直径小得多，为nJ。*io-/Cm),但它集中了原子的绝大部分质量。例如氢原子由原子核和一个束缚电子组成，其结构示于图1-1,氢核图I氢原子核结构示意图的质量为1.67×10-24g,而束缚电子的质量仅为9.1xl(y28g,两者的比值近似为l1840o对于原子序数较大的原子，这个比值更小些。例如，铀原子92个绕行电子的总质量和原子核质量之比为1/4717。原子核带正电荷，束缚电子带负电荷，两者所带的电荷量相等，符号相反，因此原子本身呈中性。当原子吸收外来的能量，使轨道上的电子脱离原子核的吸引而自由运动时，原子便失去电子而呈现电性，成为正离子。原子中束缚电子按一定的轨道绕原子核运动，相应的原子处于一定的能量状态。对一种原子来说，它的绕行电子的数目和运动轨道都是定的，因此每一个原子只能处于一定的，不连续的一系列稳定状态中。这一系列稳定状态，可用相应的一组能量Wi表征，W称为原子的能级。处于稳定状态的原子，不放出能量。当原子由较高能级Wl跃迁到较低的能级卬2时，相应的能量变化W即死一卬2，以发射光子的形式释放出来，此时光子的能量为：式中，h普朗克常数，等于6.6262X1O/JS;V光子的频率。将某种原子发射的各种频率的光子按波长排列起来，便构成了该种原子的发射光谱，也就是原子的能谱。1.1.2原子核原子核是由很小的粒子中子和质子组成，这两种粒子统称核子。原子核内中子和质子数之和称为核子数（又称质量数），以A表示。由于原子核内质子数与核外电子数相同，且等于原子序数Z,所以核内中子数N等于核子数与原子序数之差，即N=AZ。具有特定质量数、原子序数和核能态，而且其平均寿命长得足以被观察的一类原子称为核素。可以用下面简单的符号表示核素的原子核。其中X为原子所属的化学元素符号。在原子核内，质子和中子数的比值是有一定规律的。一般情况下，在原子序数小的稳定核素中，中子数与质子数相差不多或中子数略多一些和:”例外）。当I-图1-2核能级示意图原子序数很大时，中子数比质子数多50%左右。任何含有过多中子或质子的原子核，都是不稳定的。例如，自然界中Z>82的核素都是不稳定的，属于放射性核素。中子和质子在原子核内不停地运动着，运动状态不同，相应的能量蟠也不同，原子核的不同能量状态组成原子核的能级。原子核的最低能量状态叫“基态”，在自然界中，所有稳定核素均处于基态。比基态高的能量状态称为“激发态”，激发态按能量的不同可分为第一激发态，第二激发态等等，示于图1-2。处于激发态的原子核是不稳定的，它往往通过放出光子的形式从激发态回到基态。因核能级变化而放出的光子称为丫光子。某种原子核发射的各种能量的丫光子的集合，即是该种原子核的丫能谱。1.2核衰变自然界中，有些核素的原子核能自发地发生变化，从一个核素的原子核，变成另一个核素的原子核，并伴随放出射线，这种现象称为“核衰变”，这些核素称为放射性核素。现将常见的几种核衰变类型简介如下。1.2.1衰变放射性核素的原子核自发地放出粒子而变成另一种核素的原子核的过程称为衰变。从原子核中放出的粒子实际上就是高速运动着的氮原子核GHe),它由两个中子和两个质子组成，带两个正电荷。天然放射性核素放出的立子的能量一般为49MeV,放射性核素经衰变后，它的质量数A降低4个单位，原子序数Z降低2个单位。若以X表示母体核素，丫表示衰变形成的子核素，则衰变可用下式表示：ZXT窘yHe例如，资U经衰变为。留TMUXI),其表示式可写为：资UT需Th+iHe同一种放射性核素进行衰变时放出的粒子能量是一定的。但是，有的核素衰变时放出单一能量的粒子，有的核素衰变时放出几种能量不同的粒子。当衰变放出几种能量的粒子时，可伴随放出丫射线。图1-3222Ra的衰变纲图例如，都Ra经衰变后变成熟Rn：RaRnHe镭经0(衰变放出4.785MeV和4.602MeV两种能量的Ct粒子，并分别形成处于基态和激发态的氨核。处于激发态的氧核很快跃迁到基态，并放出能量为0.183MeV的丫光子，示于图131.2.2B衰变放射性核素的原子核自发地放出粒子或俘获一个轨道电子而变成另一个核素的原子核的过程称为B衰变。衰变分为变，Ir衰变，轨道电子俘获等三种类型。1.r衰变放射性核素的原子核自发地放出B粒子而变成另一个核素的原子核的过程称为B衰变。从原子核中放出的一粒子实际上就是高速运动着的电子，它的静止质量等于电子的质量，带有一个负电荷。因为B的质量比原子核的质量小得多，所以B衰变前后，母核与子核的质量数相同，但子核的原子序数提高一位。B衰变的表示式如下：第一着y÷j-÷v式中，-V反中微子，是质量十分微小的(为电子质量的1/2000)中性粒子。衰变时，母核中的一个中子()转变成一个质子(p)，即1.p+V母核经衰变所释放出的能量被子核、粒子及反中微子带走。由于三个粒子发射方向所成的角度是任意的，所以它们带走的能量也是不固定的。子核的质量远大于-粒子及反中微子的质量，所以子核带走的反冲动能可忽略不计。这样，-衰变放出的能量就在B粒子与反中微子之间进行分配。实际测到的粒子的能谱曲线示于图14。从图可看出：粒子的能量是连续分布的，形成一连续谱，有一个确定的最大能量值瓦，一般图表上所给的某一放射性核素的"粒子能量，均指旷粒子的最大能量值及；在能量约为;EO处，曲线有一极大值，即在该处引粒子的能注量率最大。照CS是B衰变纲图示于图1-5,衰变后形成的子核常处于激发态，原子核由激发态回到基态时放出Y射线，所以B衰变时往往伴随放出Y射线。有的核素衰变时放出几组不同能量的粒子，因而伴随放出几种能量的Y射线。与衰变相比，衰变放出的Y射线的能注量率大得多。天然放射性核素放出的几组主要的Y射线，几乎都是伴随B-衰变产生的。图M的粒子的能量分布曲线图1-5n7Cs的B衰变纲图2 .P粒子放射性核素的原子核自发地放出甲粒子而变成另一种核素的过程称为+衰变。+粒子就是高速运动着的正电子(或阳电子)，它是一种质量与电子相等，但带一个正电荷的粒子。"衰变只在人工放射性核素衰变时才发生，这种衰变实际上是核内个质子P转变成一个中子，并放出+粒子和中微子V的结果，即P+V经取衰变形成的子核与母核具有相同的质量数但原子序数减少一位。Ir衰变可用下式表示：z×-z-y+v例如，Si就是作+衰变的，其衰变过程可表示如下:SilAl+vIy粒子的能谱是连续的。+粒子被介质阻止而丧失动能时，将与介质中的电子相结合，同时辐射出两个方向相反，能量各为0.51MeV的光子，这种辐射称为阳电子湮没辐射（又称光化辐射）。在苗衰变时，也伴随放出Y射线。3 .轨道电子俘获轨道电子俘获系指原子核俘获了一个轨道电子，使原子核内的质子转变成中子并放出中微子的过程，经轨道电子俘获形成的子核与母核的质量数相同，但原子序数减少一位，其衰变过程可用下式表示p+e-+yx+¢-.1r+v例如，：1K经轨道电子俘获形成;?Ar即40JZ4.o>40.19K+e8Ar+V北K因为K层电子靠近原子核，K层电子被俘获的几率比其他壳层电子被俘获的几率都大（即自K层吸收电子的可能性比自1.层吸收电子的可能性大100倍左右），所以这种衰变也叫K电子俘获，简称K俘获。轨道电子俘获时只放出一个中激子，其能量是单一的。轨道电子俘获后，新形成的核素的K电子层产生了空位，这个空位由外层电子（例如1.层电子）来充填。当能级较高的轨道电子（例如1.层电子）充填K层电子空位时，多余的能量（等于K层电子与1.层电子结合能之差）以特征X射线（或称标识X射线）的形式放出。这个多余的能量也可以传给1.层电子，使之成为自由电子，即俄歇电子。俄歇电子的能量也是单一的。有很多放射性核素能同时发生炉衰变和轨道电子俘获，少数核素能同时发生B衰变和轨道电子俘获。例如自然界分布较广的MK就能同时发生-衰变及轨道电子俘获。如图14所示，89%的;:K经B-衰变形成益Ca,11%的嚣K经轨道电子俘获方式衰变放出Y射线而形成tAro1.2.3Y跃迁衰变或衰变形成的子核往往处于激发态，而激发态是不稳定的，它要直接退激或级联退激到基态，原子核由激发态跃迁到较低能态（能量较低的激发态或基态）时，常常放出Y光子。这种原子核由激发态跃迁到较低能态，而核的原子序数Z和质量数A均保持不变的过程，称为Y跃迁（或称Y衰变）。-般情况下，原子核处于激发态的时间极短（约为IO-13S）,很快就跃迁到较低能态（或基态）并放出Y光子，因此不能作为独立的核素。有些原子核的激发态存在时间较长，其寿命可用仪器测出，这些核索就可作为独立的核素。这类具有相同质量数和相同原子序数而半衰期有明显差别的核素，称为同质异能素。这种衰变方式称为同质异能跃迁。例如，在天然放射性核素中。g4Pa就有一对同质异能素器ImPa（UXl）和空Pa（UZ）。99.85%的Pa进行3衰变,形成咨U,歌IPa的半衰期为1.17min,0.15%的律WPa先放出Y射线变成岑Pa,再作*衰变而成界U,举pa的半衰期为6.75hof4Pa的衰变图见图1-7o人工放射性核素中同质异能素较多，例如：,其衰变纲图示于图1-8。I-II7JHMeV>.i5F*675h1.17ain图1-860CO衰变纲图图1-7254Pa衰变纲图原子核从激发态跃迁到较低的能态或基态时，除发射丫光子外，还可以通过发射电子的方式来完成，即原子核将多余的能量传给壳层(K层或1.层)电子，使电子脱离原来轨道，形成单能的内转换电子，这种现象简称为内转换。内转换过程使核素的一个电子亮层中留下了一个空位，该空位被外壳层电子充填时，会产生特征X射线，甚至可导致发射俄歇电子。1.3放射性系列在铀矿石中，常常同时含有锲、镭、仲、初等核素的同位素，研究这些核素的共生原因时，发现这些放射性核素相继衰变而形成系列。每一系列中有一个起始核素，它经放射性衰变变成一个新的核素(称衰变子体)，这个核素仍是不稳定的，继续进行衰变，直到生成稳定的核素为止。自然界中有三个放射性系列，即铀(U)系列，t(Th)系列和钢铀(AeU)系列。用人工方法还能得到锋(NP)系列。在自然界中，除上述三个系列外，还存在许多经一次衰变即形成稳定核素的天然放射性核素，如钾(4°K),锄FRO)等，这些核素将在后面略作介绍。1.3.1铀系(或称铀镭系)自然界存在的铀系的母体核素为n8u,它经衰变后形成ah(UX),如图19所示，2Xh为Th的同位索，它经B衰变成为镁的同位素234mPa(UXz),234mpa有两种衰变方式，其大部分原子核经B衰变而成234u,234U以后是一连串的衰变，经250Th(Io)226Ra>.Rn至28PO(RaA),2出PO有两种衰变方式，其大部分经衰变成214Pb(RaB),极少部分(0.03%)经B衰变而成2%l,99.9%的41经0(衰变而成2在1(10。ZMBi(RaC)的极大部分是由2Upb(RaB)经衰变而成的。99.98%的2乂Bi(RaC)经衰变而成2MTo(RaC),2HPO经oc衰变而成2oPb(RaD),2l0Pb的极少部分是由2(RaC")经衰变而成的。28p°23%、2hi2l4po、2K>11等的寿命都很短，所以称为氢的短寿放射性衰变子体。2oPb经两次衰变，一次(X衰变后形成铅的稳定同位素形Pb。由于2iOpb、2H>Bi(RaE)21。PO(RaF)的寿命较长，所以称为氨的长寿放射性衰变子体。整个系列的衰变规律示于图1-9,衰变常数和半衰期列于表I-Io从铀系的衰变规律可看出，铀系核素的质量数都是4的整数倍再加2,即服从A=4+2的规律(其中=5159),所以铀系也叫4+2系列。在整个系列中，母体核素238U的半衰期最长，为4.468x109年，在子体核素中234U的半衰期最长，为2.45×105年。图1-9铀系衰变纲图核素俗称之符号半衰期Tk2衰变常数入(ST)与铀处于平衡时的重量数234U90铀I(UI)4.468×109a4.91×IO'80.9327234h90铀X(UXi)24.Jd3.33×21.44×10"234Pa91铀X2(UX2)U7min9.37×34.85×IO-16234Pa9!铀Z(UZ)6.75h2.85×32,52×l6234u92铀II(UII)2.45×105a9.01×IOu532×5230Th90镜(Io)7.7×10,a2.85×1001.65×Ia226Ra85镭Ra16a1.37×10"3.40×KT7-RnS6氢Rn3.824d2J0×2.16x10/2218Po84锚A(RaA)3.05min3.85×31.16×,22l4Pb82ru镭B(RaB)26.8min4.8lx41.02×IO14.Al破(2l8At)(3.1X10；%)2s0.3473.99×2答Bi镭C(RaC)19.7min5.86×IO47.49×IO-13214Po80锚C'(RaC')1.64×l(,s4.23×IO3l.03×221081镭C"(RaC")(0.021%)1.30min8.75×31.96×IO-19*镭D(RaD)22.3a9.87×KX8436×8鲁Bi镭E(RaE)5.0Id1.60×62.69×IO12Po84镭F(RaF)138.4d5.79×87.42×IO-'4206p81诧(205Tl)(5×5%)4.9min2.75×37.65×1(T22206Pb82U镭G(RaG)稳定1.3.2 1系自然界存在的包系的母体核索为wTh,它经10次衰变后成稳定核素铅的同位素208pb0针系中各核素的质量数都服从A=4的规律(=5258),所以社系又叫4n系列。系列中母体核素232Th的半衰期最长，为1.41x10K)年，牡系子体核素的寿命一般比较短，寿命最长的子体核素238Ra(MSThl)的半衰期为5.76年。牡系的衰变规律示子图1-10,各核素的衰变常数及半衰期列于表1-2。X(SlWHb82RKi53仆FU54反Al«5kKn86Ulr8/ItKlXXIHAC89ur(IK191以93林PU94234233232Th231)230S/229IJ4mJ一J1.K228MSThl-*Rh,->RaThfTh,MsTh,ItTI221一H226HS-221ThX2237222夕2217220Tn719P218217lz216ThA215-72Hry7137-三-I=J.M1.mTht91.212ThD-ThC*TIC211Z:-210£11209X,1208IThC7r0II图1-10铳系哀变纲图表1-2针系衰变常数及半衰期核素俗称及符号半衰期Tv2衰变常数入(s,)与社处于平衡时的重量数232Th90Th¾(Th)1.41×1010a1,57×IO-181288nRa86新牡I(MsThi)5.76a3.83×1O-94.03×IOu228A89AC新锐2(MsTh2)6.13h3.14×54.92×IO-14228Th90Th射针(RdTh)1.913aI.15×i6,34×,°224jRa88tX(ThX)3.64dZ2i×66.86×IO-'2220o86Rn牡射气(Tn)55.3s1.27×21.17×10"216D84P。钮A(ThA)0.15s4.623.16×19222Pb82ro牡B(ThB)10.64h1.81×57.93*IOu2,6A(85破216At(i.3×2%)35×4s1.98×1h9.61×IO20212rj83B,牡C(ThC)60.6min1.91X7.52×IO-15212D84P0tC,(THC,)(66.3%)30.4×l(T7s227×IO54.19×IO25208.81铳C"(ThC")(33.7%)3.05min3.73×31.27×IO-16208Pb82rDtD(ThD)稳定1.3.3 钢系自然界存在的钢系的母体核素为;FU(AcU),它经Il次衰变，最后形成稳定的铅同位素207Pb(AcD)e钢系核素的质量数服从A=4+3的规律(行5158),所以钢系又叫4+3系列。钢系的衰变规律如图1-11所示，各核素的衰变常数及半衰期列于表l-3o从上面介绍的三个天然放射性系列中可以看出：1、三个系列的母体核素的半衰期都很长，在7.038xK1.41xlOK)a之间，正因为这个原因三个系列才能在自然界中存在。2 .在三个系列中部各有一个气态核素，它们的原子序数为86,是氧的放射性同位素，通常称为射气。铀系的射气是：222Rn(Rn),半衰期为3.825dp钮系的射气为22。Rn(Tn)半衰期为54.5s,锯系的射气为2凶Rn(AD)半衰期为3.96s。3 .三个系列中的射气都能逸散，因而它们的衰变子体可能附着于物体表面，这些衰变子体称为放射性沉淀物。对于铀系，根据沉淀物半衰期的差别，可分为氢的短寿沉淀物FRo、2'pb214b”2州0、2li）和长寿沉淀物（2K）P忆21Oi21Op牡系和钢系的射气衰变子体都是短寿沉淀物。4 .三个系列的射气衰变子体为针的同位素（28po,216Po等），它们几乎全都放出射线面成为铅的同位素（2Mpb、22pb等），再经B衰变成为钿的同位素（21蛆入22Bi等），这些铅同位素衰变时释放出能注量率大的射线，所以钿同位素是天然放射性系列中主要的Y辐射体。5 .三个系列的射气衰变产物针同位素中，2Upo、212Po及2Mpo放出的。射线的能量在整个系列中为最大。6 .各系列衰变的最后产物是铅的稳定同位素，对应于铀系为。2°6Pb,钢系为207Pb,针系为2°b°表1-3钢系衰变常数及半衰期核素俗称及符号半衰期0衰变常数入（P）与铀处于平衡时的重量数235u92铜铀（ACU）7.038×105a3.12×IO1773×3TTh铀Y(UY)25.5h7.54×IO5297×IO14231Pa91镁(Pa)328×l111a6.97×IOm23O×7227AC89ACW(Ac)21.77a1.01x1092.I8X1O10227Th90射钢(RdAC)(99.8%)1822d4.41×IO74.93×IO13223Fr87隅K(AcK)(1.2%)22min5.25×IO44.90×IO16223r,Ra88X(AcX)11.43d7.01×IO'73.09×1002J9nRn86婀射气（An）3.96s.75×,1.21×,8215Po84啊A(ACA)1.78×3s3.85XIO25.42×IO-22211Pb82钢B(AcB)36.Imin3.19×IO4642×10"25a.85AI破(215At)(5×1O4%)104s6.93×IOj151XIO23；!*Bi辆C(AcC)2.15min5.41×33.79×IO1721lPo84啊C'(AcC)(0.32%)0.52s1.24005.28×IO22207Tl81Cm(AcCm)4.79min2.41XIO'8.33XIO-17钢D(AcD)稳定的系1.3.4 镖系三个系列的核素的质量数变化规律分别为t系A=4小铀系A=4n+2,钢系A=4/2+3那么是否还存在一个服从A=4/1+1的系列?后来在人工放射性核索中发现了这种质量数变化规律的系列。这个系列的母体核素为锋CNp),故称锋系。由于律系的原子序数太于铀的原子序数，故把它列入超铀元素。锋系的衰变图如图1-12所示。由于镣系中寿命最长的核素一一锋的半衰期为2.14x106a,是地球年龄的四分之一，所以在自然界已不存在。钱系列可用不同方法得到：例如”6u经中子轰击后原子核放出两个中子变成237u,237u经3衰变成237Np°也可以用Th经中子轰击后变成233h,再经B-衰变而成233Pa.1.3.5 不成系列的天然放射性核素在自然界除了三个放射性系列外，还存在一些放射性核素，它们经一次衰变后即成为稳定核素，现在已知的这类核素有180多种。它们的半衰期在数秒到若干亿年之间变化。在自然界中，这些放射性核素的量极少，较有意义的有钾，锄，锢等核素的放射性同位素，如表14所列，这些核素的衰变方式几乎都是一衰变，只有少数核素(如40K)具有-衰变和K俘获两种衰变方式。对放射性方法勘查来说，40K的影响应子以重视，因为40K在地壳中分布极广。天然钾有三个同位素，器K(9331%),MK(0.012%)和常K(6.7%),其中只有苗K具有放射性，它的半衰期为1.27x109年.一克天然钾一秒钟内约放出28个能量为I31MeV的粒子，另外还放出3个能量为I.46MeV的Y光子。钾衰变后形成40Ar和40Ca,它们都是稳定核素因此在含钾的岩石中均存在40At和40Cao1.3.6 常用天然放射性核素的特征三个天然放射性系列中，铀、牡是重要的核燃料，是找矿的主要对象，而铀的衰变子体在找矿工作中的应用也日益广泛。因此有必要将铀、社及其某些衰变子体的特征作一简单介绍。1 .铀(Z=92)铀为银色金属，具有金属光泽，质较软，易机械加工，化学活动性与铁相似，在空气中易氧化，也易溶于酸，19.05gcm自然界中有三个铀同位素：238U,半衰期n=4.468×10%系图1-12件系表变图表1-4不成系列的天然放射性元素核素丰度(%)半衰期（八）衰变类型能量(MeV)衰变产物粒子丫射线钾.K0.012127×10?(89%)K(11%)1.311.4640pn20Ca40Ar18八锄当Rb27.8546×IO100.2887Cr36°r翎劈1.a0.08912×10,1K0.211.4360.788炒Ce%Ba影股Sm14.97l,07×10"2.23U3Nd60NU馅;T1.U2.603×K)100.420.3060.2020.088JJ6HfJJ6Vb镣界R62.55×IO100.0025黑Os234U,半衰期T1=2.45×105a2235U,半衰期7；=7.04×IO8a2它们在自然界中的分布存在下列比例关系:其中，235U不属于铀系列，它在自然界不单独存在，总是与238U共生在一起。在慢中子作用下，235U的原子核可分裂成两个中等原子量的原子核，同时放出13个中子。当235U的浓度和体积达到一定值时，可以发生链式反应，释放出巨大的#缰，235U是主要的核燃料。但235U的丰度约只占铀的0.7%,并且与238U分离提纯的工艺也比较复杂。235U可经中子轰击成239U,再经两次B衰变成端239PU,239PU与235y有类似的性质，可以作为核燃料。PU是将精治的天然铀放在铀.杯循环反应堆中轰击而得到的。2 .牡(Z=90)钮为银白色金属，密度为11.0gcm3o它难与氧化合，在一定的氟离子参与下可溶解于盐酸及硝酸。在自然界中，社有6个同位素，即*Th,23(>rh(io)228Th(Rm),234Th(UX1),227Th(RdAc).231Th(Uy)o但丰度较高的只有232Th,其他几个同位素的丰度很低。232Th经中子轰击形成233如，再经两次B衰变生成233u,琢U和？39PU一样可以作为核燃。目前由于工艺和工程方面的困难，232Th尚未被广泛利用。3 .锚(Z=88)镭为银白色金属，具有金属光泽，密度为5gc11,在空气中不稳定，易与水作用面形成Ra(OH)2，自然界中镭有四个同位素，即226Ra,223Ra(MsTh1)224Ra(ThX),223Ra(AcX)o它们的量不多，但分布广，在各种岩石中都含有不同量的镭(浓度都很低)，镭在自然界中的广泛分布以及镭的短寿衰变产物具有高放射性的特点，使人们能利用镭的放射性来找矿。4 .M(Z=86)氨是放射性气体，属惰性气体，密度为927gl(0C,101325Pa),比空气重7.5倍多，在Oe及101325Pa压力下可形成水合物。在自然界中，氢有四个同位素，较重要的只有三个，分别属于三个放射性系列222Rn(Rn)Zl=3.825d2220Rn(Tn)I1=54.5s2219Rn(An)z=3.96s2镭衰变形成的氨，在岩石与土壤中广泛分布。由于氨衰变时放出射线，氨的短寿子体衰变时放出能注量率大的、Y射线，所以现有的我矿手段中，很多是基于测量氢及其短寿子体的放射性。氨的三个同位素的半衰期相差悬殊，测定它们的放射性随时间的变化，可以将它们定性区分，从而确定它们的母体核素。5 .钟(Z=84)钵为银色金属，具金属光泽，密度为9.4gcm在空气中或氧中渐渐氧化成黄色氧化物，针及其氧化物能溶于盐酸，生成黄色PoCl4溶液。针盐容易水解而形成胶体，针是所有射性核素中最容易形成胶体的核素，在自然界中针有七个同位素。210Po(RaF)T1=1384122isPo(RaA)T1=3min2216Po(ThA)T1=0.15s2215Po(AcA)T1=1.8×i3s2214Po(RaCf)Ti=1.64×IO4S2212PO(The)T1=3.05×7s2211Po(AcC,)Ti=0.56s其中2K)po的半衰期较长，旦又是C辐射体，因此常通过测定21。PO的C辐射的方法测定2°P的量，以寻找铀矿床。8.铅(Z=82)铅是金属，呈深灰色，密度为11.35g/Cm3。在空气中加热熔化生成Pb0。铅可溶于稀HNo3,难溶于稀H2SO4及HC1。在天然放射性系列中，铅有七个同位素：210Pb(RaD)7三702×IO3S214Pb(RaB)7=26.8min2l2Pb(ThB)T=10.64h211Pb(AcB)7=36.Imin206Pb(RaG)稳定207Pb(AcD)稳定208Pb(ThD)稳定其中四个为放射性同位素。三个为稳定同位素，即.三个天然放射性系列衰变的最终产物。在自然界存在的铅中总是含有放射性铅2l0Pb,但数量极微。在放射性矿石中总会含有少量的2°6Pb,207pb及208pb,因此根据矿物中所含铅的量与原始放射性物质生成的铅量的比值，可以确定矿物的年龄。铅为良好的核辐射防护材料，因此它被广泛用于原子能工业。1.4天然放射性核素的射线谱1.4.1 C射线谱一种处于基态的放射性核素的原子核，通过C衰变放出某一能量的C粒子，所形成的原子核同样处于基态。大多数C衰变属于这种情况。同时有少数原子核在C衰变时只放出较小能量的C粒子，所形成的子体原子核处于激发状态，当子核由激发态跃迁到基态时，伴随放出Y射线。因此种核素经C衰变有可能放出几种能量不同的C粒子，例如铀系的镭衰变时放出的C粒子，能量为4.785MeV的约占95%,4.602MeV的占5%左右,4.33MeV的占0.01%。还有一些核素的部分原子核，在C衰变前就处于激发态，因而放出较大量的C粒子，例如现Po(ThC'),绝大部分现PO的原子核由基态进行C衰变，放出能量为8.784MeV的C粒子；少量的Po原子核由不同能级的激发态进行C衰变，放出能量为9.488MeV,10.417MeV和10.536MeV的C粒子。总之，由于C衰变前或衰变后放射性核素的原子核可以处于基态或不同能级的激发态，所以一种核素作衰变时可以放出几种不同能量的粒子。一种核素的原子核衰变时放出的粒子，若能量是单一的。则称此射线谱为单色谱，若有几组不同的能量，则称此射线谱为复杂谱，天然放射性系列中，大多数核素放出的射线是复杂谱。表1-5,1-6及1-7中列出了铀系，社系和铜系各核素的主要射线能量，这个能量是根据衰变的百分数计算的平均加权能量。例如”8u的(X粒子平均加权能量为：Ea=0.77×4.196+0.23X4.149=4.185(MeV)若以镭为界(包括镭在内)，把铀系分成铀组和镭组，则铀组有三个主要辐射体，即烧u,2MU和叫h,2要U只作衰变，所以每一百次衰变产生的粒子数后100,平均能量E=4.185MeV,则每百次衰变的辐射能量总和是E=100×4.185,按此方法可计算出铀系各核素的辐射能量总和值，将其相加后得了整个铀系核素的辐射能量总和值。则238u的辐射能量总和占整个铀系核素辐射能量总和百分数(即相对能量总和数)是：%=9.8%234U的相对能量总和为11.1%,23oTh的相对能量总和为10.9%,所以铀组核素a辐射的相对能量总和为31.8%。镭组有五个辐射射线多且能量大的核素(称为主要辐射体)：226Ra,222Rn,218Po,214Po210Po,镭组的相对能量总和为68.2%。铜系总是与铀系共生，但235U的量很少，一般情况下，它对辐射浏量的影响可不予考虑。社系共有七个Ol辐射体；132Th>228Th>224Ra,220Rn,20Po,2%及2%0。*Th辐射的C(粒子能量最小(3.99MeV),2l2Po辐射的01粒子能量最大(8.785MeV)。1.4.2B射线谱天然放射性核素的B射线谱是连续谱，能量变化可自零变化到某一最大值瓦。图1-13是几个天然放射性核素的射线谱。有时B衰变形成的子核处于激发态，子核用激发态向基态跃迁时可能产生内转换电子。内转换电子能量是单一的，所以有时在射线的连续谱上会出现单能电子峰。铀系射线谱列于表1-5,表