第2-4章：核辐射测井部分

核辐射测井部分第二章原子核物理的一些基本概念和基本知识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、基本概念和基础知识1、原子和原子核原子序数Z核电荷数Z电子数质量数A中子数N质子数Z原子的表示方法原子质量单位：是以碳的同位素12C为标准确定的，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=1.660566×10-27kg。质子质量为：1.00758u。中子质量为：1.00887u。XAZ元素符号原子序数质量数XA能态：基态：激发态：2、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。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。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种是稳定的，其余是不稳定的，即放射性的。3、核素定义：元素的丰度可以用列表法或作图法给出。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核数目的百分比称为该核素的丰度4、丰度5、放射性及放射性衰变1）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。2）α衰变表达式：特点：α衰变主要发生于重核,绝大多数α衰变发生于A200的重核。但不等于A200都能发生α衰变。XA-4ZYAZ-2+He243）β衰变表达式：XAZYAZ+1+e-+v_XZAYZ-1A+e++v_β-衰变：β+衰变：特点：中子数过多发生β¯衰变，质子数过多发生β+衰变。β粒子的能量是连续能量，能谱连续分布。几乎所有的放射性核素都存在β衰变4）γ衰变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.原子核的退激，必然伴随有γ射线的放出，γ射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差。X射线产生于原子内层电子的跃迁，它与γ射线的差别在于能量和产生的方式不同而已。5）放射性衰变的特点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；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；原子核衰变规律与放出射线的种类无关，与外界环境无关。放射性核素发射的射线有三种：α、β和γ射线。6）放射性射线及性质放射源铅盒照相底片α射线：由高速运动的氦原子核（称为α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。在核辐射测井中，利用α粒子与某些原子核的相互作用可制造中子源。β射线：是高速运动的电子流。它的穿透能力比α射线强(在金属中为0.09cm)，但电离作用比α粒子弱。在核辐射测井中，利用某些发射β射线的核素作为井间监测示踪剂。γ射线：是波长很短的电磁波。它的穿透能力最强，电离作用最弱。γ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。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就应当和N(t)成正比，即Rn22286-dN/dt∝N(t)-dN=λN(t)dtPo218847）简单放射性衰变的基本规律对上式积分并令t=0时的原子数为N0，则有：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。原子核衰变的指数规律是原子核本身固有的性质，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。不同的放射性核素的λ不同，即衰变速度不同。N(t)=N0e-λt必须指出：原子核衰变规律是一个统计性规律，只有在原子核的数目足够大时才是正确的，否则没有意义。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。定义：衰变规律公式中的常数λ，反映了原子核衰变速度的快慢，称之为衰变常数。表达式：-dN/dt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λ=dNdt/N(t)_衰变常数λ的确切物理意义：表示一个原子核在单位时间内发生衰变的几率。衰变常数λ量纲：[T]-1，通常用秒-1或分-1。不同的放射性核素具有不同的衰变常数λ。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”。定义：放射性原子核衰变到数量减少一半所经过得时间。表示符号：T1/2意义：表示原子核衰变的快慢。T1/2和λ都表示原子核衰变的快慢。9）半衰期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-λT1/2T1/2=ln2λλ=0.693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；半衰期短，衰变常数就大。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。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τ表示。6、平均寿命定义：把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dtdNNAA=λN=A=λN=λN0e-λt=A0e-λtA0称为初始放射性活度。放射性活度的单位：①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3.7×1010次衰变，这个放射源的放射性活度即为1居里，即②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。③二者关系：1Ci=3.7×1010Bq第二章伽马射线与物质的作用及密度测井本章重点：伽马射线与物质的相互作用伽马射线的探测岩性密度测井第一节伽马射线与物质的相互作用天然产生由伽马源产生一、伽马射线的来源1、伽马射线的产生方式定义：能够产生伽马射线的装置。进行γ-γ测井、γ活化法测井时使用的γ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。测井中最常用的是：钴(60Co)源和铯(137Cs)源2、伽马源目前γ-γ测井即岩性密度测井中使用的伽马源基本上都是137Cs源。伽马源的性质：伽马源的性质是由源强、能量分布、角分布等决定的。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？目前已经发现地层中的元素有100多种，几乎所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。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、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti、C、Cl等。二、地层元素分布及含量各元素在地层中的总量分布极不均匀，前三种元素O、Si和Al总量占地壳总量的82.58%；前9种即O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg和H总量占地壳总量的98.13%；而其余元素仅占地壳元素总量的1.87%。核辐射测井所关心的不是地层中所有的元素，而是含量在前10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需回答：什么是光电效应？光电效应的特点是什么？在测井中作用是什么？1）光电效应定义：当一个γ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。由光电效应发射出来的电子称为光电子。2、核辐射测井中的光电效应三、光电效应2）光电子的能量：由能量守恒定律知，光电子能量Ee为hv为入射γ光子的能量；Ei为第i壳层电子的结合能。Ee=hv_Ei光电峰NE光电效应只有在束缚电子上发生，电子在原子中被束缚得越紧，就越容易发生光电效应。所以，K壳层上打出光电子的几率最大，L壳层次之，M、N壳层更次之。γ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hv很高时，截面σph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低，所以截面就很小。3）光电效应的特点：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的依据。探测器应选用尽可能高Z的物质作为介质。7/25201520ZhhmCZhhmCKph需回答：什么是康普顿效应？康普顿效应的特点是什么？在测井中作用是什么？1）康普顿效应：当入射γ光子能量增高后，光电效应逐渐减弱，康普顿效应成为γ光子损失能量的主要方式。在康普顿效应中，入射γ光子与原子的核外电子发生弹性碰撞，把一部分能量转移给了电子，使电子脱离原子成为反冲电子，损失能量后的γ光子则朝另一个方向散射出来。1、核辐射测井中的康普顿效应四、康普顿-吴有训效应(comptoneffect)康普顿效应不仅在束缚电子上可以发生，而且在自由电子上也可以发生。正因为如此，康普顿效应大多是在原子的外层电子上发生。思考：原子序数？思考：入射能量？2）康普顿效应的特点3）康普顿散射截面能量比较低时:入射能量比较高时:式中，r0为电子的经典半径。散射截面与Z的一次方成正比，而随E增加而减少。22008,h,3crZmC2220002021ln,h,2cEmCrZmCEmC4）反冲电子能量分布即便是单能射线入射，反冲电子能量是连续分布的。由上面的公式：可得：=0º时，E=E，Eemin=0,反冲电子能量为零。=180º时，对不同的角度，反冲电子能量不同，为一连续分布,201(1cos)eEEmCE2max0/1/(2)eEEmCE5）康普顿效应减弱系数µe：由康普顿效应导致的γ射线在通过单位距离物质时的强度减弱。AZNAee这也是康普顿效应求取地层密度的依据需回答：什么是康普顿效应？康普顿效应的特点是什么？在测井中作用是什么？1）电子对效应：当入射γ光子的能量大于两个电子的静电质量能（即大于1.022MeV）时，在原子核的库伦场作用下，光子转化为一个负电子和一个正电子，形成正负电子对，这个过程称为电子对效应。2）发生电子对效应的条件：一是除了γ光子和电子外，还必须由原子核参与；二是γ光子必须具有足够大的能量（大于1.022MeV）。五、电子对效应4）产生的正负电子对在物质中损失能量后，达到热平衡，正电子在热平衡时与物质中的负电子产生淹没光子，发出两个0.511MeV的射线，方向相反。这两个射线产生的时间非常短，与物质再次相互作用产生光电效应与康普顿效应，产生次级快速电子。对低能射线与高原子序数的作用物质，光电效应占优势；对中能射线与低原子序数的作用物质，康普顿效应占优势；对高能射线与高原子序数的作用物质，电子对效应占优势。0.010.1110100020406080100ZEγ/MeV光电效应区域康普顿效应区电子对效应区电子对效应区思考：0.662MeV？1.022MeV?110设有一束强度为I0，准直的单能γ射线沿水平方向垂直地通过单位面积吸收物质。设吸收物质单位体积内的原子数为N，密度为ρ，吸收截面为σr。七、物质对伽马射线的吸收规律I0穿过物质后的强度减弱为：-dI=I0NσrdxANN