核物理基础(student)省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。感谢,核辐射测井物理基础,吴文圣,Phone:[phone],E-mail:wwsheng,地点：综合科研楼811,1/265,2 原子核物理基本知识,主要介绍一些原子核物理基本概念，放射性和放射性射线，放射性衰变及衰变规律，伽马射线与物质相互作用，物质吸收伽马射线规律，中子与物质相互作用。,2/265,原子,原子核,核外电子,质子,中子,电荷,+1,0,-1,实际质量,1.672610,-27,kg,1.674810,-27,kg,相对质量,1.007,1.008,(1.674810,-27,)kg,1836,原子组成,核电荷数（Z）,质子数,=电子数,原子序数=,原子核半径小于原子半径万分之一，体积占原子体积 几千亿分之一。,（带正电）,（带负电）,不显,电性,原子质量集中在原子核,=,3/265,Z 个,（AZ）个,Z 个,质量数,将原子核内全部质子和中子相对质量取近似整数值加起来，所得数值，叫质量数。,原子核,核外电子,质子,中子,原子（）,X,A,Z,质量数,（A）,=质子数,（Z）,+中子数,（N）,4/265,原子核质量几乎等于整个原子质量；,质子带正电荷，中子近乎为中性粒子；,质子数（也称为,原子序数,Z,）等于核外电子数；,质子数,Z,与中子数,N,之和称为,质量数,A,；,原子核电荷数=质子质子Z=原子序数=原子核外电子数。,5/265,原子表示方法,原子质量单位：,是以碳同位素,12,C为标准确定，即1个原子质量单位,u为,12,C静止质量1/12，也就是,1u=m,c,/12=1.66056610,-27,kg。,质子质量为：,1.00758u。,中子质量为,：,1.00887u。,X,A,Z,元素符号,原子序数,质 量 数,X,A,6/265,定义：,含有特定原子序数（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（普通长于10,-10,s）一类原子。,另一个定义：含有一定数目标质子数和中子数，且处于同一能态一类原子。,核素能够是稳定，也能够是不稳定。当前已经知道核素大约有2700种，其中约300种是稳定，其余是不稳定，即放射性。,四、核素,7/265,定义：,一个元素由几个质子数相同而中子数不一样核素组成，这几个核素就称为同位素。,分类：,同位素分为,放射性同位素,和,非放射性同位素,。,放射性同位素按其起源,有,天然放射性同位素,与,人工放射性同位素,之分。前者存在于自然界矿石之中，比如,232,Th、,235,U、,226,Ra等。人工放射性同位素则是借助于核反应堆和带电粒子加速器等伎俩，采取人工方法制备。如,11,C、,32,P等。,五、同位素,8/265,定义：,元素丰度能够用,列表法,或,作图法,给出。在列表或作图时，通常都把硅(Si)丰度值取为10，其它核素丰度值按百分比确定。作图时，通常取核素质量数为横坐标，丰度值为纵坐标，用折线或曲线把图中点连起来，所得曲线称为元素丰度曲线。它反应元素按质量数分布规律,某种核素在其天然同位素混合物中所占原子核数目标百分比称为该核素丰度,六、丰度,9/265,能态：,基态：,激发态：,七、能态、基态和激发态,原子核处于不一样能量状态。,能量最低状态。,处于比基态高能量状态。,10/265,放射性定义：,核素按有没有放射性可分为：,放射性核素：,稳定核素八、放射性,原子核自发发射各种射线性质。,原子核能自发发生改变核素。,不能自发发生改变核素。,11/265,放射性核素发射射线有三种：,、,和,射线。,九、放射性射线及性质,放射源,铅盒,摄影底片,12/265,射线：,由高速运动,氦原子核,（称为粒子）组成。它穿透能力最低（在岩石中只有0.001cm），但电离作用最强。,原子核自发发射粒子转变，称为,衰变。,发生衰变，原子核原子序数,Z,降低2，质量数,A,降低4。,在核辐射测井中，利用粒子与一些原子核相互作用可制造中子源。,13/265,射线：,是高速运动电子流。它穿透能力比射线强(在金属中为0.09cm)，但电离作用比粒子弱。,原子核自发发射射线转变，称为衰变。发生衰变后，原子核原子序数改变一个单位，质量数不变。,在核辐射测井中，利用一些发射射线核素作为井间监测示踪剂。,14/265,射线：,是波长很短电磁波。它穿透能力最强，电离作用最弱。,原子核自发发射射线转变，称为衰变。发生衰变后，原子核原子序数和质量数均不变。,射线能穿透几十厘米地层、水泥环、套管和下井仪器外壳。这一特征使得它成为核辐射测井主要得探测对象。,15/265,1、定义：,原子核自发放出各种射线而转变为另一个核素过程。,十、放射性衰变,16/265,原子序数,大于83(铋Bi)全部天然存在元素,它们,原子核都是不稳定,，都会发生衰变；原子序数小于83天然元素也有一些不稳定，发生衰变。,这里有两个概念：,母核：,衰变前原子核。,子核：,衰变后剩下余核。,设及到三个主要过程即：,衰变,、,衰变,或,衰变,17/265,2,、,衰变表示式：,特点：,衰变主要发生于重核,绝大多数,衰变发生于A200重核。但不等于A200都能发生,衰变。,X,A-,4,Z,Y,A,Z-,2,+,He,2,4,18/265,3,、,衰变表示式：,X,A,Z,Y,A,Z+,1,+,e,-,+,v,_,X,Z,A,Y,Z-,1,A,+,e,+,+,v,_,-,衰变：,+,衰变：,19/265,特点：,中子数过多发生衰变，质子数过多发生,+,衰变。,粒子能量是连续能量，能谱连续分布。,几乎全部放射性核素都存在衰变,20/265,4,、,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,射线衰变过程称为,衰变.,21/265,原子核,退激,，必定伴随有,射线放出，,射线能量就等于对应核能级之间,能量差,。,X射线,产生于原子内层电子,跃迁,，它与,射线差异在于能量和产生方式不一样而已。,22/265,放射性衰变过程是由核内扰动影响而发生，与外界条件无关；,有些原子核衰变释放一个或二种射线，有些却同时释放三种射线；,原子核衰变规律与放出射线种类无关，与外界环境无关。,5、放射性衰变特点,23/265,假如我们用,N,(,t,)表示时刻,t,存在原子核数，那么在时刻,t,到,t,+,dt,之间发生衰变原子核数,dN,就应该和,N,(,t,)及,dt,成正比，即,-d,N,N,(,t,),dt,-d,N,=,N,(,t,),dt,十一、简单放射性衰变基本规律,24/265,对上式积分并令,t,=0时原子数为,N,0,，则有：,这就是原子核衰变基本规律：,原子核衰变遵照指数衰减规律。,原子核衰变指数规律是原子核本身固有性质，只和它内部状态相关。外界原因如高温、高压、强磁场、电场等都不能改变原子核这种指数衰变特征。,不一样放射性核素,不一样，即衰变速度不一样。,N,(,t,)=,N,0,e,-,t,25/265,必须指出：原子核衰变规律是一个,统计性规律,，只有在原子核数目足够大时才是正确，不然没有意义。,这是因为核衰变是自发，对于一个核来讲纯属偶然，只有大数目标原子核才遵照统计规律。,26/265,定义：,衰变规律公式中常数，反应了原子核衰变速度快慢，称之为衰变常数。,表示式：,-,dN/dt,意义：,表示在时刻,t,单位时间内发生衰变原子核数，它与当初存在原子核数,N,(,t,)成正比。,十二、衰变常数,=,dN,dt,/,N,(,t,),_,27/265,衰变常数确实切物理意义：,表示一个原子核在单位时间内发生衰变几率。,衰变常数量纲：,T,-1,，通惯用秒,-1,或分,-1,。,不一样放射性核素含有不一样衰变常数。指数衰减规律反应了原子核衰变“共性”，衰变常数反应了各种原子核“个性”。,28/265,定义：,放射性原子核衰变到数量降低二分之一所经过得时间。,表示符号：,T,1/2,意义：,表示原子核衰变快慢。,T,1/2,和,都表示原子核衰变快慢。,十三、半衰期,29/265,那么二者之间有什么关系呢？,由半衰期定义知：,由衰减规律公式有：,当,t=,T,1/2,N=,N,0,2,N,=,N,0,2,=,N,0,e,-,T,1/2,30/265,T,1/2,=,ln2,=,0.693,可见：,原子核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几率越大，原子核得衰变就越快，原子核总数降低二分之一时间自然也就越短。,31/265,定义：,就是指一个放射性原子核平均能够生存时间，通惯用表示。,求取方法：,由衰减规律公式知,：,在时刻,t,一个极小时间间隔,dt,内，发生衰变原子核数为,Ndt,；,能够认为有,Ndt,个原子核生存时间（即寿命）是,t,，即这些原子核寿命之和为,tNdt,。,十四、平均寿命,32/265,假如,t,=0时原子核数为,N,0,，则原子核总寿命,原子核平均寿命为：,N,=,N,0,e,-,t,33/265,34/265,定义：,把单位时间内一个放射源发生衰变原子核数称为放射性活度，也称,放射性强度,，通惯用符号,A,表示。,十五、放射性活度,A,=,N,=,A,=,N,=,N,0,e,-,t,=,A,0,e,-,t,35/265,A,0,称为初始放射性活度。,放射性活度单位：,因为历史原因，习惯上采取居里（Ci）作为放射性活度单位。它定义是：一个放射源假如在每秒内产生3.710,10,次衰变，这个放射源放射性活度即为1居里，即,放射性活度国际单位是贝可勒尔，简称贝可，记作Bq。它定义是：放射源每秒产生一次衰变为1贝可，1Bq=1s,-1,。,二者关系：,1Ci=3.7,10,10,Bq,36/265,例1：已知,226,Ra半衰期为1600y，问1g,226,Ra放射性活度是多少贝可勒尔？,解：,T,1/2,=1600365243600=5.0410,10,s；,=0.693/T,1/2,=1.37510,-11,s,-1,N=(m/M)N,A,=(1/226)6.02210,23,=2.66510,21,A=,N=3.66410,10,s,-1,=3.66410,10,Bq,37/265,例2：已知,222,Rn半衰期为3.82d，问1,Ci,和,1000Bq,222,Rn质量分别是多少？,解,T,1/2,=3.82243600=3.310,5,s；,=0.693/T,1/2,=2.110,-6,s,-1,38/265,定义：,表示式：,意义：,十六、比放射性活度,单位质量放射性物质放射性活度。即放射源放射性活度与其质量比，也称比活度，用a表示。,a=A/m (Bq/g 或Ci/g)。,a大小表示放射源纯度高低。,39/265,例1：已知,131,I半衰期是8.04d，计算其比发射性活度。,a=1.25,10,5,(Ci g,-1,),40/265,例2：试验室测得纯,235,U样品比放射性活度为80Bq.mg,-1,，试求,235,U半衰期。,41/265,3 核辐射测井核物理基础,本章主要介绍：,伽马射线与物质相互作用,中子与物质相互作用,42/265,射线与物质发生各种相互作用都有一定几率，通惯用截面,这个物理量来表示作用几率大小，其定义是：,一、,射线与物质相互作用几率,=,N,IN,s,单位时间内发生核反应数,单位时间内入射粒子数,单位面积靶核数,=,第一节 伽马射线与物质相互作用,43/265,确实切物理意义是：,一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生作用几率。,单位：,它含有面积量纲。普通用10,-24,cm,2,作为,单位，称为靶恩（b）。,截面,仅反应射线与物质相互作用几率大小一个物理量，但不表示原子或原子核真实几何截面,。,44/265,假如光电效应截面用,ph,表示，康普顿散射截面用,c,表示，电子对效应截面用,p,表示，则总截面,为：,45/265,光电效应定义：,当一个光子与物质原子中束缚电子作用时，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电子称为光电子。,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,越轻易,发生光电效应？,所以，K壳层上打出光电子几率最大，L壳层次之，M、N壳层更次之。,二、光电效应,46/265,光电子能量：,由能量守恒定律知，光电子能量,E,e,为,hv,为入射,光子能量；,E,i,为第,i,壳层电子结合能。,E,e,=,hv,_,E,i,47/265,光子与原子发生光电效应截面（即几率）与入射光子能量关系：,入射光子能量,hv,很高时，截面,ph,很小。因为电子在原子中束缚程度大小是与入射光子能量相比较而言。当入射光子能量很高时，相对来说，电子束缚程度就很低，所以截面就很小。,48/265,发生光电效应截面原子序数关系：,对于同一能量入射光子来说，物质原子序数越高，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原子序数有着强烈依赖关系。,这就是岩性密度测井利用光电效应判断地层岩性依据。,49/265,普通发生在原子内壳层几率最大。对K壳层，光电效应截面,Ph,为：,探测器应选取尽可能高Z物质作为介质,50/265,1）康普顿效应：,当入射,光子能量增高后，光电效应逐步减弱，康普顿效应成为,光子损失能量主要方式。在康普顿效应中，入射,光子与原子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,光子则朝另一个方向散射出来。,三、康普顿效应,(compton effect),51/265,康普顿效应不但在束缚电子上能够发生，而且在自由电子上也能够发生。正因为如此，康普顿效应大多是在原子外层电子上发生。,52/265,3）康普顿散射截面,c,=Z,ce,(总截面等于各壳层电子散射,截面之和。）,能量比较低时:,入射,能量比较高时:,式中，r,0,为电子经典半径。散射截面与Z一次方成正比，而随E,增加而降低。,53/265,5）康普顿效应减弱系数,e,：,由康普顿效应造成,射线在经过单位距离物质时强度减弱。,这也是康普顿效应求取地层密度依据,54/265,1）电子对效应：,当入射,光子能量大于两个电子静电质量能（即大于1.022MeV）时，在原子核库伦场作用下，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）发生电子对效应条件：,一是除了,光子和电子外，还必须由原子核参加；二是,光子必须含有足够大能量（大于1.022MeV）。,四、电子对效应,55/265,4）产生正负电子对在物质中损失能量后，到达,热平衡,，正电子在热平衡时与物质中负电子产生,淹没,光子,，发出两个0.511MeV,射线，方向相反。这两个,射线产生时间非常短，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。,5）由正负电子对在物质中产生,电子离子,对将与淹没辐射产生次级电子在物质中再产生电子离子对叠加在一起，形成电子对效应,射线信号输出谱。,56/265,6）电子对效应截面：,所以，电子对效应,截面与Z,2,成正比，随,射线能量增大而增,大。,57/265,7）电子对效应减弱系数,p,：,射线经过单位厚度吸收介质时，因形成电子对而造成,射线强度减弱。,58/265,对低能,射线与高原子序数作用物质，,光电效应,占优势；,对中能,射线与低原子序数作用物质，,康普顿效,应占优势；,对高能,射线与高原子序数作用物质，,电子对效应,占优势。,59/265,设有一束强度为,I,0,准直单能,射线沿水平方向垂直地经过单位面积吸收物质。设吸收物质单位体积内原子数为,N,，密度为,，吸收截面为,r,。,五、物质对伽马射线吸收规律,60/265,穿过物质后强度减弱为：,-,dI,=,I,0,N,r,dx,令,61/265,这表明：,射线经过吸收物质时，其强度减弱服从指数衰减规律。,积分,I,=,I,0,e,-,x,62/265,是物质总吸收系数，单位cm,-1,：,因为线性吸收系数,近似正比于吸收物质密度,，而,是随介质物理状态而改变，为了消除,影响，常采取质量吸收系数,m,=,/,，单位是cm,2,/g。,=,ph,e,p,+,+,m,ph,e,p,=,+,+,63/265第二节 中子与物质相互作用,本章主要介绍中子及中子分类，中子与原子核反应包含快中子非弹性散射、快中子火化、快中子弹性散射、热中子扩散与俘获以及热中子活化反应。,64/265,中子电荷：,可能带有很小难以探测到电荷，能够把它看成是中性粒子。,中子质量：,中子质量略大于质子(1.00866u),中子自旋：,中子自旋,s,n,=1/2，恪守泡利不相容原理，服从费米统计。,中子寿命：,自由中子是不稳定，它含有衰变性质，即,np+,-,+,v,-,+,Q,T,1/2,=11.70.3min,2、中子性质,一、中子,65/265,中子能量：,因为产生方式不一样，以及产生后碰到环境各异，中子能量可高达GeV，低到neV。不一样能量中子与物质作用特征不一样。,与其它粒子相比，中子优势：,因为中子和电子之间没有显著相互作用，中子不能使物质电离，所以中子穿透能力很强。它能够穿透仪器外壳、井液、套管和水泥环，进入地层，与地层中物质原子核并相互作用，产生各种核反应，反应几率往往很大，这些特征对测井很有利。,66/265,特快中子：,能量在10MeV50MeV之间。,快中子：,能量在0.5MeV10MeV之间。,中能中子：,能量在1keV0.5MeV之间。,慢中子：,能量在01keV之间，包含超热中子、热中子、冷中子和共振中子。,其中能量约为0.025eV慢中子称为热中子。,3、中子分类,67/265,轻核：,A,30原子核。,中量核：,30,A,90原子核。,二、原子核分类,68/265,定义：,当一定能量入射粒子轰击靶核时，可能发生各种核反应，每种反应都有一定几率，反应截面就是描述这种反应几率大小。,三、核反应截面,69/265,求取：,假设靶厚度为,x,，单位体积内靶核数为,N,v,，那么这块靶靶核数,N,s,=,N,v,x,。有一强度为,I,（单位时间内入射粒子数）单能粒子束垂直入射在靶上，当粒子透过靶时，能够认为其能量不变。在单位时间内，入射粒子与靶核发生反应数为,N,，显然，,N,应,I,与和,N,s,成正比，,厚度,dx,单位面积,靶物质,70/265,称为反应截面，又称有效截面有,N,IN,s,N,=,IN,s,=,N,IN,s,单位时间内发生核反应数,单位时间内入射粒子数,单位面积靶核数,=,71/265,物理意义是：,一个粒子入射到单位面积内只含一个靶核靶上所发生反应几率。,几何意义：,反应截面相当于在单位面积内只含有一个核靶上存在着一个有效面积,，入射粒子只要与它碰撞，就会发生核反应。,量纲：,靶恩（b），1b=10,-24,cm,2,=10,-28,m,2,72/265,1）非弹性散射过程：,快中子先被靶核吸收形成复核，而后放出一个能量较低中子，靶核处于激发态，即处于较高能级。这些处于激发态靶核，经常以发射,射线方式释放出激发能而回到基态。这种作用过程中，中子与靶核碰撞前后系统总动能不守恒，故称为非弹性散射，或称（n，n）核反应。,产生射线，核辐射测井中称为,非弹性散射伽马射线。,四、中子与物质相互作用,1、非弹性散射,73/265,2）非弹性散射反应式：,74/265,3）发生非弹性散射中子最低能量：,原子核能级是非连续，只有当入射中子能量最少大于靶核第一激发能时，才有可能发生非弹性散射。发生非弹性散射所需要入射中子最低能量为：,反冲核质量,中子质量,第一激发态回到基态释放,光子能量,75/265,用质量数A和1分别取代上式中m,A,和m,n,，则上式可写为,76/265,当A很大时,最低中子能量近似等于第一激发能;,轻核第一激发能级高且能级间距大；重核第一激发能级低且能级间距小。所以,质量数大,核比较轻易激发。,但如第一激发能级太低，发射,射线能量太低，在复杂能谱背景中将难以识别。,当中子能量超出更高能级时，参加非弹性散射核反应不只是第一能级，还有第二甚至更高能级。要使第i个能级参加反应,中子最低能量必须满足:,77/265,4）非弹性散射几个特点：,只有快中子才能产生非弹性散射。,主要发生在中子发射后,10,-8,10,-7,s,时间间隔内。,重核,比较轻易激发非弹性散射，发射射线能量也较低。,中子能量高且靶核质量大,非弹性散射截面就大;,同位素中子源,发射中子能量低,发生非弹性散射概率小,能够忽略；,加速器中子源,发射中子能量为14MeV，较易发生非弹性散射,78/265,因为非弹性散射射线能量取决于靶核能级特征，其大小反应靶核性质，所以，能够经过对非弹性散射射线能谱测量来进行元素分析，这是非弹性散射射线能谱（如C/O）测井基础。,5）测井中利用非弹性散射原因,79/265,1）定义：,快中子除了与原子核发生非弹性散射外，还能与一些元素原子核发生（n，）、（n，p）反应。由这些核反应产生原子核称为活化核，活化核有些是不稳定，以一定半衰期衰变，并发射或,粒子。这一过程称为中子活化反应。,由活化反应放出,射线称为,次生活化,射线,。,2、快中子活化,80/265,2）硅活化核反应：,反应产物是放射性核素，将发生衰变，半衰期为2.3min，伴随发射能量为1.782MeV,射线。,利用这一反应测井方法叫硅测井，是识别岩性一个测井方法。,81/265,3）铝活化核反应：,产生Mg是放射性核素，以半衰期9.5min发生,衰变，放出0.84MeV和1.015MeV两种能量,射线。,利用这一核反应测井方法就是铝活化测井。,82/265,1）弹性散射过程：,高能中子在极短时间内，经过一、二次非弹性碰撞损失了大量能量后，中子已没有足够能量再同原子核发生非弹性散射，此时，中子与原子核发生碰撞后，系统总动能不变，中子所损失动能全部转变成反冲核动能，而反冲核仍处于基态。反应式为：,主要发生在中子发射后,10,-6,10,-5,s,时间间隔内。,3、弹性散射,83/265,2）碰撞前后中子动能比值,E,2,/,E,1,：,每次弹性碰撞后，快中子能量损失与靶核质量数,A,、入射中子能量,E,1,以及散射角,相关。由动量守恒和能量守恒定律，可得,84/265,对上式讨论：,当,=0,o,时，中子动能没损失，,E,2,最大，,E,2,=,E,1,。,当,=180,o,时，即发生正碰撞时，中子动能损失最大，,E,2,最小，有,85/265,一次碰撞，中子可能最大能量损失为：,86/265,可见：,中子与氢核碰撞有可能损失全部能量；原子核质量数越大，一次碰撞损失最大能量急剧降低。,核素,A质量数,E,max,/,E,1,1,H1,1,12,C,12,0.284,16,O,16,0.221,238,U,238,0.017,87/265,在核物理中惯用每次碰撞平均对数能量消耗,来表示物质对中子减速能力。,定义：,每次碰撞前后中子能量自然对数差平均值，有,3）平均对数能量损耗（减缩）,88/265,当,A,10时，上式近似简化为,可见：,当质量数大于10时，平均对数损耗是由靶核质量数A决定，与中子能量近乎无关。,89/265,中子从初始能量,E,0,减速到或慢化到热中子能量,E,t,=0.025eV所需碰撞次数。,4）热化碰撞次数/散射次数,n,90/265,靶核,质量数A,n(E0=2MeV),1,H,1,1,18,7,Li,7,0.268,67,9,Be,9,0.209,86,12,C,12,0.158,114,16,O,16,0.120,150,24,Mg,24,0.075,226,可见：,靶核质量数越小，慢化到热中子所需碰撞次数越少。氢碰撞次数最少，即慢化能力或减速能力最强。,91/265,可见：可见氢是地层中最强中子减速剂或慢化剂。,这是中子测井得物理基础。,靶核,质量数,中子反应全截面,1,H,1,20.0,2,H,7,3.4,9,Be,9,6.1,12,C,12,4.6,16,O,16,3.8,92/265,1）热中子定义：,快中子经过一系列非弹性碰撞及弹性碰撞，能量逐步减小，最终当中子能量与组成地层原子处于热平衡状态时，中子不再减速。处于这种能量状态中子称为热中子。,在温度为25时，标准热中子能量为0.025eV，速度为2.210,5,cm/s。,4、热中子扩散与辐射俘获,93/265,2）热中子扩散：,热中子在介质中扩散过程与气体分子扩散相类似，即从热中子密度大区域向密度小区域扩散，直到被该介质中原子核俘获为止。,3）热中子辐射俘获反应：,物质中原子核俘获一个热中子而变成激发态复核，处于激发态复核放射出一个或几个,光子而回到基态。这一反应称为辐射俘获核反应，也称（n，,）反应。反应式为:,94/265,4）热中子扩散与辐射俘获核反应意义：,在辐射俘获反应中放出,射线叫,俘获,射线,，测井上习惯称为,中子,射线,。,以辐射俘获反应为基础测井方法叫中子,测井方法。不一样元素原子核含有不一样能级，它们放出,射线能量也不一样，这是中子,测井方法物理基础,95/265,热中子活化反应：,热中子使一些原子核活化主要是与这些原子核产生（n，,）核反应。反应产生新核往往是放射性，新核以一定半衰期衰变，并伴随发射出一定能量,射线。这是热中子活化测井物理基础。,5、热中子活化反应,96/265,本章主要介绍核辐射测井地质基础，岩石天然放射性，地层中伽马射线分布，岩石散射伽马射线特征，岩石中子特征及中子通量空间分布。,3 核辐射测井岩石核物理基础,97/265,第一节 核辐射测井地质基础当前已经发觉地层中元素有,100,各种，几乎,全部化学元素,都能在地层中找到。但主要地层元素只有少数几个。,在地壳内化学元素含量按重量百分比大小分布依次为,O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti、C、Cl,等。,一、地层元素分布及含量,98/265,各元素在地层中总量分布极不均匀，前三种元素,O、Si,和,Al,总量占地壳总量,82.58%,；,前9种即,O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg和H,总量占地壳总量,98.13%,；,而其余元素仅占地壳元素总量,1.87%,。,核辐射测井所关心,不是,地层中,全部,元素，而是含量在前,10,种元素。,99/265,岩石按成因可分为,岩浆岩,、,沉积岩,和,变质岩,三大类。,1）变质岩：,变质岩是由,岩浆岩或沉积岩,经各种,内力地质作用,形成，其物质组成与变质前岩石直接相关（这里不再介绍）。,二、岩石矿物及其指示元素,1、地层中岩石及矿物,100/265,2）岩浆岩：,岩浆岩主要分布在地层深处，其体积占地层岩石95%。,岩浆岩矿物种类繁多，主要有以下矿物：石英（12%）、长石（59%）、角闪石及辉石（17%）、云母（4%）、橄榄石、霞石、石榴石、磁铁矿、磷灰石（共8%）等。其余矿物只占1%。,101/265,3）沉积岩：,沉积岩已知矿物有100各种，其中常见有,20,各种，这些矿物可分为：石英类、长石类、云母类、粘土矿物类、碳酸盐岩及硫酸盐岩类、氯化物、铁和锰氧化物等。,以粘土为主要成份沉积岩属于粘土岩。粘土岩在沉积岩中分布最广，约占沉积岩总量,60%70%,左右。Al,2,O,3,在泥岩中含量最多矿物，为,15%21%,。,102/265,矿物指示元素：,是指选取能够充分表征该矿物特征极少数元素作为该矿物代表。,比如选取,Si,作为石英指示元素，,Ca,作为石灰岩指示元素，,Mg,和,Ca,为白云岩指示元素。,对于复杂矿物，则能够选取,23,种元素作为指示元素，如钾长石就是选取Si、Al和K作为指示元素。,2、矿物指示元素,103/265,假如每种矿物化学成份稳定时，矿物中元素含量百分比也是不变，这是核辐射测井经过测量地层中元素含量来判断地层矿物成份和流体类型及含量前提条件。,为何核辐射测井能够经过测量地层元素含量来判断矿物成份？,104/265,矿物/流体,主要元素含量次序,石 英,石灰岩,白云岩,钾长石,伊利石,云 母,石 膏,水,油 气,O、Si,O、Ca、C,O、Ca、Mg、C,O、Si、Al、H、K、Mg、Fe,O、Si、Al、K、Mg、Fe,O、Si、Al、H、K、Mg、Ca,O、Ca、S,O、H、Cl、Na,C、H,地层矿物及其元素,105/265,第二节 岩石天然放射性特征,岩石自然放射性是由,岩石中放射性核素,及其,含量,决定。,自然界中发觉现有元素中，已发觉天然核素有,330,各种，其中,273,种为稳定核素，,60,余种位放射性核素。,在自然界中原子量,A209,核素全部都是,放射性,。,一、岩石中放射性核素,106/265,自然界中有三个天然放射系，即,铀系,、,钍系,和,锕系,。,它们初始核素分别为,238,U、,232,Th,和,235,U,。,238,U丰度为99.2739%，而,235,U丰度只有0.7205%，所以锕系对岩石放射性贡献几乎能够忽略。,岩石自然放射性主要是由,238,U和,232,Th开头两个放射系和放射性核素,40,K决定。,1、岩石天然放射性系列,107/265,钍系,108/265,铀系,109/265,锕系,110/265,2、天然放射衰变系共同特点,长寿命系列起始核素：10,8,-10,10,年,系列最终都是稳定铅同位素,每个系列都有一个氡同位素，是气体,111/265,4、地层中不成系列天然放射性核素,K-40：,T,1/2,1.2710,9,年；,3种同位素：K-39（丰度：93.31）；,K-40（丰度：0.012）；,K-41（丰度：6.7）。,1g天然钾每秒放出28个能量为1.31MeV,粒子和3个1.46MeV光子，是自然伽马测井中主要元素。,钾为生命必要元素，成人体内60 Bq/kg,112/265,核衰变放出光子含有特定能量。测得地层中光子能量往往能够确定地层中存在某种核素。,铀系能谱中可观察到大约80条射线谱线；在钍系中可观察到大约60条射线谱线。,因为能量小于100keV光子在穿透地层和仪器外壳时大量被吸收，它们对自然测井读数影响能够忽略不计，因而只须注意能量大于这一数值辐射。,5、自然伽马和自然伽马能谱测井机理,113/265,1、岩浆岩中天然放射性核素分布：,石英,基本上不含放射性杂质。,长石和云母,含有地层中大部分钾，其中,40,K是放射性核素。,角闪石和辉石,中放射性核素含量更高一些。,二、天然放射性核素在岩石中分布,114/265,2、沉积岩中天然放射性核素分布：,沉积岩分为,碎屑岩,、,化学岩,（包含生物化学岩）和,粘土岩,三大类。,1）粘土岩,粘土岩,是油气测井中碰到含有放射性核素最多矿物，它主要由粘土矿物组成。,高岭石：,化学式Al,4,Si,4,O,10,OH,8,，常出现在陆相沉积中，本身不含放射性元素。因为其对放射性物质,吸附能力差,，对粘土岩放射性贡献较小。,115/265,蒙脱石：,化学式（Al,2,Mg,3,）Si,4,O,10,OH,2,。本身也不含放射性元素。但对放射性物质,吸收能力强,，能吸附较多氧化铀，所以，对粘土岩放射性贡献最大。,116/265,伊利石：,化学式为K(1)Al,2,(Si,Al),4,O,10,nH,2,O。因为本身含有K，,含有放射性,；还含有一定吸附能力，吸附氧化铀。,117/265,绿泥石：,化学式为FeAlSi,3,AlO,10,OH,8,nH,2,O。本身不含放射性元素，又因为吸附能力差，对粘土岩放射性贡献很低。,118/265,为何说生油粘土岩含有相当放射性？,生油粘土岩粘土矿物主要以,蒙脱石和伊利石,为主，其本身放射性和吸附能力使其含有一定放射性；又因为富含有机质，有利于放射性物质沉积，所以含有相当放射性。,119/265,碎屑岩,由碎屑物和胶结物组成，碎屑物是岩石主要组成部分，分为砾岩、砂岩、细砂岩、粉砂岩等。放射性主要由,正长石,（KAlSi,3,O,8,）、,白云母,（KAl,2,AlSi,3,O,10,OH,2,）、,重矿物,及,泥质含量,决定。,2）碎屑岩,120/265,化学岩是,经过化学和生物化学作用形成，最常见、最亲密是,碳酸盐岩,，即,石灰岩,和,白云岩,。其它常见化学岩还有,石膏、硬石膏、岩盐、钾盐,等。其中，,钾盐含有放射性核素,40,K，本身含有放射性；,其它化学岩放射性都是由,泥质和一些微量元素贡献,。纯碳酸盐岩放射性核素含量很低，尤其是Th/U很低。,3）化学岩,121/265,一是,高放射性岩石,，包含粘土岩、火山灰、海绿石砂岩、含铀矾矿灰岩及钾盐等；,二是,中等放射性岩石,，包含砂层、砂岩、含有少许泥质碳酸盐岩等；,三是,低放射性岩石,，包含石膏、硬石膏、岩盐、纯石灰岩和白云岩及纯石英砂岩等。,4）沉积岩按放射性浓度分类：,122/265,自然放射性伴随泥质含量增加而增加；,伴随有机物含量增加而增加，如沥青质泥岩放射性很高；,伴随钾盐和一些放射性矿物增加而增加。,5）,沉积岩自然放射性规律：,123/265,第三节 自然射线在地层中分布,地层岩石中自然射线主要是由,铀系,和,钍系,中放射性核素以及,40,K,产生。,其中铀系和钍系中每种核素发射能量和强度均不一样，有些核素还能发射各种能量射线，射线能量分布复杂。,40,K只能放射一个单一能量射线，其射线能量均为1.46MeV。,一、天然放射性伽马能谱,124/265,1）铀系能谱图:,125/265,铀系中最主要伽马辐射体是,214,Bi,，其次是,214,Pb,。,铀系中能量大于1MeV,射线都是由,214,Bi,发射。,214,Bi,一次衰变发射,射线能量为,1.574MeV,，约占铀系总能量,85.6%,，,214,Pb,占,12.4%,。这两个核素发射,射线强度占整个铀系,85%,。,自然,能谱测井就是依据,214,Bi,特征,射线强度测定地层中铀含量。,126/265,2）钍系能谱图,127/265,钍系中最主要伽马辐射体是,208,Tl（铊）,，其次是,228,Ac（锕）,。,208,Tl和,228,Ac,射线总能量约占钍系总能量,85%,，,214,Pb,占,12.4%,。这两个核素发射,射线强度占整个钍系,71%,。,自然,能谱测井就是依据,208,Tl,特征,射线强度测定地层中钍含量。,128/265,3）,40,K 能谱图,129/265,自然,能谱测井就是依据,40,K,特征,射线强度测定地层中钾含量。,130/265,第四节 岩石散射,射线特征,2.包括到岩石特征参数,岩石真密度,b,电子密度,n,e,电子密度指数,e,光电吸收截面,光电吸收截面指数,P,e,体积光电吸收截面指数U,岩石视密度,a,131/265,1、真密度定义：,岩石真密度是指每立方厘米体积岩石质量，用,b,表示，单位是g/cm,3,。也称为体积密度，通常所说密度就是指真密度。,对于孔隙度为,，饱含水纯石灰岩，其真密度为,一、岩石真密度、电子密度、电子密度指数和视密度132/265,不一样岩石骨架密度不一样，这么在井剖面中能够依据密度把不一样岩性地层区分开。,孔隙性地层相当于致密地层中岩石骨架一部分被密度小水、原油或天然气所取代，故其密度小于致密地层。孔隙度越大，地层密度越小，这么，密度测井资料能够求取地层孔隙度。实际上，密度测井是孔隙度测井主要方法之一。,133/265,2、电子密度定义：,单位体积岩石中电子数叫岩石电子密度，用表示,n,e,，单位是电子数/cm,3,。,若岩石由单一元素组成，则,n,e,若岩石由单一化合物组成，则,134/265,3、电子密度指数,e,：,为了方便，在散射测井中引入电子密度指数概念，其定义为,由单一元素组成物质，其电子