如何描述岩石的放射性?

2025-03-04 14:01:00

放射性物质会产生极具危害的核辐射,但核辐射其实时时刻刻都存在。如人体每天都在接受天然的辐射(80%都来自天然本底辐射)。那么,看不见摸不着的放射性到底是什么呢?

简单来说,放射性就是一种原子核能够自发变成另外一种原子核,同时放出射线的能力。原子发生放射性衰变的快慢不同,通常用半衰期(放射性核素衰变其原有核数一半所需时间。半衰期是放射性核素的特征常数,在单位时间内发生衰变的概率越大,原子核的衰变就越快,原子核总数减少一半的时间越短;反之半衰期越长,原子核衰变越慢)来表示,半衰期长的原子核衰变慢,半衰期短的原子核衰变就快。具有放射性的物质释放的射线大致可分为α射线、β射线和γ射线三种。

三种射线穿透物质的能力不同,这就像用不同的子弹去射物体一样,铅弹和橡皮子弹穿透能力差别很大。α粒子实际上是包括2个质子和2个中子组成的氦(4He)原子核,它的穿透力特别弱,一张纸就能把它挡住;β射线是电子束,它的穿透力较弱,一本书就能挡住它的去路;而伽马射线是一种高能的光子,它的穿透力最强,几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土才能将它拦住。

不同岩石放射性的高低以及射线的能量各有特点,因此可以根据测量岩石伽马射线的特征,判断出这是什么类型的岩石。通常情况下,具有高放射性特征的岩石以黏土岩为主,含有石油的可能性较低。国家正大力开发的页岩油气藏富含有机质,油气有机质通常伴随着放射性铀而存在,也会有辐射。

由于岩石中存在放射性的铀、钍和钾三种元素,因此岩石具有放射性特征。铀系元素和钍系元素是一个很庞大的家族,家族中每个元素发射的射线能量和强度都不一样,而钾元素只发出一种能量的射线。这些不同能量的射线就是不同放射性元素的标签,科学家通过对这些标签的检测与识别,可以把各种元素的含量确定出来。

伽马射线本质是一种光子,但遗憾的是人类的眼睛并不能看到它,那到底怎么探测它的存在呢?为了看到伽马射线,伽马探测器就派上了用场。就像自然界中的光能被眼睛捕捉到一样,伽马射线可以被伽马探测器捕捉,并转化为能够检测的电子信号。然后,通过探测电流脉冲信号不仅可以感知伽马射线的存在,而且可以根据电流脉冲幅度,得出伽马光子的能量,记录能谱的位置,从而得到伽马射线的能量谱图。

用于探测伽马射线的装置主要有气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器三大类,不同探测器使用的介质不同,探测伽马射线的原理也不同。气体探测器是在气体两侧加上高压,当伽马射线在气体中产生电离的时候,气体会被击穿,在外电路上产生电流;闪烁体探测器是伽马光子入射到闪烁体中电离,使闪烁体发光,光子打到光阴极后发生光电效应(光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下,物质内部原子的核外电子吸收能量后逸出,而光子消失),产生电子,最后在外电路形成电流脉冲;半导体探测器利用半导体材料作为探测介质,当γ射线与半导体中的材料发生相互作用而损失能量,使半导体中的电子发生电离,并通过输出回路形成信号。

跟不同人的视力存在差异一样,伽马探测器检测伽马射线的能力也各不相同,主要取决于伽马探测器的能量分辨率、闪烁衰减时间和光输出等参数。电流脉冲越高,表示该探测器的能量分辨率高,探测器性能越好。闪烁衰减时间表示探测器处理一个辐射事件的最小间隔,衰减时间越小,表示探测器的时间分辨能力越好。光输出指单位能量的伽马射线过来能产生多少光子,产生的光子越多,表示探测器的能量分辨能力越好。在实际核测井过程中,就是利用这些探测器达到探测井下伽马射线的目的。

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