天然放射性核素γ射线谱

天然放射性核素的射线能谱~

某种放射性核素可能放出一种或几种能量的射线，将这些射线按能量的顺序排列起来，就构成了该核素的射线能谱。如果某核素的能谱仅由一种能量的射线组成，称为单色谱。由几种能量的射线组成，则称为复杂谱。根据能谱曲线的差异，可以鉴别出待测元素及其相应的含量。
11.5.1 α射线能谱
放射性核素发射的α粒子的能量是不连续的，因而它们的能谱是不连续的线谱。图11-9是238U的α射线能谱，图中横坐标表示射线的能量，纵坐标表示衰变的百分比（核素衰变时放出的某种能量的粒子数量占该核素放出的该种粒子总量的百分比）。

图11-9 238U的α射线能谱

天然放射性核素放出的α粒子能量约为4～10 MeV。铀系分成两个组：铀组（由原子序数Z等于90至92的核素组成）和镭组（由Z≤88的核素组成）。铀组主要有三个α辐射体，即238U、234U和230Th；镭组主要有五个α辐射体，即226Ra、222Rn、218Po、214Po和210Po，它们的α辐射能量总和占铀系α辐射能量总和的68.2%，其中214Po放出的α粒子能量达7.687 MeV，是铀系中能量最大的α粒子。钍系有七个α辐射体，即232Th、228Th、224Ra、220Rn、216Po、212Bi和212Po，其中212Po辐射的α粒子能量最大，达到8.785 MeV。自然界中锕铀系总是与铀系共生，但235U很少，因此它对辐射测量的影响可不予考虑。
11.5.2 β射线能谱
β射线能谱与α射线能谱有明显的区别，它是一条连续分布的曲线（图 11-10），称为连

图11-10 β射线能谱

续谱。这就表明，放射性核素发出的β粒子的能量可以是某一确定上限以下的任何数值的能量。为了有一个比较核素能量的统一标准，我们规定，某核素的β粒子能量就是该核素放出的β粒子能量的最大值。
天然放射性核素放出的β射线能量在0.02～3.2 MeV之间。铀系中，铀组主要的β辐射体为234Pa，其β辐射能量总和占铀系β辐射能量总和的38.3%；镭组主要β辐射体为214Pb、214Bi和210Bi，它们的β辐射能量总和占铀系β辐射能量总和的59.5%，其中214Bi放出的β粒子在铀系中能量最大，达3.2 MeV。钍系的主要β辐射体有228Ac、212Pb、212Bi和208Tl，其中212Bi放出2.25 MeV的β射线，在钍系中能量最大。
11.5.3 γ射线能谱
原子核发生能级跃迁时，放射出不同能量的γ射线。因此γ射线能谱是与α射线能谱类似的线状不连续谱。不同核素的原子核有不同的能级结构，因而每种核素都有特定的γ能谱特征。
铀系的主要γ射线如图11-11所示。铀组的主要γ辐射体为234Th，其中能量为0.093 MeV的γ射线产生几率大，是一条重要的谱线。镭组放出的γ射线多，能量高，主要γ辐射体为214Pb和214Bi，主要谱线有214Pb的0.352 MeV和214Bi的0.609 MeV、1.12 MeV、1.764 MeV和2.204 MeV谱线，它们的γ辐射能量的总和占铀系γ辐射能量总和的98%。铀系中能量大于1 MeV的γ辐射都是214Bi产生的。

图11-11 铀系γ射线能谱

钍系的γ射线能谱如图11-12所示。主要的γ辐射体的为228Ac、208Tl，其次为212Pb和212Bi，其中228Ac的0.908 MeV、212Pb的0.239 MeV和208Tl的2.62 MeV能量的三条特征γ射线很重要。尤其是2.62 MeV的γ射线能量高，其γ辐射能量总和占钍系γ辐射能量总和的46%，经常用来作为表明钍系核素存在的一条特征谱线。

图11-12 钍系γ射线能谱

锕铀系中天然放射性核素辐射的γ射线能量都小于1 MeV，且总能量只占岩石中γ射线总能量的0.6%，因此其影响可以忽略。
不成系列的天然放射性核素中，40K放出的γ射线能量最强，约占岩石中全部γ射线总能量的42%。40K以k俘获形式衰变时，伴随放出能量为1.46 MeV的单能γ射线，因而40K的γ射线谱是单色谱。

一定能量的单能γ射线束通过介质，如果只产生光电效应或电子对效应，则只是入射光子被吸收。康普顿散射，则是光子在介质中产生多次散射，不仅路线曲折，而且随着散射介质体积增大，散射光子能量逐渐降低。图5-2-3所示为51Cr点状单能γ射线源，能量为320keV。通过的吸收介质为砂层，密度为1.6g/cm3，放射源与Na(Tl)探测器之间的介质层厚度分别为5cm、35cm、45cm、60cm、70cm、80cm。从被测的谱线可以看出，砂层厚度5cm时，散射γ射线谱中320keV的初始能量峰，以及该峰的一次散射峰205keV光电峰清晰可见；110keV和70keV两个次级散射峰也有显示。随着砂层介质厚度增大，散射光子向低能方向蓄积；砂层介质厚度超过35cm之后，散射量子谱达到平衡。峰值保持50keV附近。砂层厚度增加到70cm和80cm时，低能峰值基本一致，说明散射谱达到平衡。
点状镭源放出的γ射线，有多种能量(见表1-1-4)通过混凝土(水泥块)介质，产生康普顿散射和光电吸收。随着散射介质厚度增加，其散射光子同样向低能方向蓄积。在介质厚度超过31cm，以后，散射γ射线能量谱达到平衡(见图5-2-4)。能量峰值在100keV附近。

图5-2-4 点状镭γ射线通过混凝土介质的散射谱

天然放射性核素样品放出的γ射线能量谱(见表1-1-1，表1-1-2，表1-1-3)，如图5-2-5所示。图(a)是NaI(Tl)探测器测得的沥青铀矿γ射线谱；图(b)是NaI(Tl)探测器测得的钍系γ射线谱，主要谱峰比较清楚。
无限大铀矿层、钍矿层、铀钍混合矿层或岩石层中，天然放射性核素假定是均匀分布，用NaI(Tl)探测器测得的应当是散射γ射线谱和一次γ射线谱叠加的γ射线谱，如图5-2-6所示。由无限大铀矿层中γ射线谱(图5-2-6(a))可见，在低能区，即E＜400keV谱区，是多次散射和光电效应形成的低能蓄积，达到谱平衡的光电峰。虽然也有一次低能γ射线峰的叠加，但由于仪器能量分辨率不高和高本底的淹没，可以认为只有微弱显示。当矿层介质有效原子序数改变时，散射光电峰的位置，随有效原子序数的增大，而移向高能方向(图5-2-7)。有效原子序数从10.9增到22.1时，散射光电峰由75keV移到125keV。由于高原子序数物质的光电吸收增强有力地阻止了散射低能峰的蓄积，使光电峰相对降低。与理论计算的图5-2-2所示结果是一致的。在高能区，即E＞400keV谱区，散射谱线与物质成分没有关系。在高散射背景的基础上，可以看到铀系的几个主要一次γ谱峰，如 (RaC)的0.609MeV、1.120MeV、1.403MeV、1.764MeV和2.204MeV等。在无限大钍矿层(图5-2-6(b))也一样向低能量区蓄积的高能谱区，可以看到 (ThC″)的2.62MeV光电峰及其电子对作用形成的单逃逸峰(2.1MeV)和双逃逸峰(1.6MeV)， (MsTh2)的0.908MeV和0.96MeV光电峰重叠以及 (ThC″)的0.511MeV等主要光电峰都有显示。所以，γ能谱测井可以区分，并用这些能量峰测定岩(矿)层中铀、钍、钾的含量。

图5-2-5 天然放射性核素γ射线能量谱

(a)沥青铀矿γ射线谱，NaI(Tl)探测器；(b)钍矿石γ射线谱，NaI(Tl)探测器

图5-2-6 无限均匀介质中实测的γ射线谱

(a)不同物质成分无限介质中铀系γ射线谱；(b)无限大介质中钍系γ射线谱
可见半无限大岩(矿)层表面和上空测得的γ射线谱与无限大岩(矿)基本类似，高能谱区的一次γ射线谱峰稍显著一些。这时显然增大了空气中的散射作用，但地层的散射相对减弱，如图5-2-6所示。所以，地面γ 能谱测量和航空γ能谱测量可以方便地区分并测出岩(矿)层中铀、钍、钾的含量。根据低能谱区与岩性有效原子序数的关系(图5-2-7)可以用来区分岩性，划分有利成矿区域。

图5-2-7 半无限大铀矿层上γ射线谱

每一种辐射体都具有自己特有的、确定能量的谱，构成该辐射体永恒的标识，常称其为特征谱(或标识谱)。这种特征谱的概念成为能谱测量的基础。

铀、钍、锕系元素及钾元素的原始γ能谱为分立谱，如图2-1(a)、(b)(c)为钾、铀系、钍系主要γ谱。三个系列的γ谱能量分布表见附录1。附录1表中第四栏的第一项是一次衰变(α或β衰变)产生的γ光子数n，即产生γ光子的几率。第二项是相应的光子能量E，表中数字加黑者，为铀系的主要γ射线谱(钍系、锕系相同)。第三项是每个核素对整个铀系的γ辐射相对照射量率的百分比。

(一)铀系的γ射线谱

铀组中几条主要的较强的γ谱线是UI和UX₁放出来的，其能量分别为0.029MeV、0.048MeV、0.064MeV和0.093MeV。其中0.093MeV的γ谱线是铀组中能量较高、辐射几率较大的主要γ谱。UX₂和UZ的γ谱中0.76MeV和0.91MeV的两条γ谱线产生的几率略多一些。总的来说，铀组放出的γ光子能量低，一般低于1MeV，辐射几率小。铀组的γ辐射照射量率仅占整个铀系γ辐射照射量率的2%左右。也就是说铀系中98%的γ辐射照射量率是镭组产生的。镭组中RaB、RaC是主要的γ辐射体。RaB辐射的γ光子能量有0.352MeV、0.295MeV、0.235MeV及0.242MeV。其中0.352MeV的γ光子的辐射几率最大，是镭组的主要γ谱线之一。RaB的γ辐射相对照射量率为12.4%，在低能γ谱中，RaB的这几条γ谱线是很重要的。RaC是铀系中最强的γ辐射体，其相对照射量率高达85.5%。RaC的这几条主要γ射线谱，其能量分别为2.204MeV、1.764MeV、1.403MeV、1.378MeV、1.12MeV、0.769MeV和0.609MeV。铀系中的能量大于1MeV的γ谱线几乎都是RaC放射出来的。图2-1(b)列出了U系主要的γ射线能量。铀系能谱成分分布情况列入表2-1中。

图2-1 天然放射性核素发出的主要原始γ谱

(a)⁴⁰K放出的γ谱；(b)平衡铀系放出的大于0.1MeV的主要γ谱；(c)钍系放出的大于0.1MeV的主要γ谱

表2-1 铀系γ射线谱成分

(二)钍系的γ射线谱

钍系γ光子能量分布在几十千电子伏至2.62MeV能区内。钍系主要γ辐射体有MsTh₂和ThC″，其次有ThB。

MsTh₂有几条较强谱线，能量为0.908MeV和0.960MeV。其中0.908MeV的辐射几率大，是钍系中主要γ谱线之一。MsTh₂的γ辐射照射量率占钍系γ辐射总照射量率的26.2%，ThB放出一条很强谱线，能量是0.239MeV，而辐射几率是钍系中最大的(一次衰变产生γ光子数平均达0.47)，是钍系低能谱段中的重要谱线。

ThC″是钍系最主要的γ辐射体，相对照射量率高达61.6%，主要γ谱线有0.583MeV、0.511MeV和2.62MeV。其中高能量的2.62MeV的γ谱辐射几率大，是钍系中一条很重要的γ特征谱。图2-1(c)列出了钍系主要的γ能量。钍系γ能谱成分分布情况列入表2-2中，从表中可看到其中85%的γ光子数能量小于1MeV。1.0～2.0MeV范围内的γ光子数占钍系的7%，辐射照射量率占钍系的4%。而2.62MeV的γ光子数占钍系的8%，辐射照射量率则占总照射量率的46%，很引人注目，由此特征可用来区分铀与钍的特征峰。表2-3列出了铀、钍系主要γ辐射体及相对强度。

表2-2 钍系γ辐射能谱成分

表2-3 铀、钍系主要γ辐射体

(三)锕铀系的γ射线谱

锕铀系γ光子能量分布在几十千电子伏至0.89MeV能区内。该系中近70%的γ辐射照射量率是由四个核素放出来的，即AcB、AcC、

和UY。锕系中主要γ谱线有

的0.185MeV、UY的0.084MeV、AcC的0.351MeV和AcB的0.829MeV。其中0.185MeV、0.351MeV和0.829MeV的γ光子是该系的主要γ特征射线谱。

天然铀的混合物中

总是共生的)，锕铀系的γ光子数只占铀系总γ光子数的1.7%，而其γ光子总能量之比约为1/50。锕铀系γ光子的能量都小于0.89MeV，因此，当野外只测量能量大于1MeV的γ射线时，则锕铀系γ射线的影响可完全忽略。

(四)

的γ射线谱

天然放射性核素⁴⁰K，经β衰变成⁴⁰Ca的占89%，经电子俘获变成⁴⁰Ar的占11%，同时放出1.46MeV的γ射线。如图2-1(a)列出了钾的γ射线量，为一单能线状谱。天然⁴⁰K的丰度为0.012%，只要知道岩石中钾的百分数，便可计算1g岩石⁴⁰K放出γ射线照射量率。

在自然界中，1g岩石(指放射性元素含量为克拉克值的岩石圈中的岩石)放射出的γ射线能量及所占的比例列入表2-4中。表中数据说明⁴⁰K分布广，克拉克值高，γ射线能量也高(1.46MeV)，对放射性找铀、钍矿可能成为干扰，但对寻找钾盐及与钾共生的金属矿则是有利的，它也是利用γ能谱测量方法寻找金属矿的基础。

表2-4 1g岩石放出的γ射线能量

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江华瑶族自治县19565265722： γ粒子的实际上是什么 - ？
漆枯己酮： 高能光子!一般不说γ粒子,因为其本身静止质量是零.比较专业的说法是γ射线!也就是一类电磁波.电磁波根据能量划分(能量越大,波长越短,频率越大):长波

江华瑶族自治县19565265722： 什么是天然放射性 - ？
漆枯己酮： 天然放射性(Natural radioactivity)是指天然存在的放射性同位素,其能够从不稳定的原子核自发地放出射线,(如α射线、β射线、γ射线等)而衰变形成稳定元素的属性. 放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变以使自身达到更稳定的状态....

江华瑶族自治县19565265722： 天然放射性元素发生衰变时,放出 α 、 β 、 γ 射线,在磁场中的偏转情况如图所示,那么图中 A 、 B 、 C 分别是 - ______ - 射线、 - ______ - 射线、 - ____... - ？
漆枯己酮：[答案] 答案:α γ β 提示: 点拨:γ粒子不偏转,用左手定则可知A带正电为α粒子,β粒子带负电是轨迹C.

江华瑶族自治县19565265722： 天然放射性元素放出的α、β、γ三种射线的贯穿本领各不相同,图1为这三种射线贯穿物体情况的示意图,① - ？
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江华瑶族自治县19565265722： 三种射线 就是a B Y(我打不来...读作..啊而发 被他 噶吗..)他们的带电情况 质量大小 穿透力大小比较 - ？
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江华瑶族自治县19565265722： 放射性元素释放α射线是否总是伴随着γ射线? - ？
漆枯己酮： 绝大多数发生α衰变原子核,由于衰变子体往往不处于稳定的基态,而是往往衰变到某个激发态,处于激发态的原子核仍是不稳定的,会通过释放一系列能量γ射线使其跃迁到稳定的状态.所以发生α衰变时往往伴生有γ射线.从衰变纲图上看锔(Curium)240是个例外,只有α射线没有伴随着γ射线.

江华瑶族自治县19565265722： α,γ,x,β,δ射线哪一个能量大? - ？
漆枯己酮： 一般认为γ射线能量是最大的,人工源中,Co-60的γ射线能量为1250keV,Cs-137能量为662keV 其次是X射线,X射线能量可以从高到低有很多变化 其他几种射线能量就很低了