石材及石材的放射性知识.docx
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石材及石材的放射性知识
石材中矿物简介
石材中的矿物主要有20余种,为了使你更好地了解这些矿物,现将这些矿物的主要组成、化学成份、微观晶体形状、色泽、莫氏硬度及体积密度解绍如下:
1、矿物名称:
石英
化学成份:
SiO2
晶形:
色泽:
莫氏硬度:
体积密度:
石材中常见矿物一览表
矿物名称
化学成分
晶形
颜色
莫氏硬度
体积密度
石英
SiO2
常呈他形粒状
无色透明,常含各种杂质,呈各种颜色
7
2.65
斜长石
复杂的硅酸盐,其化学成分随着酸度的提高,Ca、Na含量有规律地变化,从Ca[Al2Si2O8]到Na[AlSi3O8]
板状、柱状
白或灰白
6~6.5
2.16~2.78
钾长石(正长石、透长石、微斜长石)
K[AlSi3O8]
常呈短柱、厚板状
肉红色、浅黄红、浅黄白色或白色
6
2.5
方解石
CaCO3
柱状、板状、各种菱面体,集合体为粒状
无色或白色,含杂质时,有灰、黄、浅红含Ca、Mn)绿(含Fe)蓝(含Cu)等色
3
2.7
白云石
CaMg[CO3]2
菱面体、柱状、粒状、集合体呈粒状块状
无色或白色,含铁者为黄褐色或褐色,含锰时略带淡红色
3.5~4
2.8
黑云母
K(Mg,Fe)2[AlSi3O10](OH,F)2
常为片状鳞片状
黑色、棕色、褐色,有时呈绿色,玻璃光泽
2~3
3.02~3.12
橄榄石
(Mg,Fe)2(SiO4)
粒状集合体
黄绿色或橄榄绿色
6~7
3.22~4.39
白云母
复杂的硅酸盐
常呈片状
无色透明,因含杂质常呈浅黄或浅绿
2.5~3
2.77~2.88
菱镁矿
Mg[CO3]
通常是柱状集合体,菱面体的少见
白色,含铁者是黄色或褐色
3.5~4.5
2.98~3.48
菱铁矿
Fe[CO3]
菱面体,集合体为粒状、结核状
灰黄至浅褐色
3.5~4.5
3.96
普通辉石
Ca(Mg,Fe,Al)2[(Si,Al)2]O6
短柱状
绿、黑、蓝、黑色,少数呈暗绿色或褐色
5.6~6
3.2~3.6
普通角闪石
复杂的硅酸盐
长柱状
绿色~黑色
5.5~6
3.1~3.3
绿帘石
Ca2[FeAl]3[SiO4][Si2O7]O(OH)
常呈柱状,集合体呈放射状、粒状
呈各种不同色调的绿色,含铁多色加深。
6~6.5
3.05~3.38
绿泥石
复杂的硅酸盐
鳞片状
浅绿色、含铁多加深
2~2.5
2.6~2.8
蛇纹石
Mg6[Si4O10](OH)8
致密块状或片状、纤维状
一般为绿色、草绿色
2.5~3.5
2.5~2.7
磁铁矿
FeFe2O4
粒状
铁黑色
5.5~6.5
5.175
黄铁矿
FeS2
常呈立方体,集合体呈致密块状
浅铜黄色
6~6.5
4.9~5.2
褐铁矿
Fe2O3.nH2O
蜂窝状、土状、钟乳状、葡萄状,有时呈黄铁矿的假象
黄褐、暗褐至褐黑色
1~4
3.3~4
石材是由何种矿物组成的
众所周知,石材是取自矿山的岩石经人工加工而成。
岩石是由各种矿物组成。
所谓矿物,就是地壳中的各种化学元素经过各种地质作用所形成相对稳定的自然产物。
石材中的矿物如下表所示。
矿物名称
化学分子式
矿物名称
化学分子式
石英
SiO2
斜长石
Ca.Na﹝AlxSiyO2﹞
钾长石
K﹝AlSi3O8﹞
方解石
CaCO3
白云石
CaMg(CO3)2
黑云母
K(Mg,Fe)2﹝AlSiO3O10﹞(OH2,F)2
褐铁矿
Fe2O3.12H2O
黄铁矿
FeS2
普通辉石
Ca(Mg,Fe,Al)2﹝(Si,Al)2﹞O6
绿帘石
Ca2﹝FeAl﹞3﹝SiO4﹞﹝Si2O3﹞O(OH)
绿泥石
复杂的硅酸盐
蛇纹石
Mg6﹝Si4O10﹞(OH)8
磁铁矿
FeFe2O4
菱铁矿
Fe(CO3)
橄榄石
(Mg,Fe)2(SiO4)
变通角闪石
复杂的硅酸盐
白云母
复杂的硅酸盐
菱镁矿
Mg﹝CO3﹞
普通角闪石
复杂的硅酸盐
建材放射性基本知识
一、放射性核及其衰变
1.原子及原子核结构简述
2.放射性核的衰变方式
3.几个基本概念
4.α、β、γ射线的性质及与物质的相互作用
二、天然放射性系列
1.前言
2.铀
3.钍系
4.锕系
5.不成系列的天然放射性核素
6.铀、镭、钍、钾、氡的性质
三、建材放射性控制标准
1.前言
2.建材标准中常用术语及计量单位
3.GB6763-86《建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准》
4.GB9196-88《掺工业废渣建筑材料产品放射性物质控制标准》
5.JC518-93《天然石材产品放射防护分类控制标准》
6.小结
7.需进行放射性检测的建材产品及建材用工业废渣
四、放射性的检测技术及方法
1.放射性核素的比活度测量
2.γ辐射剂量率测量
3.氡及其子体的测量
五、石材与石材放射性
1.石材
2.石材放射性
原子及原子核结构简述
按照玻尔模型:
原子的中心有一个原子核,外面有电子围绕着原子核高速运动。
电子带负电,原子核带正电,整个原子的正负电荷量正好相等,所以原子是中性的。
原子的体积很小,它的直径大约是10-8厘米数量级。
原子核则更小,它的直径大约是10-13厘米数量级。
原子核外围绕核运动的电子分K、L、M等壳层,其中每一壳层又有一定数目的电子轨道。
例如靠近核的为K层,有二个轨道,每个轨道上有一个绕行电子;L层有两个支壳层,第一支壳层有二个轨道,第二支壳层有六个轨道,L层共有八个绕行电子。
一般可以用2n2来表示每层绕行电子数,其中n称主量子数(K层n=1,L层n=2,M层n=3,……)。
每层轨道电子都有一定能量,K层电子能量最小,离核愈远的轨道电子能量愈大。
原子核由中子和质子组成,它们统称核子。
原子核中的质子带正电荷,其中一个质子带一正电荷,原子核带几个质子就带几个正电荷,原子核的质子数与核外电子数相同,质子数同时也称该原子的原子序数。
中子是不带电的中性粒子。
原子核内质子数和中子数之和叫核子数,又称为原子的质量数。
如:
某原子核表示为
,
其中:
X--元素名称;
A--元素的质量数;
Z--元素的原子序数。
例如:
--铀原子的原子序数为92,质量数为238。
其中质子数为92,核外电子为92,原子核中的中子数为146。
自然界中,原子核可分为两大类:
一类原子核能够稳定地存在,不会自发地发生衰变,称为稳定的原子核;另一类原子核则不能稳定地存在,它会自发地转变为别的原子核,称为放射性原子核。
核子在核内不是静止不动的,而是处于一定的运动状态。
运动状态不同,相应的能量状态也不同。
原子核的能量状态不是连续的,而是分成一系列的等级,这些等级称为核能级。
原子核的核能级可以形象地按下图表示:
—————————————————
激发态—————————————————第二激发能级态
—————————————————第一激发能级态
基态—————————————————原子核能级示意图
一个原子核的最低能量状态叫基态,比基态高的能量状态称激发态,激发态还可分为第一激发能级等等。
如果原子核的运动状态处于激发态的某个能级上,这种状态是不稳定的,会自发跃迁到基态,并以放出射线的方式释放出多余的能量。
凡是原子序数相同,质量数不同的原子核称为同位素。
同位素在化学性质上有共同点,但是,由于原子核中质量数的不同,核的物理性质是不同的。
有的是稳定的核,有的是放射性核,即使同样的放射性核,它们也有各自的衰变方式及不同的衰变常数。
可见每一种核都有它独自的特性,因此对每一种核统称为核素。
例如:
表示质量数是137,原子序数为55的核素铯--137;
表示质量数为238,原子序数为92的核素铀--238;
表示质量数为235,原子序数为92的核素铀--235。
放射性核的衰变的方式
一个不稳定的原子核自发衰变为另一个原子核,同时放出射线,这种现象称为放射性衰变。
放射性核衰变类型有多种,天然放射性元素核衰变的主要类型为α衰变,β—衰变及同核异能跃迁(γ衰变)。
1.α衰变
不稳定核自发地放出α粒子,而变成另一种核,称为α衰变。
α粒子是氦素(
),它由两个中子、两个质子组成,带两个正电荷,质量是4.0026原子质量单位。
放射性核在α衰变后,它的质量数减少4,原子序数减少2。
若以X代表衰变前母核,衰变后子核用Y表示,则α衰变可写成以下形式:
实例:
经过α衰变,生成
表示式可写为:
同一种核放出的α粒子能量是一定的。
有的核放出单一能量的α射线,有的核素放出几种不同能量的α射线。
当它不只放出一种能量的α射线时,往往伴随有γ射线放出。
例如:
衰变后变成
。
镭的α衰变及氡的能级图。
从上图可见:
镭放射出两种能量的α射线,一种是4.784兆电子伏的α1粒子(占95%),形成
的基态。
放出的另一种α2粒子能量为4.601兆电子伏(占5%),衰变后子核氡处于激发态。
处于激发状态的氡原子核不稳定,自发地回到
的基态,同时放出0.186兆电子伏的γ光子。
这种由于处于激发态的原子核不稳定,自发地回到核的基态的现象称为γ跃迁。
一般α衰变时,伴随放出的γ射线的能量不大,概率也较小。
2.β—衰变
不稳定的核自发地放出β粒子及中微子(ν),变成另一原子核,成为β—衰变。
β—衰变相当于母核中的一个中子转化为质子,使中子、质子数目之比发生了新变化,达到了新的平衡。
β粒子实际上就是电子,它的静止质量等于电子质量,带有一个负电荷。
β—衰变的母核与子核的质量数相同,子核的原子序数增加一,即:
如:
β—衰变时放出的能量被衰变后的子核、β粒子和中微子共同带走。
这三种粒子的发射方向的角度是任意的,所以带走的能量不固定。
由于子核质量远远大于β粒子和中微子,相比之下,它带走的动能可以忽略不计,因而β—衰变释放能量在β粒子和中微子之间分配。
实验测得β粒子的能量是从零至最大值的连续能谱。
与α衰变时伴随放出的γ射线相比较,β—衰变放出的γ射线强度要大得多。
天然放射性元素放出的主要γ射线几乎都是伴随β—衰变产生的。
3.同核异能跃迁(γ衰变)
有许多放射性核,在发生α衰变以后,生成的子核不是处于基态而是处于激发态,由激发态过渡到基态的半衰期大于0.1秒,我们把这种衰变类型称之为同核异能跃迁或称作γ衰变。
从上述定义可以看出:
同核异能跃迁(γ衰变)前后,母核与子核的原子序数、质量数都没有改变,只是核的能量不同,再者是母核与子核的半衰期不同。
其中:
β1——1.176兆电子伏(6.5%)
β2——0.514兆电子伏(93.5%)
γ——0.662兆电子伏
在此需要注意的是:
激发态的原子核回到基态时,除发生同核异能跃迁外,还可以发射内转换电子,不放出γ射线。
原子核从高能级跃迁到低能级时,多余能量使K层或L层、M层电子脱离轨道,成为单一能量的内转电子。
在发生内转换时,原子失去一个内层电子,这种状态也是不稳定的,外层电子就会自动充填内层电子空位。
由于外层电子能量高,内层电子能量低,外层电子充填内层电子空位时,多余能量以特征X射线放出。
此时放出的射线叫X射线。
几个基本概念
1.原子
按照玻尔模型:
原子是由原子核与原子核外分若干层高速运转的电子所组成。
2.原子核
原子核由质子和中子组成。
质子带正电荷,中子不带电。
原子核所带能量不同,又可分为基态与激发态原子核。
3.同位素
凡是原子序数相同,质量数不同的原子核称为同位素。
4.放射性衰变
一个不稳定的原子核自发衰变为另一个原子核,同时放出射线,我们把这种现象称之为放射性衰变。
5.α射线
α射线是氦——4核(又称α粒子)流组成。
6.β射线
β射线是由高速电子流组成,β粒子是电子。
7.γ射线
γ射线是波长很短的电磁辐射(高能量的光子)组成。
它常常伴随α粒子或β粒子而产生。
8.放射性与放射性同位素
原子核自发地放射出射线的性质称之为放射性;具有放射性的同位素称之为放射性同位素。
9.半衰期
放射性元素衰变到原来数量一半时所需的时间,我们将这个时间称为该放射性元素的半衰期。
任一放射性元素的半衰期都是一定值,因此可利用放射性元素的半衰期确定文物的年代。
常用放射性元素的半衰期
同位素
半衰期
衰变类型
4.51×109年
α
7.13×108年
α
1.40×1010年
α
1602年
α
3.82天
α
1.28×109年
β
5730年
β
(人工)
30.23年
β
α、β、γ射线的性质及与物质的相互作用
1.α射线
放射性核素发生衰变时放出α粒子,产生α射线。
α粒子是一个高速运动的氦原子核。
对于天然放射系列的核素放出α粒子的能量一般在4~8兆电子伏范围,初速度大约1—2×108厘米/秒。
α粒子带两个单位正电荷,质量数为4,与电子相比它的质量是较重的,所以称它为重带电粒子。
α粒子进入物质主要与核外电子发生作用,使原子产生电离和激发。
α粒子与核外电子作用,使电子获得一部分能量,脱离了原来轨道而成为自由电子,使一个原子生成一个正离子和一个电子,这就是α粒子对物质的电离作用。
若α粒子能量不足使核外电子脱离轨道,只能使它从较低能量轨道跃迁到较高轨道,这时整个原子处于较高能量状态,这就是α粒子对物质的激发作用。
α粒子在与物质相互作用中,能量不断损失,最后因能量耗尽而停下来。
α粒子在物质中的射程长短既与物质有关,也与α粒子能量大小有关。
在通常情况下,一般能量的α射线都能被人体的皮肤所阻挡,而不会进入人体。
因此,α射线外照射对人体的损害是可以不考虑的。
2.β射线
β粒子实际上是高速运动的电子,带一个单位负电荷,质量很小,为α粒子的1/7360。
β粒子通过物质会与物质发生电离、激发、散射和韧致辐射三种作用。
天然放射系列的核素放出的β粒子的能量从0~4兆电子伏。
但鉴于β粒子的性质,一般情况β射线的穿透能力比α射线大约大100倍左右。
3.γ射线
γ射线是一种波长极短的电磁辐射,具有波粒两重性。
天然放射性核素系列辐射的γ射线能量一般自几十个电子伏至几个兆电子伏。
当γ射线与物质相互发生作用时,会发生光电吸收、康普顿——吴有训散射及形成电子对作用等三种形式。
γ射线的穿透能力很强,对人体会造成极大危害。
如54Mn的γ射线能量为0.83483兆电子伏,经过7.5厘米厚的铅,γ射线强度还剩0.1%。
因此,在γ能谱测定时,探头及样品需放在10厘米厚的铅室中,以最大限度地减少自然本底对测定结果的干扰。
在天然放射性核素的γ射线能量范围内,γ射线的吸收饱和层(物体将γ射线强度吸收掉99.9%以上的单位面积质量)一般在80~140g/cm2范围。
二章
前言
到目前为止已发现的核素约有1900种以上,其中稳定核素约有250种,天然放射性核素约有70多种,人工放射性核素约有1500多种。
现在已发现的元素有112种,每种元素有几种不同的同位素。
从天然铀矿中提炼的三种铀同位素总保持着一定的比例,平均在106个铀原子中有58个234U,7200个235U和992742个238U,这个比例称为同位素丰度。
铀的同位素丰度是:
234U0.0058%,235U0.72%和238U99.274%。
自然界中,往往有些放射性元素是共生在一起的,研究其原因,发现这些放射性核素相继衰变而成系列。
系列中有个起始核素,它经过衰变成为一个新的核素,这个新的核素仍是放射性的,它会继续进行衰变,直到形成稳定的核素为止,于是形成放射性系列。
自然界里有三个放射性系列,即铀系、钍系和锕系。
除上述三个放射性系列外,还有部分不成系列的天然放射性核素,它们经过一次衰变后即成稳定的核素。
如40K。
铀系
铀系的起始核素为
,它的半衰期为4.51×109年。
经过一系列α衰变、β衰变等后,会形成系列核素,最后为
稳定同位素。
铀系衰变常数及半衰期
核素符号
半衰期(T)
衰变常数(λ·秒-1)
4.51×109年
4.88×10-18
24.1天
3.33×10-7
1.17分
9.87×10-3
2.44×105年
9×10-14
7.7×104年
2.85×10-13
1602年
1.37×10-11
3.82天
2.1×10-6
3.0分
3.85×10-3
26.8分
4.31×10-4
19.7分
5.86×10-4
1.64×10-4秒
4.23×103
1.32分
8.75×10-3
22.3年
9.8×10-10
5天
1.6×10-6
138.4天
5.8×10-8
4.2分
2.78×10-3
长期稳定
GB6763-86《建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准》
1.本标准适应对象
A. 建筑材料用工业废渣;
B. 工业废渣系指工矿企业在生产过程中产生的固体废弃物;
C. 扩展适应对象:
建材产品所使用的各种原料。
2.标准限定值
A. 建筑材料用工业废渣中镭—226、钍—232、钾—40的放射性比活度应同时满足
(1)式和
(2)式。
(1)
(2)
式中:
fs——被检验的某一种工业废渣在建筑材料中所占的重量百分比;
CRa、CTh、CK——分别为被检验的工业废渣中镭—226、钍—232、钾—40的放射性比活度,Bq·kg-1;
n——建筑材料中除被检验的某种工业废渣以外的其它原料的种类数;
fi——第i种建筑材料在建筑材料中所占的重量百分比;
CRai、CThi、CKi——分别为第i种建筑材料中镭—226、钍—232、钾—40的放射性比活度,Bq·kg-1。
B. 标准规定对于使用于水坝、跑道、公路等非民用建筑材料的工业废渣,经过环境影响评价后,可以适当放宽。
3.使用标准注意事项
建筑材料中除使用废渣外,往往同时使用若干种其它材料,对于这些材料的放射性大小以及在建筑材料中所占重量百分比,在测量废渣之前应该是已知的,但在实际检测工作中是很难做到的,这就给标准判定带来麻烦。
因此,在该标准实际执行时,往往假定按废渣最大使用量(即100%)来计算与判定。
上述判定公式即可简化为:
(1)
CRa≤200
(2)
凡同时满足
(1)式
(2)式的工业废渣,建材放射性完全满足生产建筑材料的需要。
若有一项不能满足时,应建议生产单位在利用此工业废渣生产建筑材料时,必须对其产品进行放射性检测。
锕系
锕系的起始核素为
,
是原子燃料,是铀的同位素,同位素丰度仅为0.72%。
锕系衰变常数及半衰期
核素符号
半衰期(T)
衰变常数(λ·秒-1)
7.1×108年
3.09×10-17
25.52小时
7.5×10-6
3.25×104年
6.7×10-13
21.77年
1.008×10-9
18.2天
4.41×10-7
22分
5.25×10-4
11.43天
7.0×10-7
3.96秒
0.175
1.8×10-3秒
3.85×102
36.1分
3.20×10-4
10-4秒
7×103
2.14分
5.28×10-3
0.56秒
1.33
4.97分
2.41×10-3
长期稳定
上述所介绍的三个天然放射性系列中,具有如下共同点:
1.三个系列的起始核素的半衰期都很长,在108~1010年之间,正由于这样,三个系列才能在自然界存在。
2.每一个系列中都有一个气态放射性核素,它们的原子序数为86,是氡的同位素。
铀系为
,T=3.825天;钍系为
,T=55.6秒;锕系为
,T=3.96秒,氡为惰性气体。
3.各系列衰变的最终产物是铅的稳定同位素。
铀系为206Pb,锕系为207Pb,钍系为208Pb。
它们都是放射系列的生成物,所以常把它们称作放射性成因铅。
同时,也可利用放射性成因丰度的变化来找矿。
4.铀系核素的质量数为:
4n+2(n为整数)
钍系核素的质量数为:
4n(n为整数)
锕系核素的质量数为:
4n+3(n为整数)
不成系列的天然放射性核素
除了三个天然放射性系列外,自然界还存在一些放射性核素,经过一次衰变而成稳定核素。
它们的半衰期大都很长,而且含量也极小。
建材原料中的钾较有意义。
钾有三个同位素,
的丰度为93.1%,
的丰度为0.0118%,
的丰度为6.88%。
其中
是放射性核素,半衰期为1.26×109年。
经过β衰变放射出β射线和γ射线变成稳定
和
的元素。
铀、镭、钍、钾、氡的性质
1.铀
自1789年发现铀,直到1939年发现铀的裂变性质之前,铀的重要性并没有被人类所重视。
当时它的矿石作为镭的来源和少量用于制造有色玻璃和陶瓷。
当铀作为核燃料后,铀就成为特别重要的原料。
因此,世界上主要国家都成立了一支特别庞大的寻铀矿队伍。
金属铀具有银白色光泽,密度很大,是密度最大的金属之一(19.07g/cm3)。
铀是一种很活泼的金属,与很多元素可以直接化合。
在空气中表面很快变黄,接着变成黑色氧化膜,但此膜不能保护铀体。
粉末状铀在空气中可以自燃。
铀易溶于盐酸、硝酸,但它不与碱发生反应。
在建材放射性检测工作中,我们最关心的是铀的核素之一238U。
2.镭
金属镭是有光泽的无色固
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