- •Глава 6. Ядерная геофизика
- •15. Физико-химические и геологические основы ядерной геофизики
- •15.1. Общие сведения о радиоактивности
- •15.1.1. Естественная радиоактивность.
- •15.1.2. Параметры радиоактивности.
- •15.1.3. Взаимодействие ионизационных излучений с окружающей средой.
- •15.2. Радиоактивность горных пород и руд
- •15.2.1. Радиоактивность минералов.
- •15.2.2. Радиоактивность горных пород, руд и вод.
- •15.2.3. Нагрев за счет радиоактивности.
- •15.3. Ядерно-физические свойства горных пород
- •15.3.1. Общая характеристика ядерно-физических свойств.
- •15.3.2. Гамма-лучевые свойства горных пород.
- •15.3.3. Нейтронные свойства горных пород.
- •16. Аппаратура и методы ядерной геофизики
- •16.1. Аппаратура в ядерной геофизике
- •16.1.1. Чувствительные элементы для измерения радиоактивности.
- •16.1.2. Приборы для ядерно-геофизических исследований.
- •16.2. Радиометрические методы разведки
- •16.2.1. Общая характеристика радиометрии.
- •16.2.2. Аэрогамма-съемка.
- •16.2.3. Автогамма-съемка.
- •16.2.4. Пешеходная (наземная) гамма-съемка.
- •16.2.5. Радиометрический анализ проб горных пород и стенок горных выработок.
- •16.2.6. Задачи, решаемые гамма-съемкой.
- •16.2.7. Эманационная съемка.
- •16.2.8. Подземные методы изучения естественной радиоактивности.
- •16.2.9. Определение абсолютного возраста пород.
- •16.3. Ядерно-геофизические методы
- •16.3.1. Общая характеристика.
- •16.3.2. Нейтронные методы.
- •16.3.3. Гамма-методы.
15.1.3. Взаимодействие ионизационных излучений с окружающей средой.
При облучении среды потоками ионизационных излучений, созданными радиоактивными источниками, происходят различные сложные физико-химические ядерные явления и процессы.
Альфа- и бета-частицы вызывают в основном ионизацию окружающей среды, т.е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов.
При прохождении гамма-квантов через вещество разного химического состава наблюдаются следующие ядерные процессы.
Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), происходящее при взаимодействии гамма-квантов малых энергий (мягкое гамма-излучение с энергией меньше 0,5 МэВ) с атомами плотного вещества. В результате из атомов выбиваются электроны, а среда ионизируется. Атом, потерявший электрон, оказывается в возбужденном состоянии и способен заполнять освободившийся уровень одним из электронов внешней оболочки. Это сопровождается испусканием кванта характеристического (рентгеновского) излучения. В целом поглощение гамма-квантов на единице длины пути пробега можно выразить через коэффициент поглощения ( ), называемый также макроскопическим сечением фотоэффекта.
Комптоновское взаимодействие (рассеяние) гамма-квантов повышенных энергий ( > 0,5 МэВ) наблюдается с атомами легкого вещества. В результате гамма-квант передает часть энергии электрону, отклоняется от своей прямолинейной траектории распространения и происходит так называемое неупругое рассеяние, сопровождающееся поглощением. Его можно охарактеризовать коэффициентом поглощения , или макроскопическим сечением комптоновского взаимодействия.
Образование электронно-позитронных пар происходит при взаимодействии гамма-квантов высоких энергий ( > 1 МэВ) с полем ядра атомов. При этом гамма-квант отдает энергию и поглощается. Коэффициент такого поглощения ( ) называется макроскопическим сечением образования пар.
Существуют и другие взаимодействия гамма-квантов (фотонейтронный эффект, релеевское рассеяние на связанных электронах атомов и др.). В целом за счет основных эффектов взаимодействия полный линейный коэффициент поглощения гамма-квантов в породе, содержащей и легкие, и тяжелые элементы, можно описать формулой
(6.3) |
Таким образом, является обобщенным параметром горных пород, характеризующим их способность поглощать узкий пучок гамма-излучения. Он называется также полным макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с веществом.
Нейтронное излучение характеризуется следующими основными реакциями с ядрами элементов окружающей среды.
Неупругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах тяжелых элементов, приводящим к их возбуждению. При переходе ядра в основное первоначальное состояние оно излучает гамма-квант.
Упругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах легких элементов, приводящим к передаче энергии нейтронов ядрам,а в результате к их замедлению, уменьшению скорости тем большему, чем меньше массовые числа среды. Замедленные до тепловой энергии нейтроны поглощаются ядрами, т.е. происходит их радиационный захват с испусканием гамма-квантов. В результате наблюдается наведенная вторичная радиоактивность.
Таким образом, быстрые нейтроны вследствие разнообразных взаимодействий с ядрами элементов окружающей среды рассеиваются, замедляются до тепловых энергий средой. Количественно происходящие при этом процессы принято описывать полным коэффициентом рассеяния и поглощения ( ), называемым также суммарным макроскопическим нейтронным сечением за счет рассеяния () и поглощения (), т.е.. Величина, обратная полному сечению, называется средней длиной пробега нейтронов при наличии рассеяния () и поглощения ().