Общие положения

Геофизические методы, основанные на различных электрических, магнитных, радиоактивных свойств пород включаемых в себя различные виды измерений: гравиметрический, электрический, сейсмический и др. пройденные за 3 года обучения, или продолжающие изучение на 4 и 5 курсах.

Наш курс «Ядерная геофизика» связана с ещё одним свойством горных пород – радиоактивностью.

Радиоактивность ( от латин. – radio – излучение, activus – действенный) – самопроизвольные превращения устойчивых изотопов химического элемента в другие изотопы, сопровождается испусканием элементарных частиц (α,β), а так же электромагнитные излучения.

Различают естественную радиоактивность изотоповЮ существующих в при радиоакт. усл. и искуственную радиоактивность, получаемых при ядерных реакциях.

А – число n₀’+p₁^’ число р+ n₀ в Z число p₁ – атомный номер равный числу р₁ в ядре.

Изотопы: Ядра имеющие один, число p₁^’ по (Н₂О) реакции (D₂O) n₀’

Общее определение

Радиоактивностью называется способность изотопов химических элементов самопроизвольно превращаться в другие, более устойчивые элементы с испусканием α,β,ϒ частиц (также протонов и нейтронов).

Процесс превращения одного изотопа в другой называется радиоактивным распадом.

Основной закон радиоактивного распада:

N=N₀e^-λ•t

Где N₀ – начальное число ядер, N – текущее число, λ – постоянная распада, t – время.

Постоянная распада λ имеет размерность обратную времени и определяется из графика:

Практически продолжительность жизни радиоактивного изотопа характеризуется периодом полураспада Т_1/2 – время в течение которого распадается половина начального количества атомов данного радиоактивного вещества.

• Ядро атома (n₀’+p₁^’ )

Кюри – кольчество радиоактивного распадавещества, в котором происходит 3,7 ∙10¹⁰ распадов/сек. = 1 г-экв Ra/2 – на 1г. породы

1. Милликюри -10^-3к

Мсn - -10^-6к

2. Доза излучения – РЕНГЕН – количество поглощенного ренгеновскими или ϒ- излучением.

Для оценки радиоактивности горных пород при радиометрических исследованиях пользуются объёмными единицами концентрации радиоактивных элементов – нанокилограмм – эквивалент радия 1 м³

породы:

10^-9кгRa/m³, мкр/час, илт/мин

При распаде естественных радиоактивных элементов испускаются α,β частицы и ϒ-кванты.

α – лучи- поток частиц, которые являются ядрами атомов гелия (He₂⁴).

При прохождении через вещество энергия α – частиц расходуется приимущественно на ионизацию атомов^*. Длина пути проходимого α – частицей, до полной потери энергии, называется пробегом: в воздухе она меньше 11,5 см, в твёрдом веществе – микроны.

β – лучи – поток частиц несущий отрицательные (электроны), или положительные (позитроны) заряды. Они имеют большую чем α- частицапроникающую способность ( но не больше 8-9мм в горной породе).

ϒ- лучи – поток нейтральных частиц, имеющих ту же природу, что и радиоволны, свет, и отличаются от них высокой частотой колебания.

Скорость ϒ-лучей в вакууме равное скорости света (300000м/c).

Энергия ϒ-квантов выражается соотношением:

E_ϒ=hv

Где h- постоянная Планка 6,62∙10^-34 Дж∙сек, v-частота,

Постоянная Планка – 6,625∙10^-27эрг – сек

Е_ϒ=h∙ɳ ɳ=c/λ

Из-за электрической нейтральности ϒ-квантов проникающая способность лучей в горных породах достигает десятки см и используется при регистрации естественной и искуственной радиоактивности.

Частота ϒ-квантов - 3∙10¹⁹-3∙10²² гц

Длинна волны - 10^-6-10^-10см

• Ионизация – превращение атомов, молекул среды в ионы – частицы несущие положительный или отрицательный заряд.

Схемы распада

Определенно (не входит в ряды) к числу радиоактивных изотопов относится К⁴⁰, Т_1/2≥10⁹лет

Β – распад (88%)

Конечный продукт Са⁴⁰ (кальций)

Нейтрон переходит в p₁^’ (Z↑) a A=const!

10⁶эv = 1MэV

Электрон-вольт: единица энергии, которую приобретает «е^-» при прохождении разницы потенциалов 1V. 10⁶эV=1 МэV.

Свойства основных радиоактивных элементов

Уран (₉₂U²³⁸) Наиболее тяжелый зарядный элемент Z=92 A (ат. вес) смеси изотопов 238,07, ρ=18,9 г/см³

Обладает большой химической активностью с кислородом образует окислы: UO₂,V₃O₈,VO₃. В природных условиях соединения имеют чёрный, чёрно-коричневатый и красно-бурый цвет.

Из осадочных пород наибольшим содержанием U характеризуются глины и мергели (до 60∙10^-4%).

Радий (₈₈Ra²²⁶) Промежуточный продукт распада урана – Ra – характеризуется Z=88, А=226,05, ρ=5 г/cм^3.

В чистом виде мягкий металл серебристого цвета, разлагающий воду при обычной температуре.

В природных условиях Ra встречается преимущественно в рассеянном состоянии, самостоятельных минералов не образует. Известна наибольшая группа минералов с повышенной радиоактивностью обусловленной Ra: (Ca, Ra) CO₃; (Ca,Ra) F₂, (Ba,Ra) SO₄ и др.

Торий (₉₀Th²³²) Z=90, A=232.12, ρ=11.5г/см³. В природных условиях встречается в виде окислов (ThO₂UO₂), силикатов (торий ThSiO₂) и других формах. Обладает слабой растворимостью. Наибольшее содержание в кислых изверженных породах, в осадочный породах (глины).

Калий (₁₉K⁴⁰) Его свойства резко отличаются от других р/a элементов относится к группе щелочных металлов, Z=19, A=39.1, ρ=0.86г/см³. Наиболее распространён в KCl, MgCl,KNO₃ и др.

Тройская унция = 31,10г. ₉₇ Au^196.9 ρ=19.32 г/см³.

Максимальная концентрация К⁴⁰, в осадочных породах приурочена к отложениям калийных солей. Концентраторами калия являются глинистые разносы.

Собственные урановые месторождения приурочены к железорудным и непосредственно к магнито-гематитовым породам. Урановые соединения многообразно: гидротермальные, урано-металлические, урано-железо-титановые и др. Осадочные месторождения связаны с морскими и контенентальными толщами, наибольшее число в осадках Кембрия-ордовика, ср. девона, низов карбона, перми, Юры, мел, палеоген.

Th содержится в песках и рудах пегматитовых и жильных отложений.

Большая часть ториевых и урановых руд полиминеральные, они содержат примеси других ценных компонентов (Nb,Ta,Ti,Zz и др.).

Излучения, испускаемые радиоактивными элементами

Потребовалась многолетняя работа лучших физиков мира, чтобы выяснить природу элементов, испускаемых радиоактивными элементами.

Резерфорд показал, что некоторые из лучей можно отклонить магнитным полем, а некоторые нет.

Проведем следующий опыт. Источник Ra помещаем в свинцовый блок, в котором было просверлено отверстие небольшого радиуса. При высокой толщине Pb излучение было только через отверстие. Из блока выходило излучение только вверх и при наличии магнитного поля направленном перпендикулярно плоскости рисунка получена следующая картина:

- наиболее отклоняемые β- лучи и вправо «-» отриц.

- наименее α-лучи и влево «+» полож.

- без отклонения ϒ-лучи «0»

Проникающая способность лучей: через бумагу, Al, Pb

Основные свойства лучей:

α- лучи – имеют положительный элект. заряд, равный двум зарядам электрона.

– масса частицы (луча) равна массе ядра Не

– α-частица – ядро атома Не.

Радиоактивные превращения

Радиоактивный элемент уранового ряда ₈₈Ra²²⁶ распадается с периодом Т_1/2 1600 лет, испускаемые α-частицы превращаются в Rn.

₈₈Ra²²⁶→₈₆Rn²²²+₂He⁴+Q,

где Q- энергия высвобождающая в результате реакции.

Как и в химических реакциях при написании ядерных реакций необходиы следующие правила: суммы массовых чиcел в одной половине уравнения = сумме в другой. Тоже с число Менделеева или зарядом Z.

При испускании бетта- частицы увеличивается заряд ядра на 1(за счёт n₀→p₁^’+е^-) , но массовое число изменяется: _zсим.^а=_z+1сим^А+_-1е⁰+Q

Испускание α и β частиц может сопровождаться проникающим ϒ- излучением. При этом возникает новое ядро, находящееся в возбуждённом состоянии. Возбуждённое ядро может перейти в нормальное состояние путём испускания ядром ϒ-кванта. Аналитически этот процесс представлялся следующим образом:

₈₈Ra²²⁶→₈₆ ^*Rn²²²+₂He⁴+Q

*-означает, что вновь образовавшиеся ядро находится в возбужденном состоянии, из которого оно переходит в нормальное, испуская ϒ-кванты.

Последний процесс записывается так:

₈₈Ra²²⁶→₈₆Rn²²²+hɳ (0.17MэV),

Где hɳ - энергия испускаемого ϒ-кванта.

Вставка!

β- лучи являются электронами, испускаемые ядрами со стороны близкой к скорости света наиболее жесткими(т.е. Е_ϒ↑) β частицами естественных изотопов является β^- Ra^c(продукт распада Ra).

Максимальная энергия 3,1 МэV, V_β на 1% меньше скорости света. Масса числа определяется из значения Энштейна: Е=mc²

Взаимодействие ϒ-квантов с веществом (породой)

1. При прохождении через вещество ϒ-кванты взаимодействуют с атомами и ядрами среды. При этом они либо поглощаются целиком, или теряют часть свой энергии изменяя направление распространения, т.е. рассеиваются, что приводит к ослаблению интенсивности ϒ-излучения.

2. Регистрируемая интенсивность ϒ-излучения горных пород, в основном зависит от трёх физических явлений.

• Фотоэффекта

• Комптон-эффекта

• Эффекта образования электрон-позитронных пар.

Любой из процессов носит вероятностный характер и определяется средним сечением взаимодействия, которое измеряется в единицах площади (см²(геометрическое сечение ядер 10^-24см²)).

Вероятность взаимодействия радиоактивных излучений радиоактивных излучений с электронной частицей в ядерной физике называется сечением процесса(σ). В зависимости от того будет ли захвачена бомбардирующая частица или только отдаст часть своей энергии различают сечение захвата σ₃ или сечение рассеяния σ_р. σ_р- барн. единица эффектиногопоперечного сечения ядерных процессов равная 10^-24см². Это связанное тем, что геометрическое сечение ядер составляет 10^-24см².

Фотоэффект - Характерен для ϒ-квантов с энергией не более 0,5 МэВ, ϒ-квант передаёт всю свою энергию и полностью поглощается, а электрон вылетает полностью за пределы атома. Такой процесс «выравнивания» электрона из атома называется фотоэффектом. Атом вещества, потерявший электрон, оказывается в возбуждённом состоянии, которое восстанавливается, испусканием кванта ренгеновского излучения – фотоэлектроны. Последние вылетают преимущественно перпендикулярно к распространению пучка ϒ-квантов.

Коэффициент поглощения μ_ϒϕ=σ_ϒϕ∙ɳ_А см^-1, ɳ_А=ρ/А

ρ – плотность вещества

А – атомная масса

J=J_оϒе^-μх Уменьшается интенсивность на единицу.

Сечение фотоэффекта:

σ_ϒϕ- зависит от порядкового номера элемента Z и энергии ϒ-кванта. Оно растёт с ростом Z, т.е. с повышением плотности вещества и уменьшается с увеличением энергии ϒ-кванта.

Комптоновское взаимодействие (поглощение и рассеивание)

Наблюдается для ϒ-квантов энергий 0,2-3 МэВ, свойственных ϒ – излучению естественных радиоактивных элементов, является основным механизмом взаимодействия ϒ-квантов с веществом.

К. взаимодействие происходит на электронах при энергии ϒ-квантов превращающих энергию связи электронов на орбитах.

ϒ-квант передаёт часть своей энергии электронам, а сам изменяет своё направление и приобретает энергию hv’ и отклоняется на гол ϕ к первоначальному направлению. Электрон вылетает из атома под углом ϕ.

К. взаимодействие определяется количеством «n» электронов в единице объёма вещества.

μ_ϒК=n∙σ_ϒK=(ρ∙N₀∙Z/A)∙σ_ϒК

N₀ – число Авогадро (число атомов в молекуле вещества)

Для осадочных пород μ_ϒК=0,5∙ N₀∙ρ∙σ_ϒК т.к. Z/A≈0,5

Образование электрон-позитронных пар

С увеличением энергии ϒ-квантов уменьшается фотоэффект и комптоновское взаимодействие. Начиная с энергии ≈1,02 МэВ и при больших её значениях появляется механизм образования пар: электрон-позитрон. Э-п пары образуются при взаимодействии ϒ-квантов с полем ядра за счёт поглощения энергии ϒ-квантов. Электрон и позитрон вылетают из атома химического элемента под углами ϕ и ϕ’ к направлению ϒ-кванта.

Сечение образования э-п пар σ_ϒП возрастает с увеличением энергии ϒ-квантов и порядкового номера Z – элемента.

μ_ϒК=n∙ϒ=(ρ∙N₀/A)∙ σ_ϒП

Рис. 1 Зависимость μ_ϒ при прохождении в свинце

В общем случае μ_ϒ= μ_ϒϕ+ μ_ϒК+ μ_ϒП

Ослабление ϒ-квантов в слое вещества Х происходит по закону J_ϒoe^μϒ∙x