Явление радиоактивности

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 

Здесь мы рассмотрим некоторые свойства горных пород, содержащих радиоактивные элементы, а также с процессы прохождения радиоактивных излучений через горные породы..

Явление радиоактивности

 

Радиоактивность - это свойство ядер некоторых элементов самопроизвольно преобразовывать свой состав и энергетическое состояние. Радиоактивность – это внутреннее свойство ядер, которое не зависит от внешних условий.

Как известно, ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов; сумма протонов и нейтронов (нуклонов) равна атомному весу элемента. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными силами. Они носят обменный характер, т.е. между протонами и нейтронами в ядре происходит постоянный обмен p-мезоном.

Основным свойством ядерных сил, влияющим на радиоактивность, является их короткое действие. В ядре каждый нуклон ядерными силами связан не со всеми нуклонами, а только с близлежащими. Радиус действия ядерных сил порядка 10^{-15 м. Ядро такого размера, в котором ядерные силы достигают насыщения, наиболее устойчиво. Это ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами или} a-частица, если это ядро имеет кинетическую энергию. Ядра других элементов, которые могут быть составлены из ядер гелия, обладают также максимальной устойчивостью и наибольшей распространенностью в горных породах. Это ядра элементов кислорода (8 протонов и 8 нейтронов), кремния (14, 14), кальция (20, 20). Напротив, ядро бериллия, состоящее из 5 нейтронов и 4 протонов (2a-частицы+нейтрон), аномально неустойчиво, распадается при облучении гамма-квантами относительно небольшой энергии.

Энергия связи нуклонов в ядре может быть легко рассчитана

 

E=Δm×c² (7.1)

 

где Dm -дефект массы; с - скорость света в вакууме. Расчеты показывают: чем сложнее ядро, чем больше в нем протонов и нейтронов, тем меньше энергия связи в расчете на нуклон. Поэтому радиоактивность - это свойство преимущественно тяжелых элементов. Все элементы, порядковый номер которых больше 81 (таллий), являются радиоактивными или содержат радиоактивные изотопы.

В горных породах наблюдаются в основном три вида радиоактивных превращений: альфа-превращение, бета-превращение, гамма-излучение.

Альфа-превращение заключается в испускании ядром α-частицы, Примером такой реакции в горных породах может служить α -превращение радия в радиоактивный газ радон:

²⁸⁶₈₈Ra → ₂⁴α + ²²²₈₆Rn + γ

Бета-превращение состоит в испускании ядром b-частицы (электрона) при преобразовании в ядре нейтрона в протон (n ® p + е^-)-88% ядер радиоактивного изотопа ⁴⁰К испытывает этот тип превращения:

В 12% случаев ядро ⁴⁰К превращается посредством электронного захвата, т.е. в захвате ядром электрона с внутреннего K-слоя и превращении протона в нейтрон:

⁴⁰₁₉К + е^- → ⁴⁰₁₈Ar+ γ

Образовавшиеся в ходе радиоактивного превращения ядра чаще всего оказываются в возбужденном состоянии. Переходя в нормальное состояние, они излучают избыток энергии в виде гамма-квантов.

Гамма-излучение - это жесткое электромагнитное излучение, сопровождающее ядерные превращения. Энергия g-излучения индивидуальна для каждого вида ядер и является параметром конкретного ядерного превращения.

В сравнении с другими видами электромагнитного излучения гамма-излучение характеризуется большей энергией и большей частотой колебаний. Последнее вытекает из соотношения

E = ħ×ν

где ħ постоянная Планка; v - частота.

Для гамма-излучения более характерны корпускулярные, нежели волновые, свойства. Гамма-излучение можно представлять как поток частиц массы m=ħ×ν/c², распространяющихся со скоростью света. Благодаря значительно более высокой проникающей способности g-лучей в сравнении с α-и b-частицами в методах разведочной геофизики используется в основном g-излучение.

Время распада отдельно взятого ядра предсказать невозможно, так как радиоактивное превращение - явление случайное. Закономерность проявляется для большого числа атомов. Она выражена законом радиоактивного превращения, заключающимся в том, что количество превращающихся ядер пропорционально имеющемуся количеству радиоактивных ядер. Коэффициент этой пропорциональности есть параметр распадающегося атома l и имеет смысл вероятности распада за единицу времени.

В интегральном виде закон радиоактивного превращения отражает изменение количества радиоактивного вещества со временем

 

N = N₀×e^-λt (7.2)

 

где t - время с начала превращения; N₀, N - количество атомов превращающегося элемента соответственно в момент времени 0 и t.

Более удобным для использования параметром распадающегося ядра является период полураспада T_1/2, зависящий только от l:

T_1/2 = ln2/l.

Период полураспада равен времени, за которое превращается половина атомов. Так, если период полураспада радона 3,82 суток, то именно через это время в воде, взятой из радонового источника, останется всего половина атомов радона. Приближенно через 10×T_1/2, т. е. через 38 дней, все атомы радона распадутся. Ниже приводятся периоды полураспада наиболее распространенных радиоактивных изотопов горных пород:

 

Изотоп	Содержание в земной коре, %	Период полураспада, лет
23892U   23290Th   4019К	2,6×10-4   11,3×10-4   3×10-4	4,49×109   1,4×1010   1,47×109(b) 1,24×1010

 

Отметим, во-первых, низкое содержание радиоактивных элементов в земной коре. Сравним, например, с распространенностью таких породообразующих элементов, как Si (27,7%) или Са (3,63%). Содержание других радиоактивных элементов еще ниже. Во-вторых, у урана, тория и калия очень большой период полураспада, т.е. они относительно слаборадиоактивные элементы. Например, радий распадается в миллионы раз быстрее, чем уран, а радон - в миллиарды раз. Но во столько же раз этих элементов меньше в земной коре в сравнении с ураном. В этом проявляется зависимость распространенности элемента в природе от стабильности его ядра.

Если при превращении ядра ⁴⁰К образуются сразу стабильные изотопы Са и Аr, то при распаде ядер урана и тория вновь образованные изотопы также являются радиоактивными. Вслед за распадом U и Th тянутся целые цепочки радиоактивных превращений, заканчивающиеся образованием стабильных изотопов свинца. Изотопы элементов, участвующие в этих последовательных превращениях, образуют так называемые радиоактивные ряды, родоначальниками которых являются уран и торий. Так, радий и радон входят в состав уранового ряда

Главной особенностью радиоактивных рядов является та, что наиболее долгоживущим (наименее радиоактивным) элементом ряда является его родоначальник, т.е. уран или торий. Все остальные элементы ряда распадаются быстро. Это обстоятельство, а также экспоненциальный характер закона радиоактивного превращения приводят к важному свойству радиоактивных рядов - радиоактивному равновесию. Оно проявляется, в неизменности количеств элементов середины ряда, поскольку число распадающихся и образующихся атомов уравновешено. Количества атомов радиоактивных элементов ряда взаимосвязаны между собой и с количеством атомов родоначальника, т.е. урана или тория:

 

λ₁×N₁ = λ₂×N₂ = … = λ_i×N_i = … = λ_n×N_n (7.3)

 

где l_i, - постоянная распада i-го элемента ряда; Ni - количество атомов этого элемента. Согласно соотношению (7.3), зная количество атомов одного элемента ряда, можно определить количество всех остальных.

Произведение λ×N = A называется активностью вещества. Учитывая смысл l, как вероятности распада за единицу времени, активность равна числу распадающихся атомов за единицу времени. Активность в один распад в секунду называется беккерелем (Бк).

Согласно уравнению радиоактивного равновесия (7.3) активность элементов ряда может быть выражена через активность его родоначальника

A =n× λ×N,

где n - количество элементов в ряду.

Иными словами, чтобы оценить радиоактивность уранового или ториевого ряда, достаточно знать количество урана или тория. Это обстоятельство очень упрощает изучение радиоактивности пород, так как в случае радиоактивного равновесия отпадает необходимость в определении содержаний тех радиоактивных элементов, которые входят в состав рядов.