Элементы естественного и искусственного полей радиоактивности

В горных породах

При радиоактивном каротаже изучаются протекающие в горных породах процессы, обусловленные наличием естест­венной или искусственно вызванной радиоактивности.

Как известно, все химические элементы состоят из мельчай­ших частиц – атомов. Атом состоит из положительно заряжен­ного ядра, в котором сосредоточена основная его масса, и от­рицательно заряженных электронных оболочек. Размеры ядра (10 ^-3– 10 ^-12 см) очень малы по сравнению с размерами самого атома (10 ^-8 см). Ядро в свою очередь состоит из протонов и нейтронов, обладающих примерно равной массой. Протоны несут положительный электрический заряд, а нейтроны являются электрически нейтральными.

Заряд ядра Z, выраженный в элементарных электрических зарядах, равен числу протонов в ядре. Величина заряда ядра всегда совпадает с порядковым номером элемента в периодиче­ской системе химических элементов.

Массовое число А равно полному числу протонов и нейтро­нов в ядре. Ядра с одинаковыми зарядами, но различной мас­сой называются изотопами данного элемента. Ядра хими­ческих элементов обозначаются двумя индексами. Например: углерод с Z = 6 и A = 12 обозначается ¹² ₆С, гелий ⁴ ₂Не, нат­рий – ²³ ₁₁Na и т. д. Разница между А и Z указывает на коли­чество содержащихся в ядре нейтронов.

Число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре. Масса электрона в 1838 раз меньше массы протона. Электроны распределены по электронным оболочкам, каждая из которых соответствует определенному энергетическому уровню. Элек­троны наружных слоев слабее удерживаются ядром и под дей­ствием внешних сил могут оторваться и присоединиться к элек­тронным оболочкам других атомов.

В природе наряду с устойчивыми элементами существуют элементы, ядра которых самопроизвольно распадаются. Такие элементы называются радиоактивными и являются ис­точниками естественного поля радиоактивности. Распад радио­активных элементов сопровождается излучением альфа-, бета- или гамма-лучей. Альфа-лучи представляют собой ядра атомов гелия ⁴ ₂Не. При альфа- распаде масса излучающего ядра уменьшается на четыре единицы, а заряд – на две. Уменьшение заряда атома на две единицы приводит к испусканию двух электронов с наружных оболочек атома. Полученный в результате альфа- распада элемент располагается в периодической системе элементов Д. И. Менделеева на две клетки влево.

Например: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He. Пробег альфа частицы в воздухе при нормальных условиях не превышает 10 см. Период полураспада альфа излучающих изотопов меняется от долей секунд до 14 млрд. лет.

Бета-лучи – обладающие большой скоростью элек­троны (или позитроны). Бета-распад происходит в ядре при превращении нейтронов в протоны и наоборот. Первый из этих процессов приводит к появлению электронов, второй – позитронов. Бета-распад сопровождается испусканием нейтральной частицы с нулевой массой – нейтрино ν. При испускании ядром электрона заряд ядра увеличивается на одну единицу, и образующийся элемент перемещается в периодической таблице вправо, а при испускании позитрона заряд ядра уменьшается на единицу. При этом атомный вес не изменяется.

Например: ⁴⁰₁₉К → ⁴⁰₂₀Са + β^- + ν; ²²₁₁Na → ²²₁₀Ne + β⁺ + ν. Период полураспада бета излучающих изотопов меняется от долей секунд до многих млрд. лет.

Гамма-лучи – кванты (порции) энергии, природа кото­рых идентична рентгеновским лучам. При испускании гамма-квантов не происходит изменение заряда и массы ядра. Гамма излучение сопровождает превращения большинства ядер при переходе их из возбужденного состояния в основное.

Все химические элементы с атомным номером более 83 (висмут) радиоактивны. Из естественных радиоактивных элементов в горных породах наиболее распространены уран ²³⁸U и торий ²³²Th, а также радиоактивные изотопы калия ⁴⁰К, кальция, циркония, олова, кобальта, висмута, рубидия и др.

Распад радиоактивного элемента приводит к возникнове­нию нового элемента с иными физико-химическими свойствами, который также может оказаться неустойчивым, и будет распа­даться, превращаясь в новый элемент. Процесс этот будет про­исходить до образования устойчивого элемента.

Радиоактивные элементы образуют три больших радиоак­тивных ряда – урана, тория, актиния, в которых каждый по­следующий элемент возникает в результате распада предыду­щего. Во всех трех рядах конечным, устойчивым элементом яв­ляется стабильный изотоп свинца.

Каждый из радиоактивных элементов характеризуется при­сущим ему временем распада или, как принято говорить, пе­риодом полураспада, т. е. временем, в течение которого распа­дается половина всех атомов данного элемента.

Распад подчиняется закону:

,                                                            (15)

где n₀ – количество радиоактивных атомов в начальный мо­мент времени;

N – количество радиоактивных атомов, в момент времени t;

e – основание натурального логарифма;

Т – период полураспада элементов.

 

Кроме того, в процессе различных ядерных реакций могут возникать искусственные радиоактивные изотопы (1) элементов. Искусственная радиоактивность – это результат превращения стабильных атомных ядер элементов в неустойчивые радиоак­тивные изотопы.

Искусственные радиоактивные изотопы широко применя­ются в науке и технике. В промысловой геофизике их исполь­зуют при исследовании технического состояния скважин. Наи­более широко используемые из них приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Радиоактивные изотопы, используемые при проведении работ в скважинах

Показатели	Натрий 24 11Na	Железо 59 6Fe	Цинк 65 30Zn	Цирконий 9540Zr	Йод 131 53I	Кобальт 60 27Со	Цезий 13455Сs
Период полураспада	14,9 ч	45,1 дня	245 дней	65 дней	8 дней	5,27 года	2,3 года
Энергия излучаемых гамма-квантов,  МэВ	3,89	1,3	1,12	0,75	0,72	1,33	1,37

 

За единицу радиоактивности принято количество радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит 3,7_*10¹⁰ распада атомов (столько же, сколько в 1 грамме Rа). Такая единица носит название кюри (Ки). В системе СИ абсолютную радиоактивность оценивают в беккерелях (Бк). Под 1 Бк понимают количество любого радиоактивного изотопа, в котором в 1 с происходит в среднем один распад. Следовательно, 1 Бк = 0, 27_*10¹⁰Ки.

Все использованные для исследования скважин методы ра­диоактивного каротажа основаны на регистрации гамма-из­лучения и потока нейтронов. Гамма-лучи – электромагнитное излучение, возникающее в результате радиоактивных превраще­ний атомов элементов. Гамма-лучи возникают и распространя­ются в виде отдельных квантов (порций) энергии. Энергия гамма-квантов, испускаемых горными породами, содержащими в рассеянном состоянии радиоактивные элементы радий, уран, торий и радиоактивный изотоп калия, составляет от 0,05 до 3 МэВ (мегаэлектрон-вольт). Чем выше энергия гамма-кван­тов, тем больше их проникающая способность. Вследствие вза­имодействия квантов с окружающей средой энергия их умень­шается. Уменьшение энергии пропорционально плотности веще­ства. Например, гамма-лучи с энергией 2 МэВ поглощаются наполовину слоем воды толщиной около 14 см, слоем алюми­ния толщиной 5,7 см, слоем меди толщиной 1,8 см и слоем свинца толщиной 1,2 см.

При прохождении через вещество гамма-лучи взаимодейст­вуют преимущественно с электронными оболочками атомов, что определяет их ионизирующее действие.

Мерой интенсивности гамма-излучения является произведе­ние количества гамма-квантов, падающих на единицу поверх­ности вещества, на их энергию. Мерой ионизирующей способ­ности гамма-излучения служит доза излучения, выражаемая в рентгенах. Величина дозы, отнесенная к времени, называется мощностью дозы и выражается в рентген_*часах.

Взаимодействие лучей, генерируемых источником гамма-квантов (например, изотопом кобальта ⁶⁰Со или цезия ¹³⁴ Cs), с окружающей средой бывает трех основных видов: комптоновское рассеяние (эффект Комптона), фотоэлектрический эффект и образование пар «электрон-позитрон».

2.2 Взаимодействие γ-излучения с веществом

 

Гамма кванты взаимодействуют с ядрами, атомами и электронами. В качестве количественной характеристики эффекта взаимодействия гамма квантов и нейтронов используется параметр, называемый эффективным сечением взаимодействия. Этот параметр характеризует вероятность взаимодействия гамма кванта с ядром (электроном) атома при прохождении кванта через единицу площади (м²).

Гамма-излучение относится к сильнопроникающему излучению. Для практически полного его поглощения требуется слой горных пород толщиной в несколько десятков сантиметров. Хотя γ-кванты испытывают различные типы взаимодействий, однако вероятность большинства из них мала и ослабление потока γ-квантов в веще­стве происходит в основном за счет трех процессов: фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования пар.

Вероятность возникновения каждого из этих трех процессов зависит от энергии излучения, а также от типа вещества (его плотности и атомного номера элементов слагающих вещество), с которым взаимодействует это излучение. При малых энергиях гамма кванты взаимодействуют с веществом в основном вследствие фотоэффекта, при средних энергиях преобладает комптоновское рассеяние и, наконец, при больших энергиях гамма квантов основной процесс взаимодействия – образование пары электрон-позитрон.

Фотоэффектом называется такое взаимодействие, при котором γ-квант поглощается (исчезает), а его энергия E_γ расходуется на отрыв и на передачу кинетической энергии одному из электронов атома (рисунок 11, а):

                                       E_γ= E_св+ E_к,                                                                            (16)

где E_св – энергия связи электрона в атоме;

 E_к – кинетическая энергия, передаваемая фотоэлектрону.

 

При фотоэффекте γ-квант может выбить связанные электроны, энергия связи E_св, которых меньше энергии самого γ-кванта Е_γ. Такой процесс вырывания электрона из атома фотоном называется фотоэффектом, а вырываемые электроны - фотоэлектронами. Фотоэлектрический эффект представляет собой процесс взаимодействия гамма-квантов с веществом, при кото­ром вся энергия гамма-кванта передается электрону. При этом гамма-квант исчезает, а возбужденный электрон покидает электронную оболочку атома. Атом, по­терявший электрон, оказывается в возбужденном состоянии. Освободившийся уровень энергии в атоме заполняется одним из наружных электронов, при этом испускается квант характе­ристического (рентгеновского) излучения, т.е. фотоэффект со­провождается характеристическим излучением.

Фотоэлектроны вылетают преимущественно в направлении, перпендикулярном к распространению поляризованного пучка гамма-лучей малой энергии (рисунок 11, а), под углом φ ≈ 90°.

Этот эффект также называют фотоэлектрическое поглощение γ-квантов, (γ,е^-). Происходит этот эффект при энергиях γ-квантов (в эВ), когда Е_γ > ε, где ε – энергия связи электрона, равная для К- оболочки 13,6 Z². Эффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, возникающим при переходе атома в основное состояние. Фотоэффект является превалирующим при энергиях ниже десятков кэВ для легких элементов и ниже сотен кэВ для тяжелых элементов.

Гамма-кванты малой энергии способны выбивать из атома лишь оптические электроны, обладающие малой энергией связи. Гамма-кванты большой энергии могут выбивать элек­троны из более глубоких электронных слоев.

Наибольшая вероятность возник­новения фотоэффекта, например, для свинца возникает при энергии гамма-квантов менее 0,5 МэВ, для Al – 50 кэВ.

Вероятность фотоэффекта резко уменьшается с увеличением энергии кванта. Для характеристики многокомпонентной горной породы используется величина Z_эф – эффективный порядковый номер. Вероятность фотоэффекта μ_ф зависит от присутствия и содержания в породе тяжелых элементов (рудных элементов): железа с Z = 26, свинца с Z = 82, ртути с Z = 80. В то время как породообразующие минералы и горные породы обладают значениями μ_ф порядка 12 –15.Указанная особенность гамма излучения позволяет использовать фотоэффект для количественного определения содержания тяжелых элементов в горных породах.

Комптон-эффект заключается в рассеянии γ-кванта электроном. Это рассеяние  – неупругое рассеяние, подобно столкновению двух упругих шаров (рисунок 11, б) с массами т_е и m_γ=Е_γ /c². В соответствия с законами упругого соударения энергия γ-кванта E_γ распреде­ляется между рассеянным (отклоненным от своей прямолинейной траектории) квантом Е'_γ и электроном отдачи Е_е.

В области, где комптон-эффект является преобладающим (0,05 ≤ Е_γ ≤ 15 МэВ), энергия γ-кванта больше энергии связи электронов в большинстве веществ и потому связь электрона с ядром практически не сказывается на закономерностях комптоновского рассеяния. При энергиях γ-квантов от 0,5 до 5 МэВ комптон-эффект (γ, γ) возникает для тяжелых ядер, а при энергиях от 0,05 до 15 МэВ для легких ядер.

Комптоновское рассеяние – взаимодействие гамма-квантов с электронными оболочками атомов окружающей среды. Один и тот же квант может взаимодействовать с ато­мами вещества многократно, и каждый раз теряет часть своей энергии и затем поглощается. Вероятность комптоновского рассеяния зависит от первоначальной энергии кванта и плотности вещества. Чем больше плотность вещества (чем выше атомный номер эле­мента – заряд его ядра), тем быстрее в нем рассеиваются и поглощаются гамма-кванты.

При энергии гамма-квантов от 0,5 до 4,7 МэВ, и при взаимодействии их, например, со свинцом преобладает комптоновское рассеяние, для Al – диапазон энергий гамма квантов для возникновения комптоновского эффекта изменяется от 50 кэВ до 15 МэВ.

Для легких элементов (кроме Н₂) коэффициент поглощения не зависит от атомного номера вещества и, следовательно, от химического состава. Поэтому при взаимодействии гамма квантов средних энергий с веществом (комптоновский эффект) определяется плотность многокомпонентной среды – горной породы. 

Образование пары наблюдается при взаимодействии γ-кванта с полем ядра. При этом взаимодействии γ-квант исчезает, а за счет его энергии образуется пара частиц, вернее, частица и античастица – электрон и позитрон (рисунок 11, в). Такое взаимодействие (γ, е⁺е^-) имеет место при энергии γ-кванта не менее 1 МэВ. В дальнейшем позитрон аннигилирует, образуя два γ-кванта. Процесс рождения пары превалирует при высоких энергиях кванта – выше нескольких МэВ для тяжелых элементов и выше 10 –20 МэВ для легких элементов.

Процесс рождения пары электрон-позитрон, возникает при взаимодействии высоких энергий гамма-квантов бо­лее 4,7 МэВ, например, со свинцом, и более 15 МэВ для Al.

а – фотоэффект; б – комптон-эффект; в – эффект образования пар

1– электрон; 2 – ядро; 3 – γ-квант до взаимодействия; 4 – рассеянный γ-квант; 5 – электрон или позитрон

Рисунок 11– Схема основных типов взаимодействия γ-квантов с веществом

 

Поскольку энергия гамма излучения естественных радиоактивных элементов обычно не превышает 3 МэВ, эффектом образования пар можно пренебречь.

Для большинства породообразующих элементов – Z = 6-20, преобладающим эффектом взаимодействия гамма излучения средних энергий с веществом является комптоновское рассеяние.  

Таким образом, при прохождении через любое вещество (в нашем случае – через горную породу) гамма-кванты за счет многократного комптоновского рассеяния теряют часть своей энергии, а затем в результате фотоэлектрического эффекта по­глощаются.