Общие сведения о радиоактивности

Естественная радиоактивность, т.е. самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, спонтанно превращающихся в ядра других элементов, сопровождается испусканием альфа-, бета-частиц, гамма-квантов и другими процессами. Известно бо- лее 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами или радионуклидами. Радиоактивность тяжелых элементов с порядковым номером в таблице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным превраще- ниям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоак- тивных изотопов. Основными радиоактивными рядами или семействами тяжелых эле- ментов являются ряды урана-238, урана-235, тория-232. Перечисленные элементы (их называют материнскими радионуклидами) являются родоначальниками семейств и от- носятся к долгоживущим: у них период полураспада (T1/2), т.е. время, необходимое для

того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, составляет 4,5·109; 7,13·108; 1,39·1010 лет соответственно. В состав семейств урана входят такие дочерние нуклиды, как радий (Т1/2 = 1620 лет) и самый долгоживущий радиоактивный газ—радон (Т1/2 = 3,82 сут). Конечным продуктом превращений урана является нерадиоактивный так называемый радиогенный свинец.

Кроме радиоактивных семейств имеются одиночные радионуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Среди них наиболее распространен калий-40 (Т1/2 = 1,4·109 лет). В целом в земной коре повышены концен- трации следующих трех радиоактивных элементов: урана (2,5·10-4 %), тория (1,3·10-3 %)

и калия-40 (2,5%). Поэтому в радиометрии изучают только эти элементы. Они находят- ся в горных породах в рассеянном состоянии в виде изоморфных примесей и самостоя- тельных минералов.

Радиоактивный распад, как процесс превращения одних изотопов в другие, обу- словлен внутренним, независимым от внешних условий состоянием атомных ядер. Ха- рактеризуют радиоактивный распад следующие параметры.

1. Период полураспада, который у различных элементов изменяется в очень ши- роких пределах — от 10-6 с до 1010 лет. Для каждого элемента T1/2 является определен- ной и постоянной величиной и может служить его диагностическим признаком. В ядерной физике известна следующая формула:

-0,693 t /T1/2

N = N0 e

(5.1)

устанавливающая связь между начальным числом атомов какого-либо радиоактивного элемента N0 , например, в момент происхождения породы, и числом атомов N этого же элемента спустя время t, например, в настоящее время. Между долгоживущими мате-

и дочерним эле-

существует радиоактивное равновесие, выражаемое уравнением

1/2

= NД

M

, (5.2)

полученным из соотношений (5.1) и позволяющим определить какой-нибудь один па-

раметр, если известны три других.

Состав естественных излучений, включающий альфа-, бета- и гамма- излучения. Альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных час- тиц (ядер атомов гелия), энергия которых на длине пути около 10 см в воздухе и долей миллиметров в породах тратится на ионизацию и нагревание окружающей среды, по- этому проникающая способность у них очень мала. Бета-излучение представляет собой поток электронов и позитронов, энергия которых тратится на ионизацию и возбужде- ние атомов окружающей среды, в результате они рассеиваются (это приводит к ослаб- лению их интенсивности) и поглощаются (теряют свою энергию) на длине пути, в 100 раз большей, чем для альфа-излучения. Гамма-кванты представляют собой поток элек- тромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 1018 Гц). Хотя они также рассеи- ваются и поглощаются окружающей средой, но благодаря своей электрической ней- тральности отличаются более высокой проникающей способностью (сотни метров в воздухе и до метра в горных породах).

Кроме основных излучений радиоактивный распад может сопровождаться захва- том некоторыми ядрами электронов из собственных оболочек атомов (К- и L-захват) с возникновением мягкого и рентгеновского гамма-излучения.

К излучениям, широко используемым в ядерной геофизике, относится искусст- венно создаваемое нейтронное излучение. Оно возникает при ядерных реакциях (на- пример, в смеси полония и бериллия) или создается с помощью управляемых генерато- ров нейтронов, циклотронов и др. Из всех видов излучений нейтронное обладает наи-

большей проникающей способностью. Однако нейтроны замедляются в процессе рас- сеяния, а затем поглощаются средой, т.е. захватываются ядрами атомов за время от микросекунд до миллисекунд. В свою очередь, захват сопровождается мгновенным ис- пусканием гамма-квантов вторичного излучения.

Количество, концентрация, доза и мощность дозы гамма-излучения. Количе- ство и концентрация долгоживущих элементов (U, Th, 40К) в горной породе определя- ются их массой и процентным содержанием (или эквивалентным содержанием урана). Абсолютной единицей радиоактивности радионуклидов в СИ является беккерель (1 Бк = 1 расп./с). Иногда используют внесистемную единицу, г-экв Ra (количество ве- щества, гамма-излучение которого эквивалентно излучению 1 г Ra). Единицей удель- ной радиоактивности в СИ служит беккерель на единицу массы или объема. За единицу экспозиционной дозы облучения в СИ принят кулон на килограмм (Кл/кг) и внесис- темная единица — рентген (1Р = 2,58·10-4 Кл/кг). Мощность дозы, т.е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг), микрорент- генах в час (мкР/ч).

Энергия излучений, которая представляет собой начальную кинетическую энер- гию частиц и измеряется в миллионах электрон-вольт (МэВ). Максимальные значения для альфа-, бета-, гамма-излучений равны 10; 4; 3 МэВ соответственно. Нейтроны по энергии разделяют на холодные (0,001 эВ), тепловые (0,025 эВ), надтепловые (>0,05 эВ), резонансные (0,5—100 эВ), медленные (<1 кэВ), промежуточные (1 кэВ—0,5

МэВ), быстрые (>0,5 МэВ).