Радіоактивність гірських порід. Однією із фундаментальних властивістю речовини Землі є радіоактивність – спонтанний розпад ядер низки хімічних елементів

Однією із фундаментальних властивістю речовини Землі є радіоактивність – спонтанний розпад ядер низки хімічних елементів, що супроводжується вивільненням енергії. Ядро може перебувати в широкому наборі дискретних, проквантованих, збуджених станів. Поведінка ядер в перетворені до більш стійких станів певною мірою подібна до перетворення атомів від збудженого до більш стійкого стану, але є деякі важливі відмінності. Зокрема:

1) в збуджених ядрах набагато більша відмінність енергетичних рівнів;

2) тривалість часу перебування ядра в збудженому стані може складати від 10^-4 секунди до 10¹¹ років, тоді як час перебування в збудженому стані атому зазвичай близький до 10^-8 секунди;

3) збуджені атоми випускають фотони, а збуджені ядра можуть випустити крім фотонів і інші частки. Фотон, який випускається при розпаді нестійких ядер, іменується гамма-променем.

Ядерний розпад відбувається з швидкістю, яка відповідає закону радіоактивного розпаду. Швидкість розпаду залежить лише від природи та енергетичного стану нукліду. Вона не залежить від минулої історії ядра і незалежна від зовнішніх впливів, таких як, наприклад, температура, тиск тощо. Ймовірність розпаду ядра в деякому безкінечно малому інтервалі часу, dt, є l - постійна розпаду.

Активність розпаду радіонукліду можна оцінити за формулою, яку іменують “основним рівнянням радіоактивного розпаду”:

,

де N – кількість ядер радіоактивного ізотопу в джерелі. Одиницею вимірювання активності розпаду є бекерель: 1 Бк відповідає активності радіонукліду в джерелі в якому за 1 секунду відбувається 1 спонтанний перехід з певного ядерно-енергетичного стану нукліду.

Випромінювання гамма-квантів (g) відбувається тоді, коли збуджене ядро переходить до більш стійкого стану. Гамма-промінь є просто фотоном з високою енергією (звичайно більше 100 кеВ). Частота цього випромінювання, n, пов’язана з різницею енергій ядра рівнянням: h×n=E_u–E_l, де E_u і E_l є енергіями верхнього (збуджений) і нижнього (основний) станів, а h є постійною Планка.

Альфа-розпад є розпадом атомних ядер що супроводжується випусканням альфа-частки (ядра атому гелію):

Емісія альфа-частки зменшує масу ядра на масу ядра гелію плюс масовий еквівалент енергії, що витрачається під час розпаду. Альфа-розпад відбувається в ядрах з масами вищими за максимум на кривій питомої енергії зв’язку, тобто за ⁵⁶Fe.

Бета-розпад є процесом, при якому змінюється заряд (кількість протонів) ядра, але не кількість нуклонів загалом (масове число). Бета-розпад реалізується як самочинне перетворенні нейтрону в протон, і навпаки, залежно від співвідношення кількості нейтронів і протонів в ядрі:

,

,

де – нейтрино, а – антинейтрино.

Іншим типом цього розпаду є реакція захоплення електрону, ефект якої приблизно ідентичний позитронному бета-розпаду. Бета-розпад залишає дочірнє ядро в збудженому стані, тож відбувається його розпад з випуском гамма-квантів. Крім того, зміни в ядрі вимагають певних переміщень на електронних орбітах, які супроводжуються випусканням рентгенівських променів (джерелом в даному випадку є електрони внутрішніх орбіт). Таким чином, гамма-промені є звичайними супутниками бета-розпаду.

Розщеплення є процесом при якому ядро фактично розколюється на два (або більше) важкі дочірні ядра. В природі такі процеси є дуже рідкісними, вони відбуваються тільки в найважчих ядрах: ²³⁸U, ²³⁵U і ²³²Th. Оскільки материнське ядро збагачене нейтронами (співвідношення кількості нейтронів і протонів зростає із збільшенням порядкового номеру елементу) то при розщепленні ядра утворюються багаті нейтронами нестійкі дочірні ядерні фрагменти, з зарядами від 30 (Zn) до 65 (Tb) та вільні нейтрони. Дочірні ядра продовжують розпадатися (емісія електронів, з перетворенням нейтронів на протони) до моменту досягнення енергетично стабільного співвідношення між протонами і нейтронами.

Природних довго живучих ізотопів відомо близько 20, найпоширенішими з них в земній корі є: ⁸⁷Rb, ²³²Th, ²³⁸U, ⁴⁰K, ²³⁵U. Слід зазначити також що за час існування Землі кількість радіоактивних ізотопів суттєво зменшилась (⁴⁰K – в 12 разів, ²³⁵U – в 30 разів тощо). Перелік найцікавіших для геології систем розпаду наведено в табл. 8.28.

Вторинні радіоізотопи виникають і в результаті взаємодії космічного випромінювання з атмосферою, наприклад: ¹⁴N+nÞ¹²C+³H; ³HÞb+³He; (період піврозпаду тритію 12,26 років). Подібним чином в атмосфері утворюються ¹⁴C (T_1/2=5600 років, повний розпад 70000 років), а також ¹⁰Be, ²²Na, ²⁶Al, ³⁶Cl тощо.

Таблиця 8.28 – Деякі системи радіоактивного розпаду

Таблиця 8.29 - Одиниці вимірювання радіоактивності і іонізуючих випромінювань