Физические основы ядерной геофизики

Общие положения.

Важнейшей характеристикой ядерных излучений явля­ется энергия частицы (γ-кванта), выражаемая внесистемной единицей элект­рон-вольт (эв): 1 эв = 1.6*10^-12 эрг (СГС) = 1.6*10^-19 Дж (СИ).

Поле ядерных излучений характеризуется плотностью, плотностью потока и интенсивностью излучения.

Плотность частиц (γ-квантов) N – это число частиц (γ-квантов), находя­щихся в данный момент времени в единице объема среды N = n /V, где n – число частиц (γ-квантов). Единица измерений – n/м³ (n/cм³).

Плотность потока частиц (γ-квантов) Ф – это число частиц (γ-кван­тов), падающих в 1 секунду на единичную площадку, перпендикулярную на­правлению параллельного потока частиц (γ-квантов). Ф = nv, где v – скорость частиц (γ-квантов) в среде. Единица измерения n/(м²*с) или n/(см²*с).

Интенсивность излучения I – это энергия излучения, падающая в еди­ницу времени на единичную площадь, которая измеряется в Вт/(м²*с). Для моноэнергетического пучка частиц с кинетической энергией Е: I = ФЕ.

Если на мишень падает перпендикулярно поток частиц (γ-квантов), то число взаимодействий Nв, происходящих в единицу времени на единице пло­щади мишени, оказывается равным Nв = σФN, где N – число атомов на 1 см² площади мишени, σ – коэффициент, характеризующий вероятность взаимо­действия, т.е. среднее число взаимодействий, приходящихся на один атом при единичном потоке частиц (квантов). Коэффициент σ имеет размерность площади и измеряется в см² (м²). σ можно представить как поперечное сечение шара, при попадании частицы в который происходит взаимодействие между частицей и атомом, поэтому σ называют эффективным сечением взаимодействия. Величина 10^-24 см² называется барн и принята в качестве внесистемной единицы сечения взаимодействия.

Суммарное сечение всех атомов в единице объема вещества называется макроскопическим сечением взаимодействия и обозначается Σ. Для моноэле­мен­тного вещества (состоящего из атомов одного элемента) Σ = σN, где N –число атомов в единице объема. Для среды сложного состава, состоящей из атомов нескольких типов:

где Ni – число атомов i-типа в единице объема вещества, σi – сечение взаимо­дей­ствия для атомов i-типа.

Альфа-распад.

α-распадом называется самопроизвольный (спонтанный) процесс испускания ядром Я(A,Z) (A – атомная масса ядра, Z – порядковый номер или заряд ядра) ядра гелия ₄He²⁺ (α-частицы) с освобождением энергии ΔЕ_α в форме кинетической энергии α-частицы и дочернего ядра Я(A-4,Z-2). При условии, что исходное ядро находится в состоянии покоя, подавляющая часть кинетической энергии, выделяющейся при α-распаде, уносится α-частицей, и лишь незначительная доля (менее5%) приходится на ядро-продукт. Условием энергетической возможности α-распада является отрицательная величина энергии связи α-частицы в исходном ядре:

где: M(A,Z) – масса исходного ядра; M(A-4,Z-2) – масса дочернего ядра, М_α – масса α-частицы, с – скорость света. Это выражение получено из формулы Энштейна Е=мс2.

Кинетическая энергия α-частиц при распаде естественных радиоактив­ных элементов не превышает 10 Мэв, периоды полураспада изменяются в ши­роких пределах: от 10^-7 сек до 10⁷ лет. Энергетический спектр α-частиц при распаде данного ядра дискретен, т.е. имеет строго определенную энергию.

Бета-распад.

β-распадом называется процесс спонтанного превращения нестабильного ядра в ядро с зарядом, отличным на ΔZ=±1. Известны три вида β-распада: β- - распад (е-), β+-распад (е+) и е-захват (к-захват).

Примером электронного β- -распада является распад трития ₃Н¹ → ₃Не². В конечном итоге β- -распад трития сводится к превращению нейтрона в протон, энергия β-распада – 18 кэв.

Примером позитронного β+-распада является распад ядра ₁₁С⁶ → ₁₁В⁵. В этом случае β+-распад ядра ₁₁С⁶ сводится как бы к превращению одного протона в нейтрон. Это превращение надо понимать условно, т.к. масса про­тона меньше массы нейтрона. Следовательно, позитронный распад свобод­ного протона невозможен, в отличие от электронного распада нейтрона. Однако для протона, связанного в ядре, подобное превращение возможно, т.к. недостающая энергия восполняется ядром. Энергия β+-распада ядра ₁₁С⁶ составляет примерно 1 Мэв.

Третий вид β-радиоактивности – электронный за­хват (е-захват). Он заключается в захвате яд­ром электрона из электронной оболочки собственного атома. В результате образуется вакансия в электронной оболочке, которая заполняется электро­ном с более высокого уровня. Поэтому е-захват сопровождается рентгенов­ским излучением, по энергии соответствующим разности энергий электрон­ных уровней того электрона, который заполнил вакансию. е-захват имеет существенное значение для тяжелых ядер, у которых К-оболочка располо­жена близко к ядру (К - захват). Наряду с К - захватом наблюдаются, но значительно реже, L - M – захваты. Примером К – захвата у легких ядер является ядро ₇Ве⁴ , захватывающее К – электрон и превращающееся в ядро ₇Li³, энергия β-излучения 0.86 Мэв.

Следует отметить, что β-распады ядер возможны различными спосо­ба­ми одновременно. Например, β-распад ₅₂Mn²⁵ → ₅₂Cr²⁴ происходит за счет β+-распада – 35% случаев распада, а 65% - за счет К – захвата. β-распад ₆₄Cu²⁹ в 40% случаев испускает электрон, в 40% случаев – электронный захват и в 20% случаев испускает позитрон.

В процессе β-распада испускаются частицы всех энергий – от нуля до Еmax, т.е. энергетический спектр β-распада непрерывен. В случае β—-распада Еmax приблизительно равна разности исходного и конечного энергетических состояний ядра. Средняя энергия Eb электронов, испуска­е­мых тяжелыми ядрами, обычно составляет около 1/3 от Еmax. Для естест­венных радиоактивных элементов Еmax β- -распада заключена в пределах 0.25 ÷ 0.45 Мэв. Спектры β-- распада легких ядер более симметричны, для них Eb ≈ 0.5* Еmax.

Некоторые радиоактивные ядра обладают двумя и более периодами полураспада для испускаемого ими β-излучения. О таких ядрах говорят, что они могут существовать в двух изомерных состояниях. Наличие у ядра двух периодов полураспада можно объяснить, если предположить, что ядро может существовать в двух изомерных состояниях – основном и возбужденном, долгоживущем (метастабильном).

Рассмотрим β-распад изотопа ₈₀Br³⁵. Исходное ядро ₈₀Br³⁵, образующееся в результате захвата нейтрона ядром ₇₉Br³⁵, в первоначальный момент существования находится в сильно возбужденном состоянии. Снятие возбуждения происходит за счет последовательных переходов ядра во все более низкие энергетические состояния с одновременным испусканием γ-квантов . При наличии метаста­бильного состояния переходы могут происходить двумя различными путями. По способу I, ядро быстро (≈ 10^-13 сек) приходит в основное состояние, из которого испускает β- - частицы с периодом полураспада 18 минут. При способе II ядро быстро приходит в метастабильное основное состояние _80mBr³⁵, из которого медленно, с периодом полураспада 4,4 часа, переходит в основное состояние с последующим испусканием β- - частицы. В результате этого одного процесса мы имеем два периода полураспада β-излучения и четыре энергии γ-квантов. Ядерная изомерия широко применяется при созда­нии искусственных источников γ-квантов, в большинстве которых использу­ется β- - распад радиоактивного изотопа. Например, широко применяемый в рудной геофизике источник ₇₅Se, испускает γ-кванты четырех энергий: 76 Кэв (11%), 138 Кэв (18%), 270 Кэв (60%) и 400 Кэв (11%).

Нейтронное излучение.

Нейтрон представляет собой нейтральную по заряду элементарную частицу, которая совместно с протоном входит в состав ядер атомов. Масса нейтрона примерно равна массе протона, в свободном состоя­нии неустойчив и распадается по схеме n → p + e- + γ-квант с периодом по­лу­распада 11,7 минут. Поскольку, в целом, нейтроны электронейтральны, они в сравнении с другими элементарными частицами, проходят значитель­ные расстояния в веществе.

Энергия нейтрона обусловлена его кинетической энергией и связана со скоростью движения нейтрона в вакууме эмпирическим соотношением

где: Е – энергия нейтрона, эВ; V – скорость движения, м/сек.

В зависимости от энергии, нейтроны подразделяются на: холодные (с энергией менее 0,025 эв), тепловые (≈0,025 эв), надтепловые (0,03 ÷ 100 эв). Эта классификация принята в ядерной энергетике. В физике высоких энергий принята следующая классификация нейтронов: резонансные нейтроны (1 ÷ 100 эв), медленные (0,1 ÷ 1000 эв), промежуточные (1 ÷ 500Кэв), быстрые (0,5 ÷ 10 Мэв) и очень быстрые (более 10 Мэв).

В силу электронейтральности, нейтроны в веществе взаимодействуют только с ядрами атомов. С электронами атомов нейтроны практически не взаимодействуют потому, что масса нейтрона на три порядка больше массы электрона.

Гамма-излучение.

γ-излучение - самопроизвольный процесс перехода ядра из возбужденного состояния в основное, или менее возбужденное, сопровож­дающееся испусканием кванта коротковолнового электромагнитного излу­че­ния. α – и β-распады сопровождаются испусканием γ-квантов. Кинетическая энергия α – и β-частиц очень велика (Мэв), а энергетические уровни в ядре – квантованы (т.е. имеют строго определенные значения) и маловероятно, чтобы ядро пришло в стабильное состояние после испускания элементарной частицы. Поэтому при α – и β-распадах, для того чтобы ядро пришло в стаби­льное энергетическое состояние, распады сопровождаются испуска­нием γ-квантов. Энергия γ-квантов определяется разностью энергий между уровнем энергии после испускания частицы и стабильным энергетическим уровнем ядра. Следовательно, энергетический спектр гамма-излучения для каждого изотопа строго индивидуален (характерен) и имеет строго опре­де­лен­ные энергии. Для естественных радиоактивных элементов после α – распада обычно испускаются γ-кванты с энергией не выше 0,5 Мэв, после β-распада, энергия γ-кванта может быть больше и достигает 2 ÷ 2,5 Мэв.

Нет принципиальной разницы между квантами видимого света (оптических) и γ-квантами – это кванты электромагнитного излучения. Различие между ними только в частоте излучения, т.е. в энергии. Можно условно подраз­де­лить кванты по энергии на следующие типы: оптические ( до 1 эв), ультра­фиолет ( до 1 Кэв), рентгеновские ( до 100 Кэв) и гамма-кванты (свыше 100 Кэв). Источником оптических квантов являются процессы, происходящие в валентных электронах атома, ульрафиолетового излучения – процессы, прои­с­ходящие на электронных уровнях, следующими за валентными.

Происхождение рентгеновского излучения обусловлено процессами, происходящими на наиболее близко расположенных к ядру атома внутрен­них электронных оболочках. Энергия этих трех излучений (оптического, ультрафиолетового и рентгеновского) определяется энергией связи электро­нов с ядром атома, т.е. потенциалом ионизации данной электронной оболоч­ки. Источником γ-квантов являются процессы, происходящие в самом ядре.

Энергетические уровни электронных оболочек и ядра строго опреде­лены для каждого атома (или кристаллической решетки вещества). Говорят, что они характерны для каждого вещества. Следовательно, изучая энергети­ческие спектры вышеперечисленных излучений, можно точно определить тип вещества, а по интенсивности излучения можно перейти к количествен­ным определениям этого вещества (определить концентрацию данного веще­ства). С этой целью в ядерной геофизике, помимо изучения гамма-излучения, очень широко применяется исследование рентгеновского (характеристичес­кого) излучения.