- •Ядерная геофизика
- •Естественная радиоактивность горных пород Общие сведения о радиоактивности
- •Ряды радиоактивных семейств урана и тория. Другие естественные радиоактивные элементы.
- •Основные законы радиоактивных превращений.
- •Использование закона радиоактивных превращений для определения абсолютного возраста горных пород.
- •Единицы измерения радиоактивности.
- •Радиоактивность горных пород и руд
- •Физические основы ядерной геофизики
- •1. Общие положения.
- •Гамма-излучение.
- •2. Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой
- •Взаимодействие γ-излучения с веществом.
- •Полное сечение взаимодействия γ-излучения с веществом.
- •Взаимодействие нейтронов с веществом.
- •Радиометрическая аппаратура
- •Детекторы излучений
- •Радиометры
- •Источники ядерных излучений
- •Методы определения содержания радиоактивных элементов
- •Полевые радиометрические методы
- •Ядерно-геофизические методы Гамма-гамма-методы (ггм)
- •Рентгенрадиометрический метод (ррм)
- •Активационный анализ
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.
2. Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой
Взаимодействие заряженных частиц.
К заряженным частицам относятся α- и β – частицы. α-частица представляет собой ядро гелия (4He2+), масса α-частицы составляет 4 а.е.м.( по меркам микромира это огромная величина), заряд - +2.. Масса электрона (позитрона) примерно в 7300 раз меньше массы α-частицы, а заряд β-частицы, равный по модулю заряду электрона, равен ±1. Энергия заряженной частицы – кинетическая энергия, которая пропорциональна массе частицы и квадрату скорости ее движения.
Будучи электрически заряженными, частицы взаимодействуют с кулоновскими полями ядра и электронов атома вещества. Необходимо отметить, что ядро занимает ничтожно малый объем атома (примерно 10-12 части объема атома), поэтому вероятность взаимодействия заряженной частицы с кулоновским полем ядра невелика. В результате взаимодействия частицы вызывают ионизацию окружающей среды, т.е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов. При ионизации вещества происходит потеря части энергии (скорости) заряженной частицы в каждом акте взаимодействия. После некоторого числа взаимодействий энергия (скорость) заряженной частицы уменьшается практически до нуля и происходит ее нейтрализация путем присоединения электронов для α-частицы или присоединения электрона к иону для β-частицы. Таким образом, при каждом акте взаимодействия происходит замедление частицы, т.е. частица имеет отрицательное ускорение. Известно, что при движении заряженной частицы с ускорением, частица начинает излучать энергию, что приводит к потере энергии частицы. Следовательно, при взаимодействии заряженной частицы с веществом имеют место быть ионизационные и радиационные потери энергии.
Радиационные потери пропорциональны квадрату ускорения. Учитывая, что ускорение a = F/M, где F – сила, действующая на частицу массой М, получим, что радиационные потери при рассеянии на кулоновском центре пропорциональны (Ze – заряд центра). Отсюда следует, что радиационные потери для α-частицы примерно в 108 раз меньше, чем для β-частицы (т.к. масса α-частицы примерно в 104 раз больше массы электрона). Для β-частицы радиационные потери пропорциональны EZ2, а ионизационные – Z, поэтому отношение радиационных потерь энергии Eр к ионизационным Еи оказывается пропорциональным EZ:
где энергия β-частицы дана в Мэв. Следовательно, для основных породообразующих элементов (Z = 8 ÷ 20) при значениях энергии β-частицы, характерных для естественных радиоактивных элементов 0.1 ÷ 2 Мэв, Еи / Ер > 10. Таким образом, для заряженных частиц характерны ионизационные потери.
Количественными характеристиками потерь энергии частицы служит величина удельных потерь энергии (dE/dx) (т.е. потери энергии на единицу длины пути частицы) и пробег частицы L в веществе (полный путь частицы в веществе).
Линейный пробег в воздухе α-частицы в области энергий 4 Мэв < Eα < 9 Мэв, характерной для естественных радиоактивных элементов, приближенно выражается: и составляет от 2.5 до 9 см. Зная пробег α-частицы в воздухе, легко найти ее пробег в любом другом веществе. Например, пробег в алюминииRAL относительно пробега в воздухе RO можно записать так:
где: ρ – плотность; А – атомный вес. Атомный вес воздуха (28% кислорода и 72% азота) равен 14.4, плотность воздуха 0.0013 г/см3, для алюминия: плотность 2.7 г/см3, А равняется 27. Подставляя эти значения, получаем, что пробег α-частицы в алюминии равен десяткам микрон.
Т.к. масса α-частицы почти на 4 порядка больше массы электрона, то направление движения α-частицы при соударении с электронами практически не меняется.
β-частицы, ввиду малой массы электрона, при соударении сильно отклоняются от первоначального направления, и их траектория представляет ломанную линию. Поэтому полный максимальный пробег частицы по прямой от начала до конца (эффективный пробегRm) гораздо меньше длины траектории по ломанной. Величина массового эффективного пробега моноэнергетических электронов (в г/см2) находят по формулам:
Величина Rm есть массовая толщина такого слоя вещества, необходимая для полного поглощения электронов данной энергии. Однако из-за сложного характера траекторий пробег большинства электронов в веществе гораздо меньше Rm. Для сравнения, пробег β-частицы в воздухе составляет, в зависимости от энергии, от единиц до десятков метров.
Удельная потеря энергии оценивается следующим выражением:
где:Ne – концентрация электронов в веществе; q – заряд частицы; v – скорость движения частицы; A – число Авогадро; δ – плотность вещества; М – атомная масса; Z – заряд ядра.
Ионизирующее действие Ф α-частицы увеличивается по мере приближения их к концу пробега R, т.е. с уменьшением скорости. Зависимость ионизации, вызываемая α-частицей, зависит от длины пробега R0:
где Ф – число пар ионов, образованных на пути между рассматриваемой точкой и концом пробега.
Удельная ионизирующая способность β-частицы примерно на порядок ниже, чем у α-частицы.