Радіоактивність гірських порід

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):

_ZX^A®_Z-2X^A-4+₂He⁴+g.

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

Ізотоп	Тип розпаду	l, рік^-1	Період напіврозпаду, років	Частка від суми ізотопів елементу, %	Стабільні продукти розпаду
¹⁴C	b^	1,209×10^-4		-	¹⁴N
⁴⁰K	b⁺, з.е., b	5,543×10^-10	1,28×10⁹	0,018	⁴⁰Ar, ⁴⁰Ca
⁵⁰V	b⁺, з.е., b	1,16×10^-16	6×10¹⁵	0,24	⁵⁰Cr, ⁵⁰Ti
⁸⁷Rb	b	1,419×10^-11	4,89×10¹⁰	27,85	⁸⁷Sr
¹³⁸La	b⁺, з.е., b	6,3×10^-12	1,1×10¹¹	0,089	¹³⁸Ce, ¹³⁸Ba
¹⁴⁴Nd	a	2,89×10^-16	2,4×10¹⁵	23,85	¹⁴⁰Ce
¹⁴⁷Sm	a	6,54×10^-12	1,06×10¹¹	14,97	¹⁴³Nd
¹⁷⁶Lu	b	1,94×10^-11	3,6×10¹⁰	2,59	¹⁷⁶Hf
¹⁸⁷Re	b	1,64×10^-11	4,23×10¹⁰	62,5	¹⁸⁷Os
²³²Th	a	4,948×10^-11	1,4×10¹⁰		²⁰⁸Pb, ⁴He
²³⁵U	a	9,849×10^-10	7,07×10⁸	0,72	²⁰⁷Pb, ⁴He
²³⁸U	a	1,551×10^-10	4,47×10⁹	99,28	²⁰⁶Pb, ⁴He

Таблиця 8.29 - Одиниці вимірювання радіоактивності і іонізуючих випромінювань

Параметр	Одиниця вимірювання (СІ)	Позасистемні одиниці
Активність нуклідів в радіоактивному джерелі	бекерель (Бк)	Кюрі (1 Ки=3,7·10¹⁰ Бк) еман (1 еман=3,7·10³ м^‑3·с^‑1)
Щільність потоку іонізуючих часток	с^-1·м^-2	-
Інтенсивність випромінювання	Вт/м²	-
Поглинена доза випромінювання	грей (Гр)	Рад (1 рад=10^-2 Гр)
Потужність поглиненої дози випромінювання	Гр/с	рад/с (1 рад/с =10^-2 Гр/с)
Експозиційна доза рентгенівського і g‑випромінювання	Кл/кг	Рентген (1 Р=2,57976·10^‑4 Кл/кг)
Потужність експозиційної дози рентгенівського і g‑випромінювання, ЗР	А/кг	1 Р/с=2,58·10^-4 А/кг 1 мкР/год=7,17·10^‑14 А/кг

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.