6.1.1. Общие сведения о радиоактивности
6.1.2. Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой
6.1.1. Общие сведения о радиоактивности
Естественная радиоактивность — это самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, спонтанно превращающихся в ядра других элементов, что сопровождается испусканием альфа-, бета-частиц, гамма-квантов и другими процессами. Радиоактивный распад как процесс превращения одних изотопов в другие обусловлен внутренним независимым от внешних условий состоянием атомных ядер. Этот процесс случайный, т. е. событие вылета из ядра частицы, преодолевшей ядерное притяжение, носит вероятностный характер.
Известно более 230 естественных радиоактивных изотопов различных элементов, наываемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами). Радиоактивность тяжелых элементов с порядковым номером в таблице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным превращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными радиоактивными рядами, или семействами тяжелых элементов, являются ряды урана-238, урана-235, тория-232. Перечисленные элементы (их называют материнскими радионуклидами) являются родоначальниками семейств и относятся к долгоживущим: период полураспада (T1/2), т. е. время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, у них составляет 4,5 · 109; 7,13 · 108; 1,39 · 1010 лет соответственно. В состав семейств урана входят такие дочерние радионуклиды, 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 отмечены наибольшие концентрации 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 находятся в горных породах в рассеянном состоянии в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов.
Кроме естественных радиоактивных элементов известно более 1000 искусственных радиоактивных изотопов практически для всех элементов таблицы Менделеева.
Параметрами радиоактивности, характеризующими радионуклид, являются следующие.
1. Атомный номер элемента (Z), равный числу протонов в ядре.
2. Массовое число элемента (А), равное числу нуклонов, т. е. протонов и нейтронов в ядре. Элементы с одинаковыми Z и различными А называются изотопами.
3. Период полураспада, который у разных элементов изменяется в очень широких пределах — от 10–6 с до 1010 лет. Для каждого элемента T1/2 является определенной и постоянной величиной и может служить его диагностическим признаком. В ядерной физике известна следующая формула:
N = N0 e–0,693t/T1/2, (6.1)
устанавливающая связь между первичным начальным числом атомов какого-либо материнского радиоактивного элемента (N0), например, в момент происхождения породы, и числом атомов (NМ) этого же элемента спустя время (t), например, в настоящее время. Между долгоживущими материнским нуклидом с числом атомов (NM) и периодом полураспада (ТM1/2) и числом дочерних элементов (NД) и (ТД1/2) существует радиоактивное равновесие, выражаемое уравнением
NM ТД1/2 = NД ТM1/2, N0 = NM + NД, (6.2)
полученным из соотношений (6.1) и позволяющим определить какой-либо один параметр, если известны три других.
4. Состав естественных излучений: альфа-, бета-, гамма-, нейтронные и другие. Альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц (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, поэтому проникающая способность у них очень мала.
Бета-излучение представляет собой в основном спонтанное испускание потока электронов и позитронов, энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов окружающей среды. В результате они рассеиваются (это приводит к ослаблению их интенсивности) и поглощаются (теряют свою энергию) на длине пути, в 100 раз большей, чем для альфа-излучения.
Гамма-кванты представляют собой в основном поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 1018 Гц). Они также рассеиваются и поглощаются окружающей средой, однако, благодаря своей электрической нейтральности, отличаются более высокой проникающей способностью (сотни метров в воздухе и до метра в горных породах).
К излучениям, широко используемым в ядерной геофизике, относится искусственно создаваемое нейтронное излучение. Оно возникает при ядерных реакциях (например, в смеси полония и бериллия) или создается с помощью управляемых генераторов нейтронов, циклотронов и др. Из всех видов излучений нейтронное обладает наибольшей проникающей способностью. Однако нейтроны замедляются (уменьшается их скорость и энергия) в процессе рассеяния, а затем поглощаются средой, т. е. быстро, за время от микросекунд до миллисекунд, захватываются ядрами атомов. В свою очередь, захват сопровождается мгновенным испусканием гамма-квантов вторичного излучения.
Кроме основных излучений радиоактивный распад может сопровождаться захватом некоторыми ядрами электронов из собственных оболочек атомов (К- и L-захват) с возникновением мягкого и рентгеновского гамма-излучения.
5. Количество, концентрация, доза и мощность дозы гамма-излучения являются важными показателями радиоактивности. Количество и концентрация долгоживущих элементов (U, Th, К-40) в горной породе определяются их массой и процентным содержанием (или эквивалентным содержанием урана). Для относительной характеристики радиоактивности иногда используется единица еU, эквивалентная радиоактивности урановой руды с концентрацией урана, равной 10–5 %. Абсолютной единицей радиоактивности радионуклидов в системе СИ является беккерель (1 Бк = 1 расп./с), или Кюри (Кю = 3,7⋅1010 Бк). Иногда используют внесистемную единицу — Г-экв Ra, т. е. количество вещества, гамма-излучение которого эквивалентно излучению 1 г Ra. Единицей удельной радиоактивности, или концентрации радионуклида, в СИ служит беккерель на единицу массы или объема. За единицу экспозиционной дозы облучения в СИ принят кулон на килограмм (Кл/кг) и внесистемная единица — рентген (1 Р = 2,58 · 10–4 Кл/кг). Мощность дозы, т. е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг), рентген в час, а часто в микрорентгенах в час (1 мкР/ч = 10–12 А/кг).
6. Энергия излучения является очень важной характеристикой радиоактивных излучений. Она равна начальной кинетической энергии частиц и измеряется в миллионах электрон-вольт (МэВ = 106 эВ). Максимальные значения энергии 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).
6.1.2. Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой
При облучении среды потоками ионизированных излучений, созданными радиоактивными источниками, происходят различные физико-химические ядерные процессы.
Альфа- и бета-частицы вызывают в основном ионизацию окружающей среды, т. е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов.
При прохождении гамма-квантов через вещество происходят электромагнитные взаимодействия с электронами и ядрами атомов, сопровождающиеся в основном тремя ядерными процессами:
1) фотоэлектрическим поглощением (фотоэффектом), происходящим при взаимодействии гамма-квантов малых энергий (мягкое гамма-излучение с энергией меньше 0,1 МэВ) с атомами плотного вещества. В результате наблюдается полное поглощение гамма-квантов, из атомов выбиваются электроны, а среда ионизируется. Атом, потерявший электрон, оказывается в возбужденном состоянии и способен заполнять освободившийся уровень одним из электронов внешней оболочки. Это сопровождается испусканием кванта характеристического (рентгеновского) излучения. В целом поглощение гамма-квантов на единице длины пути пробега можно выразить через коэффициет поглощения (μФ), называемый также макроскопическим сечением фотоэффекта;
2) комптоновским взаимодействием (рассеянием) гамма-квантов повышенных энергий (>0,5 МэВ) с атомами легкого вещества. В результате гамма-квант передает часть энергии электрону, отклоняется от своей прямолинейной траектории распространения и происходит так называемое неупругое рассеяние, сопровождающееся поглощением его энергии, которое можно охарактеризовать коэффициентом поглощения (μК), или макроскопическим сечением комптоновского взаимодействия;
3) образованием электронно-позитронных пар при взаимодействии гамма-квантов высоких энергий (>1 МэВ) с полем ядра атома. При этом гамма-квант отдает энергию и поглощается. Коэффициент такого поглощения (μЭ) называется макроскопическим сечением образования пар.
Существуют и другие взаимодействия гамма-квантов (фотонейтронный эффект, рэлеевское рассеяние на связанных электронах атомов и др.). В целом за счет основных эффектов взаимодействия полный линейный коэффициент поглощения гамма-квантов в породе, содержащей и легкие, и тяжелые элементы, на единице пути их прохождения можно описать формулой
μγ = μФ + μК + μЭ. (6.3)
Таким образом, μγ является обобщенным параметром горных пород, характеризующим их способность поглощать узкий пучок гамма-излучения. Он называется также полным макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с веществом.
Нейтронное излучение характеризуется следующими основными взаимодействиями с ядрами элементов окружающей среды.
1. Неупругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах тяжелых элементов, приводящим к их возбуждению. При переходе ядра в основное первоначальное состояние оно излучает гамма-квант.
2. Упругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах легких элементов, приводящим к передаче энергии нейтронов ядрам, а в результате к их замедлению, тем большему, чем меньше массовые числа среды. Замедленные до тепловой энергии нейтроны поглощаются ядрами, т. е. происходит радиационный захват нейтронов. Процесс поглощения сопровождается испусканием гамма-квантов.
Таким образом, быстрые нейтроны вследствие разнообразных взаимодействий с ядрами элементов окружающей среды за короткое время (~10–5 с) рассеиваются, замедляются до тепловых энергий средой, захватываются ядрами этой среды, что сопровождается вторичным гамма-излучением. Количественно происходящие при этом процессы принято описывать полным коэффициентом рассеивания и поглощения (μп) среды, называемым также суммарным макроскопическим нейтронным сечением за счет рассеяния (σр) и поглощения (σп), т. е. μn = σр + σп. Величина, обратная полному сечению, называется средней длиной пробега нейтронов при наличии рассеяния (1/σр) и поглощения (1/σп).