8.7 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  - 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 () 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, , пов’язана з різницею енергій ядра рівнянням: h=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):

ZXAZ-2XA-4+2He4+.

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+n¹²C+³H; ³H+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	, рік-1	Період напіврозпаду, років	Частка від суми ізотопів елементу, %	Стабільні продукти розпаду
14C		1,20910-4	5730	-	14N
40K	+, з.е., 	5,54310-10	1,28109	0,018	40Ar, 40Ca
50V	+, з.е., 	1,1610-16	61015	0,24	50Cr, 50Ti
87Rb		1,41910-11	4,891010	27,85	87Sr
138La	+, з.е., 	6,310-12	1,11011	0,089	138Ce, 138Ba
144Nd		2,8910-16	2,41015	23,85	140Ce
147Sm		6,5410-12	1,061011	14,97	143Nd
176Lu		1,9410-11	3,61010	2,59	176Hf
187Re		1,6410-11	4,231010	62,5	187Os
232Th		4,94810-11	1,41010	100	208Pb, 4He
235U		9,84910-10	7,07108	0,72	207Pb, 4He
238U		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 ‑випромінювання	Кл/кг	Рентген (1 Р=2,57976·10‑4 Кл/кг)
Потужність експозиційної дози рентгенівського і ‑випромінювання, ЗР	А/кг	1 Р/с=2,58·10-4 А/кг 1 мкР/год=7,17·10‑14 А/кг