1.7. Радіоактивні властивості природних та штучно створених речовин

Радіоактивність - це природне явище, коли відбувається довільний (спонтанний) розпад нестійких ізотопів хімічних елементів, що супроводжується випромінюванням або захопленням частинок (α-, β-, нейтронів) і виділенням короткохвильового електромагнетного випромінювання (γ-квантів). Загальна властивість цього випромінювання - здатність іонізувати середовище, в якому воно поширюється (повітря, вода, людський організм тощо), що призводить до зміни фізико-хемічних властивостей речовини або порушення життєдіяльності біологічних тканин.

Головні параметри, що характеризують радіоактивність під час екологічних досліджень: період піврозпаду, активність (кількість радіоактивної речовини), доза випромінювання, рівень радіації (потужність дози випромінювання), ступінь забруднення радіоактивними речовинами.

Період піврозпаду - це час, протягом якого розпадається половина атомів досліджуваного радіоактивного елемента (йод ¹³¹J - 8,04 доби, ⁹⁰Sr - 29,12 року, ²³²Th - більше 14 млрд років тощо).

Активність радіоактивної речовини - кількість радіоактивних розпадів ядер атомів за одиницю часу, що в системі СІ вимірюють у беккерелях (1 розпад за секунду), а в системі СГС - кюрі (3,7·10¹⁰ розп./с).

Доза опромінення - це енергія випромінювання, яку поглинає одиниця об’єму або маси речовини за весь час дії випромінювання (фактично характеризує ступінь йонізації речовини).

Є три види доз: експозиційна, поглинута і еквівалентна.

Експозиційна доза (її вимірюють дозиметрами) характерує джерело і радіоактивне поле, яке воно створює. У системі СІ її вимірюють у кулонах на кілограм (Кл/кг), а в позасистемній системі (СГС) - у рентгенах.

Поглинута доза опромінювання - кількість енергії різного типу йонізувального випромінювання, поглинута одиницею маси досліджуваного середовища. Одиниця її вимірювання у системі СІ - джоуль на кілограм (Дж/кг), а в позасистемній - рад.

Еквівалентна доза опромінювання на відміну від дози поглинання враховує нерівномірність ураження біоти від різних видів випромінювання. Позасистемна одиниця цієї дози - бер, а в системі СІ - зіверт (Зв).

Рівень радіації (потужність дози) характеризує потужність випромінювання (зазвичай, гамма-випромінювання). Вона створюється за одиницю часу і характеризує швидкість накопичення дози. Вимірюють її у рентгенах за годину (Р/год).

Ступінь забруднення радіоактивними речовинами характеризує щільність забруднення, яку вимірюють кількістю радіоактивних розпадів атомів, що відбувається за одиницю часу на одиниці поверхні, в одиниці маси чи об’єму, тобто одиницями питомої активності.

Під ядерно-фізичними властивостями гірських порід, зазвичай, розуміють природну радіоактивність гірських порід та особливості взаємодії з ними штучного ядерного опромінювання.

Природна радіоактивність гірських порід зумовлена передусім присутністю в них урану, торію, продуктів їхнього розпаду та радіоактивного калію (⁴⁰К). Інші радіоактивні ізотопи (їхня кількість досягає 180), практично на радіоактивність порід не впливають через їхній незначний вміст.

Проведеними численними дослідженнями виявлено, що:

1. найвища радіоактивність характерна для магматичних порід, найнижча - для осадових, метаморфічні займають проміжне місце;

інтенсивність гамма-випромінювання зменшується від кислих до основних порід (інколи в 2-3 рази), оскільки у магматичних породах радіоактивні елементи концентруються (накопичуються) переважно у кислих компонентах магми (рис.20 );

Рис. 20 Діапазон зміни природної радіоактивності (а) гірських порід і залежність їхньої зведеної природної радіоактивності Δіγ від глинястості (б).

І - вивержені породи: кислі, середні і основні; ІІ - глибоководні глини, глини, аргіліти, алевроліти, мергелі, пісок, ваняки, калійна сіль.

1. головним носієм радіоактивності в осадових породах є пелітові різновиди, що мають здатність у процесі літогенезу адсорбувати радіоактивні елементи і, крім того, містять багаті калієм мінерали, мабуть, тому глибоководні відклади мають у декілька разів більшу радіоактивність порівняно з мілководними (див. рис. 20);

2. безпосередній закономірний зв’язок радіоактивності пісковистих порід дає змогу оцінювати за інтенсивністю гамма-випромінювання їхню проникність;

3. радіоактивність карбонатних порід, зазвичай, менша і змінюється у вужчому діапазоні, ніж це характерно для пісково-глинястих відкладів.

Розпад елементів у геологічному середовищі приводить до утворення радіоактивних газів, так званих еманацій, з яких практичне значення для інженерно-геологічних і екологічних досліджень мають радон і торон. Їхню найбільшу міграційну активність фіксують у геодинамічних зонах зі збільшеною проникністю і напругами.

Властивості, від яких залежить взаємодія гірських порід зі штучним випромінюванням у вигляді гамма-квантів і нейтронів, є утворення електрон-позитронних пар, фотоефект і, що особливо важливо, ефект Комптона, під час якого одному із зовнішніх електронів атома передається частина енергії гамма-кванта. В результаті квант змінює напрям руху (“розсіюється”). Імовірність виникнення ефекту Комптона пропорційна кількості електронів в одиниці об’єму середовища, тобто його щільності. В зв’язку з цим зрозуміло, чому на використанні ефекта Комптона побудовані засоби визначення щільності і відповідно поруватості гірських порід.

Під час опромінювання гірських порід потоком нейтронів головним видом взаємодії є пружне розсіювання, яке практично можна звести до зіткнення нейтрона з ядром, якому передається частина енергії нейтрона. Це явище називають сповільненням, а зміну напряму руху нейтронів після зіткнення - розсіюванням. Під час пружного зіткнення енергія передається від одного тіла до іншого тим більше, чим ближчі їхні маси, через що водень, маса ядра якого дорівнює масі нейтрона, є найефективнішим сповільнювачем. Тому цей метод можна застосовувати для пошуків водонасичених порід, що є головними носіями водню.

Теплові нейтрони, на відміну від нейтронів великих енергій, зіштовхуючись з ядрами атомів, переважно не гублять і не набувають енергії, внаслідок чого відбувається захоплення нейтронів ядром атома елемента з виділенням енергії, зазвичай, у вигляді одного чи декількох гамма-квантів. Найактивніші поглиначі нейтронів - хлор і бор, тому гірські породи і підземні води, що містять у великій кількості згадані елементи, деколи можна виділити за цією особливістю.

Під час інженерно-геофізичних досліджень нейтронні методи використовують для оцінювання поруватості за сповільнювальним ефектом середовища.