книги из ГПНТБ / Баранов, В. И. Радиогеология учебник

loCa).

Для изменения нормального состояния электронных оболочек

них электронными оболочками сопровождаются испусканием кван­ тов электромагнитного излучения. При переходе электронов на внешних оболочках атома испускается свет от инфракрасного до ультрафиолетового, энергия квантов которого порядка единиц элек­ трон-вольт. При переходах на ближайших к ядру оболочках излу­ чаются характеристические лучи Рентгена. При удалении элект­ рона из атома получаются атомы, имеющие положительный электрический заряд, — это явление ионизации. При переходе электронов в пределах, связанных с ядром электронных оболочек, происходит процесс возбуждения атома. Химические реакции воз­ никают при взаимодействии электронов, находящихся на внешних оболочках. При всех указанных процессах атом сохраняет свою химическую индивидуальность, которая полностью определяется местом элемента в периодической системе, или, что то же самое, зарядом ядра.

Превращение элемента возможно только тогда, когда удается изменить величину заряда ядра. До открытия радиоактивности не­ однократные попытки превращения химических элементов были безуспешны, так как применяемые воздействия могли повлиять лишь на электронные оболочки атома и не могли .изменить заряд ядра. Искусственно изменить заряд ядра, а следовательно, осуще­ ствить превращение элементов, можно при помощи частиц, про­ никающих внутрь ядра и вызывающих в нем изменения. Радио­ активные ядра способны изменяться самопроизвольно.

Искусственное превращение ядер может быть экзотермическим и эндотермическим. Естественный радиоактивный распад может быть только экзотермическим, т. е. сопровождаться выделением энергии. Следовательно, энергия радиоактивного ядра до распада должна быть больше энергии ядра после распада. При ядерных превращениях выделяется или поглощается настолько большая энергия, что в энергетическом балансе ядерных реакций суще­ ственное значение имеет изменение массы согласно закону взаимо­ связи массы (т) и энергии (Е): Е = тс1, где с — скорость света.

Неустойчивы те атомные ядра, которые имеют больший запас энергии, чем продукты их возможного превращения. К настоящему времени обнаружены следующие самопроизвольные превращения неустойчивых ядер: а-распад, $~- и р+ -распад, £-захват, спонтан-

10

мое деление. Кроме того, возможен так называемый изомерный переход на более низкий уровень энергии с испусканием у-кванта или «конверсионного электрона» без изменения заряда ядра. Для

частицы. Устойчизыми могут быть атомные ядра только сравни­ тельно узких пределов вариаций массового числа при данном по­

4) электронный захват, при котором ядро захватывает элект­ рон из ближайшей к ядру электронной оболочки.

У всех элементов периодической системы могут существовать неустойчивые радиоактивные изотопы, большинство которых полу­ чается искусственным путем: облучением заряженными частицами высокой энергии, преодолевающими потенциальный барьер ядра, или нейтронами, свободно проникающими благодаря отсутствию электрического заряда внутрь ядра. При бомбардировке атомного ядра какой-либо частицей достаточно высокой энергии ядро в мо­ мент удара может выбросить одну или несколько элементарных частиц. При этом может измениться как заряд, так и масса ядра.

11

Ядро может выйти за пределы устойчивой дорожки и в дальней­ шем претерпеть превращение по указанной выше схеме.

Неустойчивое ядро может иметь массу большую, чем масса двух соседних ядер, тогда ядро может распадаться двумя путями. Примером может служить ядро изотопа калия —4 0 К . Это ядро может самопроизвольно превратиться двумя путями: путем р~-рас-

масса 4 0 Са = 39,9625889; масса 4 0 Аг = 39,9623842.

До открытия искусственной радиоактивности каждый естест­ венный радиоактивный изотоп, занимавший определенное место в ряду распада урана или тория, получал собственное название, на­ пример радиоторий (RaTh), радиоактиннй (RaAc) и т. д. Поэтому был смысл говорить- о радиоактивных элементах как определен­ ных индивидуальных веществах. После получения многих сотен искусственных радиоактивных изотопов им не давали собственных названий, а обозначали общепринятым для изотопов способом. Например, 2°Со или 'бС В связи с этим термин «радиоактивный элемент» потерял в большинстве случаев свой смысл, и целесооб­

в ряде случаев характерными компонентами природных соедине­ ний, то иногда удобнее сохранить для них собственные названия. Например, можно говорить о содержании в водах мезотория, ра­ диотория и тория-Х вместо 2 2 8 Ra, 2 2 8 Th, 2 2 4 Ra, но общее название «радиоактивный элемент» необходимо заменить названием «радио­ активный изотоп».

Иногда считают, что методически неправильно различать изо­ топы стабильные и радиоактивные, так как между ними разница не качественная, а лишь количественная. Это надо понимать та­ ким образом, что неустойчивость — общее свойство атомных ядер, но методы исследования недостаточно чувствительны для обнару­ жения радиоактивности так называемых стабильных изотопов. В свете опытных данных и теории атома разделение изотопов на

ся затрата внешней энергии. Среди радиоактивных изотопов могут быть изотопы с ничтожно малой вероятностью превращений. Их

12

С точки зрения геологии, их радиоактивность не имеет ника­ кого значения, так как за время существования Земли (около 5 млрд. лет) доля превращающихся атомов лежит ниже чувстви­ тельности аналитических методов. Поэтому для радиогеолога ра­ диоактивными являются изотопы, период полураспада которых меньше 101 2 лет.

Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются процессы превращения атом­ ных ядер в результате их взаимодействия с элементарными части­ цами, электромагнитным излучением или другими ядрами.

дукты реакции. Таким образом, в ядерной реакции участвуют по крайней мере четыре частицы (имеются в виду и ядра): ядромишень, бомбардирующая частица, ядро-продукт, частицы, возни­ кающие в результате реакции.

Во всех ядерных реакциях соблюдается закон сохранения суммарного электрического заряда. В обычных ядерных реакциях сохраняется также и общее число нуклонов.

Запись ядерной реакции аналогична записи химической реак­ ции. В качестве примера можно привести первую ядерную реак­ цию, осуществленную Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардиров­ ке азота альфа-частицами. В результате реакции возникали ядра кислорода и протоны: + гНе->- 1н + ^О. Часто пользуются сокращенной записью: 1 4 N(a, р ) 1 7 0 .

площадь поперечного сечения эффективного объема атомного ядра, при попадании в который бомбардирующая частица должна вы­ звать ядерную реакцию. Величины сечений ядерных реакций име­

Для того чтобы реакция произошла, реальная энергия бомбарди­ рующих частиц должна превосходить энергетический порог на ве­ личину кинетической энергии вылетающих частиц и ядра отдачи. Так, энергетический порог реакции 7 Li(p, л) 7 Ве равен 1,6 мэв, а

13

бардирующих частиц на реакции под действием нейтронов, заря­

гиях. Реакции при малых энергиях (примерно до нескольких элек­ трон-вольт) происходят в основном при участии нейтронов. Реак­ ции под действием заряженных частиц в этом случае возникнуть не могут, так как в отличие от нейтронов подобные частицы долж­

Характер продуктов реакции определяется полным количе­ ством энергии, приобретенной ядром, и природой ядра-мишени. Если энергия, полученная ядром при бомбардировке, недостаточна для испускания нуклона, то часть этой энергии (или вся энергия) будет отдана ядром в виде у-излучения. Такие реакции называют­ ся радиационным захватом и часто возникают под действием ней­ тронов малых энергий— (п, у). При средних энергиях могут испу­ скаться нейтроны, протоны, а-частицы, дейтроны, иногда — неко­ торые другие частицы. Испускание нейтронов при сравнительно небольших энергиях реакции — наиболее вероятный процесс, так как для нейтронов не существует кулоновского барьера. Это в осо­ бенности относится к тяжелым ядрам, где барьер наиболее высок. Для легких ядер, кулоновский барьер которых сравнительно мал, возможно также испускание а-частиц и протонов. Другие частицы

При бомбардировке тяжелых ядер нейтронами может проис­ ходить деление ядер. Образуются два ядра-осколка неравной вели­ чины и несколько нейтронов. Как правило, продукты деления яв­ ляются радиоактивными изотопами элементов средней части^таб­

14

§ 2. ЗАКОНЫ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Превращение, или, как его часто называют, распад радиоак­ тивного ядра, подчиняется совершенно определенному закону, согласно которому за произвольно выбранный малый промежу­ ток времени распадается определенная доля наличного количества радиоактивных ядер, что можно выразить математической фор­ мулой

Более наглядной характеристикой скорости распада радиоизотопа служит величина периода полураспада Т—времени, в течение которого распадается половина наличного числа атомов радиоизо­

ся в том, что распад, или превращение отдельного атома, есть явление случайное, подчиняющееся закону теории вероятностей. Радиоактивная постоянная К есть вероятность распада данного изотопа за единицу времени. Отсюда следует, что формула распа­ да является точной только в среднем для большого числа распа­ дающихся атомов, а для отдельного атома теряет свой смысл, так как невозможно предсказать заранее, через сколько времени рас­ падается отдельный атом. Практическое следствие отсюда-—суще­ ствование радиоактивных флуктуации, т. е. колебаний вокруг среднего значения числа атомов, фактически распадающихся за данный промежуток времени.

Из теории вероятностей вытекает, что среднее отклонение при

расчетные формулы для вычисления ошибок измерений за счег статистического характера радиоактивного распада (см. ниже).

15

При радиоактивном распаде, сопровождающемся испусканием •заряженной частицы, меняется заряд ядра, а следовательно, и ме­ сто, занимаемое элементом в периодической системе. «Правила смещения», сформулированные на основании эмпирических данных К. Фаянсом и Ф. Содди, вытекают непосредственно из теории строения атома и могут быть сформулированы следующим обра­ зом:

1. После испускания а-частицы продукт превращения сме­ щается на 2 места влево в периодической системе; массовое число -уменьшается на 4 единицы.

2.При испускании отрицательной (3-частицы продукт превра­ щения смещается на одно место вправо; массовое число не изме­ няется.

3.При испускании положительной |3-частицы продукт превра­ щения смещается на одно место влево.

4. Испускание у _ л У ч е н н е меняет химической природы атома.

§3. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА РАДИОИЗОТОПОВ ПРИ РАСПАДЕ

ИОБРАЗОВАНИИ

•изотопов задача расчета их количеств для какого-либо момента времени при заданных начальных условиях может быть всегда доведена до конца.

Ниже приводятся примеры расчета количества радиоизотопов для наиболее важных случаев, встречающихся на практике. В са­ мом простом случае распада отдельного радиоизотопа можно вос­ пользоваться для расчета непосредственной формулой радиоактив­ ного распада

N = N0e~M.

Любое действие радиоизотопа на вещество изменяется пропор­ ционально изменению количества радиоизотопа. Поэтому форму­ лами, выведенными для числа атомов, можно непосредственно -пользоваться во всех случаях применения данного радиоизотопа.

Законом радиоактивного распада для расчета количества отдельного радиоизотопа можно пользоваться различными спосо­ бами.

16

где N — наличное количество радиоизотопа; t — время; Я — радио­ активная постоянная; Q — скорость образования радиоизотопа (или количество его, образующееся в единицу времени).

Общее решение этого уравнения имеет вид

или

AT = N 0 e - w + — ( 1 — <r-M).

Из уравнения следует, что по мере увеличения промежутка времени t количество радиоактивного изотопа асимптотически

приближается к значению ^00 = — , как это видно на графике

рис. 3.

Если заменить радиоактивную постоянную % на период полу­ распада Т, можно увидеть, что максимальное количество накап­ ливающегося радиоизотопа Nm прямо пропорционально скорости его образования и периоду полураспада:

QT

In 2

Отсюда следует, что невозможно накопить значительное коли­ чество радиоактивных изотопов с малой продолжительностью жиз­ ни при конечной скорости их образования. При атомном взрыве

18