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

Состояние радиоактивного равновесия достигается по истече­

Количество второго радиоизотопа N2 проходит через макси­ мум, а затем убывает, приближаясь асимптотически к 0 (рис. 4).

Если %i меньше Я2, то отношение количеств двух радиоизо­ топов

с течением времени стремится к величине

20

Это пример так называемого подвижного радиоактивного рав­ новесия. В данном случае отношение количеств двух радиоизото­ пов не равно отношению их периодов полураспада, а выражается несколько более сложной формулой, из которой вытекает, что при близких значениях Х\ и %2 отношение числа атомов этих двух изо­ топов может сильно отличаться от их отношения для случая веко­ вого равновесия.

§ 4. ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Определение природы излучений

Излучения, испускаемые радиоактивными веществами, обла­ дают способностью проходить через непрозрачные тела, например через черную бумагу, в которую завернута фотографическая пла­ стинка. Они не отражаются зеркальными поверхностями, не пре­ ломляются в оптических стек­ лах. В этом отношении они по­ добны лучам Рентгена. Но пер­ вые лее наблюдения свойств из­

природе и состоят из трех резко

ей проникающей способности, а именно: альфа-излучение, пол­ ностью поглощаемое нескольки­ ми сантиметрами воздуха или слоем твердых веществ порядка десятых долей миллиметра; бе­ та-излучение, проходящее в воз­ духе несколько метров,' а в твердых телах несколько милли­ метров, и, наконец, гамма-излу­ чение, которое может•проникать через десятки сантиметров твер­ дых тел.

Как показали дальнейшие исследования, принципиальной раз­ ницы в проникающей способности между названными видами излу­ чений не существует. Может наблюдаться гамма-излучение, про­ никающая способность которого меньше, чем у бета-излучения. Таким образом, невозможно установить резкие границы между альфа-, бета- и гамма-излучениями по их проникающей способ­ ности.

Но эти три вида излучения резко различаются по своей при­ роде и заряду: альфа-излучение состоит из положительно заря-

21

женных частиц, бета-излучение — поток отрицательных частиц, а гамма-излучение не несет электрического заряда. Это было об­ наружено по отклонению лучей в магнитном поле (рис. 5).

Альфа-частицы

Наблюдения отклонения альфа (а)-частиц в электрическом и магнитном полях позволили определить их скорость, которая ока­

Как было подтверждено прямым опытом, а-частицы являются яд­ рами атома гелия. В радиоактивных минералах происходит.непре­ рывное накопление гелия, что используется при определении гео­ логического возраста.

Альфа-частицы, имеющие двойной электрический заряд и большую массу, производят энергичное действие па вещество: ионизируют газы, вызывают свечение некоторых веществ, химиче­ ские реакции, выделение тепла, почернение фотоэмульсии и раз­ рушают живые ткани. Альфа-частицы двигаются в газах и других веществах прямолинейно, причем траектории их имеют ограничен­ ную длину, за пределами которой не наблюдается никаких харак­ терных для а-частиц действий и она теряет свою энергию. Путь, который проходит в веществе а-частица до потери энергии, назы­ вается пробегом а-частицы. Наблюдения показали, что все а-ча­ стицы, испускаемые каким-либо одним радиоизотопом, имеют оди­ наковые длины пробега. Это показывает, что при распаде радио­ изотопа а-частицы выбрасываются с одинаковой энергией, харак­ терной для данного изотопа. Величина пробега а-частицы обратно пропорциональна плотности газа и составляет в воздухе для раз­ личных радиоизотопов примерно от 1 до 10 см. Величина пробега а-частиц определяется путем изменения расстояния от источника излучения до прибора, обнаруживающего их действие, например до поверхности, покрытой слоем кристаллического сернистого цин­ ка, на котором при ударе а-частиц возникают вспышки (сцинтил­ ляции). Когда расстояние между источником излучения и экраном достигает величины пробега а-частиц, сцинтилляции прекраща­ ются.

Величина пробега а-частиц может быть определена в приборе, позволяющем наблюдать ионизирующее действие а-частиц на раз­ ном расстоянии от их источника. Такой метод был применен «• английским физиком У. Брэггом, который пользовался плоской ионизационной камерой, вырезающей на траектории а-частиц ко­ роткий отрезок.

Наблюдения Брэгга показали, что ионизирующее действие а-частиц изменяется с расстоянием от источника, постепенно уве­ личиваясь к концу пробега, где оно резко обрывается (рис. 6).

22

длиннопробежные а-частицы, относительное число которых очень мало. Появление длиннопробежных а-частиц также объясняется существованием высоких уровней энергии атомного ядра. При ра­

изотоп обладает малым периодом полураспада, то он может излу­ чить а-частицы за время пребывания в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения может быть передана а-частице. Таким образом, образуются длиннопробежные а-частицы, которые на­

пропорциональна длине пробега в степени 2/3. Эта зависимость достаточно точно подтверждается опытом и ею пользуются для вычисления ионизирующего действия а-частиц.

23

Полная ионизация, производимая а-частицей, выражается числом пар ионов, которое равняется K = KQR/3, где Ко = 6,25• 104 . Например, для а-частицы радия С , длина пробега в воздухе кото­ рой равняется 6,7 см., число образуемых ионов равно 2,2-105 для каждого знака.

Бета-частицы

Изучение бета (Р) -частиц показало, что они обладают прони­ кающей способностью, в десятки раз большей, чем а-частицы. По своей природе они представляют поток отрицательных электронов. Превращение элементов, сопровождающееся испусканием р-час'тиц, указывает, что частицы испускаются ядрами атомов.

Согласно квантовым представлениям следовало бы ожидать,

ного спектра р-излучения Паули высказал гипотезу, согласно ко­ торой испускание ядром р-частицы сопровождается вылетом вто­

кон постоянства энергии распада каждого типа ядра. В данном случае характерная для ядра энергия превращения равняется максимальной энергии спектра р-излучения, когда вся энергия распада передается р-частице, а энергия нейтрино равна 0. Мак­ симальная энергия естественных р-излучателей находится в пре­

24

Бета-частицы, имеющие отрицательный заряд, при прохожде­ нии через вещество, так же как и а-частицы, испытывают непо­ средственное взаимодействие с электронами благодаря электриче­ ским силам. Так как масса р-частицы равна массе электрона, то-

значительный угол. Поэтому при прохождении р-частиц через ве­ щество кроме потери энергии наблюдается их рассеяние.

взаимодействие как с электронными оболочками, так и с атомны­ ми ядрами. Эффективное сечение для рассеяния электронов ядром пропорционально Z2 , а для рассеяния атомными электронами про­ порционально Z. Для водорода рассеяние на ядре и на электронепрактически одинаково, а для тяжелых элементов рассеяние пре­ имущественно ядерное. В золоте на электроны приходится 1% рассеяния.

Бета-частицы большой энергии могут терять значительную ее долю на тормозное излучение. Потеря энергии на излучение про­ порциональна кинетической энергии электрона и Z2 . Этот процесс имеет практическое значение при оценке вредного действия жест­ кого р-излучения. В частности, в качестве материала для защит­ ных экранов используют обычно вещество с малыми атомными номерами, в которых тормозное излучение минимально (органи­ ческое стекло, алюминий и др.).

Полная длина пути р-частицы в 1,5—4 раза больше толщины слоя полного поглощения поглотителя. Наблюдения поглощения естественного р-излучения показали, что интенсивность излучения при прохождении через слой вещества уменьшается с хорошим

На практике часто пользуются приближенной формулой по­ глощения:

где i?M a K c — максимальная проникающая способность (пробег). Действие р-излучения на вещество пропорционально поглощен­

ной энергии. Так же как и для а-частиц, первичное действие р-ча­ стиц заключается в ионизации и возбуждении электронных обо-

25

лочек. В результате могут возникнуть химические реакции, свече­ ние, тепловой эффект и т. п.

Гамма-излучение

По своей природе гамма (-у)-излучение совершенно отлично от а- и р-излучения. Оно подобно лучам света не испытывает от­ клонения в электрическом и магнитном поле, а также отражения

ипреломления в обычных оптических приборах. Этим оно напо­ минает рентгеновские лучи. Тождественность природы у-излучения

ирентгеновских лучей была установлена Э. Резерфордом, обна­ ружившим явление дифракции излучения в кристаллической ре­ шетке.

Гамма-излучение обладает высокой проникающей способно­ стью и распространяется прямолинейно.

В настоящее время доказано, что у-излучение представляет собой электромагнитное излучение, искускаемое атомными ядрами.

Радиоактивный распад может сопровождаться также электро­ магнитными излучениями, возникающими в электронных оболочках атома. Такие излучения правильнее называть рентгеновскими лучами.

Упомянутые выше опыты Резерфорда показали, что у-излуче- ние состоит из монохроматических групп. Эти группы у-квантов испускаются при возбуждении, возникающем в ядре, когда из него выбрасываются электрон или а-частица. И при других ядерных реакциях также возможно возникновение возбужденного ядра, ко­ торое приходит в нормальное устойчивое состояние посредством испускания у-кванта обычно в течение очень короткого промежут­ ка времени ( ~ 1 0 _ и сек). Иногда возбужденное ядро может суще­ ствовать более длительное время, переходя в нормальное состоя­ ние по закону радиоактивного распада. Это так называемый изо­ мерный переход.

Примером ядерной изомерии может служить пара природных

изомеров UX2 и UZ — изотопов протактиния ("эТРа, тРа"). Они отличаются друг от друга скоростью распада и энергией излуче­ ния (см. приложение 6).

Среди искусственных радиоактивных изотопов также имеют­ ся случаи изомерного перехода, например з1Вг, п с 'периодом полу-

распада 18 мин и ЗоВг с периодом полураспада 4,4 час и~-др. Испускаемая при распаде а-частица может часть своей энер­

гии передать ядру, которое будет находиться на возбужденном уровне. Энергия возбуждения излучается в виде у-кванта после рас­ пада ядра.

Тонкая структура а-частиц объясняется существованием в ядре различных возможных уровней энергии, переход между кото­ рыми сопровождается испусканием у-квантов соответствующей энергии. В качестве примера можно привести разности энергий

26

Как и всякое электромагнитное излучение, -у-лучц испускают­ ся и распространяются в виде отдельных квантов, прямолинейно, со скоростью света. Их энергия выражается произведением hv, где h — постоянная Планка, v — частота соответствующего колеба­ ния, обратно пропорциональная длине волны: v = — , где с — скорость света, X — длина волны.

Падающий фотон

Энергетический спектр у-излучения является характерной осо­ бенностью каждого изотопа, так же как спектры а- и (3-излучений.

Энергия у-квантов, испускаемых естественными радиоактив­ ными изотопами, находится в пределах от С,05 до 3 мэв. Между

27

длиной волны у-квантов Я и энергией Е существует зависимость

Отсюда мы видим, что длина волны •у-излучений радиоактив­ ных элементов гораздо больше размеров атомного ядра или элек­ трона, которые составляют около Ю - 1 3 — Ю - 1 2 см. В качестве при­ мера на рис. 8 показан спектральный состав •у-излучения продук­ тов распада Ra.

В некоторых случаях при радиоактивных превращениях возни­

прохождении -у-лучей малой энергии через вещество с большим массовым числом (например, свинец) и характеризуется коэф­

наблюдается при прохождении у-лучей более высокой энергии че­ рез вещества с малым массовым числом (воздух, вода, силикатные породы) и характеризуется коэффициентом а.

B. Если энергия падающего кванта выше определенного зна­

учитывается коэффициентом %. При прохождении -у-лучей через вещества их интенсивность убывает по показательному закону:

28

В отличие от заряжённых частиц, имеющих в веществе огра­ ниченную дальность распространения (пробег), дальность действия у-излучения практически определяется интенсивностью первичного пучка и чувствительностью аппаратуры. Так, толщина защитного слоя при работе с у-излучением зависит от его интенсивности.

Действие у-излучения определяется в основном вторичными электронами, возникающими в процессе вторичного поглощения и рассеяния, так как действие вторичных электронов в несколько раз превышает действие самого у-кванта. При умеренной толщине поглощающего слоя большая часть у-квантов проходит через него, не испытывая взаимодействия.

§ 5. ЕДИНИЦЫ РАДИОАКТИВНОСТИ

Количество долгоживущих радиоактивных изотопов измеряет­ ся в единицах массы (в граммах, миллиграммах и т. д.).

Универсальная единица для измерения радиоактивных изото­ пов — кюри. Кюри — такая активность любого радиоактивного изо­ топа, в котором в одну секунду распадается 3,7- Ю1 0 атомных ядер. Это число распадов близко к числу распадов в секунду, происхо­ дящих в 1 г радия. Обозначается кюри, иногда С.

Производные единицы кюри:

Концентрация любого радиоактивного изотопа в веществе вы­ ражается в единицах кюри или ее производных на единицу объема

29