книги из ГПНТБ / Баранов, В. И. Радиогеология учебник
.pdfного равновесия |
в ряду урана, |
которое 'приближенно равно |
1,5— |
2 млн. лет. Семейство заканчивается стабильным изотопом |
свин |
||
ца 2 < № РЬ. |
|
|
|
Основными |
а-излучателями |
семейства урана являются |
2 3 8 U , |
2 3 4 U ) 23oT h(i0 ), 226Ra, 2 2 2 Rn, 2 I 8 Po(RaA), 2 "Po(RaC), 2 1 0 Po. Они до вольно равномерно распределены по всему семейству.
Энергии сс-частиц приведены в приложении 6.
Основные (3-излучатели семейства: 2 3 4 T h ( U X i ) , 2 3 4 Pa(UXo), 2 » P b ( R a B ) , 2 1 4 Bi(RaC), 2 1 0 Pb(RaD) и 2 1 0 Bi(RaE). UX, и RaD об ладают |3-излучением сравнительно малой энергии и обычно реги стрируются по их короткоживущим продуктам распада UXo и RaE. 'Основными у-излучателями ряда урана являются RaB, RaC и RaC — продукты распада радона. На их долю приходится 98% всего у-излучения семейства. Сдвиг радиоактивного равновесия между ураном и радоном может привести к несоответствию интен
сивности у-излучения и концентрации урана.
Ряд тория (go2Th)
В семействе тория, за исключением самого 2 3 2 Th, нет долгоживущнх изотопов. Некоторый интерес для радиогеологии представ ляет только первая половина семейства, члены которой приведе ны в табл. 4.
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 4 |
|
|
|
|
Члены ряда тория |
|
|
|
||
Индекс |
Старое |
Название |
|
Тип |
Период |
|||
обозначение |
|
распада |
полураспада |
|||||
2 3 2 т , |
|
Th |
торий |
|
а |
14 млрд. лет |
||
|
|
|
|
|||||
228 |
T |
h |
RaTh |
радиоторн ii |
|
а |
1,9 |
лет |
|
|
|
|
|||||
88 |
^ |
а |
MsThI |
мезоторпй |
I |
Р |
6,7 |
лет |
224 |
n |
|
ThX |
торnil X |
|
а |
3,64 |
дня |
8 8 |
К а |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
2 2 8 А с |
|
MsThll |
мезоторпй |
II |
Р |
6,13 |
час |
|
2 > |
|
|
Tn |
торон |
|
а |
55,0 |
сек |
Самый долгоживущий продукт распада тория — мезоторий I . Его период полураспада равен 6,7 года. Следовательно, радиоак
тивное равновесие |
в ряду тория |
наступает |
практически |
через |
||||
50 |
лет. Ряд тория |
заканчивается |
стабильным изотопом |
свинца |
||||
208 |
р Ь |
|
|
|
|
|
|
|
|
Основные |
а-излучатели |
ряда тория: |
2 3 2 Th, |
2 2 S Th(RaTh), |
|||
2 2 4 Ra (ThX), 2 2 0 Rn (Tn), 2 1 6 Po (ThA), 2 ! 2 Po (ThC) |
и 2 1 2 B i |
(ThC). |
|
|||||
|
ThC обладает наибольшей энергией а-излучения среди пред |
|||||||
ставителей трех |
природных |
радиоактивных |
семейств. Основные |
|||||
71
Р-излучатели: 2 2 8 Ra (MsThI), 2 2 8 Ac(MsThII), 2 I 2 Pb(ThB), 2 I 2 Bi(ThC),
2 0 8 Tl(ThC") .
Мезоторнй I (2 2 8 Ra) излучает р-частицы малой энергии. Его обычно измеряют по жесткому р-излучению мезоторня I I (2 2 8 Ас).
Основные у-излучатели: MsThll, RaTh, ThB, ThC, ThC". ThC" обладает наиболее высокой энергией у-квантов среди всех природ ных у-излучателей.
Все а-, Р- и у-излучатели довольно |
равномерно распределены |
в семействе тория. |
|
|
235 |
Ряд актиноурана (92 U) |
|
Родоначальник ряда — 2 3 5 U имеет |
самый маленький период |
полураспада среди самостоятельно существующих долгоживущих
изотопов. За время существования химических элементов 2 |
3 5 U рас |
||||
падался значительно быстрее 2 |
3 8 U и к настоящему времени его оста |
||||
лось в 138 раз меньше, чем 2 |
3 S |
U . В связи с этим и распространен |
|||
ность его продуктов распада |
очень невелика. Интерес представля |
||||
ет прежде |
всего сам 2 3 5 U |
благодаря своей способности |
делиться |
||
под действием медленных |
нейтронов. |
|
|||
В радиогеологии используют наиболее долгоживущий предста |
|||||
витель ряда |
актиноурана |
— протактиний-231. Его период |
полурас |
||
пада равен |
34 тыс. лет и определяет время установления |
равнове |
|||
сия в ряду — порядка 200 тыс. лет.
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
5 |
|
|
Члены ряда актиноурана |
|
|
|
||
Индекс |
Старое |
Название |
Тип |
Период |
|
|
обозначение |
распада |
полураспада |
|
|||
235 и |
AcU |
актиноуран |
а |
713 млн. лет |
||
9 2 и |
||||||
1 1 * |
Ра |
протактиний |
а |
325 |
тыс. лет |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 > |
Ас |
актинии |
Р |
21,6 лет |
|
|
|
RaAc |
радиоактиний |
а |
18,2 дня |
|
|
з |
АсХ |
актиний X |
а |
11,4 дня |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 > |
An |
актинон |
а |
4,0 сек |
|
|
В табл. 5 приведены наиболее важные представители этого |
||||||
ряда. Он заканчивается стабильным изотопом |
свинца |
2 0 7 Р Ь . |
||||
В ряду 8 основных |
а-излучателей |
( 2 3 5 U , 2 3 1 Р а , |
2 2 7 Th, 2 2 3 Ra, |
|||
2 1 9 Rn, 2 | 5 Р о , 2 I 1 Po, 2 1 1 B i ) и 4 р-излучателя |
(2 3 ! Th, |
2 2 7 Ас, 2 1 1 Pb, |
2 0 7 Т1). |
|||
Альфа-активность актиниевого ряда |
составляет не более 5%' |
|||||
от а-активности |
ряда урана. |
|
|
|
|
|
72
Вымершие члены естественных радиоактивных рядов
Искусственное получение радиоактивных изотопов привело к открытию новых элементов и изотопов и позволило в пределах со временных знаний реконструировать вымерших предшественников существующих в природе семейств.
Найдено, что эйнштейний-254 испытывает р-распад и четыре последующих а-распада, превращаясь в 2 3 8 U :
|
"EEs Л № |
i |
A 2 9 I ° c f - |
Sfcm:-S |
i f p u |
д | ? и - > |
|
||||
Периоды полураспада |
«предков» меньше |
105 |
лет, поэтому |
они не |
|||||||
сохранились до наших дней. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Интересно, что |
в |
природе |
обнаружены |
следы |
2 4 4 Р и |
(7"1 /2 = |
|||||
= 7,6-107 лет). Считают, что 2 4 4 Р и — остаток |
начального |
вымер- |
|||||||||
|
|
|
|
256 т-. |
|
256 ( п , " |
252 Г ! |
« 248 П |
т |
« 244 |
« |
шего звена ряда тория: |
99 Es—*-i0o Fm—*" 98 Ci - > 9 6 |
Cm - > 9 4 Ри—*• |
|||||||||
240Г Т |
Р 2 4 0 м „ В 240D | |
« |
236г т « |
232т , |
|
|
|
|
|
||
92 U |
93 Мр - * 94 PU |
|
92 U |
go 1П ->•. |
|
|
|
|
|
||
Все члены этого участка ряда имеют периоды |
|
полураспада |
|||||||||
меньше 10s лет. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Считают, |
что искусственно |
полученные изотопы |
2 |
3 9 U , 2 3 9 Np и |
||||||
2 3 9 Pu |
являются |
предшественниками 2 3 5 U . Сравнительно |
быстрый их |
||||||||
распад привел к тому, что в природе были обнаружены лишь нич тожные следы этих изотопов. Схема начального звена ряда распа да актиноурана имеет следующий вид:
2 3 9 г i А 2 3 9 м „ A 2 3 9 D>, А 2 3 5 т т
92 U -> 93 ГМр 94 PU —> 92 U-»
В результате искусственных ядерных реакций было получено несколько побочных рядов распада, сливающихся с главными се
мействами. Главное и побочное семейства |
имеют разных родона |
||||||||
чальников, |
но |
совпадают, |
начиная с некоторого общего члена. |
||||||
Примеры таких побочных рядов приведены ниже. |
|||||||||
|
|
|
|
|
1. Ряд |
урана: |
|
|
|
230т, |
Р^ 230т т " |
226™ |
<* 222п |
" 2 1 8 п „ |
|
" 2 1 4 п „ / Г ) „ Г " \ |
|||
9iTa -» |
92 U - * 90 Th -> 88 Ra -» |
se Rn -» 84 Po (RaC ) ->- |
|||||||
|
226n |
°L 222 л A |
2UU-. « |
214Л |
. « |
210D • / п „ т - . ч |
|||
|
9i Pa -> |
89 Ac |
87 Fr |
85 At -» 8 3 |
Bi (Rab) -> |
||||
|
|
|
|
|
2. Ряд тория: |
|
|
||
2 |
9 f P a - |
i|4 Ac Д |
!2 7 °Fr Д |
I^6 At - |
2 8 3 |
2 Bi (ThC) - |
|||
2 9 3 42 Pu- |
f u 4 |
°#Th-> f 8 0 Ra - |
t ? R n - ua Po(ThC')->. ' |
||||||
Аналогичные побочные ряды существуют для семейства акти ноурана и нептуния. Таким образом, можно предположить, что все эти искусственно образованные изотопы являются «предками» су ществующих в природе семейств.
73
§ 3. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ - ПРОДУКТЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ
Ядерные реакции в атмосфере
Основным источником бомбардирующих частиц, способных вы зывать ядерные реакции в атмосфере, является космическое из лучение галактического и солнечного происхождения. Галактиче
ское излучение обладает наибольшей энергией (102—105 мэв) |
и |
|||
состоит из 84% |
протонов, 14% а-частиц и |
~ 2 % более |
тяжелых |
|
ядер (до Ni включительно). Интенсивность |
солнечного |
излучения |
||
на два порядка |
выше, но энергия частиц не превышает |
500 |
мэв. |
|
Его состав может меняться от вопышки к вспышке и в среднем
представлен на 70% протонами, на 29% |
— |
а-частицами |
и ~ 1 % |
более тяжелых ядер. |
|
|
|
На внешней границе атмосферы плотность потока |
космиче |
||
ских частиц составляет около 1 частицы |
на |
1 см2 в секунду. Кос |
|
мические частицы, благодаря своей высокой энергии, эффективно взаимодействуют с ядрами атомов элементов, входящих в состав атмосферы. Протоны сверхвысоких энергий вызывают реакции рас щепления ядер, в результате чего возникает большое количество разнообразных ядер-осколков, нейтроны, мезоиы, у-фотоны. Про
тоны |
меньших энергий взаимодействуют |
по |
реакциям |
(р, |
хруп) |
||||||||
или |
(рп). |
Все эти реакции |
приводят к появлению в атмосфере ней |
||||||||||
тронного потока, плотность которого 4,3 |
|
нейтр/см2-сек. |
|
|
|
||||||||
Ядерные реакции с участием |
нейтронов вносят основной |
вклад |
|||||||||||
в создание радиоактивных |
изотопов |
в |
атмосфере. |
64% |
нейтронов |
||||||||
взаимодействуют с азотом |
по реакции |
(п, р) |
с образованием |
ра |
|||||||||
диоактивного |
изотопа углерода И С . |
19% |
нейтронов участвуют |
в |
|||||||||
реакциях |
N(n, у), N(/i, а) |
и О (я, |
а). |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
В табл. |
6 приведены |
основные |
сведения |
о |
радиоактивных |
|||||||
изотопах, образующихся в атмосфере, и наиболее вероятные ре акции их образования.
Ядерные реакции в литосфере
Ядерные реакции в литосфере могут возникать под действием •а-частиц, у-фотонов и нейтронов. Энергия (3-частиц, возникающих при естественном (3-распаде, недостаточна, чтобы вызвать ядерные реакции.
А, Р1сточником 7-лучей в литосфере являются естественные радиоактивные элементы. Энергия природных у-лучей не превы шает 3 мэв, что значительно меньше энергии связи нуклонов в ядре для большинства элементов. В связи с этим в природе под действием -у-излучения могут протекать реакции типа (у, п) только на дейтерии и бериллии:
?Н + /у->-}Н + я,
4 Ве - f у -> ®Ве + п.
74
Т а б л и ц а 6
Радиоактивные изотопы, образующиеся во Вселенной (по А. К- Лаврухиной, Г. М. Колесову, 1965)
|
|
|
|
|
|
|
Скорость |
образования, |
|
|
|
Наиболее вероятные реакции |
Сечение |
am/см'1- сек |
|||
Изотоп |
|
|
|
|
||||
|
|
образования |
образова |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
ния, мбарн рассчитан |
найденная |
|
|
|
|
|
|
|
|
ная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
з Н |
12,25 |
года |
"N(/z, |
3 H ) i 2 C |
п ч - 2 |
:'о, 11—0,3 0,12—0,2 |
||
|
|
|
1 0 О ( р , 3 H ) 1 4 N |
30 |
I — |
|
||
'Be |
53,6 |
дней |
1 4 N(n, |
3p5/z)7Be |
10,9+0,8 |
0.,1 |
0,031 |
|
|
|
|
1 4 N(p, |
4р4я)7 Ве |
0,01 |
0,019 |
||
|
|
|
1 В 0 ( р , |
5р5/г)7 3е |
105+0,7 |
0,075 |
|
|
"Be |
2,5• 10е лет |
1 4 N(p, |
4р/г)1 0 Ве |
— |
0,084 |
— |
||
|
|
|
1 0 О ( р , 5p2n)i°Be |
|
|
|
||
«С |
5,76-Ю3 лет |
"N(/i, |
р)иС |
1700 |
2,0+0,5 |
|
||
|
|
|
" 0 ( р , |
Зр) "С |
9 2 |
|
— |
|
2 2 Na |
2,58 |
года |
расщепление 4 0 Аг |
2,01 |
— |
— |
||
32S i |
710 лет |
|
то же |
2,95 |
— |
0,0002 |
||
32р |
14,2 дня |
|
» |
|
21,54 |
0,00060 |
— |
|
ззр |
24,4 дня |
|
» |
|
15,03 |
0,00055 |
— |
|
35S |
87 дней |
|
» |
|
25,1 |
0,00105 |
— ' |
|
зоС 1 |
ЗЛО6 |
лет |
*°Аг(р, |
Д 2рЗл)з в С1 |
44,3 |
— |
|
|
зоС 1 |
60 мин |
4 0 А г ( р , |
2р)мС1 |
2,83 |
— |
— |
||
|
|
|
4 0 Ar(|j,, |
я)3 9 С1 |
|
|
|
|
3 7 Аг |
32 дня |
4 0 А г ( р , |
рЗ«) 3 7 Аг |
32,8 |
— |
|
||
4 1 Аг |
110 мин |
4 0 А г ( я , |
Y ) 4 *Ar |
— |
— |
— |
||
85К г |
10,3 |
года |
8 4 K r ( ; i , |
у ) 8 5 К г |
— |
— |
— |
|
75
В результате фотоядерной реакции на дейтерии образуется обычный водород и нейтрон. По реакции на бериллии возникает неустойчивый изотоп бериллия 8 Ве и нейтрон. Бериллий-8 почти мгновенно ( T i / 2 = 1 0 - 1 5 сек) распадается на две а-частицы:
SBe-»-2 2He.
Таким образом, обе реакции являются природным источником ней тронов, а вторая, кроме того, — источником а-частиц.
Б. Под действием природных а-частиц могут протекать реак ции типа (а, п) и (а, р) на ядрах, более легких, чем ядра калия (Li, Be, В, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, С, S, CI).
Наиболее интенсивна эта реакция на бериллии: fee + *Не -> fC + п.
Реакция является важнейшим источником нейтронов. Радиоактив ные минералы, содержащие ничтожную примесь бериллия, такие, как чевкинит, ортит, цнртолит, оранжит, ниоботанталаты, могут представлять собой естественные нейтронные источники.
В |
качестве |
примера |
образования |
радиоактивного |
изотопа |
|||||
можно |
привести |
реакцию |
17 CI (а, |
п) |
19К. |
В |
результате |
реакции |
||
образуется |
радиоактивный |
изотоп |
калия |
— |
19К, который |
путем |
||||
Р-распада |
превращается в 3 8 Аг с периодом |
полураспада 7,65 |
мин. |
|||||||
В. Важнейшей группой ядерных реакций, протекающих в ли тосфере, являются реакции, возникающие под действием нейтро
нов. Источниками нейтронов в литосфере |
служат реакции типа |
(а, п), (у, п), спонтанное деление урана, |
космические нейтроны. |
Основной источник нейтронов — реакции |
типа (а, п). Они дают |
более 80% нейтронов, встречаемых в земном |
веществе. |
Количество нейтронов, образующееся в том или ином мине рале, зависит от его химического состава и присутствия радио активных элементов. Химические элементы различаются по величи не сечения реакции (а, п). Так, на каждый миллион а-частиц, ис пускаемых изотопами ряда урана, в бериллии образуется 91 нейт рон, а в кремнии — 0,26 нейтрона. В общей сумме земного веще
ства — : — общего числа |
нейтронов |
образуется |
за счет |
самых |
|||
5 |
3 |
|
|
|
|
|
|
распространенных легких элементов: Al, Si, О. |
|
|
|||||
В |
различных |
породах |
величина |
нейтронного |
потока |
различ |
|
на. Так, измерения показали, что в сланцах |
и мраморах она равна |
||||||
5 нейтр/сут-см2, в гранитах |
рапакиви |
— 13 нейтр/сут-см2, |
в поро |
||||
дах бериллиевого |
месторождения — |
1500 |
нейтр/сут-см2. |
|
|||
Вторым по величине вклада источником нейтронов в породах является спонтанное деление тяжелых ядер. Оно составляет около 15% общего количества нейтронов. В урановых минералах более половины нейтронов (до 90%) обязано своим (происхождением спонтанному делению. На одно деление в среднем приходится около двух нейтронов (~'2,6). Подавляющее число актов спон-
76
тайного |
деления |
приходится на 2 3 |
8 U , так как |
его полупериод |
спон |
||||||
танного |
деления |
значительно |
меньше, чем |
у |
2 3 2 T h |
и 2 3 |
5 U : |
для |
|||
2 3 2 Т1т>10 2 2 |
лет, |
для |
2 3 5 U |
— |
1,8-Ю1 7 , для |
2 3 8 U |
— 5,9-1015 ^- |
||||
+1,3-101 6 лет (Шуколюков, 1970). |
|
|
|
|
|
||||||
Характер |
ядерных |
реакций, |
вызываемых |
|
нейтроном, |
зависит |
|||||
от их энергии. В породах обнаружены как быстрые, так и медлен
ные нейтроны. Так, в шахтах редкометального оруденения |
Цент |
|||||||
рального Казахстана |
поток |
быстрых |
нейтронов |
был |
равен |
|||
14 |
нейтр/сут-см2, |
а поток медленных нейтронов — |
11 |
нейтр/суту^ |
||||
Хсм2. |
|
|
|
|
|
(а, п) |
|
|
п), |
Нейтроны, |
образованные в |
породах |
по реакциям |
и (у, |
|||
обладают сравнительно небольшой энергией. Основным |
видом |
|||||||
их взаимодействия с ядрами элементов |
являются |
реакции |
типа |
|||||
(п, |
у). Такие реакции характерны для ядер, обладающих большим |
|||||||
эффективным сечением |
реакции |
(Cd, В, |
С1,.Мп, |
редкоземельные |
||||
элементы и т. д.). Таблица эффективных сечений приведена в
приложении 2. Для |
некоторых легких элементов (Li, В) происхо |
дит реакция типа (п, |
а ) : |
|
§Ы + я - * . » Н + а . |
Так образуется тритий в лепидолитах. Скорость образования три
тия в литосфере — 10—3 |
UT/CAI2-сек. |
Другим примером может слу |
||||||||
жить реакция 1 0 В (п, a) 7 L i . |
|
|
|
|
|
|
||||
Все подобные |
реакции являются |
дополнительным |
источником |
|||||||
а-излучения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Помимо этого тепловые нейтроны способны вызывать деление |
||||||||||
ядер 2 3 5 |
U . При делении освобождаются |
дополнительные |
нейтроны, |
|||||||
вклад которых в общий нейтронный поток на урановых |
|
месторож |
||||||||
дениях может иногда достигать |
50%. |
|
|
|
|
|
||||
Быстрые нейтроны имеют космическое происхождение или воз |
||||||||||
никают при делении тяжелых ядер. Они могут вступать |
|
в реакции |
||||||||
с тяжелыми ядрами. За счет таких реакций объясняют |
|
появление |
||||||||
2зэри и |
231т/п в |
соответствующих урановых и торцевых |
минералах. |
|||||||
Реакции имеют следующий |
характер: |
|
|
|
||||||
|
|
238TJ _|_ п |
239TJ Л |
239 Щ Д, |
2 3 9 р ц |
Д 23Б JJ^ |
|
|
||
|
|
|
2 3 2 Th + n-+*31Th |
|
+ 2п'. |
|
|
|||
Таким |
образом, |
непосредственным |
продуктом |
реакции |
||||||
2 3 8 Щ/г, |
y ) 2 3 9 U |
является 2 3 9 U , который |
превращается в 2 3 9 Р и после |
|||||||
нескольких актов |
распада. |
|
|
|
|
|
|
|||
В |
результате |
спонтанного |
деления |
2 3 5 U |
в породах |
|
накаплива |
|||
ются радиоактивные осколки деления, наиболее долгоживущие из которых приведены в табл. 7. Их количество очень мало. Так, за время существования земной коры накопление осколочного 8 7 Rb практически не изменило его распространенности. Стронций-87, накопившийся из осколочного рубидия, составил всего одну трех-
77
|
|
|
Т а б л и ц а 7 |
|
Некоторые долгоживущие активные продукты деления |
2 3 8 U |
|||
|
(по Ю. А. Шуколюкову, 1970) |
|
||
|
|
|
Равновесное число |
|
Ядро |
T,, , годы |
Тип |
атомов, образовавшееся |
Продукт |
/е' |
распада |
в течение года в 1 т |
распада |
|
|
|
|
вещества земноп коры, |
|
">Se |
6,5-10* |
|
34,6 |
">Вг |
"Кг |
2,1 'Ш5 |
к |
414 |
85В г |
85К г |
10,27 |
з- |
0,044 |
MRb |
8 7 Rb |
6,2- 10го |
з- |
108 (не равновесное) |
8 'Sr |
9 0 Sr |
27,7 |
3- |
2,27 |
eoy |
9 3 Z r |
9,5-Ю5 |
з- |
83 000 |
»3 Nb |
"Тс |
2,12-10s |
з- |
18 000 |
»°Ru |
io7 pd |
5-10° |
з- |
14 400 |
107A g |
129J |
27 |
з- |
0,009 |
1 2 5 T e |
1,72-Ю7 |
з- |
222 000 |
1 2 °Xe |
|
135Cs |
1,1-10° |
з- |
193 000 |
« 6 B a |
137CS- |
30,0 |
з- |
2,69 |
iS 7 Ba |
"iSm |
93 ' |
з- |
0,60 |
|
миллиардную долю от стронция, образовавшегося при распаде первичного рубидия-87. Лишь в урановых минералах количество 8 7 Sr, образовавшееся за счет деления, превышает количество, на копившееся за счет (3-распада 8 7 Rb, присутствующего в этих ми нералах. Каждая из 70 радиоактивных цепочек, возникающих при делении, оканчивается стабильным изотопом. Концентрация обра зовавшихся таким путем изотопов на 5—9 порядков ниже концент рации этих же изотопов, входящих в состав земного вещества с мо мента его формирования. Исключение составляют изотопы крип тона и ксенона, количество которых, возникающее в результате спонтанного деления, лишь на 2—3 порядка меньше первичной концентрации этих газов.
Ядерные реакции в космических телах Особый интерес представляют ядерные реакции в телах, не
защищенных атмосферой, таких, |
как метеориты, Луна, |
астероиды |
|||
и др. Продукты |
взаимодействия |
первичного |
космического |
излуче |
|
ния с веществом |
подобных тел, накапливаясь |
в них, несут |
в себе |
||
ценнейшую информацию об эволюции состава излучения |
за по |
||||
следние 4,5 млрд. лет, его источниках, а следовательно, |
позволяют |
||||
расширить наши представления о строении и эволюции |
Вселенной. |
||||
Наиболее интенсивно протекают ядерные реакции в космиче |
|||||
ских телах малых размеров — метеоритах. |
Неупругое |
взаимо |
|||
действие быстрых и сверхбыстрых частиц космического |
излучения |
||||
с атомными ядрами метеоритного вещества вызывает два основных типа реакций: простые ядерные реакции типа (р, хп) или (р, хруп)
78
и реакции глубокого расщепления атомных ядер. В процессе глубокого расщепления образуется широкий спектр ядер-продуктов от ближайших к ядру-мишени до протонов и нейтронов.
Ядерные реакции приводят к накоплению в метеоритном ве ществе большого количества радиоактивных и стабильных продук тов. Общая концентрация радиоактивных изотопов в метеоритах
оценивается в п-Ю-7 |
г/г (в то время |
как концентрация |
U и Th |
|||||||
имеет порядок Ю - 8 г/г). Активность |
отдельных изотопов |
в недав |
||||||||
но |
выпавших |
метеоритах |
колеблется |
|
от 0,/г до 100-п |
расп/мин-кг. |
||||
В |
метеоритах |
обнаружены: 3 2 Р "(7"i/2= 14,3 дня), 5 1 Сг |
(27,5 дня), |
|||||||
3 7 Аг |
(35,1 дня), 5 8 Со |
(72 дня), 5 6 Со |
(77,3 дня), 4 6 Sc |
(84,2 дня), |
||||||
4 5 Са |
(168 дней), 5 7 Со |
(267 дней), 5 4 Мп |
(300 дней), 4 9 V (330 дней), |
|||||||
5 5 Fe |
(2,60 года), 2 2 Na |
(2,62 года), 6 0 Со |
(5,26 года), 3 Н |
(12,6. года), |
||||||
4 4 T i |
( — 46 лет),3 9 Аг |
(269 лет), 3 2 Si |
( — 650 лет), 1 4 С |
(5745 лет), |
||||||
5 9 N i |
(1-Ю5 лет), 3 6 С1 |
(2,6-105 лет), 2 6 А1 |
(7,4-Ю5 |
лет), 5 3 Мп |
||||||
(3,7-105 лет), , 0 Ве (2,9-10е л е т ) , 4 0 К (1,48-109 |
лет). |
|
|
|||||||
Накопление стабильных изотопов привело к отличию изотоп ного состава многих элементов метеоритного вещества от земного. Изотопные отношения благородных газов в метеоритах отличают ся от земных: для2 0 Ne/2 2 Ne и 3 6 Аг/3 8 Аг — в 10 раз, для2 1 Ne/2 2 Ne —
в 30 раз, 3 Не/ 4 Не — в 2,5 • 105 |
раз. Некоторые |
отклонения |
от со |
|||||||
става |
земной |
атмосферы наблюдаются |
для изотопов Кг |
и Хе, |
||||||
например повышенное |
отношение |
1 2 9 Хе/1 3 2 Хе. |
Изотопный |
состав |
||||||
космогенного |
калия |
— 3 9 К :4 0 К :4 1 К = 0 , 7 : 0,67 : 1, в то время как |
||||||||
для земных пород это отношение |
соответственно равно 13,5 : 1,7Х |
|||||||||
Х Ю _ 3 : |
1. В железных |
метеоритах |
отношение |
изотопов |
4 9 Ti/4 S TJ |
|||||
превышает земные более чем в 100 раз, 5 0 V / 5 1 V — до 10 раз. |
||||||||||
Первое изучение лунных пород позволило обнаружить в веще |
||||||||||
стве реголита |
радиоактивные |
изотопы 2 2 Na и 2 б А1 с активностью |
||||||||
— 173 |
рас/г/мин-кг. |
Глубина |
их |
распространения не превышает |
||||||
5 см. Концентрация |
инертных |
газов |
в |
реголите на несколько по |
||||||
рядков превышала их концентрации в земных объектах и метеори тах. Изотопный состав газов занимает промежуточное положение между Землей и метеоритами:
|
«Не/'Не |
«о Аг : а 6 Аг : 38ДГ |
si>Ne : |
: <"Ne |
Земля . . . . |
7,15-Ю0 |
295,6:1:0,2 |
9,8:1:0,03 |
|
Луна |
~2,4.103 |
1:1:0,2 |
12,5:1:0,03 |
|
Метеориты . . |
~3,8-103 |
-v.10-*: 1 :0,2 |
-^.14:1:0,03 |
|
|
§ 4. РАДИОАКТИВНОСТЬ АТМОСФЕРЫ |
|
||
Радиоактивность атмосферы имеет три источника: |
|
|||
1. Поступление радиоактивных изотопов |
с поверхности земли. |
|||
2.Образование радиоактивных изотопов в атмосфере под дей ствием природных ядерных реакций.
3.Радиоактивные' изотопы, возникающие в атмосфере за счет искусственных ядерных реакций (ядерных взрывов).
79
1. Радиоактивные изотопы, поступающие в атмосферу с по верхности земли, представлены в основном изотопами радона и их продуктами распада. Радон находится в воздухе в виде свобод ных атомов и заметно не адсорбируется взвешенными частицами. Высота, на которую поднимается тот или иной изотоп радона в
.атмосфере, определяется продолжительностью его жизни.
Приведем |
изменение |
концентрации |
изотопов |
радона |
(в отн. |
|
•%) с высотой, по Прибшу: |
|
|
|
|
|
|
Содержание |
радона |
|
|
|
|
|
Высота, м |
0,01 |
1 |
10 |
100 |
1000 |
7000 |
(2 3 2 Rn) |
100 |
95 |
87 |
60 |
38 |
7 |
•Содержание |
торона |
|
|
|
|
|
Высота, м |
0 |
5 |
10 |
25 |
50 |
100 |
(2 2 °Rn) |
100 |
70 |
50 |
20 |
5 |
0,5 |
Содержание радона в |
атмосфере |
зависит от |
его поступления |
||
•с поверхности земли и климатических |
факторов. |
|
|||
Концентрация радона в приземном слое воздуха над сушей |
|||||
много больше, чем над океаном: |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Концентрация, |
|
|
|
|
|
кюри/л j |
Радон |
в почвенном воздухе |
|
|
2 - Ю - 1 0 |
|
Радон |
в атмосферном |
воздухе |
над сушен |
|
1 , 2 - Ю - 1 8 |
Радон |
в атмосферном |
воздухе |
над океаном вблизи бе |
|
|
регов |
|
|
|
Ы 0 ~ 1 4 |
|
Радон |
в атмосферном |
воздухе |
вдали от берегов . . . |
1 • 10~16 |
|
Торон в атмосферном воздухе |
над сушен |
|
7- Ю - 1 4 |
||
Несмотря на то что в земной коре отношение активностей урана и тория примерно одинаково, отношение активностей их продуктов распада — радона и торона — в атмосфере резко отличается. Так, отношение активностей торона к радону в приземном воздухе Подмосковья равно 0,04.
Над участками рудных скоплений урана и радия концентра ция радона в нижних слоях атмосферы сильно возрастает. На уз колокальных участках рудопроявлений концентрация радона в ат мосфере растет не пропорционально его концентрации в почвен ном воздухе. Благодаря воздушным течениям происходит значи тельное перемешивание воздуха над активными и неактивными зонами, что сглаживает участки аномальных концентраций радона над рудопроявлениями.
Направление ветра также влияет на концентрацию радона в воздухе. Так, в предгорьях ветер, дующий с гор, т. е. от обнаже ний горных пород, содержит в несколько раз больше радона, чем ветер, дующий с равнины. Влиянию климата подвержено и выде ление радона из почвы в атмосферу. В жаркую и сухую погоду отмечается максимальное выделение радона, в холодную и влаж ную — минимальное. В районах земного шара, имеющих снежный покров, выделение радона в атмосферу в зимний период резко со-
80