Шпоры по ЯГ

11. Виды радиоактивных семейств, свойства семейств.

В природе многие радиоактивные элементы образуются при распаде предыдущего элемента – родоначальника. Распад родоначальника приводит к образованию нового элемента, который радиоактивен, распад второго элемента приводит к образованию вновь радиоактивного элемента и т.д. Образуется цепочка последовательно превращающихся друг в друга элементов. Такие цепочки и называют семействами. Родоначальник для своего семейства имеет наибольший период полураспада. Всего известно 4 семейства (названия по родоначальникам):

1. Ториевое семейство Th²³², А = 4n, n = от 52 до 58. А – атомный вес.

2. Нептуниевое семейство Np²³⁷, А = 4n+1, где n = от 52 до 59.

3. Уранорадиевое семейство U²³⁸, А = 4n+2, где n = от 52 до 59.

4. Актиноурановое семейство U²³⁵, А = 4n+3, где n = от 51 до 58.

Не все семейства имеют для нас одинаково важное значение, а именно, семейство нептуниевое в настоящее время в природе не встречаются, т.к. период полураспада родоначальника равен 2,25*10⁶лет. Поэтому члены этого семейства распались через 22 млн лет после образования Земли. Np²³⁷ можно получить искусственным путем.

В природе также наблюдается очень стабильное отношение изотопов урана:

Поэтому распространение актиноуранового семейства очень мало, и оно создает небольшие интенсивности излучений. Поскольку изотопы существуют вместе, то отдельно рассматривать это семейство мы не будем.

Радиоактивные семейства имеют некоторые общие свойства:

1. Родоначальники семейств имеют наибольший по сравнению с рядовыми членами, период полураспада. Он колеблется в интервале 10⁸ – 10¹⁰ лет. Периоды полураспада у рядовых членов колеблются от тысячелетий до долей секунды.

2. В каждом семействе имеется элемент из группы благородный газов. В уранорадиевом – Rn²²², в ториевом семействе – Tn (Rn²²⁰), в актиноурановом – An (Rn²¹⁹). Измерение концентрации этих газов проводят в эманационной съемке.

3. B – продукты в семействах – это изотопы свинца. Они являются важными β и γ-излучателями семейств.

4. C – продукты в семействах – это короткоживущие элемент, и как большинство короткоживущих образуют «вилку». Схема 5.2. Сходятся в один элемент D. С’ продукты выделяют α-частцы максимальной для этого семейства энергий. А в целом C-продукты важнейшие γ-излучатели.

5. Распад в каждом семействе заканчивается образованием стабильного изотопа свинца.

12. Уранорадиевое семейство.

Таблица. Для нас важно знать какие элементы являются излучателями.

Основные α-излучатели

U_I, U_II, Jo, Ra, RaA, RaC’, Po

При распаде одного атома урана образуется 8 атомов гелия ((238-206)/4).

Основные β-излучатели

Ux_II (на его долю приходиться 50% энергии β-излучения всего семейства), RaB и RaC (почти 40%), RaE (около 10%). Смещения радиоактивного равновесия практически не влияет на интенсивность β-излучения.

Основные γ-излучатели

Сюда относят RaB и RaC, RaC’. На их долю приходиться почти 98% всей энергии γ-излучения. Поскольку основные γ-излучатели это продукты распада радия, то смещения коэффициента радиоактивного равновесия сильно влияет на интенсивность γ-излучения. При α>100%, γ-излучение существенно возрастает, а при малом α, он существенно уменьшается. Это ограничивает возможности проведения γ-съемки. Пример, рис 5.1.

Рис 5.1.

При проведении γ-съемки необходимо также изучать возможные пути миграции элементов. При малых коэффициентах радиоактивного равновесия целесообразно перейти на β-съемку.

13. Ториевое семейство

Таблица. Основные α-излучатели

Th²³², RaTh, Thx, Tn, ThA, ThC, ThC’.

При распаде одного атома тория образуется 6 атомов гелия.

Основные β-излучатели

MsTh₂, ThB, ThC’’

Основные γ-излучатели

MsTh₂, RaTh, ThB, ThC

14. Распространенность радиоактивных элементов в горных породах.

Распространенность радиоактивных элементов

Радиоактивные элементы распространены повсеместно. Содержаться в воде, воздухе, горных породах, в организмах животных. Однако их концентрация обычно очень мала. Полезно иметь в виду, что наиболее распространенными радиоактивными природными изотопами (известны радиоактивные изотопы для всех элементов периодической системы, считают, что их всего около 2000, многие из них являются искусственными) являются:

1) Rb87 (его содержание в горные породах превышает в среднем 40 грамм в тонне породы);

2) Th232;

3) U238;

4) K40;

Их содержание в среднем свыше двух грамм в тонне. Это гораздо больше, чем таких элементов как серебро, ртуть, золото, вольфрам, молибден и многие другие. В масштабе всей Земли наибольшее содержание радиоэлементов отмечается в земной коре. Гораздо меньшее их количество в верхней мантии, в глубиной резко убывает. И в ядре содержание радиоактивных элементов крайне мало, а возможно, они отсутствуют. Считается, что тепло, которое выделяется при радиоактивном распаде, возможно, разогрело Землю до современного состояния, также это тепло играет очень большую роль в тектонической жизни Земли.

Распространенность радиоактивных элементов в горных породах

Среди горных пород наиболее радиоактивными являются магматические породы, содержание радиоэлементов в них зависит от содержания SiO2, от времени проявления магматического цикла, от региональных особенностей. Наиболее радиоактивными среди горных пород в целом, являются породы кислого состава (с наибольшим содержанием SiO­2), в частности, граниты. Наименьшей радиоактивностью из магматических пород обладают породы ультраосновного состава. Наибольшее содержание отмечается в более молодых породах.

Осадочные породы резко от магматических не отличаются, но в целом, считаются менее радиоактивными. Среди них наибольшей радиоактивностью обладают терригенные породы, а среди терригенных – глины (тонкодисперсные осадочные породы). Радиоактивность глин примерно аналогична радиоактивности основных пород магматического состава. Менее радиоактивными являются известняки и совсем малой радиоактивностью обладают чистые химические осадки: гипс, ангидрид, каменная соль (но не калийные соли!). Осадочные породы обычно отмечаются повышенным содержанием тория Th.

Радиоактивность метаморфических пород занимает промежуточное положение между осадочными и магматическими породами.

15. Распространенность радиоактивных элементов в воздухе и атмосфере.

Распространенность радиоактивных элементов в водах

Содержание радиоактивных элементов в водах гораздо меньше, чем в горных породах. И отличительная особенность, что наблюдается нарушение коэффициента радиоактивного равновесия и очень широкий диапазон (на много порядков) изменения содержаний. Так что, в аномальных водах, содержание может достигать, и иногда превышать, содержание элементов в горных породах. В зависимости от преобладания некоторых компонентов, воды называют: уранорадиевые воды.

Распространенность радиоактивных элементов в атмосфере

Содержание в атмосфере обусловлено радиоактивными эманациями (радон, торон, актинон), образующими в радиоактивных семействах. А также обусловлено содержанием радиоуглерода, трития. Содержание элементов в воздухе с высотой меняется: сначала, отдаляемся от горных пород, потом приближаемся к космическому излучению. Поэтому наибольшая радиоактивность атмосферы – это близ поверхности Земли и на континентах.

16. Искусственная радиоактивность

В ядерной геофизике широко используются радиоэлементы, полученные искусственным путем. Для получения искусственных радиоэлементов могут применятся следующие способы:

1) облучение горных пород нейтронами;

2) облучение горных пород альфа и другими заряженными частицами;

3) облучения гамма-лучами;

4) использование реакции деления ядер.

Искусственная радиоактивность была открыта в 1934г Фредериком и Ирен Кюри. Они на атомы 13Al27 воздействовали альфа частицами в результате образовались 15Р30 и n’. Это был радиофосфор, в последствие радиоизотопы были получены и для других элементов системы Менделеева и в настоящее время любой химический элемент имеет хотя бы один радиоактивный изотоп. На практике более удобным является способ получения радиоизотопов при облучении вещества нейтронами. Нейтроны не имея заряда, не взаимодействуют с атомами, поэтому облучение является наиболее эффективным. Например, Co59 при облучении нейтронами дает Co60. Из него изготавливают эталоны с умеренной активностью.

17. Свинцовый и гелиевый метод определения абсолютного возраста.

Свинцовый метод

При распаде родоначальников радиоактивных семейств образуются стабильные изотопы свинца

Если в породе обнаружено присутствие этих элементов, то на основании формулы 3, можем записать:

Проводят изотопный анализ. Есть другой вариант этого метода: если в породе установлено достаточно высокое содержание U²³⁸, то будет небольшое содержание U²³⁵.

На основании формулы 2, можем написать, что

Гелиевый метод

При распаде в семействах образуется и накапливается гелий, при чем:

Поэтому для определения возраста используется формула (2)

Недостаток этого метода: гелий это самый летучий газ, поэтому в породе он обычно не накапливается, а частично удаляется (выносится). Т.е. порода должна быть ненарушенной, если порода разрушенная, то происходят микровзрывы. Кроме того, надо определять 4 элемента.

18. Аргоновый, рубидиево-стронциевый методы определения абсолютного возраста.

Аргоновый (калий-аргоновый метод)

Один из наиболее широко применяемых методов определения возраста. Его разрабатывала группа советских геологов, в числе которых был академик Полканов. Метод основан на распаде радиоактивного Калия, он распадается двумя путями:

На основании формулы 2

- эта дробь определяет долю атомов, которые образуют аргон. Аргон определяют газовым объемным анализом, а калий 40 можно определить сам элемент калий, а калий 40 составляет примерно 0,012% в общей смеси изотопов.

Рубидиево-стронцивый метод

Основан на распаде самого распространенного радиоактивного изотопа

Рубидий имеет очень большой период полураспада

Из-за большого периода полураспада, стронций накапливается медленно

Кроме того предполагают, что помимо радиогенного происхождения самостоятельно содержится в горных породах и какое-то его количество уже было при образовании породы. А поскольку наш стронций накапливается медленно, то это надбавка может внести существенные искажения. Этот метод чаще всего применяется для определения возраста наиболее древних пород и для определения возраста Земли в целом.

19. Принципы определения возраста древних пород.

Абсолютный возраст горных пород для геологов является очень важным параметром, поэтому его определением занимались очень давно. Но до XX века все попытки определения возраста Земли приводили к результатам в десятки (первые сотни) миллионов лет, т.е. по самым древним породам возраст Земли составлял первые сотни миллионов лет. Возраст Земли определялся по накоплению углекислоты, по скорости остывания Земли (в предположении, что при происхождении Земля была огненным телом). Все эти попытки определения возраста имели неудачу, т.к. базировались на таких физических явлениях, скорость которых за время жизни Земли не была постоянной. После открытия явления радиоактивности и установлении того фактора, что скорость распада не зависит ни от каких внешних воздействий, можно было применить это явление для определения абсолютного возраста. Методы определения возраста Земли делятся на две группы:

1) Методы определения возраста древних пород;

2) Методы определения возраста молодых пород (четвертичного возраста).

В настоящее время никакие другие физические явления для определения возраста не используются.

Определение возраста древних пород

Эти методы основаны на изучении соотношения стабильного накапливающегося продукта распада к оставшемуся количеству радиоактивного элемента. Предполагается, что при образовании горной породы в ней присутствует некоторое количество какого-либо радиоактивного элемента (N₀). При его распаде это количество уменьшается, но зато накапливается стабильный продукт распада. В этом методе применяются элементы с большими периодами полураспада (с соизмеримыми с возрастом Земли). И для любого момента времени можно записать:

Распад элементов происходит по закону:

Или

Подставив в формулу 1, получим:

Или

В этой формуле не известно время распада t.

Определяя возраст согласно формуле 3, следует иметь в виду, что необходимо, чтобы на начальный момент времени (время образования породы) в породе не находился стабильный элемент распада. Так как это условие не всегда выполняется, то оно будет вносить ошибку. Необходимо также, чтобы за все время жизни породы не было выноса и привноса этих элементов. Невыполнение условия, также вносит ошибку. Однако, эти недостатки оказываются не столь существенные, по крайней мере ничего лучше для определения возраста не придумано. N в атомах.

Формулу 3 можно назвать принципиальной. Для определения абсолютного возраста древних пород наиболее широко применяются методы (имеют название по тому радиоактивному элементу, который измеряют):

1) Свинцовый;

2) Гелиевый;

3) Аргоновый (Калий-Аргоновый);

4) Рубидиево-строницивый метод.

20. Углеродный и иониевый методы определения абсолютного возраста горных пород.

Методы определения молодых пород

Эти методы основаны на изучении отношения оставшегося количества радиоактивного элемента к его первоначальному содержанию, которое по каким-то предположениям должно быть тоже известно. Здесь применяются радиоактивные элементы с относительно небольшими периодами полураспада. Среди этих методов наиболее широко распространены два метода: радиоуглеродный и иониевый.

Радиоуглеродный

Под действием нейтронов космического излучения, в природе постоянно протекает реакция:

В результате углерод получается радиоактивным (радиоуглеродом).

Этот радиоуглерод хорошо накапливается в живых организмах животных и людей. При жизни организма распад радиоуглерода компенсируется поглощением новых порций радиоуглерода, так что его количество остается неизменным. После отмирания организма поступление новых порций прекращается, а продолжается лишь распад.

Здесь N₀ – современное содержание радиоуглерода в атмосфере. Полагают, что оно постоянно в течение многих десятков тысяч лет. Этот метод широко применяется не только в геологии, но и археологии и антропологии. Однако, метод может применяться для определения возраста 20 – 30 тысяч лет.

Иониевый метод

Этот метод применяется для определения возраста молодых морских образований и для изучения скорости осадконакопления. Метод основан на том, что ионий очень хорошо выпадает в осадок к океанической воде. Рис 6.1. Когда верхний осадок еще не захоронен, то распад ионий компенсируется новыми порциями ионий, а когда происходит перекрытие осадка, то поступление иония прекращается и происходит только лишь распад.

21. Исходные формулы для расчета интенсивности γ-излучения тел.

При проведении различных видов γ-съемок бывает необходимо предвычислять ожидаемый аномальный эффект объектов, т.е. какую γ-интенсивность будет создавать тот или иной объект. Это необходимо, в частности, для выяснения возможности методов для изучения тех или иных объектов, для разработки методики работ, сети наблюдений, для обоснования выбора аппаратуры, для обоснования высоты полета самолета. Простейшим радиоактивным источником является точечный излучатель (точечная радиоактивная масса).

K – константа излучения, характеризующая конкретный элемент, m – радиоактивная масса, r – расстояние до нее, μ – коэффициент поглощения γ-лучей. Из формулы видно, что при удалении от источника γ-излучение резко уменьшается. Это связано, во-первых, с рассеянием γ-квантов, а во-вторых, с поглощением .

Реальные объекты обычно могут иметь форму линии (линейный источник), в виде поверхности (поверхностный источник), в виде объемного источника. Для вычисления интенсивности таких источников из формулы 4:

K – константа γ-излучения, характеризующая конкретный радиоактивный элемент, который определяется теоретически; η, σ, g – линейная, поверхностная и объемная плотности радиоактивного элемента; - элементы линии, поверхности, объема, ηdl, σds, gdv – элементы массы. Для случая объемного тела учитывается поглощение не только в окружающей среде, но и в самом излучающем теле. Для более точного учета поглощения необходимо учитывать фактор накопления γ-лучей B (E, r, μ, z). зависящий от свойств излучений и от параметров среды. Однако для небольших расстояний можно этот фактор принять за единицу, т.е. отбросить. На практике его чаще всего не учитывают.

22. Излучение конического диска (до частных случаев).

Рис. 3.1. Конический диск (усеченный конус)

Рис 3.1. Р – точка, в которой находиться прибор, l – толщина диска. Верхний край диска выходит на дневную поверхность. Н – высота прибора над поверхностью. Все расстояния измеряем от точки Р. r – расстояние от Р до данного элемента тела; r_в – расстояние по воздуху до верхнего края; r₁ – расстояние до нижнего края (подошвы); Ψ – переменный угол, который изменяется от 0 до Ψ₀; μ_п – коэффициент поглощения лучей в данной породе; μ_в – коэффициент поглощения лучей в воздухе. Согласно последней формуле (5) из предыдущей лекции, получаем:

Введем сферические координаты:

q – плотность радиоактивного элемента в породе, σ – плотность породы, Q – содержание (концентрация) радиоактивного элемента в породе.

Функция Кинга очень резко убывает. Рис 3.2. При .

Если наложить некоторые начальные условия, то формула (6) может быть существенно упрощена.

23. Частные случаи излучения конического диска.

Если наложить некоторые начальные условия, то формула (6) может быть существенно упрощена. Рассмотрим некоторые частные случаи:

1. Предположим, что точка наблюдения Р находиться на поверхности Земли, т.е. H=0, нижняя граница тела уходит на бесконечность в глубину и горизонтальные границы тоже отодвинуты в бесконечность, т.е . Такое тело называют бесконечным полупространством. Таким образом, все что находиться под землей излучает γ-кванты. Рис 3.3. Тогда:

Рис. 3.3. Излучающее бесконечное полупространство, точка наблюдения на поверхности земли

Формула (7) позволяет определять процентное содержание элемента в породе.

2. Имеется бесконечное полупространство, но наблюдения выполняются на высоте H. Рис 3.4.

Рис. 3.4. Излучающее бесконечное полупространство, точка наблюдения на высоте H

Формула (9) позволяет приводить наблюдения, выполненные на высоте Н к уровню земли. В частности необходимо при аэрогаммасъемке.

3. Имеется излучающее бесконечное полупространство, перекрытое нерадиоактивными породами (экраном). Наблюдения на поверхности Земли. Рис 3.5. , .

Рис. 3.5. Излучающее бесконечное полупространство, перекрытое нерадиоактивными породами.

На практике μ_нан>>μ_п, поэтому неизлучающие объекты служат существенным экраном для прохождения γ-лучей, в частности, наносы толщиной 0,5 м экранируют примерно 99% γ-излучения нижележащих пород. Это обстоятельство является мешающим фактором, при проведении γ-съемки.

4. Имеется пласт конечной мощности, но бесконечного простирания. Наблюдения на высоте Н. Рис 3.6.

Рис. 3.6. Излучающий пласт конечной мощности, но бесконечного простирания, точка наблюдения на высоте H.

. Тогда:

Если принебречь поглощением в воздухе, то

Имеется локальный излучающий участок. Наблюдения на высоте Н. Рис 3.7. .

Рис. 3.7. Локальный излучающий участок. Точка наблюдения на высоте Н.

Тогда

Если принебречь поглощением в воздухе, то

Формула (15) служит для подсчета интенсивности γ-излучения локальных участков.

24. Излучение вертикального пласта.

Рис 3.8 Угол вокруг оси φ.

Рис. 3.8. Излучающий бесконечных вертикальный пласт. Точка наблюдения на поверхности земли

q – плотность радиоактивного элемента в породе, σ – плотность породы, Q – содержание (концентрация) радиоактивного элемента в породе.

При х=0 рис 3.9.

Рис. 3.9.

На основании формулы (17) на практике определяют, что границы пласта бесконечного простирания соответствуют . Рис 3.10. Если мощность пласта менее 50 см, то для определения пласта применяют способ .

25. Блок-схема радиометра, назначение блоков.

Общую блок-схему радиометра можно представить как рис. 7.1. ЭМС – электромеханический счетчик. В усилителе находиться блок питания. В некоторых радиометрах блоки могут выпадать или добавляться. Детектор предназначен для обнаружения сигнала, их принцип работы – регистрация явлений ионизации или сцинтилляции. Все остальные блоки представляют собой усилительно-регистрирующую часть.

Детектор – усилитель – дискриминатор – формирующий каскад – интегрирующий контур – токоизмерительный прибор – пересчетная схема – электромеханический счетчик.

Усилитель предназначен для усиления электрического сигнала, зарегистрированного детектором. К нему предъявляются повышенные требования: он не должен терять импульсы или выдавать новые.

Усиленный сигнал подается на дискриминатор. Его назначение пропустить полезный сигнал и задержать импульсы-помехи. В качестве дискриминатора используют один из каскадов усилителя с отрицательным смещением на питающем электроде.

Далее идет формирующий каскад, который стандартизирует импульсы по длительности и амплитуде, что облегчает их измерение. В качестве формирующего каскада используются мультивибраторы. Рис 8.2. В данном примере произойдет возникновение нового импульса. Так как формирующий каскад создаст еще один импульс, пока будет идти тот же сигнал.

Прошедшие через формирующий каскад импульсы можно регистрировать двумя способами: каналом непосредственного счета импульса и каналом измерения скорости счета (измерять ток).

Канал непосредственного счета импульса включает электромеханический счетчик (Э.М.С) или электромеханический регистратор, представляющий собой электромагнит. Поскольку этот счетчик содержит механическую часть, то он обладает высокой инерционностью, что может привести к пропуску (просчету) импульсов. Чтобы этого не произошло, перед счетчиком имеется пересчетная схема, в которой происходит накопление импульсов кратно десяти. Такой способ регистрации удобен при лабораторных измерениях. Применяется также при каротаже.

Другой способ регистрации – измерение скорости счета с помощью интегрирующего контура, т.е. цепочки RC (рис 8.3). Когда поступающие импульсы заряжают конденсатор и он разряжается через сопротивление. Регистрация производиться обычными микроамперметрами. В пешеходных радиометрах чаще всего используется стрелочный прибор. Также иногда используются пиропищущие гальванометры. Это обычный гальванометр, у которого вместо стрелочки перо с чернилами, которое на протягиваемой бумаге пишет регистрацию. Этот способ удобен для длительной непрерывной регистрации.