1.8 Взаимодействие гамма-излучения с горными породами и рудами.
Гамма-излучением называют коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 10 нм (< 10-9 м). Связь между длиной волны X электромагнитного излучения и энергией кванта Е определяется выражением
где h — постоянная Планка; с — скорость света (скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме).
Используемое для исследования горных пород γ-излучение может иметь различную природу. Прежде всего это γ-излучение, испускаемое радиоактивными нуклидами, как природными, так и искусственными. В этом случае γ-кванты обычно сопровождают β- или α-распад. Если в результате β- или α-распада дочернее ядро оказалось не в основном, а в одном из возбужденных состояний, происходит разрядка — возбуждение снимается путем испускания γ-квантов. Испускаемые кванты имеют строго определенную энергию, зависящую от энергии возбужденных состояний ядер. Второй путь получения γ-квантов связан с применением электронных ускорителей (линейных, микрофонов, бетатронов). Пучок ускоренных до энергии в несколько (или в несколько десятков) мегаэлектронвольт электронов направляется на мишень из тугоплавкого металла с большим атомным номером (вольфрам, тантал). В поле ядра происходит торможение электронов, вследствие чего испускается γ-излучение. Его спектр — не дискретный, как при распаде ядер, а непрерывный. Максимальная энергия тормозного γ-излучения равна энергии ускоренных электронов.
При рассмотрении особенностей взаимодействия квантов с веществом горных пород к γ-излучению условно относят также рентгеновское излучение. Это излучение может быть первичным и вторичным. На использовании вторичного рентгеновского характеристического излучения основаны способы изучения элементного состава геологических образований. Первичным же рентгеновское излучение выступает в тех случаях, когда применяется радионуклид, распадающийся путем электронного захвата. Например, ядра 109Cd таким путем превращаются в ядра 109Ag, образовавшаяся в результате электронного захвата вакансия заполняется другим электроном, переход которого с более удаленной от ядра оболочки приводит к высвечиванию рентгеновского характеристического излучения дочернего ядра (энергия основной линии AgKα равна 22,1 кэВ).
Рентгеновское характеристическое излучение может быть вызвано и другим механизмом — внутренней конверсией γ-излучения. Последняя заключается в том, что энергия возбуждения образовавшегося в результате распада дочернего ядра непосредственно (без предварительного испускания γ-кванта) передается электронной оболочке. Наиболее вероятна передача энергии электрону, находящемуся на ближайшей к ядру К-оболочке, который покидает атом. Появившаяся вакансия заполняется электроном с более далекой оболочки, вследствие чего испускаются рентгеновские характеристические кванты. Например, спектр источника 241Am содержит линии рентгеновского излучения, вызванного внутренней конверсией γ-излучения дочернего ядра 237Np. Наиболее интенсивная линия K-серии этого излучения NpKα1 имеет энергию 101,07 кэВ, эта величина намного больше, чем энергия основной γ-линии спектра (59,54 кэВ).
Приведенные примеры подтверждают целесообразность объединения квантов электромагнитного излучения различной природы при изучении их взаимодействия с горными породами. В дальнейшем будут использоваться лишь термины «γ-излучение» или «γ-кванты».
Распространяясь в горных породах и рудах, γ-излучение взаимодействует с электронами и ядрами атомов, а также с кулоновским полем, окружающим ядра и электроны атомов. Взаимодействие γ-излучения всегда электромагнитное и возможно осуществление более десятка элементарных процессов взаимодействия γ-излучения с веществом, заканчивающихся поглощением или рассеянием излучения. Вероятность протекания каждого из этих процессов зависит от энергии γ-излучения и атомных номеров элементов, слагающих горные породы и руды. При энергиях γ-квантов, равных энергии возбуждения атома или его ядра, протекают резонансные процессы взаимодействия, которые все более широко используются в аналитических целях.
В ядерной геофизике обычно используют γ-излучение с энергией от первых килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт. Для такого излучения наиболее вероятны процессы атомного фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), неупругого рассеяния на электронах вещества (эффект Комптона) и поглощения их с образованием электронно-позитронных пар в кулоновском поле ядра или электрона. Следствия процессов фотоэлектрического поглощения и комптоновского рассеяния γ-излучения лежат в основе радиометрических гамма-методов и различных модификаций гамма-гамма-метода ядерной геофизики; вторичное излучение, возникающее при указанных выше процессах взаимодействия, прежде всего характеристическое рентгеновское и электронное излучение, составляет основу рентгенофлуоресцентного (рентгенорадиометрического) и гамма- электронного методов. Ряд резонансных процессов взаимодействия γ-излучения, несмотря на их проявление в узкой энергетической области, также играет большую роль в ядерной геофизике; это прежде всего мессбауэровский ядерный гамма-ре- зонанс на связанных ядрах (метод ядерного резонанса) и атомным гамма-резонанс на связанных электронах атома с использованием сравнительно недавно открытого эффекта резонансного комбинационного рассеяния γ-излучения. Несмотря на относительно небольшое сечение, широко применяется также ядерный фотоэффект, особенно реакция (γ, n), она лежит в основе высокочувствительного фотонейтронного метода ядерной геофизики.
При теоретическом рассмотрении характеристик основных процессов взаимодействия γ-излучения с веществом можно использовать принципы квантовой механики или классической физики. При этом необходимо иметь в виду, что, согласно теореме Эренфеста, уравнения квантовой механики являются аналогами классических уравнений, т. е. в некоторых случаях есть возможность перехода от уравнений квантовой механики к уравнениям классической физики и наоборот.
Квантовая механика использует понятие волновой функции Ψ, при этом постулируется, что данная функция отображает всю информацию об изучаемой системе. В нерелятивистском случае волновая функция определяется уравнением Шредингера:
где Н – оператор Гамильтона (гамильтониан), описывающий эту систему; h — постоянная Планка.
Классическая теория, используя вероятность нахождения электронов атома в единице объема, определяет действие падающей волны на собственные колебания атома, а полуклассическая – действие падающей волны (поля) на атом с учетом его квантованных энергетических уровней.
Примнение либо классической, либо квантовомеханической теории при рассмотрении тех или иных процессов взаимодействия обосновывается исходя из принципа относительной простоты вывода конечных формул и степени развития теоретического подхода для данного процесса взаимодействия. С учетом этого, например, форм-факторные расчеты, т.е. расчеты функций, определяющих особенности взаимодействия γ-квантов со связанными электронами атомов, проще дать на основе классической теории, так как установление явного вида волновой функции весьма сложно; описание резонансных процессов, наоборот, точнее в рамках квантовой теории.