16

Лекция 1

Важнейшими отличительными особенностями ядерных методов являются следующие.

1. Показания ядерных методов определяются в основном элементным (точнее, изотопным) составом горных пород, а все ядерные методы в совокупности принципиально позволяют решать важную задачу бескернового изучения вещественного состава горных пород.

2. Структура и текстура горных пород, оказывающие существенное влияние на данные электрических и некоторых других методов, очень слабо (во многих случаях пренебрежимо мало) воздействуют на результаты ядерных методов. Это упрощает задачу изучения вещественного состава пород, позволяет строить универсальные зависимости показаний от содержания тех или иных элементов, применимые независимо от структуры гор­ных пород. Указанная особенность упрощает также использование ядерных методов совместно с другими методами, чувстви­тельными к структуре пород, для комплексного изучения состава, структуры порового пространства и других характеристик горных пород.

Большинство ядерных методов применимо независимо от наличия или отсутствия обсадных колонн, характера заполнения скважины, минерализации пластовых вод и промывочной жидкости. Поэтому ядерные методы являются основными методами для контроля выработки нефтяных и газовых пластов в скважинах, крепленных стальными трубами, и при изучении свойств пород по скорости расформирования зоны проникновения фильтрата после крепления скважины.

Кроме перечисленных особенностей, являющихся преимуще­ствами ядерных методов, у них имеются и некоторые недо­статки. К ним относятся: необходимость принятия особых мер предосторожности для защиты от вредного воздействия ядер­ных излучений; наличие особого вида погрешностей - стати­стических флуктуации; сравнительно небольшой, а для некото­рых методов весьма малый размер зоны исследования. Первые два недостатка могут быть существенно уменьшены за счет со­вершенствования аппаратуры и техники проведения исследо­ваний.

Ядерно-физические исследования скважин - радиоактивный каротаж - совокупность методов, основанных на изучении по­лей нейтронов, гамма - и рентгеновских квантов в скважине и околоскважинном пространстве.

Важнейшие отличительные особенности ядерно-физических методов (ЯФМ), определяющие их роль и место в комплексе ГИС, заключаются в следующем: большинство ЯФМ приме­нимо как в открытом стволе, так и в обсаженных скважинах, в связи с чем их используют на всех этапах горно-геологического процесса; показания ЯФМ обусловлены в основном эле­ментным составом горных пород, что позволяет в ряде случаев осуществить литологическое расчленение пород, а также поиск и разведку полезных ископаемых на основе прямых признаков; показания ЯФМ практически не зависят от текстуры и структуры среды, что упрощает изучение вещественного состава пород и, в принципе, дает возможность, комплексируя ЯФМ с методами, чувствительными к текстурно-структурным свойствам, оценить тип порового пространства.

СОСТАВ АТОМОВ И АТОМНЫХ ЯДЕР

Атомы состоят из ядер, окруженных электронами, и имеют форму, близкую к сферической. Величины радиусов атома составляют примерно 10^-8 см, ядер ~ 10^-12 см и электронов — 2,8∙10^-13 см (классический ра­диус).

Связь между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженным ядром атома осуществляется за счет сил кулоновского взаимодействия. Под энергией связи электрона с ядром понимают ту энер­гию, которую необходимо затратить для того, чтобы удалить электрон из атома в бесконечность. Энергия связи электронов с ядром зависит от заряда ядра и состояния электрона. Заряд ядра атома определяется числом протонов и обозначается через Z. Число Z совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице Менделеева.

В атоме может быть несколько электронных оболочек (К, L, М и т.д.). Наиболее прочно с ядром связаны электроны ближайшей к нему К-оболочки.

Величину энергии связи электрона в атоме выражают в электронвольтах (эв) или в производных от них единицах — килоэлектронвольтах (кэв) и мегаэлектронвольтах (Мэв). Электронвольт — это величина кинетической энергии, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в один вольт.

Энергия связи электрона К-оболочки: у водорода равна 13,5 эв, у алюминия — 1,56 кэв, у свинца — 87,80 кэв и т.д.

Все ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, за исключением ядра обычного водорода, состоящего из одного протона. Массы протонов и нейтронов почти одинаковы и примерно в 2000 раз больше массы электрона. Электрический заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона, но противоположен ему по знаку, нейтрон же вообще не заряжен. Современная квантовая механика рассматривает протоны и нейтроны как различные зарядовые квантовые состояния одной частицы-нуклона.

Число нуклонов в ядре определяет его атомный вес, называемый часто также массовым числом или массой и обозначаемый через А. За единицу массы в ядерной физике берут массу нуклона.

Очевидно, что масса ядра равна

где N— число нейтронов в ядре.

Ядра, содержащие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами. Большинство элементов в природе представляет собой смесь двух или большего числа изотопов, химически неразличимых друг от друга. В настоящее время известно около 250 стабильных, около 50 естественно радиоактивных и около 1000 искусственно ра­диоактивных изотопов.

Ядра с одинаковыми массовыми числами, но разными Z и N, называются изобарами, ядра с одинаковым числом нейтронов, но разными Z и А, называются изотонами.

Связь между нуклонами в ядре осуществляется так называемыми внутриядерными силами.

Масса устойчивого ядра всегда меньше суммы масс, входящих в него нуклонов. Разность этих величин характеризует энергию связи ядра н называется дефектом массы. При сравнении прочности ядер обычно поль­зуются упаковочным коэффициентом — величиной средней энергии связи, приходящейся на один нуклон, равной отношению энергии связи ядра к его массовому числу.

Зависимость величин средней энергии связи от массового числа ядер показана на рис. 1. Из рисунка видно, что для легких ядер величина сред­ней энергии связи мала и испытывает некоторые колебания, объясняемые особенностями строения ядер, а для элементов среднего веса является наибольшей и достигает величины 8,6 Мэв; для тяжелых элементов ве­личина средней энергии связи плавно убывает с увеличением массового числа.

Альфа-частицы представляют собой ядра гелия с боль­шой кинетической энергией. Спектр энергий α -частиц данного радиоактивного изотопа состоит из одной или нескольких ли­ний. Длина пробега α-частиц основных естественных радиоактивных элементов (энергия Е_α = 4 - 8 МэВ) в воздухе состав­ляет 2,6—8,8 см, а в горных породах примерно в 10³ раз меньше.

Бета-частицы представляют собой быстрые электроны или позитроны. Спектр β-частицы сплошной: их энергия Е_е непре­рывно меняется от нуля до максимальной E_max, равной энергии β - распада и составляющей для различных изотопов величину до нескольких мегаэлектронвольт.

Закон ослабления β - частиц радиоактивных веществ приближенно описывается отрезком экспоненты (см.далее). Экспоненциальный закон, естественно, выполняется лишь до некоторых глубин r, поскольку существует максимальный пробег r_max; Ф = 0 при r>r_max. Бета-частицы естественных радиоактивных элементов в горных породах имеют пробег не более 8—9 мм.

Гамма-излучение может сопровождать как α, так и β - распад. Ядро - продукт, образовавшийся в результате α или β - распада, часто оказывается в возбужденном состоянии. Энер­гия, высвобождающаяся при переходе ядра в более низкие состояния, испускается в виде электромагнитного излучения, называемого γ - излучением.

Спектр γ - квантов, сопровождающих распад естественных ра­диоактивных элементов, простирается примерно до 3 МэВ. Гамма-излучение относится к сильнопроникающему излучению, для практически полного поглощения которого требуется слой горных пород (или других, близких по плотности веществ) толщиной в несколько десятков сантиметров.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Ядерные превращения происходят как при взаимодействии элемен­тарных частиц (нейтронов, протонов и т. д.) с атомными ядрами или одних атомных ядер с другими атомными ядрами, так и при самопроизвольном распаде ядер. По аналогии с химическими превращениями атомов и моле­кул ядерные превращения называют ядерными реакциями.

Запись ядерных реакций аналогична принятой в химии: слева обычно пишут символы частиц, вступающих в реакцию, а справа — ее продукты, например:

где— X ядро мишени; х — бомбардирующая частица; Y — конечное ядро (ядро-продукт);

у — вылетающая частица.

Около знаков символов элементов обычно записывают массовое число изотопа (справа сверху) и заряд его ядра (слева снизу):

Для сокращения Z обычно опускают и реакцию записывают следую­щим образом:

В случае, если образующееся ядро является возбужденным, его символ записывают со значком А_т.

В зависимости от типа бомбардирующих и вылетающих частиц реак­ции могут быть следующими.

1. Реакция (α, п) — захват ядром альфа-частицы и испускание нейтрона. Эта реакция записывается в следующем виде:

т.е. масса образующегося ядра увеличивается на три единицы, а заряд — на две. Если конечное ядро будет возбужденным, то оно может перейти в устойчивое состояние, излучая гамма-квант.

2. Реакция (п, γ) — захват ядром нейтрона, сопровождающийся выле­том гамма-кванта (радиационный захват):

при этом образуется изотоп исходного элемента с массой больше на единицу. Эта реакция происходит преимущественно на тепловых нейтронах.

3. Реакция (п, р) — захват ядром нейтрона и испускание протона

,

в результате образуется изобар исходного ядра. Ядро, возникающее в этой реакции, часто бывает радиоактивным и, распадаясь путем излу­чения отрицательной бета-частицы и гамма-кванта, превращается в исход­ное.

Реакция (п, р) в большинстве случаев происходит под действием быст­рых нейтронов.

4. Реакция (п, α) — захват ядром нейтрона с испусканием альфа-частицы, т.е. масса образующегося ядра уменьшается на три единицы, а заряд — на две.

Эта реакция в основном происходит под действием медленных нейт­ронов. В результате реакции (п, α) часто образуются возбужденные ядра, которые переходят в основное состояние путем излучения гамма-кванта.

5. Реакция (п, о) — захват ядром нейтрона и деление на осколки

образуются два осколка и два-три (i) нейтрона. Полученные осколки часто бывают радиоактивными.

Деление ядер может происходить под действием как тепловых, так и быстрых нейтронов.

6. Реакция (п, п') — рассеяние нейтрона ядром, сопровождающееся изменением энергии нейтрона за счет передачи энергии трансляционным или внутренним степеням свободы ядра. В первом случае — это упругое, а во втором — неупругое рассеяние

Возбужденное ядроХ^А_т (изомер) путем испускания гамма-кванта воз­вращается в исходное состояние.

7. Реакция (п, 2п) — захват ядром нейтрона, сопровождающийся излучением двух нейтронов

в результате получается исходный изотоп с массовым числом, меньшим на единицу.

8. Реакция (γ, п) — ядерный фотоэффект (фоторасщепление ядра и излучение нейтрона)

при которой образуется изотоп исходного элемента с массовым числом, меньшим на единицу.

Этим не исчерпываются, разумеется, все встречающиеся ядерные реак­ции. В частности, для прикладной ядерной геофизики помимо этих реакций важное значение имеют также бомбардировка протонами трития Н³ (р, п) Не³, дейтонами дейтерия H²(d, n) Не³ или трития H³(d, n) Не⁴ с целью получения нейтронов и др.

Удобной характеристикой вероятности той или иной реакции при стол­кновении является пропорциональная ей величина — эффективное поперечное сечение, величина которого выражается в барнах (1 барн = 10^-24 см²).

При протекании той или иной ядерной реакции выделяется или погло­щается определенное количество энергии Q. В этом случае реакция запи­сывается следующим образом:

Величина энергии Q может быть как положительной, так и отрицатель­ной. В первом случае имеет место выделение энергии, а во втором — поглощение. Реакции с поглощением энергии могут происходить, если энергия, вносимая ядерной частицей (например, нейтроном), равна или выше пороговой.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИИ С ВЕЩЕСТВОМ