2.3. Закон радиоактивного распада

Все типы радиоактивных превращений подчиняются закону радиоактивного распада. Этот закон определяет зависимость между числом изотопов в закрытой системе (минерале, породе) в момент ее образования N_o и числом атомов N_t не распавшихся по прошествии времени t: N_o = N_t e^-λt, где λ- постоянная распада – доля распавшихся ядер данного изотопа за единицу времени, от общего их количества в закрытой системе (минерале, породе). Размерность этой единицы – год^-1; е – основание натуральных логарифмов. Из закона радиоактивного распада, выведено главное уравнение геохронологии, по которому вычисляется возраст, отсчитываемый радиоактивными часами: t = 1/λ ln (N_k / N_t +1) , где N_k – число изотопов конечного продукта распада; N_t- число радиоактивных изотопов, не распавшихся по прошествии времени t. Таким образом, чтобы определить возраст минерала или породы (t), достаточно измерить количество материнского радионуклида и продукта его распада – стабильного дочернего изотопа. Численное значение λ для каждого радиоизотопа определяется особо и при обычной работе берется из таблиц. Вместо постоянной распада радиоактивного изотопа на практике часто используется другая его характеристика – период полураспада (T½) – время, за которое число радиоактивных ядер данного изотопа убывает на половину. Период полураспада связан с постоянной распада следующим отношением: T½ = ln2/λ = 0.693/λ. (Короновский, 2002).

В цепочках радиоактивных превращений, число атомов радиогенного дочернего нуклида, которые накопились в результате серии распадов при условии векового равновесия (т.е. при котором скорость распада дочернего продукта равна скорости распада родительского), можно рассчитывать так же, как и в случае непосредственного превращения родительского радионуклида в стабильный дочерний нуклид, не принимая во внимание промежуточные звенья (Фор, 1989).

Нейтронная активация. Бомбардировка ядер атомов различными ядерными частицами - протонами, дейтронами (ядрами дейтерия), α-частицами, нейтронами и др. может вызывать ядерные реакции. Если бомбардировка происходит положительно заряженными частицами, ядерные реакции могут протекать лишь тогда, когда частицы имеют энергию, достаточную для преодоления сил электростатического отталкивания протонов ядра-мишени. На величину энергии нейтронов подобные ограничения не налагаются. Попадание бомбардирующей частицы в ядро вызывает реакцию, в результате которой из образовавшегося ядра испускаются частицы или происходит высвобождение лучистой энергии. Ядерные реакции можно описывать с помощью формул, аналогичных процессу радиоактивного распада.

Ядерные реакции, вызванные бомбардировкой мишеней нейтронами, представляют большой интерес для решения проблем изотопной геологии и геохимии по той причине, что эти реакции используются в аналитических целях для измерения концентраций рассеянных элементов в геологических объектах. Нейтроны, образующиеся при делении ядра урана, обладают большими начальными скоростями и называются быстрыми нейтронами. Для поддержания цепной реакции деления необходимы не быстрые, а медленные нейтроны, поэтому быстрые нейтроны нужно замедлять. Торможение нейтронов достигается с помощью замедлителя - вещества, с ядрами которого нейтроны могут упруго соударяться, не претерпевая поглощения. Ядро - продукт является изотопом того же элемента, что и ядро - мишень. Ядро-продукт образуется в возбужденном состоянии и переходит в основное состояние путем эмиссии - излучения. Поглощение медленного нейтрона атомным ядром можно представить следующей формулой:

Облучение медленными нейтронами образца, состоящего из стабильных атомов различных элементов, приводит к образованию радиоактивных изотопов этих элементов, и, следовательно, образец становится радиоактивным. Такой процесс называется нейтронной активацией. Величина наведенной активности некоторого радиоактивного изотопа в облученном образце зависит от концентрации элемента-мишени в образце. На этом и основан аналитический метод нейтронного активационного анализа. Скорость распада продукта ядерной реакции в конце становится равной скорости его образования, которая в дальнейшем не увеличивается, достигнув некоторого максимального уровня (уровня насыщения). Скорость распада измеряют с помощью соответствующего устройства, например твердотельного полупроводникового детектора. (Фор, 1989).