Astronet Астронет: Геологический факультет МГУ Геофизические методы исследования земной коры. Часть 1
http://variable-stars.ru/db/msg/1173309/page51.html
Геофизические методы исследования земной коры
3. Количество, концентрация, доза и мощность дозы гамма-излучения. Количество и концентрация долгоживущих элементов урана, тория, калия (U, Th, K-40) в горной породе определяются их процентным содержанием. Абсолютной единицей радиоактивности в системе СИ является беккерель (1 Бк = 1 расп./с). Иногда используют внесистемную единицу Г-экв Ra (количество вещества, гамма-излучение которого эквивалентно излучению 1 г радия). Единицей удельной радиоактивности в СИ служит беккерель на единицу массы или объема. За единицу экспозиционной дозы облучения в СИ принят кулон на килограмм (Кл/кг) и внесистемная единица - рентген (1Р = 2,58*10-4 Кл/кг). Мощность дозы, т.е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг) и микрорентгенах в час (мкР/ч).

4. Энергия излучений. Важной характеристикой излучений является энергия, которая представляет собой начальную кинетическую энергию частиц и измеряется в электрон-вольтах (эВ). Максимальные значения для альфа-, бета-, гамма-излучений равны миллионам электрон-вольт (10; 4; 3 МэВ соответственно). Нейтроны по энергии разделяют на холодные (0,001 эВ), тепловые (0,025 эВ), надтепловые ( > 0,05 эВ), резонансные (0,5 - 100 эВ), медленные ( < 1 кэВ), промежуточные (1 кэВ - 0,5 МэВ), быстрые (> 0,5 МэВ).

15.1.3. Взаимодействие ионизационных излучений с окружающей средой.

При облучении среды потоками ионизационных излучений, созданными радиоактивными источниками, происходят различные сложные физико-химические ядерные явления и процессы.

Альфа- и бета-частицы вызывают в основном ионизацию окружающей среды, т.е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов.

При прохождении гамма-квантов через вещество разного химического состава наблюдаются следующие ядерные процессы.

  1. Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), происходящее при взаимодействии гамма-квантов малых энергий (мягкое гамма-излучение с энергией меньше 0,5 МэВ) с атомами плотного вещества. В результате из атомов выбиваются электроны, а среда ионизируется. Атом, потерявший электрон, оказывается в возбужденном состоянии и способен заполнять освободившийся уровень одним из электронов внешней оболочки. Это сопровождается испусканием кванта характеристического (рентгеновского) излучения. В целом поглощение гамма-квантов на единице длины пути пробега можно выразить через коэффициент поглощения ( $\mu_{ф}$ ), называемый также макроскопическим сечением фотоэффекта.
  2. Комптоновское взаимодействие (рассеяние) гамма-квантов повышенных энергий ( > 0,5 МэВ) наблюдается с атомами легкого вещества. В результате гамма-квант передает часть энергии электрону, отклоняется от своей прямолинейной траектории распространения и происходит так называемое неупругое рассеяние, сопровождающееся поглощением. Его можно охарактеризовать коэффициентом поглощения $\mu_{к}$ , или макроскопическим сечением комптоновского взаимодействия.
  3. Образование электронно-позитронных пар происходит при взаимодействии гамма-квантов высоких энергий ( > 1 МэВ) с полем ядра атомов. При этом гамма-квант отдает энергию и поглощается. Коэффициент такого поглощения ( $\mu_{эп}$ ) называется макроскопическим сечением образования пар.

Существуют и другие взаимодействия гамма-квантов (фотонейтронный эффект, релеевское рассеяние на связанных электронах атомов и др.). В целом за счет основных эффектов взаимодействия полный линейный коэффициент поглощения гамма-квантов в породе, содержащей и легкие, и тяжелые элементы, можно описать формулой

$\mu_{\gamma } =\mu_{ф} +\mu_{к} +\mu_{эп}.$(6.3)

Таким образом, $\mu_{ \gamma }$ является обобщенным параметром горных пород, характеризующим их способность поглощать узкий пучок гамма-излучения. Он называется также полным макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с веществом.

Нейтронное излучение характеризуется следующими основными реакциями с ядрами элементов окружающей среды.

  1. Неупругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах тяжелых элементов, приводящим к их возбуждению. При переходе ядра в основное первоначальное состояние оно излучает гамма-квант.
  2. Упругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах легких элементов, приводящим к передаче энергии нейтронов ядрам,а в результате к их замедлению, уменьшению скорости тем большему, чем меньше массовые числа среды. Замедленные до тепловой энергии нейтроны поглощаются ядрами, т.е. происходит их радиационный захват с испусканием гамма-квантов. В результате наблюдается наведенная вторичная радиоактивность.

Таким образом, быстрые нейтроны вследствие разнообразных взаимодействий с ядрами элементов окружающей среды рассеиваются, замедляются до тепловых энергий средой. Количественно происходящие при этом процессы принято описывать полным коэффициентом рассеяния и поглощения ( $\mu_{n}$ ), называемым также суммарным макроскопическим нейтронным сечением за счет рассеяния ( $\sigma_{р}$ ) и поглощения ( $\sigma_{п}$ ), т.е. $\mu_{n} = \sigma_{р} + \sigma_{п}$ . Величина, обратная полному сечению, называется средней длиной пробега нейтронов при наличии рассеяния ($1/ \sigma_{р}$ ) и поглощения ($1/ \sigma_{п}$ ).

15.2. Радиоактивность горных пород и руд

15.2.1. Радиоактивность минералов.

Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше концентрация в них естественных радиоактивных элементов семейств урана, тория, а также калия-40. По радиоактивности (радиологическим свойствам) породообразующие минералы подразделяют на четыре группы.

  1. Наибольшей радиоактивностью отличаются минералы урана (первич-ные - уранит, настуран, вторичные - карбонаты, фосфаты, сульфаты уранила и др.), тория (торианит, торит, монацит и др.), а также находящиеся в рассеянном состоянии элементы семейства урана, тория и др.
  2. Высокой радиоактивностью характеризуются широко распространенные минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные соли).
  3. Средней радиоактивностью отличаются такие минералы, как магнетит, лимонит, сульфиды и др.
  4. Низкой радиоактивностью обладают кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др. В этой классификации радиоактивность соседних групп возрастает примерно на порядок.

15.2.2. Радиоактивность горных пород, руд и вод.

Радиоактивность горных пород определяется прежде всего радиоактивностью породообразующих минералов. В зависимости от качественного и количественного состава минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких пределах. Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию урана принято подразделять на следующие группы:

  1. породы практически нерадиоактивные ($U \lt$ 10-5 %);
  2. породы средней радиоактивности ($U \lt$ 10-4 %);
  3. высокорадиоактивные породы и убогие руды ($U \lt$ 10-3 %);
  4. бедные радиоактивные руды ($U \lt$ 10-2 %);
  5. рядовые и богатые радиоактивные руды ($U \gt$ 0,1 %).
К практически нерадиоактивным относятся такие осадочные породы, как ангидрит, гипс, каменная соль, известняк, доломит, кварцевый песок и др., а также ультраосновные, основные и средние породы. Средней радиоактивностью отличаются кислые изверженные породы, а из осадочных - песчаник, глина и особенно тонкодисперсный морской ил, обладающий способностью адсорбировать радиоактивные элементы, растворенные в воде. Радиоактивные руды (от убогих до богатых) встречаются на урановых или ураново-ториевых месторождениях эндогенного и экзогенного происхождения. Их радиоактивность изменяется в широких пределах и зависит от содержания урана, тория, радия и других элементов. С радиоактивностью горных пород тесно связана радиоактивность природных вод и газов. В целом в гидросфере и атмосфере содержание радиоактивных элементов ничтожно мало. Подземные воды могут иметь разную радиоактивность. Особенно велика она у подземных вод радиоактивных месторождений и вод сульфидно-бариевого и хлоридно-кальциевого типов. Радиоактивность почвенного воздуха зависит от количества эманаций таких радиоактивных газов, как радон, торон, актинон. Ее принято выражать коэффициентом эманирования пород ($С_{э}$ ), являющимся отношением количества выделившихся в породу долгоживущих эманаций (в основном радона с наибольшим $Т_{1/2}$ ) к общему количеству эманаций. В массивных породах $С_{э }$ = 5 - 10%, в рыхлых трещиноватых $С_{э}$ = 40 - 50 %, т.е. $С_{э}$ увеличивается с ростом коэффициента диффузии.

Кроме общей концентрации радиоактивных элементов, важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический спектр излучения или интервал распределения энергии. Как отмечалось выше, энергия альфа-, бета- и гамма-излучения каждого радиоактивного элемента либо постоянна, либо заключена в определенном спектре. В частности, по наиболее жесткому и проникающему гамма-излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определенным энергетическим спектром. Например, для урано-радиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ, а суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ).

Таким образом, по суммарной интенсивности гамма-излучения можно оценить наличие и концентрацию радиоактивных элементов, а анализируя спектральную характеристику (энергетический спектр), можно определить концентрацию урана, тория или калия-40 в отдельности.

Назад| Вперед

Rambler's Top100 Яндекс цитирования