Радиоактивные превращения. Единицы радиоактивности.

Атомы всех химических элементов состоят их ядра и окружаются электронными оболочками. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет номер элемента Z , а сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу А. Элементы, атомы которых имеют одинаковое число протонов Z, но различные массовые числа А называются изотопами данного химического элемента.

Радиоактивными называются элементы, ядра атомов которых обладают способностью к самопроизвольному распаду и с течением времени превращаются в ядра атомов других элементов с иными физическими и химическими свойствами. Все радиоактивные элементы называют также нуклидами.

Процесс превращения одного нуклида в другой возможен, когда изменяется соотношение между числом протонов и нейтронов в ядре; это соотношение можно изменить подвергая стабильные нуклиды бомбардировке нейтронами, протонами и другими частицами, способными проникнуть внутрь ядра и вызвать в нем изменения. Самопроизвольное превращение элементов (распад) называется радиоактивностью. В настоящее время известны следующие виды радиоактивных превращений: a - распад с испусканием ядер атомов гелия; b - распад с испусканием электронов и позитронов; захват ядром электрона с одной из собственных оболочек (обычно с К-оболочки); самопроизвольное (спонтанное) деление некоторых тяжелых ядер на два близких по массе осколка.

Во многих случаях a и b -частицы уносят не всю энергию, Остаток ее испускается в виде одного или нескольких g-квантов.

 

Радиоактивные превращения

 

Превращение или распад любого радиоактивного нуклида с течением времени происходит по показательному закону

N = Noe- lt,

где No-начальное количество атомов радионуклида; N- число атомов, сохранившееся спустя время t; l- постоянная распада; е - основание натурального логарифма.

Постоянная распада характеризует вероятность радиоактивного распада данного нуклида за единицу времени и имеет размерность 1/с, 1/сут., 1/год. Скорость радиоактивного распада характеризуется также периодом полураспада Т 1/2- временем, в течение которого распадается половина начального числа атомов радионуклида, и cредней продолжительностью t жизни ядра атома Эти три параметра связаны между собой следующими соотношениями:

ln 2 0, 693 1

Т 1/2= ------ = -------; t = --- = 1, 44× Т 1/2

l l l

Можно показать, что при t = 5 Т1/2 N » 0, 03× N_o; при t = 7 Т1/2 N » 0, 01× N_o;

при t = 10 Т1/2 N » 0, 001× N_o.

В радиометрии обычно имеют дело с цепочкой последовательно распадающихся радионуклидов. Первоначальный нуклид называют материнским, а образующийся из него - дочерним. Если из каждого распадающегося атома первого нуклида образуется один атом второго, то скорость накопления атомов дочернего нуклида определится выражением

dN₂/ dt = l1N1---l2N2

Здесь N1, N2- соответственно, число атомов материнского и дочернего нуклидов; l1 и l2 их постоянные распада.

Величина l1N1- характеризует скорость распада материнского нуклида, которая равна скорости образования дочернего нуклида; l2 N2определяет cкорость распада дочернего элемента.

Если материнский нуклид имеет очень большой период полураспада по сравнению с дочерним, т. е. Т'1/2> > T" 1/2, то можно положить N( t )= const. По мере увеличения времени t, N₂ будет стремиться к предельному значению: N2¥ ® l1N1/ l2.Тогда l1N1½ l2N2¥ .

Последнее уравнение представляет собой математическое в ыражениевекового или радиоактивного равновесия между долгоживущим материнским и дочерним нуклидами.

Из закона радиоактивного равновесия можно рассчитать массу любого радионуклида, если известны постоянные распала или периоды полураспада материнского и дочернего нуклидов. Так в равновесии с 1 г ²³⁸Uнаходится 3, 4 10 ^{-7 г} Ra. Состояние авновесия между Ra и Uв урановой руде характеризуется коэффициентом радиоактивного равновесия Kpp, который рассчитывают по формуле

Крр = qRa/ 3, 4 10 ^-7qU,

где qRa/ 3, 4 10 ^-7- концентрация Ra, выраженная в эквивалентных процентах равновесного U; qU- концентрация U, %.

Если Kpp= 1, руда равновесна; при Kpp< 1равновесие смещено в сторону U; при Kpp> 1- в сторону Ra.

Единицы радиоактивности.

 

При работе с естественными и искусственными радионуклидами приходится определять их массу, концентрацию, дозу и мощность дозы g -излучения. Массу долгоживущих радиоактивных нуклидов определяют в кг, г, мг.

Единицей для определения активности радионуклидов в СИ является беккерель (Бк) - такая активность любого нуклида в котором за 1 с распадается 1 ядро. На практике широко используют несистемную единицу активности - кюри (Ки), равную 3, 7 1010Бк. Концентрацию любого радионуклида в веществе выражают в беккерелях на единицу массы или объема, концентрацию Rn в воздухе или воде - Бк/м³.

Для оценкидозы излучения используют меру излучения, основанную на измерении ионизации воздуха и называемую экспозиционной дозой. За единицу экспозиционной дозой в СИ принят кулон на килограмм (Кл/кг), равный экспозиционноц дозе излучения, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в сухом атмосферном воздухе массой 1 кг производит ионы с суммарным зарядом 1 Кл. Ранее использовалась единица экспозиционной дозы излучения называемая рентген (Р), при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в 1 см³ сухого воздуха образует ионы с зарядом 1 ед СГС каждого знака. 1Р = 2, 58 10 ^-4 Кл/кг.

Мощность экспозиционной дозы характеризует величину этой дозы отнесенную к единице времени: (А/кг, Р/ч, Р/с). Естественные уровни радиоактивности выражаются в более мелких единицах мощности экспозиционной дозы: пА/кг =10 ^-12 А/кг,

мкр/ч = 10 ^-6 Р/ч ( 1 мкР/ч » 0, 072 пА/кг).

 

Естественные и искусственные радионуклиды.

К естественным радиоактивным элементам относятся преимущественно тяжелые элементы, распадающиеся с испусканием a - и b - частиц. Эти элементы образуют 3 радиоактивных ряда (семейства), которые названы по наиболее долгоживущему в каждом семействе элементу - урану, торию и актиноурану.

Родоначальниками каждого семейства являются материнские нуклиды, имеющие большой период полураспада и частично сохранившиеся за время существования Земли (около 5 млрд. лет). Такими нуклидами являются 238 U 92( T_1/2 = 4, 5 10 9лет),

232 Th 90 (T_1/2=1, 39 1010лет), 235 U 92 (T_1/2 = 713 106лет ). В средине каждого семейства имеются радиоактивные газы-эманации: радон(222Rn 86); торон (220Tn 86); актинон (219An 86), имеющие различные периоды полураспада: 3, 82 сут., 55, 5 с и 3, 92 с, соответственно. Испытывая a - превращение, эманации образуют корокоживущие продукты распада А, В и С, которые играют большую роль (особенно в семействе урана).

Конечными продуктами превращения в каждом семействе являются стабильные изотопы свинца 206Pb 82, 207Pb82и 208Pb 82, которые получили название радиогенного свинца. Самостоятельно элементы ряда актиноурана в природе не встречаются. Из-за малого периода полураспада 235U на его долю в смеси природного урана приходится всего 0, 7 %. В семействе урана имеются 8 элементов a - излучателей, при этом у образующихся продуктов распада атомный номер уменьшается на 2, а массовое число - на 4 единицы. В ряду радиоактивных превращений a -излучатели распространены примерно равномерно. При b - превращении атомный номер увеличивается на единицу, а масса остается без изменения. b-излучатели распределены между нуклидами группы UX2 и группы радия ( RaB, RaC, RaE ).

Основная доля g- излучения (95%) приходится на нуклиды группы радия ( Ra B, RaC ) и лишь около 5 % на нуклиды группы UX2. Это имеет очень большое значение при проведении поисковых работ на уран. В семействе тория нуклид ThC" имеет наиболее высокую энергию g-квантов среди всех природных излучателей (2.62 МэВ).

В природе известно около 200 радиоактивных нуклидов стабильных элементов. Продуктами превращения их ядер являются устойчивые нуклиды, поэтому их называют устойчивыми радионуклидами. Из них наибольший интерес представляет одиночныйнуклид ^{4 0}K ₁₉ , имеющий период полураспада 1.4 10⁹ лет и составляющий 0, 012% от общего количества природного К. Около 89% ^{4 0}K ₁₉ испытывает b- превращение, а 11% ядер захватывают К - электроны своего атома испуская g - кванты с энергией 1, 46 МэВ.

Концентрация радиоактивных элементов в природе невелика: 2, 5 10^-4 % U; 1, 3 10 ^-3 % Th и 2, 5% K. В небольших количествах они имеются и в живых организмах. Так в организме человека содержится около 2 10^{-5 г урана, 10 -10}г радия и примерно 140 г калия.

Отличительной чертой поведения U и Th в магматических процессах является накопление этих элементов на завершающем этапе дифференциации магмы. Средние концентрации U, Th и K в магматических, осадочных породах, почвах и водах приведены в таблице ХХХ. Из таблицы видно, что концентрация радиоактивных элементов в магматических породах возрастает от ультраосновных разностей к кислым. При этом характерно примерное постоянство торий- уранового соотношения, равное 3-4. Общим для всех радиоактивных элементов является повышение их концентрации с уменьшением возраста пород. Так начальным и ранним этапам тектоно-магматического цикла обычно отвечают интрузии основных и ультраосновных пород, обладающих наименьшей радиоактивностью.

 

 

Таблица 8.1.

Средние концентрации радиоактивных элементов ( в %) в различных

породах и средах.

 

Породы и среды	U	Th	K
Магматические породы:
Ультраосновные (перидотиты, пироксениты	0, 03	0, 08	0, 02
основные (габбро, базальты)	0, 6 - 0, 7	1, 8 - 2, 3	1, 4
средние ( диориты, андезиты)	1, 8	6, 0	2, 0
кислые ( граниты, липариты)	4, 5 - 6, 0	18, 0 - 25, 0	4, 2
Осадочные породы:
горючие сланцы	до 100	10 - 15	-
углеродисто-глинистые сланцы	10 - 20	15, 0	3, 2
аргиллиты, глинистые сланцы, глины	4, 0	11, 5	2, 6
песчаники, алевролиты	2, 9	10, 4	1, 1
известняки	1, 6	1, 8	0, 3
мергели	2, 8	2, 5	0, 2
доломиты	3, 7	2, 8	0, 2
каменная соль, галит	0, 9 - 1, 0	1, 0	0, 4
гипс, ангидриты	0, 1	0, 4	0, 1
Почвы	0, 1	0, 4	0, 1
Воды
поверхностные	10 -4	10 -3	10 -2
подземные		10-3	3 10 -2

 

Со средними этапами связано внедрение различных гранитоидов с повышенной активностью. Породы поздних этапов предсталены разнообразными по составу малыми интрузиями с высокими концентрациями U, Th и K. Чаще всего U накапливается в конечных дифференциатах гранитоидных интрузий, в которых основная доля U находится в подвижной форме, а концентрация Th, Zr, TR и др., изоморфно замещающих уран, низкая.

Высмокими концентрациями радиоактивных элементов характеризуются щелочные интрузивные породы. Например, нефелиновые сиениты содержат (1-1, 5)× 10-3% U, 3× 10 -3%Th и 10-12% K.

В отличие от интрузивных пород, накопление U при пегматитообразовании обычно происходит в акцессорной части пегматитов, где U может ассоциировать с такими элементами, как Th, Zr, Hf, Ca, TR. Особенно характерен парагенезис U c Th и редкими землями. При этом U входит в решетку преимущественно иттриевых минералов, а Th -цериевых.

Содержания радиоактивных элементов в осадочных породах достаточно разнообразны

( см. табл. ХХ). Торий-урановое отношение не является постоянным, а колеблется от 1 до 5 - 8. Повышенные концентрации U и Th отмечаются в терригенных осадочных породах, что связано с присутствием таких акцессорных минералов, как циркон, монацит, глауконит, фосфорит. При этом выявляется довольно четкая корреляция U с количеством глинистого материала в этих породах, обусловленная сорбирующими свойствами глин. Для Th эта за-висимость выражена менее четко.

Наибольшей ураноносностью характеризуются углеродисто-глинистые сланцы, в которых U тесно связан с органикой. Самые низкие концентрации U и Th наблюдаются в соленосных отложениях типа ангидридов, каменной соли, галита, гипса.

Концентрация радиоактивных элементов в метаморфических породах зависит от исходного состава пород, и влияния последующих процессов метаморфизма. Последние могут привести как к уменьшению, так и увеличению содержаний U и Th.

По мере увеличения степени регионального метаморфизма наблюдается снижение в породах концентраций U и Th по сравнению с концентрациями в исходных породах. Поэтому высокометаморфизованные породы (гранулитовая фация ) относительно обеднены U и Th, а наименее метаморфизованные породы( зеленокаменная фация) обогащены этими элементами.

Важной причиной миграции U в эндогенных условиях является гидротермальный процесс, где источником U могут быть как различные породы ( магматические, осадочные и метаморфические) из котроых U извлекается гидротермальными растворами, так и кристаллизующийся магматический расплав. С гидротермальными процессами связано формирование не только большинства месторождений U, но и значительной части месторождений полезных ископаемых. На высокотемпературные процессы изменения пород указывают U и Th, среднетемпературные - U и K, низкотемпературные- K.

Из-за большой подвижности U по сравнению с Th в экзогенных условиях, верхние (каолининитовые) горизонты коры выветривания характеризуются повышенным торий-урановым отношением. Высокой подвижностью U можно также объяснить нарушение в коре выветривания радиоактивного равновесия между Ra и U в сторону избытка Ra относительно равновесного количества U. Латеритная кора выветривания обогащена Th (до 7-10 -3%) за счет накопления в горизонтах выноса устойчивых акцессорных минералов типа циркона, монацита и др.

Искусственные радионуклиды Искусственная радиоактивность была открыта в 1934 г. И. и Ф. Жолио-Кюри, которые обнаружили, что при облучении алюминиевой фольги a-частицами Ро испускание позитронов не прекращалось и после удаления a-источника.

Радиоактивные изотопы образуются в результате многих ядерных реакций. В настоящее время известно более 800 радиоактивных изотопов всех элементов от водорода до урана. Пости все источники излучений, используемые в ядерно-геофизических методах, получены искусственным путем.

У большинства искусственных радионуклидов наблюдается b-распад с испусканием электронов, реже позитронов, Вероятность взаимодействия бомбардирующей частицы с ядром облучаемого элемента (мишенью) выражается в единицах эффективного сечения - барнах ( 10-24см2).

 

Перенос гамма и нейтронного излучения в горных породах.

 

Гамма - излучение представляет собой кванты электромагнитного излучения с длиной волны около n 10 ^{-13 м. Оно сопровождает} a и b- превращение, в результате которого ядро возбуждается. Переход возбужденного ядра в основное состояние может происходить в один или несколько этапов. Поэтому превращение разных атмов одного типа может сопровождаться одним или несколькими g-квантами. В результате число g-квантов на одно превращение не является целым. Энергия g-квантов Е выражается произведением hn, где h- постоянная Планка, n - частота соответствующего колебания, обратно пропорциональная длине волны.

 

Ядерная геохронология

 

В геохронологии используют превращения одних радиоактивных элементов в другие. В основе метода лежит определение концентрации материнского радионуклида и количества накопившегося за определенный промежуток времени стабильного продукта его распада. Для этого используют масс-спектрометрический анализ.

Пусть N_o - первоначальное количество ядер материнского радионуклида, которое входило в состав минералов в момент их образования, NR- количество атомов данного радионуклида, сохранившееся спустя время t, прошедшее с момента образования минералов, N _s -количество атомов стабильного нуклида, накопившееся в породе за тот же промежуток времени. Тогда

 

Ns = No - NR. (49)

 

Запишем закон радиоактивного распада в виде No = NRe lt. (50)

С учетом равенства ( ), выражение ( ) можно представить как

 

Ns = NRe lt- NR= NR( e lt- 1),

 

или

(NR+ Ns) / (NR) = e lt (52)

 

Логарифмируя (52), получают основное соотношение для вычисления возраста:

1 Ns

t = ¾ ln ( 1 + ¾ ). (53)?????

l NR

В настоящее время разработано около 10 методов определения абсолютного возраста. Выбор метода, с помощью которого может быть определен возраст геологического образования, зависит от времени существования объекта исследования. Минералы, возраст которых определяется, должны иметь хорошую сохранность. Потеря или привнос материнского радионуклида или стабильного нуклида, по концентрации которых датируется возраст, не должны происходить в течение всего времени жизни минералов.

В соответствии с установившейся терминологией, названия методов определения абсолютного возраста древних образований отражают конечные стабильные продукты распада, исполь-зуемые для датирования: свинцовый, гелиевый, аргоновый, стронциевый методы. В этих методах в качестве радионуклидов используют 238U, 235U, 232Th, 40K, ³⁷Rb. Для оценки возраста молодых образований применяют радиоуглеродный, радиевый и иониевый методы.

Наиболее распространенным и надежным является свинцовый метод датирования возраста. В его основе лежит процесс превращения урана, актиноурана и тория в радиогенный свинец:

238U®8 He + 206Pb, 235U®7He + 207Pb, 232Th ® 6 He + 208Pb.

Для определения возраста этим методом используются хорошо сохранившиеся минералы с содержанием U или Th более 1 %, такие как уранинит, урановая смолка, циркон, монацит, ортит, ксенотим, торит и другие.

При определении возраста урановых минералов приходится учитывать два нуклида урана, распадающиеся с разной скоростью 238U и 235U. Поскольку скорости накопления нуклидов свинца 206Pb и 207Pb различны, можно применить метод расчета, основанный на отношении 207Pb / 206Pb. В этом случае нет необходимости определять количество 238U и 235U в минерале. Из выражения (51) следует

207Pb / 206Pb = ( 235U (e l₂₃₅t- 1)) / ( 238U (e l₂₃₈t- 1))

Здесь массы нуклидов выражены в граммах и для удобства обозначены символами.

Так как отношение 235U / 238U во всех исследованных минералах постоянно и равно 1/139, то

207Pb/ 206Pb = ( e l₂₃₅t- 1) / 139 ( e l₂₃₈t- 1).

Последнее уравнение позволяет по известному отношению 207Pb / 206Pb в минерале определить его возраст.

Гелиевый методоснован на определении соотношения между количеством накопившегося гелия и исходными нуклидами ( U, Th, 235U). Но минералы с высокими содержаниями исходных нуклидов непригодны для применения метода, т.к. образовавшийся гелий может иметь повышенное давление и будет диффундировать в окружающую среду.

При отсутствии потери гелия возраст минералов (< 200 млн.лет) рассчитывается по формуле

t = 4, 9 · 1010(PHe(г) / ( PU(г) + 0, 2 PTh(г))) лет.

Одним из способов определения возраста молодых образований является радиоуглеродный метод. Суть метода состоит в том, что не радиоактивный ¹²С и радиоактивный ¹⁴С существуют в природе в определенном соотношении, причем ¹⁴ Спостоянно образуется в атмосфере под действием космического излучения. При фотосинтезе оба углерода попадают в растения, а затем в живые организмы. После смерти организма ¹⁴ Сбольше не попадает в организм и в результате его b - распада соотношение ¹²С / ¹⁴ Снарушается. Период полураспада ¹⁴ С равен 5568 лет. Время t, прошедшее после смерти организма, определяется из сравнения удельной активности исследуемого остатка I_o и активности I_с современного материала с использованием соотношения: I_o = I_с e lt.

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: