Основные сведения о радиоактивности

При радиоактивном каротаже изучаются протекающие в горных породах процессы, обусловленные наличием естественной или искусственно вызванной радиоактивности.

Химические элементы состоят из мельчайших частиц – атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена основная его масса, и отрицательно заряженных электронных оболочек. Размеры ядра очень малы (10^–13 – 10^–12 см) по сравнению с размерами самого атома (10^–8 см). Ядро             в свою очередь состоит из протонов и нейтронов, обладающих примерно равной массой. Протоны несут положительный электрический заряд, а нейтроны являются электрически нейтральными.

Заряд ядра Z, выраженный в элементарных электрических зарядах, равен числу протонов в ядре. Величина заряда ядра всегда совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов.

Массовое число А равно полному числу протонов и нейтронов в ядре. Ядра с одинаковыми зарядами, но различной массой называются изотопами данного элемента. Ядра химических элементов обозначаются двумя индексами. Например: углерод с                    Z = 6 и А = 12 обозначается , гелий , натрий –  и т.д. Разница между А и Z указывает на количество содержащихся в ядре нейтронов.

Число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре. Масса электрона в 1838 раз меньше массы протона. Электроны распределены по электронным оболочкам, каждая из которых соответствует определенному энергетическому уровню. Электроны наружных слоев слабее удерживаются ядром и под действием внешних сил могут оторваться и присоединиться к электронным оболочкам других атомов.

В природе наряду с устойчивыми элементами существуют элементы, ядра которых самопроизвольно распадаются. Такие элементы называются радиоактивными и являются источниками естественного поля радиоактивности. Распад радиоактивных элементов сопровождается излучением альфа-, бета- или гамма-лучей. Альфа-лучи представляют собой ядра атомов гелия , бета-лучи – обладающие большой скоростью электроны, гамма-лучи – кванты (порции) энергии, природа которых идентична рентгеновским лучам ( высокочастотного электромагнитного излучения наподобие света, но с гораздо меньшей длиной волны, т.е. с большей энергией кванта). Пробег гамма-квантов в веществе – в несколько десятков раз больше пробега для бета-частиц той же энергии.

Энергия гамма-квантов и других ядерных частиц выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 Эв = 1,602·10^–19Дж. Энергия α- и       β-частиц и гамма-квантов изменяется от долей до 3 МэВ.Так, для урана U ²²⁶ (и образующегося из него Ra) энергия гамма-квантов – E = 1,76 МэВ, для тория Th²³² – E = 2,62 МэВ, а для K ⁴⁰ – E =       1,46 МэВ.

Распад радиоактивного элемента приводит к возникновению нового элемента с иными физико-химическими свойствами, который также может оказаться неустойчивым и будет распадаться, превращаясь в новый элемент. Процесс этот будет происходить до образования устойчивого элемента.

Радиоактивные элементы образуют три больших радиоактивных ряда – урана, тория, актиния, в которых каждый последующий элемент возникает в результате распада предыдущего. Во всех трех рядах конечным устойчивым элементом является стабильный изотоп свинца.

Каждый из радиоактивных элементов характеризуется присущим ему временем распада или, как принято говорить, периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов данного элемента.

Распад подчиняется закону:

                                         ,

где  — количество радиоактивных атомов в начальный момент времени; N – то же, в момент времени t; е – основание натурального логарифма; Т _1/2– период полураспада элементов.

 

Период полураспада – Т _1/2 – это время, за которое количество радиоактивных изотопов уменьшится в два раза.

Т _1/2^U238 = 4,5 · 10⁹ лет;

Т _1/2^U235 = 0,713 · 10⁹ лет;

Т _1/2^Th232 = 13,9 · 10⁹ лет;

Т _1/2^К40 = 1,31 · 10⁹ лет;

Т _1/2^Ra226 =1617 лет;

Т _1/2^Rn = 3,85 дня.

Абсолютная радиоактивность (активность) вещества – число распадов в 1 секунду (расп/с). Активность в 1 расп/с носит название беккерель (Бк). Существует внесистемная единица Кюри (Ки), равная активности 1 г ²²⁶Ra (1 Ки = 3,7 · 10¹⁰ Бк). Энергия и количество гамма-квантов на 1 распад различны для различных изотопов – поэтому величина радиоактивности в беккерелях недостаточна для суждения о гамма-активности вещества. Для          ее характеристики еще недавно использовали специальную единицу – миллиграмм – эквивалент радия (мг·экв. Ra). Вещество имеет активность в 1 мг·экв. Ra, если его гамма-излучение обладает такой же ионизирующей способностью, что и излучение          1 мг радия после прохождения через платиновый фильтр толщиной 0,5 мм.

Единицы радиоактивности:

1 грамм эквивалента Ra/г = 3,7 × 10¹⁰ распад/с = 3,7 × 10¹⁰ Бк (Беккерель),

1 Кu (Кюри) = 3,7 × 10¹⁰ Бк.

Ренген – такое количество рентгеновского или гамма–излучения, приводящее к образованию в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях 2,083∙10⁹ пар ионов обоих знаков (1 Р =      = 2,083×10⁹; 1 Р/с = 2,08×10^–4 А/кг.

Закон ослабления плотности потока гамма-излучения от точечного источника выражается:

                                         ,                               (3.23)

где Ф – плотность потока гамма-квантов на расстоянии r;                Q – общее число квантов, испускаемых источником; μ – суммарное макроскопическое сечение среды для всех процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом.

 

Воздействие гамма-квантов на вещество зависит от их ионизирующей способности. Учитывая это, интенсивность гамма-излучения в данной точке пространства принято характеризовать величиной, называемой доза. Единица дозы – кулон на килограмм (Кл/кг). Доза равна 1 Кл/кг, если в результате ионизации излучением в 1 кг абсолютно сухого воздуха образуются заряды в 1 Кл (каждого знака). Доза, создаваемая в единицу времени, называется мощностью дозы. Ее единица 1 А/кг. Внесистемная единица дозы – рентген (1 P = 2×58·10^–4 Кл/кг) и единица мощности дозы – микрорентген в час (1 мкР/ч = 71,7 × 10^–15 А/кг). (Для примера, радиевый источник активности 1 мКи на расстоянии 1 м от него создает в воздухе мощность дозы 850 мкР/ч).

Существует несколько типов естественной радиоактивности: гамма-превращение, бета-превращение, электронный захват, гамма-излучение, самопроизвольное деление атомных ядер. Для каждого радиоактивного изотопа характерны один или несколько видов превращений.

При альфа-превращении радиоактивное ядро испускает альфа-частицу. Она состоит из двух протонов и двух нейтронов, т.е. представляет собой ядро атома гелия . Поток альфа-частиц обладает невысокой проникающей способностью – несколько сантиметров в воздухе и доли миллиметра в твердом веществе.

Бета-превращение сопровождается испусканием бета-частиц – электронов или позитронов. Их проникающая способность достигает нескольких метров в воздухе и нескольких сантиметров в твердом веществе.

Превращение ядер происходит с испусканием гамма-квантов электромагнитного излучения (гамма-лучей). Гамма-лучи представляют собой фотоны большой энергии, выделяющиеся при возбуждении ядер и при взаимодействиях элементарных частиц. Пробег гамма-лучей в веществе в несколько десятков раз превышает пробег бета-частиц и достигает 1–1,5 км в воздухе и более 1 м в твердом веществе.

Для тяжелых ядер характерно самопроизвольное (спонтанное) деление ядер, при котором ядро разделяется на два осколка средней массы и при этом вылетает 2–3 нейтрона.

Количественной характеристикой радиоактивных излучений является кинетическая энергия частиц, измеряемая в электрон- вольтах (1 эВ = 1,6 · 10^–9 Дж); это энергия, которую получает электрон, пройдя через поле с разностью потенциалов в 1 В. Во всех перечисленных видах распада выделение энергии составляет доли и единицы миллионов электрон-вольт (МэВ); при спонтанном делении ядра освободившаяся энергия достигает 200 МэВ.

Энергия альфа-, бета-, гамма-излучения каждого радиоактивного элемента имеет постоянную величину или изменяющуюся в определенных пределах (в определенном спектре). Анализ энергетического спектра породы позволяет определить, какие радиоактивные элементы входят в состав породы. Например, энергия гамма-излучения калия 1,46 МэВ, изотопов семейства урана 0,093–1,76 МэВ, семейства тория 0,23–2,62 МэВ. Это позволяет использовать спектрометрию гамма-излучения для раздельного определения указанных трех групп изотопов.

Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой сопровождается различными процессами и явлениями: поглощением частиц ядрами окружающего вещества; рассеянием частиц как па ядрах, так и па электронах; ионизацией вещества, объясняемой выбиванием частицами электронов из внешних оболочек атомов; выделением тепла; люминесценцией (или сцинтилляцией, или флюоресценцией), т. е. вспышками света.

В процессе различных ядерных реакций могут возникать искусственные радиоактивные изотопы элементов. Искусственная радиоактивность – это результат превращения стабильных атомных ядер элементов в неустойчивые радиоактивные изотопы.

Искусственные радиоактивные изотопы широко применяются в науке и технике. В промысловой геофизике их используют при исследовании технического состояния скважин. Наиболее широко используемые из них приведены в таблице 3.4.

 

Таблица 3.4

 

Радиоактивные изотопы, используемые

при проведении работ в скважинах

 

Показатели	Натрий	Железо	Цинк	Цирконий	Йод	Кобальт	Цезий
Период полураспада	14,9 часов	45,1 дня	245 дней	65 дней	8 дней	5,27 года	2,3 года
Энергия излучаемых гамма-квантов, МэВ	3,89	1,3	1,12	0,75	0,72	1,33	1,37

 

Все использованные для исследования скважин методы радиоактивного каротажа основаны на регистрации гамма-излучения и потока нейтронов. Энергия гамма-квантов, испускаемых горными породами, содержащими в рассеянном состоянии радиоактивные элементы радий, уран, торий и радиоактивный изотоп калия, составляет от 0,05 до 3 МэВ (мегаэлектрон-вольт). Чем выше энергия гамма-квантов, тем больше их проникающая способность. Вследствие взаимодействия квантов с окружающей средой энергия их уменьшается. Уменьшение энергии пропорционально плотности вещества. Например, гамма-лучи с энергией 2 МэВ поглощаются наполовину слоем воды толщиной около 14 см, слоем алюминия толщиной 5,7 см, слоем меди толщиной 1,8 см и слоем свинца толщиной 1,2 см.

При прохождении через вещество гамма-лучи взаимодействуют преимущественно с электронными оболочками атомов, что определяет их ионизирующее действие.

Мерой интенсивности гамма-излучения является произведение количества гамма-квантов, падающих на единицу поверхности вещества, на их энергию. Мерой ионизирующей способности гамма-излучения служит доза излучения, выражаемая в рентгенах. Величина дозы, отнесенная к времени, называется мощностью дозы и выражается в рентген-часах.

Чем больше плотность вещества (чем выше атомный номер элемента – заряд его ядра), тем быстрее в нем рассеиваются и поглощаются гамма-кванты (табл. 3.5).

 

Таблица 3.5

 

Половинные ослабления гамма-лучей в разных веществах

 

Энергия гамма-лучей, МэВ	Толщина слоя, см
	Вода	Плотный известняк или песчаник	Железо	Свинец
0,2	5	2	0,6	0,13
1,0	10	4,6	1,5	0,86
5,0	23	10	2,8	1,47

 

Таким образом, при прохождении через любое вещество (в нашем случае – через горную породу) гамма-кванты теряют часть своей энергии, а затем поглощаются.

В качестве источника нейтронов используют обычно смесь полония с бериллием. Полоний – радиоактивный элемент. Распадаясь, он излучает альфа-частицу (). При взаимодействии альфа-частицы с ядром бериллия () образуются ядро углерода  и нейтрон .

                                       +  →  +  + .                   (3.24)

Поскольку нейтрон электрически нейтрален, он не взаимодействует с электрическими зарядами атома и скорость его движения, а следовательно, энергия изменяется только в результате столкновений с ядрами атома.

Самыми легкими ядрами являются ядра водорода, в связи с чем водород и водородсодержащие вещества – лучшие замедлители нейтронов. Потеряв большую часть своей энергии, нейтрон захватывается ядрами элементов окружающей среды. Захват нейтрона приводит к образованию нового элемента и освобождению некоторого количества энергии, излучаемой ядром в виде гамма-квантов.

Период полураспада полония равен 138 дням. Источник мощностью 1 Ки (по полонию) излучает 2 · 10⁶ нейтронов в секунду (нейтр./с). При проведении промыслово-геофизических работ пользуются источниками нейтронов мощностью от 2 до 7–8 Ки.

Различают упругое и неупругое рассеяние нейтронов. В первом случае при столкновении нейтрона с ядром скорость его (а следовательно, энергия) уменьшается, а направление движения отклоняется от первоначального. Весь процесс определяется законами сохранения энергии и моментов, а также первоначальной скоростью (энергией) нейтрона. Упругое рассеяние преобладает при энергиях нейтронов менее 1 МэВ. При больших энергиях нейтронов (несколько мегаэлектрон-вольт) происходит процесс неупругого рассеяния. При этом значительная часть энергии нейтрона передается ядру, которое переходит в возбужденное состояние. Неупругое рассеяние нейтронов сопровождается гамма-излучением, возникающим при возвращении ядра в нормальное состояние. Наибольшую энергию нейтрон теряет при столкновении с ядром атома водорода, масса которого почти равна массе самого нейтрона. В этом случае велика вероятность потери нейтроном всей его энергии.

В результате многократных столкновений с ядрами нейтроны быстро растрачивают энергию и замедляются до тепловых скоростей. Длина замедления нейтронов прежде всего зависит от содержания в окружающей среде водорода. Так, длина пути замедления нейтронов в воде составляет несколько сантиметров, а в горной породе – от 15 до 35 см (в зависимости от содержания в ней воды или нефти).

Замедлившиеся до тепловых скоростей нейтроны вступают в диффузионную фазу движения, т.е. двигаются в среде, претерпевая столкновения с атомами, но сохраняя среднее значение своей энергии (0,025 эВ). Эта фаза характеризуется диффузионной длиной, т.е. расстоянием, которое проходит нейтрон с момента, когда он становится тепловым, до момента его поглощения (захвата) каким-либо ядром. Способность разных элементов захватывать медленные нейтроны различная. В зависимости от энергии нейтроны делятся на быстрые (100 кэВ), медленные (10–20 кэВ) и тепловые, достигшие теплового равновесия с веществом (0,025 эВ).

Среднее время жизни теплового нейтрона находится в пределах 10^–3 – 10^–4 с.

Вероятность рассеяния и захвата нейтронов ядрами элементов характеризуется так называемыми поперечным сечением рассеяния  и поперечным сечением захвата , учитывающими свойства среды и особенности ядер. Наибольшим поперечным сечением захвата характеризуются такие элементы, как хлор, бор, железо, марганец и некоторые другие.

Захватывая тепловой нейтрон, ядро возбуждается, а при возвращении в устойчивое состояние излучает один или несколько гамма-квантов. Это гамма-излучение называют радиационным, вторичным или вызванным.

В таблице 3.6 приведены некоторые характеристики нейтронных взаимодействий для элементов, входящих в состав горных пород.

 

Таблица 3.6

 

Нейтронные характеристики некоторых элементов

 

Элемент	Сечение рассеяния, барн (10^–24 см^2)	Сечение захвата, барн (10^–24 см^2)	Число гамма-квантов на 100 захватов	Энергия гамма-квантов, МэВ	Интенсивность гамма- излучения, %
1	2	3	4	5	6
Н	45	0,31	100	2,23	100
О	4,1	0,0016	–	–	–
С	4,8	0,0045	125	4,95	60
				3,68	20
				1,25	20
Na	3,5	0,5	309,3	6,4–3,56	25,3
				3,3–0,47	74,7

Продолжение таблицы 3.6

 

1	2	3	4	5	6
Сl	10	33	237,5	8,58–7,24	10,5
				6,99–6,11	16
				5,72–3,9	11,5
				3,36–1,6	26,2
				1,16–0,51	35,8
К	1,5	3,8	179,6	7,76–2,3	52
			151,8	1,18–0,62	48
А1	1,5	0,212	144,8	7,72	24,2
				7,34–3,29	29,14
				3,62–2,84	29,7
Са	9,5	0,5	144	8,37	0,02
			163,4	6,4	16
				5,9–2	34,8
				1,94–0,46	49,2
Si	1,7	0,16	149,4	10,6–3,55	73,3
				2,1–1,28	26,7