Радіоактивність, основні закони радіоактивного розпаду

Радіоактивністю називається здатність нестійких ізотопів хімічних елементів самочинно перетворюватись в інші більш стійкі елементи з випромінювання альфа-, бета-, гамма-променів, а інколи і інших частинок.

Радіоактивність ізотопів, які знаходяться в природних умовах, отримала назву природної радіоактивності, а радіоактивний розпад ядер атомів при їх бомбардуванні елементарними частинками (електронами, протонами, нейтронами, альфа-частинками та іншими) – штучною радіоактивністю.

Процес перетворення одного ізотопу в інший називається радіоактивним розпадом. Радіоактивне перетворення протікає самочинно та ймовірність радіоактивного розпаду l _р за одиницю часу є сталою для кожного радіоактивного елементу. Відповідно, кількість актів радіоактивного розпаду dN за час d t визначається кількістю радіоактивних ядер N у даний момент часу t:

.                                            (8.1)

Інтегруючи вираз (8.1), отримаємо:

 

.                                        (8.2)

де ln C – стала інтегрування.

Використовуючи початкову умову t =0, N = N ₀ отримаємо основний закон радіоактивного розпаду:

.                                          (8.3)

Час розподілу t _р рівний величині, яка обернена сталій розподілу, і має розмірність часу.

Практично тривалість життя радіоактивного ізотопу більш зручно характеризувати періодом піврозпаду T _1/2. Період піврозпаду T _1/2 – це час, протягом якого розпадається половина початкової кількості атомів даної речовини.

Із співвідношення (8.3) отримаємо:

,               (8.4)

 

звідси

.         (8.5)

 

Активність радіоактивного розпаду a _p,яка часто в радіометрії свердловин називається абсолютною радіоактивністю, оцінюється кількістю розпадів, що проходять в одиницю часу (розп./с):

 

.                           (8.6)

Кількість радіоактивної речовини в системі одиниць СІ виражають в кілограмах (кг).

Для оцінки радіоактивності гірської породи q _п при радіометричних дослідження свердловин користуються об’ємними одиницями концентрації радіоактивних елементів. В системі одиниць СІ найбільш зручна еквівалентна частка одиниці – нанокілограм-еквівалент радію на кубічний метр породи – нкг·еквRa/м³ (10^-9кг·еквRa/м³).

При розпаді радіоактивних елементів випромінюються альфа- бета-частинки та гамма-кванти, причому випромінювання гамма-квантів не є самостійним актом, воно супроводжується альфа- або бета-розпадом ядер елементів.

Альфа-промені – потік частинок, які є ядрами атомів гелію (⁴₂ He), несуть подвійний додатній заряд 9,54·10^-10 електростатичних одиниць та володіють найбільшою масою (6,598·10^-12г) серед елементарних частинок. Швидкість альфа-частинок природних радіоактивних елементів становить – 1,39·10⁹-2,05·10⁹м/с.

Бета-промені – представляють собою потік частинок, які несуть одинарний від’ємний (електрони) або додатній (протони) заряд 4,77·10^-10 електростатичних одиниць і мають масу 0,9035·10^{-27 г. Швидкість бета-частинок коливається практично від нуля до 0,998 швидкості світла.}

Гама-промені – це потік нейтральних частинок, які мають таку ж природу, що і радіохвилі, світло, рентгенівське випромінювання, і відрізняються від них тільки більш високою частотою коливань (n >2,42·10¹⁸ с^-1).

Швидкість розповсюдження гамма-квантів стала та у вакуумі рівна швидкості світла c =300000м/с.

Енергія гама-кванта виражається співвідношенням:

 

,                   (8.7)

де h – стала Планка, яка рівна 6,62·10^-34 Дж·с.

Довжина хвилі l, яка випромінює гамма-квант, обернено пропорційна частоті коливань:

 

.                             (8.8)

Природна радіоактивність гірських порід, в основному, обумовлена наявністю в них природних радіоактивних елементів – урану ²³⁸₉₂ U і продукту його розпаду ²²⁶₈₈ Ra, торію ²³²₉₀ Th та радіоактивного ізотопу калію ⁴⁰₁₉ K. Інші радіоактивні елементи (рубідій ⁸⁷₃₇ Rb, самарій ¹⁴⁷₁₆₂ La, лютецій ¹⁷⁶₇₁ Lu та інші) характеризуються великими періодами піврозпаду, малими концентраціями в гірських породах, тому суттєвого вкладу в сумарну природну радіоактивність вони не вносять.

Найбільш високою радіоактивність відмічаються магматичні породи, найнижчою – осадові та проміжною – метаморфічні.

Пониженою радіоактивністю серед осадових утворень характеризуються хемогенні відклади (ангідрити, гіпси, кам’яна сіль, за виключенням калійної солі), а також чисті пісковики, піщаники, вапняки і доломіти. Максимальною радіоактивністю характеризуються глини, глинисті та бітумінозні сланці, фосфорити, а також калійні солі.

Високорадіоактивні різниці зустрічаються і серед чистих незаглинизованих пісків, піщаників та вапняків, якщо дані породи збагачені моноцитом, карнотитом, глауконітом, польовими шпатами та іншими мінералами, які містять радіоактивні елементи.

У деяких випадках радіоактивність гірських порід підвищується у результаті насичення їх пластовими водами, які збагачені ураном і радієм, наприклад, хлоркальцієвого та особливо сульфідно-барієвого типів.

 

Гамма-каротаж

Природна радіоактивність гірських порід у свердловинах вимірюється радіометром. Він рухається у стовбурі свердловини, переважно, знизу вверх, реєструючи зміну радіоактивності гірських порід. При цьому індикатор гамма-випромінювання в загальному випадку реєструє інтенсивність гамма-поля I _g, яка обумовлена радіоактивністю гірських порід, навпроти яких знаходиться радіометр, промивною рідиною, стальною колоною та цементом:

 

,   (8.9)

 

де k ₁, k ₂, k ₃, k ₄ – відповідно ефективності індикатора для спектрів енергій гамма-випромінювання гірської породи, промивної рідини, колони та цементу.