Физика горных пород и процессов. Курс лекций доц. И.М. Шведов

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Размер: px
Начинать показ со страницы:

Download "Физика горных пород и процессов. Курс лекций доц. И.М. Шведов"

Транскрипт

1 Физика горных пород и процессов Курс лекций доц. И.М. Шведов

2 ЛЕКЦИЯ 4 РАДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

3 К РАДИАЦИОННЫМ СВОЙСТВАМ ГОРНЫХ ПОРОД ОТНОСЯТ ИХ ЕСТЕСТВЕННУЮ РАДИОАКТИВНОСТЬ, А ТАКЖЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАССЕЯНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ГОРНЫМИ ПОРОДАМИ ВНЕШНЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ. 3

4 РАДИАКТИВНОСТЬ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, СОСТОЯЩЕЕ ИЗ ЧАСТИЦ (ЗАРЯЖЕННЫХ И НЕЗАРЯЖЕННЫХ) И КВАНТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ. РАДИАЦИОННЫЙ ФОН ЗЕМЛИ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ОТ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ (ЕРН) НАХОДЯТСЯ В ПОЧВЕ, ГОРНЫХ ПОРОДАХ, ВОЗДУХЕ, ВОДЕ. ИСКУСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЕ (МЕДИЦИНА, НАУЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ДР.) 4

5 РАДИОАКТИВНОСТЬ (ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ЯДРА АТОМА СО ВРЕМЕНЕМ) ЭТО САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ НЕУСТОЙЧИВОГО ИЗОТОПА ОДНОГО ЭЛЕМЕНТА В ИЗОТОП ДРУГОГО ЭЛЕМЕНТА, СОПРОВОЖДАЮЩЕЕСЯ ИСПУСКАНИЕМ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ. ТАКИЕ ЯДРА ИЛИ АТОМЫ НАЗЫВАЮТСЯ РАДИОАКТИВНЫМИ, А САМО ЯВЛЕНИЕ НАЗЫВАЕТСЯ РАДИАКТИВНЫМ РАСПАДОМ. ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ СТРОЕНИЕ АТОМА ОСТАЕТСЯ НЕИЗМЕННЫМ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ ЯДРА АТОМОВ ПЕРЕСТРАИВАЮТСЯ И ОДИН ЭЛЕМЕНТ ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ДРУГОЙ 5

6 СТРОЕНИЕ АТОМА Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Ядро характеризуется тремя параметрами: А - массовое число, Z - заряд ядра, равный числу протонов, и N - число нейтронов в ядре. Эти параметры связаны между собой соотношением: A=Z+N. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элементов. Заряд ядра обычно пишут внизу слева от символа элемента, а массовое число - вверху ( Z Ar A ). Например, Аргон 18Ar 40 - ядро этого атома содержит 18 протонов и 22 нейтрона. Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов, называются изотопами 6

7 Для каждого радиоактивного вещества скорость распада ядер его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Характеристика скорости распада радиоактивных элементов - период полураспада Т 1/2. Это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. В таблице Менделеева более 100 химических элементов. Почти каждый из них представлен смесью стабильных и радиоактивных атомов, которые называют изотопами данного элемента. Например, у первого элемента таблицы Менделеева - водорода - существуют следующие изотопы: - водород Н-1 (стабильный),- дейтерий Н-2 (стабильный), - тритий Н-3 (радиоактивный, период полураспада 12 лет). 7

8 ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается в результате радиоактивного распада, который совершается самопроизвольно в результате внутриядерных процессов. Для каждого радиоактивного вещества скорость распада ядер его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Все радионуклиды распадаются в одном и том же порядке и подчиняются закону радиоактивного распада. 8

9 ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА За единицу времени распадается одна и та же часть имеющихся в наличии ядер атомов радиоактивного изотопа: -, где λ константа распада, с -1 N = N0 e -λt, T1/2 период полураспада промежуток времени для распада половины радиоактивного нуклида. (T1/2 для каждого элемента является определенной и постоянной величиной и может служить его диагностической признакам). T1/2 = =, N =N0e -0,693t/T 1/2 N0 начальное число атомов какого-нибудь радиоактивного элемента (например, в момент происхождения породы). N число атомов того же элемента спустя время t (например, настоящее время). 9

10 10

11 Радиоактивные изотопы обычно называют радионуклидами. Для измерения активности радионуклидов используется единица Беккерель (Бк), она соответствует одному распаду в секунду. Радионуклиды делятся на естественные, т.е. образующиеся в природе без участия человека, и техногенные, появившиеся в результате деятельности человека. Естественные радионуклиды делятся на «примордиальные», т.е. долгоживущие радионуклиды, образовавшиеся в недрах Земли несколько миллиардов лет назад, и космогенные, образующиеся в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения. НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ ПРИМОРДИАЛЬНЫЕ КОСМОГЕННЫЕ ТЕХНОГЕННЫЕ (ИЗВЕСТНО НЕСКОЛЬКО ТЫСЯЧ) ИЗОТОП Т ½, лет ИЗОТОП Т ½, лет ИЗОТОП Т ½, лет 238 U 4, H (тритий) 12, Pu 2, U 7, С 5, Cs 31,7 232 Th 1, Be 53,44 дня 90 Sr 2,86 40 K 1, Na 2,6 60 Co 5,27 87 Rb 4,

12 РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ (радиоактивные семейства) ряды радионуклидов, в которых каждый последующий образуется в результате радиоактивного распада предыдущего. Каждый из радиоактивных рядов начинается радионуклидом с большим периодом полураспада и заканчивается стабильным нуклидом. Известны 3 естественных радиоактивных ряда: 238 U, 232 Th, 235 U. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД 238 U РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД 232 Th 12

13 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ЕСТЕСТВЕННОГО γ - ИЗЛУЧЕНИЯ Естественное γ-излучение горных пород в основном определяется содержанием в них элементов К, U, Th при их следующем процентном распределении: К = 60 %; U = 30 %; Th = 10 %. Массовые содержания K, U, Th можно выделить из суммарного γ-излучения, поскольку указанные элементы имеют неодинаковые энергии излучения КАЛИЙ образуется преимущественно из силикатов магматических пород, полевых шпатов, слюд, которые преобразуются в различные глинистые минералы. Большая часть калия поступает в породы из водных растворов. УРАН образуется из силикатов магматических пород. Отмечается его высокая миграционная способность благодаря образованию хорошо растворимого уран-иона (Урания-иона) UО 2+. ТОРИЙ продукт силикатов магматических пород. Соединения Th нерастворимы, при выветривании они концентрируются в бокситах, тяжелых и глинистых минералах. 13

14 ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН РАДИОАКТИВНОСТИ Систему величин условно разделяют на две части: 1. Радиометрические величины, служащие для характеристики источников и полей ионизирующего излучения. 2. Дозиметрические величины, используемые для целей радиационной защиты и безопасности, и служащие для характеристики воздействия излучения на человека и разделяются на две большие группы, которые включают базовые дозиметрические величины и эквидозиметрические величины. 14

15 ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН РАДИОАКТИВНОСТИ 15

16 Величиной, отражающей взаимодействие поля косвенно ионизирующего излучения с веществом, является керма (Русская транслитерация английской аббревиатуры термина kinetic energy released in material) (kerma). Она определяется как отношение среднего значения суммы начальных кинетических энергий всех заряженных ионизирующих частиц (электронов, позитронов, протонов альфачастиц и др.), образовавшихся под действием ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе вещества в этом объеме: Здесь de tr полная средняя кинетическая энергия заряженных частиц, высвобождаемых элементарном объеме; dm масса этого объема. Единица кермы Дж/кг называется грей (Гр). 16

17 ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН Основной вклад в естественный радиационный фон среды вносят радиоактивные вещества, содержащие радионуклиды семейств урана 238, тория 232, калий 40, а также излучения радионуклидов образующихся при взаимодействии космических лучей с элементами атмосферы и земной коры. Это в основном тритий, углерод 14, бериллий 7, кремний 32, натрий 22. Для средних широт космический фон создает мощность экспозиционной дозы на поверхности земли от 1 до 3 мкр/ч. В естественном радиационном фоне выделяют так называемый технологически измененный естественный радиационный фон, который представляет излучения от природных источников, претерпевших определенные изменения в результате хозяйственной деятельности человека. Добываемые полезные ископаемые (фосфаты, сланцы, нефть, газ и увлекаемые с ними пластовые воды) выносят на дневную поверхность многие химические вещества, включая и естественные радионуклиды. Их количественное содержание в земных породах колеблется в широких пределах, в результате чего уровни радиоактивных загрязнений в прилегающих районах различны от незначительного превышения естественного фона до величин, представляющих определенную опасность для здоровья персонала и населения. 17

18 РАДИОАКТИВНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД Радиоактивность горных пород определяется содержанием в них радиоактивных элементов - членов радиоактивных рядов 92(238)U, 92(235)U, 90(232)Th и радиоактивного изотопа 40(19)K. Содержание др. радиоактивных изотопов (87(37)Rb рубидий) составляет около 2, % (весовых), тория 1, %, радиоактивного изотопа калия 0,029 %. Кроме того, в горных породах присутствуют продукты распада радиоактивных элементов, которые иногда мигрируют в окружающие породы и образуют в земной коре струи подземных газов (Не, Ar и т.д.). В почвах накапливается Rn -радон, имеющий радиогенное происхождение. Среди изверженных горных пород наибольшей радиоактивностью обладают кислые, наименьшей ультраосновные породы. В кристаллических горных породах радиоактивные элементы частично входят в состав акцессорных минералов, Ортита, Циркона, Монацита, Апатита, Сфена и др., а также частично присутствуют в форме окислов, химически не связанных с определѐнными минералами 18

19 19

20 Содержание радиоактивных элементов в осадочных горных породах определяется их происхождением; максимальные концентрации в органогенных осадках обусловлены присутствием углерода органического происхождения, фосфатов и др. веществ, являющихся важными осадителями урана (напротив, хемогенные осадки гипс, каменная соль отличаются низкой радиоактивностью). В почвах отношение Th к U значительно выше, чем в коренных (массивных) породах, что связано с накоплением Th в неразрушенных остатках пород и миграцией легкоподвижного U. В молодых глубоководных морских отложениях наблюдается значительное накопление иония (естественный радиоактивный изотоп тория (Iо, или Th230). Член радиоактивного ряда урана, дочерний продукт un. Является α- и γ-излучателем; период полураспада 8, лет.), в десятки раз большее по сравнению с равновесным его содержанием в уране. Это обусловлено химическими особенностями иония, благоприятствующими выпадению его из воды с осадками, в отличие от U, удерживающегося в растворе. 20