Физические основы ядерной геофизики

Общие положения.

Важнейшей характеристикой ядерных излучений явля­ется энергия частицы (γ -кванта), выражаемая внесистемной единицей элект­рон-вольт (эв): 1 эв = 1.6*10^-12 эрг (СГС) = 1.6*10^-19 Дж (СИ).

Поле ядерных излучений характеризуется плотностью, плотностью потока и интенсивностью излучения.

Плотность частиц (γ -квантов) N – это число частиц (γ -квантов), находя­щихся в данный момент времени в единице объема среды N = n /V, где n – число частиц (γ -квантов). Единица измерений – n/м³ (n/cм³).

Плотность потока частиц (γ -квантов) Ф – это число частиц (γ -кван­тов), падающих в 1 секунду на единичную площадку, перпендикулярную на­правлению параллельного потока частиц (γ -квантов). Ф = nv, где v – скорость частиц (γ -квантов) в среде. Единица измерения n/(м²*с) или n/(см²*с).

Интенсивность излучения I – это энергия излучения, падающая в еди­ницу времени на единичную площадь, которая измеряется в Вт/(м²*с). Для моноэнергетического пучка частиц с кинетической энергией Е: I = ФЕ.

Если на мишень падает перпендикулярно поток частиц (γ -квантов), то число взаимодействий Nв, происходящих в единицу времени на единице пло­щади мишени, оказывается равным Nв = σ ФN, где N – число атомов на 1 см² площади мишени, σ – коэффициент, характеризующий вероятность взаимо­действия, т.е. среднее число взаимодействий, приходящихся на один атом при единичном потоке частиц (квантов). Коэффициент σ имеет размерность площади и измеряется в см² (м²). σ можно представить как поперечное сечение шара, при попадании частицы в который происходит взаимодействие между частицей и атомом, поэтому σ называют эффективным сечением взаимодействия. Величина 10^-24 см² называется барн и принята в качестве внесистемной единицы сечения взаимодействия.

Суммарное сечение всех атомов в единице объема вещества называется макроскопическим сечением взаимодействия и обозначается Σ. Для моноэле­мен­тного вещества (состоящего из атомов одного элемента) Σ = σ N, где N –число атомов в единице объема. Для среды сложного состава, состоящей из атомов нескольких типов:

где Ni – число атомов i-типа в единице объема вещества, σ i – сечение взаимо­дей­ствия для атомов i-типа.

Альфа-распад.

α -распадом называется самопроизвольный (спонтанный) процесс испускания ядром Я(A, Z) (A – атомная масса ядра, Z – порядковый номер или заряд ядра) ядра гелия ₄He²⁺ (α -частицы) с освобождением энергии Δ Е_α в форме кинетической энергии α -частицы и дочернего ядра Я(A-4, Z-2). При условии, что исходное ядро находится в состоянии покоя, подавляющая часть кинетической энергии, выделяющейся при α -распаде, уносится α -частицей, и лишь незначительная доля (менее5%) приходится на ядро-продукт. Условием энергетической возможности α -распада является отрицательная величина энергии связи α -частицы в исходном ядре:

где: M(A, Z) – масса исходного ядра; M(A-4, Z-2) – масса дочернего ядра, М_α – масса α -частицы, с – скорость света. Это выражение получено из формулы Энштейна Е=мс2.

Кинетическая энергия α -частиц при распаде естественных радиоактив­ных элементов не превышает 10 Мэв, периоды полураспада изменяются в ши­роких пределах: от 10^-7 сек до 10⁷ лет. Энергетический спектр α -частиц при распаде данного ядра дискретен, т.е. имеет строго определенную энергию.

Бета-распад.

β -распадом называется процесс спонтанного превращения нестабильного ядра в ядро с зарядом, отличным на Δ Z=±1. Известны три вида β -распада: β - - распад (е-), β +-распад (е+) и е-захват (к-захват).

Примером электронного β - -распада является распад трития ₃Н¹ → ₃Не². В конечном итоге β - -распад трития сводится к превращению нейтрона в протон, энергия β -распада – 18 кэв.

Примером позитронного β +-распада является распад ядра ₁₁С⁶ → ₁₁В⁵. В этом случае β +-распад ядра ₁₁С⁶ сводится как бы к превращению одного протона в нейтрон. Это превращение надо понимать условно, т.к. масса про­тона меньше массы нейтрона. Следовательно, позитронный распад свобод­ного протона невозможен, в отличие от электронного распада нейтрона. Однако для протона, связанного в ядре, подобное превращение возможно, т.к. недостающая энергия восполняется ядром. Энергия β +-распада ядра ₁₁С⁶ составляет примерно 1 Мэв.

Третий вид β -радиоактивности – электронный за­хват (е-захват). Он заключается в захвате яд­ром электрона из электронной оболочки собственного атома. В результате образуется вакансия в электронной оболочке, которая заполняется электро­ном с более высокого уровня. Поэтому е-захват сопровождается рентгенов­ским излучением, по энергии соответствующим разности энергий электрон­ных уровней того электрона, который заполнил вакансию. е-захват имеет существенное значение для тяжелых ядер, у которых К-оболочка располо­жена близко к ядру (К - захват). Наряду с К - захватом наблюдаются, но значительно реже, L - M – захваты. Примером К – захвата у легких ядер является ядро ₇Ве⁴, захватывающее К – электрон и превращающееся в ядро ₇Li³, энергия β -излучения 0.86 Мэв.

Следует отметить, что β -распады ядер возможны различными спосо­ба­ми одновременно. Например, β -распад ₅₂Mn²⁵ → ₅₂Cr²⁴ происходит за счет β +-распада – 35% случаев распада, а 65% - за счет К – захвата. β -распад ₆₄Cu²⁹ в 40% случаев испускает электрон, в 40% случаев – электронный захват и в 20% случаев испускает позитрон.

В процессе β -распада испускаются частицы всех энергий – от нуля до Еmax, т.е. энергетический спектр β -распада непрерывен. В случае β —-распада Еmax приблизительно равна разности исходного и конечного энергетических состояний ядра. Средняя энергия Eb электронов, испуска­е­мых тяжелыми ядрами, обычно составляет около 1/3 от Еmax. Для естест­венных радиоактивных элементов Еmax β - -распада заключена в пределах 0.25 ÷ 0.45 Мэв. Спектры β -- распада легких ядер более симметричны, для них Eb ≈ 0.5* Еmax.

Некоторые радиоактивные ядра обладают двумя и более периодами полураспада для испускаемого ими β -излучения. О таких ядрах говорят, что они могут существовать в двух изомерных состояниях. Наличие у ядра двух периодов полураспада можно объяснить, если предположить, что ядро может существовать в двух изомерных состояниях – основном и возбужденном, долгоживущем (метастабильном).

Рассмотрим β -распад изотопа ₈₀Br³⁵. Исходное ядро ₈₀Br³⁵, образующееся в результате захвата нейтрона ядром ₇₉Br³⁵, в первоначальный момент существования находится в сильно возбужденном состоянии. Снятие возбуждения происходит за счет последовательных переходов ядра во все более низкие энергетические состояния с одновременным испусканием γ -квантов. При наличии метаста­бильного состояния переходы могут происходить двумя различными путями. По способу I, ядро быстро (≈ 10^-13 сек) приходит в основное состояние, из которого испускает β - - частицы с периодом полураспада 18 минут. При способе II ядро быстро приходит в метастабильное основное состояние _80mBr³⁵, из которого медленно, с периодом полураспада 4, 4 часа, переходит в основное состояние с последующим испусканием β - - частицы. В результате этого одного процесса мы имеем два периода полураспада β -излучения и четыре энергии γ -квантов. Ядерная изомерия широко применяется при созда­нии искусственных источников γ -квантов, в большинстве которых использу­ется β - - распад радиоактивного изотопа. Например, широко применяемый в рудной геофизике источник ₇₅Se, испускает γ -кванты четырех энергий: 76 Кэв (11%), 138 Кэв (18%), 270 Кэв (60%) и 400 Кэв (11%).

Нейтронное излучение.

Нейтрон представляет собой нейтральную по заряду элементарную частицу, которая совместно с протоном входит в состав ядер атомов. Масса нейтрона примерно равна массе протона, в свободном состоя­нии неустойчив и распадается по схеме n → p + e- + γ -квант с периодом по­лу­распада 11, 7 минут. Поскольку, в целом, нейтроны электронейтральны, они в сравнении с другими элементарными частицами, проходят значитель­ные расстояния в веществе.

Энергия нейтрона обусловлена его кинетической энергией и связана со скоростью движения нейтрона в вакууме эмпирическим соотношением

где: Е – энергия нейтрона, эВ; V – скорость движения, м/сек.

В зависимости от энергии, нейтроны подразделяются на: холодные (с энергией менее 0, 025 эв), тепловые (≈ 0, 025 эв), надтепловые (0, 03 ÷ 100 эв). Эта классификация принята в ядерной энергетике. В физике высоких энергий принята следующая классификация нейтронов: резонансные нейтроны (1 ÷ 100 эв), медленные (0, 1 ÷ 1000 эв), промежуточные (1 ÷ 500Кэв), быстрые (0, 5 ÷ 10 Мэв) и очень быстрые (более 10 Мэв).

В силу электронейтральности, нейтроны в веществе взаимодействуют только с ядрами атомов. С электронами атомов нейтроны практически не взаимодействуют потому, что масса нейтрона на три порядка больше массы электрона.