Свойства горных пород по отношению к нейтронному и гамма-излучению

Свойства горных пород, связанные с присутствием в них ра­диоактивных элементов, проявляют себя естественным образом, без воздействия извне. Если же породу облучать каким-либо видом радиоактивного излучения, то проявится другая группа её свойств, связанная с реагированием породы на это излучение. Эксперимен­ты показывают, что при этом изменяется и порода, и излучение, т.е. имеет место взаимодействие. Со стороны излучения основным качеством, влияющим на его взаимодействие с породой, является энергия. Она в ходе взаимодействия радиоактивных частиц с поро­дой изменяется (теряется), характер взаимодействия меняется, что вынуждает горную породу проявлять в ходе взаимодействия уже качественно иные свойства.

В разведочной геофизике для оценки состава пород по их взаимодействию с радиоактивным излучением используются пре­имущественно два вида частиц: нейтроны и гамма-кванты. Это связано с повышенной способностью данных незаряженных час­тиц проникать в глубь породы, а также со сравнительно простым способом получения источников гамма- и нейтронного излучения.

Понятие сечения взаимодействия

Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов горной породы, гамма-кванты — с ядрами, атомами и электронами. Взаимодействие носит статистический характер, т. е. на конкретном участке поро­ды оно может произойти или не произойти, проявиться в том или ином качестве. Важно оценить степень возможности каждого вида взаимодействия, влияния на неё состава породы и свойств частиц.

Пусть на плоскую поверхность породы падает параллельный пучок частиц, поток которых обозначим N₀. Частицы, проходя через горную породу, могут с ней взаимодействовать: из­менить свое направление движения (рассеяться) или поглотиться. Поток частиц, не взаимодействовавших с горной породой на рас­стоянии х от её поверхности, обозначим N, а число взаимодейству­ющих частиц на следующем малом отрезке dx — dN.

Тогда очевид­но соотношение

dN = -µ·N·dx

где µ, имеет смысл вероятности взаимодействия частицы с породой на единичном расстоянии. Поскольку в ходе взаимодей­ствия теряется энергия частиц, т.е. происходит ослабление излуче­ния, µ называют линейным коэффициентом ослабления.

Интегрирование этого выражения приводит к закону ослабле­ния излучения в породе

N = N₀·e^-µ·x

Коэффициент ослабления зависит от свойств (энергии) излу­чения, от свойств атомов в горной породе, а также от количества последних в единице объема породы. Удобно использовать в качес­тве параметра величину, зависящую от меньшего числа перемен­ных. Таким параметром является сечение взаимодействия δ, связан­ное с µ простым соотношением:

δ = µ/n

где n — число атомов (ядер) в единице объема породы.

Сечение взаимодействия имеет смысл вероятности взаимо­действия нейтрона (гамма-кванта) с атомом (ядром, электроном), находящимся в единичном объеме. Оно имеет размерность площа­ди и может быть представлено как часть единичной поверхности, которая оказывается «непроходимой» для частицы. Порядок се­чения взаимодействия составляют 10^{-28 м2} и называется барном.

Процессы взаимодействия гамма-квантов с горными породами

Существуют три вида взаимодействия: поглощение гамма-кванта атомом или ядром и рассеяние гамма-кванта электронами. Какой из видов взаимодействия будет наиболее веро­ятен, зависит от энергии гамма-квантов и от свойств породы.

Фотоэлектрическое поглощение энергии гамма-кванта проис­ходит на атомах горной породы. Энергия гамма-кванта расходует­ся на преодоление энергии связи электрона на i-й оболочке и на сообщение электрону кинетической энергии.

Чтобы электрон не вылетал из атома со скоростью, близкой к предельной скорости света, энергия гамма-кванта должна быть соизмерима с энергией связи электрона в атоме. Поэтому процесс фотопоглощения характерен для гамма-квантов низкой энергии и для атомов с большим порядковым номером z, пос­кольку чем больше заряд ядра, тем больше энергия связи электро­нов. E_i больше на внутренних слоях, поэтому при фотопоглощении гамма-кванта электрон вырывается с внутренних К или L-слоях. Сечение фотоэлектрического взаимодействия зависит от z и hv.

Реальные горные породы состоят из нескольких элементов с различными z. Для полиэлементной горной породы вводится понятие эффективного порядкового номера z_эф. Для этого делается предположение о равенстве эффекта фотопоглощения в породе с z_эф и в моноэлементарной среде с порядковым номером z. z_эф, а значит и вероятность фотоэлектрического поглощения, сильно зависят от присутствия и содержания в породе тяжелых элементов (рудные элементы). Например, для железа порядковый номер – 26, свинца – 82, в то время как безрудная горная порода имеет z_эф порядка 12-14.

Комптоновское рассеяние заключается во взаимодействии гам­ма-квантов с электронами горной породы. Этот вид взаимодейс­твия возможен для гамма-квантов, энергия которых превышает энергию связи электрона в атоме, так что взаимодействие происхо­дит со свободным электроном. Процесс более характерен для сред с низкими значениями z. Его можно рассматривать как столкновение двух шариков, исход которого зависит от их массы, с одной стороны, постоянной массы электрона, с другой,-завися­щей от энергии массы гамма-кванта.

В результате взаимодействия гамма-квант рассеивается — те­ряет часть энергии и изменяет направление движения. Энергия рассеянного гамма-кванта зависит от энергии падающего и от угла рассеивания.

Наибольшие потери энергии происходят при рассеивании на больший угол; чем больше энергия гамма-кванта, тем большая её часть теряется при рассеянии.

Сечение комптоновского рассеяния сложным образом зави­сит от энергии гамма-излучения. Коэффициент ослабления гам­ма-излучения за счет комптоновского рассеяния зависит также от плотности породы и электронной плотности и практи­чески не зависит от вещественного состава породы, определяемого z.

Ядерное поглощение характерно для гамма-квантов с высокой энергией и сред с высокими z. Процесс заключается в исчезновении гамма-кванта вблизи ядра и образовании за счет его энергии двух частиц — электрона и позитрона. Этот эффект имеет пороговое значение энергии, равное энергии покоя электрона и позитрона. Сечение ядерного поглощения про­порционально z² и сложным образом зависит от энергии гамма-кванта.

В ходе всех трех процессов взаимодействия теряется энергия гамма-излучения. Полное сечение взаимодействия будет представ­лять сумму сечений всех трех взаимодействий, каждое из которых характерно для определенных энергий гамма-квантов: гамма-кванты низкой (<0,5 МэВ) и высокой (>3 МэВ) энергий горная порода преимущественно поглощает, причем тем интенсив­нее, чем выше её эффективный порядковый номер, а гамма-кван­ты средних интервалов энергий - преимущественно рассеивает, и этот процесс не зависит от элементного состава породы.