Ядерно-физические свойства

Радиоактивность - это свойство ядер некоторых элементов самопроизвольно превращаться (распадаться) с изменением со­става и энергетического состояния. Радиоактивность является внутренним свойством ядер, не зависит от внешних условий их су­ществования и связана с соотношением ядерных сил.

Ядро состоит из положительно заряженных протонов, коли­чество которых определяет заряд ядра и порядковый номер эле­мента в периодической системе, и электрически нейтральных ней­тронов; сумма протонов и нейтронов (нуклонов) равна атомному весу элемента. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными силами. Они носят обменный характер, т.е. между про­тонами и нейтронами в ядре происходит постоянный обмен π-мезоном.

Основным свойством ядерных сил, влияющим на радиоактив­ность, является их короткодействие. В ядре каждый нуклон ядер­ными силами связан не со всеми нуклонами, а только с близлежа­щими. Радиус действия ядерных сил порядка 10^{-15 м. Ядро такого размера, в котором ядерные силы достигают насыщения, наиболее устойчиво. Это ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами, или α-частица, если это ядро имеет кинетическую энергию. Ядра других элементов, которые могут быть составлены из ядер гелия, обладают также максимальной устойчивостью и наибольшей рас­пространенностью в горных породах. Это ядра элементов кислоро­да (8 протонов и 8 нейтронов), кремния (14, 14), кальция (20, 20). Напротив, ядро бериллия, состоящее из 5 нейтронов и 4 протонов (2 α-частицы+нейтрон), аномально неустойчиво, распадается при облучении гамма-квантами относительно небольшой энергии.}

Энергия связи нуклонов в ядре может быть легко рассчитана:

E = Δm·c²

где Δm - дефект массы; с — скорость света в вакууме. Расче­ты показывают: чем сложнее ядро, чем больше в нем протонов и нейтронов, тем меньше энергия связи в расчете на нуклон. Поэ­тому радиоактивность — это свойство преимущественно тяжелых элементов. Все элементы, порядковый номер которых больше 81 (таллий), являются радиоактивными или содержат радиоактивные изотопы.

В горных породах наблюдаются в основном три вида радиоак­тивных превращений. Альфа-превращение заключается в испуска­нии ядром α-частицы. Примером такой реакции в горных породах может служить α-превращение радия в радиоактивный газ радон:

Бета-превращение состоит в испускании ядром β-части­цы (электрона) при преобразовании в ядре нейтрона в протон (n→p+e^- ) — 88 % ядер радиоактивного изотопа ⁴⁰К испытывает этот тип превращения.

В 12 % случаев ядро ⁴⁰К превращается в виде электронного за­хвата, заключающегося в захвате ядром электрона с внутреннего К-слоя и превращении протона в нейтрон:

Образовавшиеся в ходе радиоактивного превращения ядра чаще всего оказываются в возбужденном состоянии. Переходя в нормальное состояние, они излучают избыток энергии в виде гам­ма-квантов.

Гамма-излучение — это жесткое электромагнитное излучение, сопровождающее ядерные превращения. Энергия γ-излучения ин­дивидуальна для каждого вида ядер и является параметром конк­ретного ядерного превращения. Так, при превращении радия в ра­дон испускается гамма-квант энергии 0,19 МэВ, поскольку именно такая разница между энергиями возбужденного и нормального со­стояний имеет место у радона.

В сравнении с другими видами электромагнитного излучения гамма-излучение характеризуется большей энергией и большей частотой колебаний. Последнее вытекает из уравнения:

E = ћ·ν,

где ћ — постоянная Планка; ν — частота.

Для гамма-излучения более характерны корпускулярные, не­жели волновые, свойства. Гамма-излучение можно представлять как поток частиц массы m = ћ·ν/c², распространяющихся со скоро­стью света. Благодаря значительно более высокой проникающей способности γ-лучей в сравнении с α- и β-частицами, в методах разведочной геофизики используется в основном γ-излучение.

Время распада отдельно взятого ядра предсказать невозможно, так как радиоактивное превращение — явление случайное. Законо­мерность проявляется для большого числа атомов. Она выражена законом радиоактивного превращения, заключающимся в том, что количество превращающихся ядер пропорционально имеющемуся количеству радиоактивных ядер. Коэффициент этой пропорцио­нальности есть параметр распадающегося атома λ и имеет смысл вероятности распада за единицу времени.

В интегральном виде закон радиоактивного превращения отра­жает изменение количества радиоактивного вещества со време­нем:

где t— время с начала превращения; N₀, N - количество атомов превращающегося элемента, соответственно, в момент времени 0 и t.

Более удобным для использования параметром распадаю­щегося ядра является период полураспада Т_1/2, зависящий только от λ:

Т_1/2 = ln2/λ.

Период полураспада равен времени, за которое превращается половина атомов. Так, если период полураспада радона 3,82 суток, то именно через это время в воде, взятой из радонового источника, останется всего половина атомов радона. Приближенно через 10 Т_1/2, т. е. через 38 дней, все атомы радона распадутся. Ниже приво­дятся периоды полураспада наиболее распространенных радиоак­тивных изотопов горных пород:

Отметим, во-первых, низкое содержание радиоактивных эле­ментов в земной коре. Сравним, например, с распространеннос­тью таких породообразующих элементов, как Si (27,7 %) или Са (3,63 %). Содержание других радиоактивных элементов еще ниже. Во-вторых, у урана, тория и калия очень большой период полу­распада, т.е. они относительно слаборадиоактивные элементы. Например, радий распадается в миллионы раз быстрее, чем уран, а радон — в миллиарды раз. Но во столько же раз этих элементов меньше в земной коре в сравнении с ураном. В этом проявляется зависимость распространенности элемента в природе от стабиль­ности его ядра.

Если при превращении ядра ⁴⁰К образуются сразу стабильные изотопы Са и Аг, то при распаде ядер урана и тория вновь образо­ванные изотопы также являются радиоактивными. Вслед за распа­дом U и Th тянутся целые цепочки радиоактивных превращений, заканчивающиеся образованием стабильных изотопов свинца. Изотопы элементов, участвующие в этих последовательных пре­вращениях, образуют так называемые радиоактивные ряды, родо­начальниками которых являются уран и торий. Так, радий и радон входят в состав уранового ряда.

Главной особенностью радиоактивных рядов является та, что наиболее долгоживущим (наименее радиоактивным) элементом ряда является его родоначальник, т.е. уран или торий. Все осталь­ные элементы ряда распадаются быстро. Это обстоятельство, а также экспоненциальный характер закона радиоактивного пре­вращения приводят к важному свойству радиоактивных рядов — Оно проявляется в неизменности количеств элементов середины ряда, поскольку число распадаю­щихся и образующихся атомов уравновешено. Количества атомов радиоактивных элементов ряда взаимосвязаны между собой и с количеством атомов родоначальника, т.е. урана или тория:

λ₁·N₁ = λ₂·N₂ =... = λ_i·N_i =... = λ_n·N_n,

где λ_i — постоянная распада i-го элемента ряда; N_i — коли­чество атомов этого элемента. Согласно соотношению, зная количество атомов одного элемента ряда, можно определить коли­чество всех остальных.

Произведение λ·N=A называется активностью вещества. Учи­тывая смысл λ, как вероятности распада за единицу времени, ак­тивность равна числу распадающихся атомов за единицу времени. Активность в один распад в секунду называется беккерелем (Бк).

Согласно уравнению радиоактивного равновесия, актив­ность элементов ряда может быть выражена через активность его родоначальника:

A = n·λ·N

где n — количество элементов в ряду.

Иными словами, чтобы оценить радиоактивность уранового или ториевого ряда, достаточно знать количество урана или тория. Это обстоятельство очень упрощает изучение радиоактивности по­род, так как в случае радиоактивного равновесия отпадает необхо­димость в определении содержаний тех радиоактивных элементов, которые входят в состав рядов.