Файл: Баранов, В. И. Радиогеология учебник.pdf

С точки зрения геологии, их радиоактивность не имеет ника­ кого значения, так как за время существования Земли (около 5 млрд. лет) доля превращающихся атомов лежит ниже чувстви­ тельности аналитических методов. Поэтому для радиогеолога ра­ диоактивными являются изотопы, период полураспада которых меньше 101 2 лет.

Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются процессы превращения атом­ ных ядер в результате их взаимодействия с элементарными части­ цами, электромагнитным излучением или другими ядрами.

дукты реакции. Таким образом, в ядерной реакции участвуют по крайней мере четыре частицы (имеются в виду и ядра): ядромишень, бомбардирующая частица, ядро-продукт, частицы, возни­ кающие в результате реакции.

Во всех ядерных реакциях соблюдается закон сохранения суммарного электрического заряда. В обычных ядерных реакциях сохраняется также и общее число нуклонов.

Запись ядерной реакции аналогична записи химической реак­ ции. В качестве примера можно привести первую ядерную реак­ цию, осуществленную Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардиров­ ке азота альфа-частицами. В результате реакции возникали ядра кислорода и протоны: + гНе->- 1н + ^О. Часто пользуются сокращенной записью: 1 4 N(a, р ) 1 7 0 .

площадь поперечного сечения эффективного объема атомного ядра, при попадании в который бомбардирующая частица должна вы­ звать ядерную реакцию. Величины сечений ядерных реакций име­

Для того чтобы реакция произошла, реальная энергия бомбарди­ рующих частиц должна превосходить энергетический порог на ве­ личину кинетической энергии вылетающих частиц и ядра отдачи. Так, энергетический порог реакции 7 Li(p, л) 7 Ве равен 1,6 мэв, а

13

бардирующих частиц на реакции под действием нейтронов, заря­

гиях. Реакции при малых энергиях (примерно до нескольких элек­ трон-вольт) происходят в основном при участии нейтронов. Реак­ ции под действием заряженных частиц в этом случае возникнуть не могут, так как в отличие от нейтронов подобные частицы долж­

Характер продуктов реакции определяется полным количе­ ством энергии, приобретенной ядром, и природой ядра-мишени. Если энергия, полученная ядром при бомбардировке, недостаточна для испускания нуклона, то часть этой энергии (или вся энергия) будет отдана ядром в виде у-излучения. Такие реакции называют­ ся радиационным захватом и часто возникают под действием ней­ тронов малых энергий— (п, у). При средних энергиях могут испу­ скаться нейтроны, протоны, а-частицы, дейтроны, иногда — неко­ торые другие частицы. Испускание нейтронов при сравнительно небольших энергиях реакции — наиболее вероятный процесс, так как для нейтронов не существует кулоновского барьера. Это в осо­ бенности относится к тяжелым ядрам, где барьер наиболее высок. Для легких ядер, кулоновский барьер которых сравнительно мал, возможно также испускание а-частиц и протонов. Другие частицы

При бомбардировке тяжелых ядер нейтронами может проис­ ходить деление ядер. Образуются два ядра-осколка неравной вели­ чины и несколько нейтронов. Как правило, продукты деления яв­ ляются радиоактивными изотопами элементов средней части^таб­

14

§ 2. ЗАКОНЫ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Превращение, или, как его часто называют, распад радиоак­ тивного ядра, подчиняется совершенно определенному закону, согласно которому за произвольно выбранный малый промежу­ ток времени распадается определенная доля наличного количества радиоактивных ядер, что можно выразить математической фор­ мулой

Более наглядной характеристикой скорости распада радиоизотопа служит величина периода полураспада Т—времени, в течение которого распадается половина наличного числа атомов радиоизо­

ся в том, что распад, или превращение отдельного атома, есть явление случайное, подчиняющееся закону теории вероятностей. Радиоактивная постоянная К есть вероятность распада данного изотопа за единицу времени. Отсюда следует, что формула распа­ да является точной только в среднем для большого числа распа­ дающихся атомов, а для отдельного атома теряет свой смысл, так как невозможно предсказать заранее, через сколько времени рас­ падается отдельный атом. Практическое следствие отсюда-—суще­ ствование радиоактивных флуктуации, т. е. колебаний вокруг среднего значения числа атомов, фактически распадающихся за данный промежуток времени.

Из теории вероятностей вытекает, что среднее отклонение при

расчетные формулы для вычисления ошибок измерений за счег статистического характера радиоактивного распада (см. ниже).

15

При радиоактивном распаде, сопровождающемся испусканием •заряженной частицы, меняется заряд ядра, а следовательно, и ме­ сто, занимаемое элементом в периодической системе. «Правила смещения», сформулированные на основании эмпирических данных К. Фаянсом и Ф. Содди, вытекают непосредственно из теории строения атома и могут быть сформулированы следующим обра­ зом:

1. После испускания а-частицы продукт превращения сме­ щается на 2 места влево в периодической системе; массовое число -уменьшается на 4 единицы.

2.При испускании отрицательной (3-частицы продукт превра­ щения смещается на одно место вправо; массовое число не изме­ няется.

3.При испускании положительной |3-частицы продукт превра­ щения смещается на одно место влево.

4. Испускание у _ л У ч е н н е меняет химической природы атома.

§3. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА РАДИОИЗОТОПОВ ПРИ РАСПАДЕ

ИОБРАЗОВАНИИ

•изотопов задача расчета их количеств для какого-либо момента времени при заданных начальных условиях может быть всегда доведена до конца.

Ниже приводятся примеры расчета количества радиоизотопов для наиболее важных случаев, встречающихся на практике. В са­ мом простом случае распада отдельного радиоизотопа можно вос­ пользоваться для расчета непосредственной формулой радиоактив­ ного распада

N = N0e~M.

Любое действие радиоизотопа на вещество изменяется пропор­ ционально изменению количества радиоизотопа. Поэтому форму­ лами, выведенными для числа атомов, можно непосредственно -пользоваться во всех случаях применения данного радиоизотопа.

Законом радиоактивного распада для расчета количества отдельного радиоизотопа можно пользоваться различными спосо­ бами.

16