Лекция 7 Краткая теория радиационного поля и его

Лекция 7. Краткая теория радиационного поля и его изучение в радиометрии и ядерной геофизике Различают естественную и наведенную (искусственно созданную) радиоактивность. Естественная радиоактивность – это физикохимический процесс самопроизвольного распада неустойчивых ядер атомов, подчиняющийся определенному статистическому закону. Процесс сопровождается: • изменением строения, состава, энергией ядер; • испусканием квантов; • выделением радиогенного тепла; • ионизацией (превращением атомов и молекул в ионы) газов, жидкостей и твердых тел.

Радиоактивному распаду подвергается достаточно большое количество химических элементов, в основном с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82. Известно более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов с различным числом нейтронов). Однако основной вклад в естественную радиоактивность вносят три радиоактивных элемента U (уран), Th (торий) и К (калий). Они находятся в горных породах и других природных объектах в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов. Их вклад следующий: К ≈ 60%, U ≈ 30%, Th ≈ 10%.

Интенсивность естественного γ-излучения (Jγ) наибольшая у К и наименьшая у Th. Излучение происходит при различных энергиях. γ-излучение имеет наибольшее значение при формировании естественной радиоактивности, поскольку α- и β-частицы при взаимодействии с веществом испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью. α-частицы, например, задерживаются обычным листом бумаги, β-частицы - тонкой свинцовой пленкой.

Спектр естественного -излучения 40 К, 238 U, 232 Th • ЕК = 1, 46 Мэ. В • ЕU = 1, 76 Мэ. В • ЕTh = 2, 42 Мэ. В

Закон радиоактивного распада выражается формулой: , где d. N – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt, λ постоянная распада. связана с другой единицей Т 1/2 – периодом полураспада соотношением: Т 1/2 = 0, 693/λ.

Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15– 18 изотопов. Конечный продукт – радиогенный свинец. Родоначальники радиоактивных семейств (U, Th) относятся к долгоживущим элементом. У них Т 1/2 > 108 лет. В состав семейств урана входят радий (Ra) с Т 1/2 = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т 1/2 = 3, 82 суток.

При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия: Калий (40 К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений.

Наведенная (искусственная) радиоактивность преимущественно связана с гамма- и нейтронным излучением. -кванты – электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные α- и β-частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 1018 Гц). Проникающая способность -квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах -излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях.

Спектр многократно рассеянного -излучения в горных породах

Нейтронное излучение – возникает при ядерных реакциях. Нейтроны являются электронейтральными частицами и обладают, наибольшей проникающей способностью из всех видов излучений. Нейтроны возникают при взаимодействии α-частиц с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др. ) Нейтроны по энергетическому спектру (Е = 107– 10 -3 э. В) разделяются на группы: быстрые промежуточные медленные резонансные надтепловые холодные.

При взаимодействии нейтронов с природными объектами выделяются по времени два основных процесса: 1) замедление быстрых нейтронов (t < 10 -2 c); 2) диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c). Оба процесса сопровождаются ядерными реакциями n-n, n- и др. типов. Происходит испускание и вновь образованных нейтронов и -квантов (вторичное -излучение).

Характеристика радиационного поля Земли Поле ионизирующих излучений (поле естественной радиоактивности) присуще Земле, как космическому объекту. Его проявление на поверхности Земли играет в экологии большую роль. Суммарное радиационное поле Земли складывается из: 1) космического излучения; 2) радиоактивного распада элементов земной коры; 3) дегазации вследствие выхода на поверхность радиоактивных газов (радон Rn, торон Tn).

В результате суммарного радиоактивного излучения на дневной поверхности формируется радиационный фон. В этом фоне доля космического излучения около 50% и составляет 3 -6 мк. Р. С увеличением высоты космический радиационный фон возрастает в среднем на 1, 5 мк. Р на каждый километр отметки рельефа местности. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. При этом радиоактивность этих пород неодинакова.

Средними по радиоактивности считаются породы, в которых кларковые содержание не превышает 2, 5 (2, 5 г/т). Повышенная радиоактивность обусловливается наличием урана с образованием радиоактивных газов (радона и торона). Тысячная доля содержания урана в общей массе создает радиоактивность в 5 мк. Р/час. Радиоактивный фон повышается и в участках земной коры, содержащих кроме урана и тория калий, концентрация которого в земной коре превышает более чем в 2000 раз концентрацию тория и более чем в 10000 раз концентрацию урана.

Наиболее радиоактивными породами являются граниты, гнейсы, вулканические туфы, фосфориты. Содержание урана и тория здесь достигает до 100 кларков и более. Повышенная радиоактивность проявляется и в зонах тектонических нарушений, особенно в крупных разломах. Это связано с эманированием радона.

Радиоактивность непосредственно в недрах литосферы (в ее верхних слоях), а также на более глубоких горизонтах зависит от содержания в горных породах радиоактивных элементов. Радиационный фон в шахтах небольшой и преимущественно составляет 4 -6 мк. Р/час. Это же относится к радиоактивности природных вод и газов. В большинстве случаев они не радиоактивны. Исключение составляют подземные воды радиоактивных месторождений, а также воды сульфатнобариевого и хлористо-кальциевого составов.

Техногенное ионизирующее излучение Это излучение поступает в окружающую среду от всевозможных искусственных источников. К ним относится новообразованные радионуклиды вследствие реализации промышленных технологий переработки радиоактивных веществ, складируемые отходы атомного производства, внезапные аварии на атомных объектах, прежде всего на атомных электростанциях (АЭС).

Аварии на АЭС – самый опасный источник техногенно-радиационного всегда присутствует загрязнения, сильно т. к. действующий фактор внезапности. К примеру, после аварии на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г. , мощность дозы ионизирующего излучения в пределах 10 – километровой зоны превысила нормальный фон (24 мк. Р) в 2000 раз.

Воздействие радиационного поля на живые организмы Радиоактивность (ионизирующее излучение) является как «раздражающим» , так и «поражающим» фактором. «Раздражающее действие» связано с малыми дозами облучения. К ним относится естественный радиационный фон, эффективная эквивалентная доза которого на поверхности планеты варьирует от 2 до 20 м. Гр, т. е. 20000 мк. Р.

Грей (Гр)- единица дозы радиоактивного излучения в системе СИ. 1 Гр = 1 Р. В этом диапазоне существовало и развивалось все живое на планете. Естественный фон в разных частях поверхности Земли может различаться в 3 -4 раза и более. Его наименьшие значения над поверхностью моря, а наибольшие на больших высотах в горах, сложенных гранитоидными породами.

«Поражающее действие» связано с дозами облучения, превышающими нормальный фон. При этом облучении начинают действовать мутагенные факторы. Человек и другие млекопитающие весьма чувствительны к радиационному воздействию, а микроорганизмы достаточно устойчивы.

Семенные растения и позвоночные занимают промежуточное положение. При мощности дозы более 4 -16 м. Гр (4000 – 16000 мк. Р) происходит угнетение растительности. Она становится восприимчивой к поражению вредителями и болезнями. В суммарном радиационном воздействии доля искусственных источников составляет 22%. Из них более 20% приходится на медицину