Глава 7. Ядерно-физические (радиоактивные) свойства минералов и горных пород

7. 1. Естественная радиоактивность

Самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, спонтанно превращающихся в ядра других элементов и сопровождающийся испусканием альфа-, бета-частиц, гамма-квантов и другими процессами, называется естественной радиоактивностью.

Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами). Радиоактивность тяжелых металлов с порядковым номером в таблице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным превращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов.

Основными радиоактивными рядами или семействами тяжелых элементов являются ряды урана-238, урана-235, тория-232. Перечисленные элементы (их называют материнскими радионуклидами) являются родоначальниками семейств и относятся к долгоживущим: у них период полураспада, т.е. время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, составляет 4,5*10⁹; 7,13*10⁸; 1,39*10¹⁰ лет соответственно.

В состав семейств урана входят такие дочерние радионуклиды, как радий (T_1/2= 1620 лет) и самый долгоживущий радиоактивный газ - радон (T_1/2= 3,82 cут). Конечным продуктом превращений урана является нерадиоактивный радиогенный свинец.

Каждое радиоактивное ядро распадается независимо от других ядер. Количество ядер dN, распавшихся за бесконечно малый промежуток времени dt, пропорционально числу еще не распавшихся атомов N к моменту времени t:

, (7.1)

где λ - постоянная распада – коэффициент, характеризующий вероятность распада ядра в единицу времени. Размерность λ время^-1 (с^-1, год^-1 и т. д). Знак минус указывает на то, что с течением времени число ядер уменьшается. Количество нераспавшихся атомов в начальный момент времени t=0 обозначается как N₀, тогда:

(7.2).

Произведение λN характеризует скорость радиоактивного распада, называемую радиоактивностью или активность А:

(7.3)

Единицей в системе СИ выступает беккерель (Бк), в честь Александра Эдмонда Беккереля впервые обнаружившего радиоактивность в 1896 году при исследовании солей урана.

Кроме радиоактивных семейств, имеются одиночные радионуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Среди них наиболее распространен калий-40 (T_1/2= 1,4*10⁹ лет). В целом в земной коре повышены концентрации следующих трех радиоактивных элементов: урана (2,5*10^-4 %), тория (1,3*10^-3 %) и калия-40 (2,5 %). Поэтому в радиометрии изучают только эти элементы. Они находятся в горных породах в рассеянном состоянии в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов.