Вопрос: По каким причинам горные породы обладают радиационным фоном

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.

Главным источником поступления в окружающую среду естественных радионуклидов, к настоящему времени широко распространенных во всех оболочках Земли, являются горные породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в их состав всех радиоактивных элементов, возникших в период формирования и развития планеты.

Благодаря непрерывным деструктивным процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера, радионуклиды подверглись широкому рассеиванию.

В горных породах присутствуют более 50 радиоактивных изото­пов. Радиоактивность гор­ных пород зависит от содержания в ней трех элементов: урана, то­рия и калия, которые отличаются не очень низкими содержаниями в горных породах и относительно высокой активностью (уран и то­рий — за счет элементов своих рядов). Поскольку в радиоактивных рядах много излучателей, горная порода характеризуется сложным спектром гамма-излучения.

Большинство гамма-квантов имеет низкую энергию, что затрудняет идентификацию по ним элементов. На рис. 6.1 приведена жесткая часть спектра гранитов. Наиболее выразительны пики энергий 1,76 и 2,2 МэВ, соответствующие элементам уранового ряда, а также пики энер­гий 0,92 и 2,62 МэВ, отвечающие элементам ториевого ряда. Энер­гия 1,45 МэВ принадлежит калию. По величине пиков названных энергий с помощью гамма-спектрометров можно раздельно опре­делить содержание урана, тория и калия.

Раздельное определение основных радиоактивных элемен­тов по их гамма-излучению позволило накопить большой факти­ческий материал о распространенности этих элементов в горных породах, о их поведении в геологических процессах. Фактически с помощью измерения такого физического явления, как радиоак­тивность, изучается геохимия радиоактивных элементов, радиогеохимические закономерности формирования и изменения горных пород.

Какой бы объем земного вещества мы ни взяли, в нем всегда можно найти несколько десятков химических элементов. Многие элементы можно обнаружить в виде следов - в ничтожно малом количестве. Например, в воздухе имеется самый редкий газ - ксенон, составляющий всего четыре стотысячных процента (по массе). Однако при этом в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около миллиарда атомов ксенона. В воде мирового океана в растворенном виде насчитывают до 50 различных элементов. Атомы каждого из них могут быть найдены в капле воды.

Несмотря на ничтожно малое содержание отдельных элементов в морской воде, они могут оказывать значительное воздействие, вступая в биогеохимические процессы, происходящие здесь непрерывно. Например, содержащийся в морской воде марганец в количестве одной десятимиллионной процента в результате биогеохимических процессов способствовал многомиллионному отложению, как, например, в Чиатуре (Грузия). Такое же явление (рассеяние) мы наблюдаем в горных породах. Даже самый чистый минерал горный хрусталь содержит в 1 г миллионы атомов других элементов.

Важное значение имеет то, что для ряда элементов нахождение в природе в рассеянном виде является характерным состоянием. К числу таких элементов относятся все естественные радионуклиды.

В настоящее время имеется относительное равновесие между поступлением радионуклидов в сферу круговорота и их количеством, которое выбывает из этого динамического процесса за счет образования осадочных пород и радиоактивного распада. В этих процессах главную роль играет вода как универсальный растворитель. Соприкасаясь с материалом пород при фильтрации через трещины и поры, вода растворяет и выносит из недр земной коры на ее поверхность целый ряд как стабильных, так и радиоактивных элементов. Кроме того, вода уносит с собой частицы пород и откладывает их в виде осадков на значительном удалении от места первичной эрозии. Масса переносимой взвеси, в том числе и радионуклидов, например, только водой рек довольно значительна.

Под радиационным фоном принято понимать ионизирующее излучение от природных источников космического и земного происхождения, а также искусственных радионуклидов, рассеянных в биосфере в результате деятельности человека. Радиоактивность пород в основном связана с содержанием в них таких радиоактивных элементов, как уран, торий, актиноуран, продуктов распада и изотопа калия 19 K. Источниками радиоактивных излучений, составляющих меньшую долю, чем вышеназванные, являются также изотопы рубидия, циркония, индия, лантана, самария, лютеция, рения, висмута и др. В литосфере присутствует более 200 минералов, в состав которых входит уран, торий, радий и калий. Радиоактивность горных пород зависит от радиоактивностей их твердой, жидкой и газообразной фаз. В большинстве случаев пластовые воды и нефти характеризуются незначительной радиоактивностью, а у природных углеводородных газов она практически равна нулю. Радиоактивность твердой фазы обусловлена наличием в ее составе собственно радиоактивных минералов и минералов, содержащих адсорбированные радиоактивные элементы.