Радиометрия и ядерная геофизика. (Лекция 8)

Сентябрь 15, 2022

Главная
Физика
Радиометрия и ядерная геофизика. (Лекция 8)

Содержание

2. В геологии явление радиоактивности используется в трех областях: Радиоактивные элементы создают характерные излучения, измеряя которые удается
3. 8.1 Физические основы Атомы состоят из ядер и электронов, располагающихся вокруг ядер в виде слоев. Ядра
4. Химические свойства элементов определяются их атомным номером. При этом существуют элементы, у которых совпадает атомный номер,
5. Радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (начиная с висмута). Многие более легкие элементы
6. Нестабильные элементы: в результате распада исходный элемент превращаются в другие. Исходные элементы - материнские, образовавшиеся –
7. 8.1.1 Реакции радиоактивного распада Альфа- распад: Атомная масса Заряд (атомный номер) Энергия γ -кванта Постоянная Планка:
8. Бета- распад: Захват электрона с K-орбиты (К-захват): (89.5%) рентгеновское излучение (10.5%)
9. 8.1.2 Закон радиоактивного распада (Резерфорд и Содди) dN=-λNdt N=N0e-λt Число ядер в начальный момент Число ядер
10. Число атомов материнского и дочернего изотопов в зависимости от времени
11. 8.1.3 Источники естественной радиоактивности ! ! !
13. 8.1.4 Радиоактивное равновесие Рассмотрим материнский (T1) и дочерний (T2) элементы. Если материнский элемент – долгоживущий, то
14. 8.1.5 Единицы радиоактивности Активность – число распадов в единицу времени (Бк (Беккерель)=1/с), внесистемная единица – Ки
15. 8.1.6 Взаимодействие излучения с веществом Альфа-частицы: пробег в воздухе не более 11.5 см, прямолинейная траектория. Ионизируют
16. 8.2 Распространенность радиоактивных элементов Среднее содержание в земной коре U- 2.5х10-4 %, Th – 13х10-4 %
19. Некоторые тенденции миграции радиоактивных элементов Окисление U до валентности +6 (уранил-ион, UO22+) и переход в раствор
20. 8.3 Методы радиометрии и ядерной геофизики
21. 8.3.1 Гамма-методы: как измерить гамма-излучение – сцинтилляционный детектор 1 – кристалл люминофора, 2 – вспышки, 3
22. Спектры гамма-излучения Каналы: 1 2 3 Коэффициенты ai,j - эталонирование
23. Гамма методы Интегральный Спектрометрический
24. Радиационное обследование территории СПб ООО”Технотерра” Интегральный
25. Аппаратура компании Aeroquest
26. Аэро-гамма-съемка: Крупная синклинальная складка (рис. 6.6а) включает выходящие на дневную поверхность маркирующие горизонты пород, имеющих повышенные
27. Аэро-гамма-спектрометрия: Карта ореолов калиевой и уран-калиевой природы участка в Центрально-Калымском районе. В полосе ореолов северо-западного простирания
28. Карта поверхностного загрязнения цезием-137 по данным аэро-гамма-спектрометрической съемки в районе Чернобыльской аварии
29. 8.3.2 Методы основанные на искусственном излучении
30. Гамма-гамма метод Ослабление гамма излучения в зависимости от плотности пород
31. Нейтрон-гамма и нейтрон-нейтронный методы Облучение: горных пород нейтронами Регистрация: либо, вторичного гамма-излучения возникающего при радиационном захвате
32. Рентгено-радиометрический метод Облучение: потоком квантов электромагнитного ионизирующего излученияОблучение: потоком квантов электромагнитного ионизирующего излучения, испускаемым радиоизотопным источником
33. 8.3.3 Эманационный метод
35. Скачать презентацию

Слайд 2

В геологии явление радиоактивности используется в трех областях:
Радиоактивные элементы создают характерные

излучения, измеряя которые удается дистанционно картировать различные породы, а также искать радиоактивные руды - радиометрия
По реакции горных пород на радиоактивное излучение удается оценить другие физические свойства этих пород (например, плотность) и их химический состав ядерная геофизика
Зная вещественный состав горных пород и законы радиоактивного распада, можно определить абсолютный возраст этих пород – абсолютная геохронология

Слайд 3

8.1 Физические основы
Атомы состоят из ядер и электронов, располагающихся вокруг ядер

в виде слоев.
Ядра имеют положительный заряд, электроны – отрицательный. Атом в целом электрически нейтрален, поэтому суммарный заряд электронов и ядра – одинаковый по абсолютной величине.
Ядра состоят из положительно заряженных протонов (p) и электрически нейтральных нейтронов (n). Сумма масс протонов и нейтронов составляют массу ядра (A).
Заряд ядра атома определяется суммарным зарядом протонов Z, который отвечает атомному номеру элемента в периодической системе Менделеева.

Слайд 4

Химические свойства элементов определяются их атомным номером. При этом существуют элементы,

у которых совпадает атомный номер, но различна атомная масса, поскольку их ядра содержат разное количество нейтронов. Такие элементы называют изотопами.
Например, для урана с атомным номером 92 существуют три изотопа c атомной массой 234, 235 и 238, для природного водорода известны два изотопа с массой 1 и 2.

Слайд 5

Радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (начиная с

висмута).
Многие более легкие элементы также имеют радиоактивные природные изотопы. Например, калий с атомным номером 19 состоит из трех изотопов, два из которых стабильны (39 и 41), а один (40) – радиоактивен, но, стабильных изотопов водорода и калия в природе неизмеримо больше, чем радиоактивных.
Легкий элемент технеций с атомным номером 43 вообще не имеет стабильных изотопов, но зато в природе известно более 20 (!) радиоактивных изотопов технеция.

Слайд 6

Нестабильные элементы: в результате распада исходный элемент превращаются в другие.
Исходные элементы

- материнские, образовавшиеся – дочерние.
Такие превращения называют радиоактивными, они происходят с некоторой вероятностью, присущей данному элементу.
При радиоактивном распаде происходит деление ядер, испускание или захват заряженных частиц и возникает коротковолновое электромагнитное излучение (гамма-излучение). Образуется два вида заряженных частиц: альфа-частицы (дважды ионизированные атомы гелия) и бета-частицы (электроны).

Слайд 7

8.1.1 Реакции радиоактивного распада
Альфа-
распад:
Атомная масса
Заряд (атомный номер)
Энергия γ -кванта
Постоянная Планка:
Энергия
Частота

Слайд 8

Бета-
распад:
Захват
электрона с
K-орбиты
(К-захват):
(89.5%)
рентгеновское излучение
(10.5%)

Слайд 9

8.1.2 Закон радиоактивного распада (Резерфорд и Содди)
dN=-λNdt
N=N0e-λt
Число ядер
в начальный момент
Число ядер

в
момент времени t

τ=1/λ

Средняя
продолжительность
жизни изотопа

T=ln2/λ

Период
полураспада

t=10T

Время практически полного распада

Постоянная
распада

Слайд 10

Число атомов материнского и дочернего изотопов в зависимости от времени

Слайд 11

8.1.3 Источники естественной радиоактивности
!
!
!

Слайд 12

Слайд 13

8.1.4 Радиоактивное равновесие
Рассмотрим материнский (T1) и дочерний (T2) элементы. Если материнский

элемент – долгоживущий, то при t>10T2 наступает радиоактивное равновесие:
N1λ1= N2λ2

В ряду с долгоживущим родоначальником N1λ1= N2λ2… =Nkλk

Примеры:
U(T=4.5 109лет) и Ra (T=1600 лет)
(время установления равновесия – 16000 лет
Ra и Rn (T=3.8 сут.)
(время установления равновесия – 38 сут.)

Слайд 14

8.1.5 Единицы радиоактивности
Активность – число распадов в единицу времени (Бк (Беккерель)=1/с),

внесистемная единица – Ки (Кюри)=3.7 1010Бк, Удельные единицы активности относятся к единице массы, объема или поверхности (например, Бк/л)
Поглощенная доза: энергия(Дж)/массу(кг) = грей (Г)
Экспозиционная доза: Кл/кг Внесистемная единица – Рентген (Р=2.58 10-4Кл/кг)
Мощности дозы – соответствующая доза деленная на единицу времени, например Р/час или A/кг

Слайд 15

8.1.6 Взаимодействие излучения с веществом
Альфа-частицы: пробег в воздухе не более 11.5

см, прямолинейная траектория. Ионизируют вещество
Бета-частицы: пробег в воздухе до 13 м, криволинейная траектория. Ионизируют вещество, их торможение в электрическом поле ядра приводит к возникновению рентгеновского излучения
Гамма-излучение: обладает наибольшей проникающей способностью и энергией от 0.02 до 3 МэВ. Пробег в породе – десятки сантиметров, в воздухе – сотни метров

Слайд 16

8.2 Распространенность радиоактивных элементов
Среднее содержание в земной коре
U- 2.5х10-4 %,
Th

– 13х10-4 %
K – 2.5%

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

Некоторые тенденции миграции радиоактивных элементов
Окисление U до валентности +6 (уранил-ион, UO22+) и

переход в раствор (окислительные условия)
Восстановление U до валентности +4 и осаждение из раствора (восстановительные условия)
Миграция Th со взвешенными частицами
Сорбция U и Th на глинах
Ассоциация с цирконом, монацитом, глауконитом
Снижение концентрации со степенью регионального метаморфизма
Высокая (U), средняя (K) и низкая (Th, Ra) подвижность в гипергенных условиях. Как следствие смещение равновесия между U и Ra.

Слайд 20

8.3 Методы радиометрии и ядерной геофизики

Слайд 21

8.3.1 Гамма-методы: как измерить гамма-излучение – сцинтилляционный детектор
1 – кристалл люминофора,

2 – вспышки, 3 – фотокатод, 4 – фокусирующая электронная линза, 5 – эмиттеры, 6 – анод

Слайд 22

Спектры гамма-излучения
Каналы: 1 2 3
Коэффициенты ai,j
- эталонирование

Слайд 23

Гамма методы
Интегральный
Спектрометрический

Слайд 24

Радиационное обследование территории СПб
ООО”Технотерра”
Интегральный

Слайд 25

Аппаратура компании
Aeroquest

Слайд 26

Аэро-гамма-съемка:
Крупная синклинальная складка (рис. 6.6а) включает выходящие на дневную поверхность маркирующие

горизонты пород, имеющих повышенные содержания радиоактивных элементов. Маркирующие горизонты хорошо видны на карте гамма-поля Отметим, что на карте представлена лишь остаточная (локальная) составляющая поля, подчеркивающая небольшие по размеру аномалии (По Е.И. Зубову).

Слайд 27

Аэро-гамма-спектрометрия:
Карта ореолов калиевой и уран-калиевой природы участка в Центрально-Калымском районе. В

полосе ореолов северо-западного простирания расположены месторождения и рудопроявления золота (по Е.И. Зубову). Ореолы: 1 – калиевой природы, 2 – урановой природы; 3 – месторождения и рудопроявления золота
(По Е.И. Зубову)

Слайд 28

Карта поверхностного загрязнения цезием-137 по данным аэро-гамма-спектрометрической
съемки в районе Чернобыльской

аварии

Слайд 29

8.3.2 Методы основанные на искусственном излучении

Слайд 30

Гамма-гамма метод
Ослабление гамма излучения в зависимости от плотности пород

Слайд 31

Нейтрон-гамма и нейтрон-нейтронный методы
Облучение: горных пород нейтронами
Регистрация: либо, вторичного гамма-излучения

возникающего при радиационном захвате нейтрона ядром вещества породы-метод НГК(нейтронный гамма-каротаж), либо потока нейтронов первичного излучения дошедших до детектора-методы ННК(нейтрон-нейтронный каротаж)
Результат: определение содержания водорода в породе, т.е. её влажности (пористости)
Возможность определения нефтенасыщенности породы

Слайд 32

Рентгено-радиометрический метод
Облучение: потоком квантов электромагнитного ионизирующего излученияОблучение: потоком квантов электромагнитного ионизирующего

излучения, испускаемым радиоизотопным источником или рентгеновской трубкой,
Регистрация: характеристического флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемого в веществе
Результат: содержание химических элементов в горной породе по интенсивности рентгеновского излучения.

Слайд 33

Радиометрия и ядерная геофизика. (Лекция 8)

Содержание

В геологии явление радиоактивности используется в трех областях:Радиоактивные элементы создают характерные

8.1 Физические основыАтомы состоят из ядер и электронов, располагающихся вокруг ядер

Химические свойства элементов определяются их атомным номером. При этом существуют элементы,

Радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (начиная с

Нестабильные элементы: в результате распада исходный элемент превращаются в другие.Исходные элементы

8.1.1 Реакции радиоактивного распадаАльфа-распад:Атомная массаЗаряд (атомный номер)Энергия γ -квантаПостоянная Планка:ЭнергияЧастота

Бета-распад:Захватэлектрона сK-орбиты(К-захват):(89.5%)рентгеновское излучение(10.5%)

8.1.2 Закон радиоактивного распада (Резерфорд и Содди)dN=-λNdtN=N0e-λtЧисло ядерв начальный моментЧисло ядер

Число атомов материнского и дочернего изотопов в зависимости от времени

8.1.3 Источники естественной радиоактивности!!!

8.1.4 Радиоактивное равновесиеРассмотрим материнский (T1) и дочерний (T2) элементы. Если материнский

8.1.5 Единицы радиоактивностиАктивность – число распадов в единицу времени (Бк (Беккерель)=1/с),

8.1.6 Взаимодействие излучения с веществомАльфа-частицы: пробег в воздухе не более 11.5

8.2 Распространенность радиоактивных элементовСреднее содержание в земной кореU- 2.5х10-4 %, Th

Некоторые тенденции миграции радиоактивных элементовОкисление U до валентности +6 (уранил-ион, UO22+) и

8.3 Методы радиометрии и ядерной геофизики

8.3.1 Гамма-методы: как измерить гамма-излучение – сцинтилляционный детектор1 – кристалл люминофора,

Спектры гамма-излученияКаналы: 1 2 3Коэффициенты ai,j- эталонирование

Гамма методыИнтегральныйСпектрометрический

Радиационное обследование территории СПбООО”Технотерра”Интегральный

Аппаратура компанииAeroquest

Аэро-гамма-съемка:Крупная синклинальная складка (рис. 6.6а) включает выходящие на дневную поверхность маркирующие

Аэро-гамма-спектрометрия:Карта ореолов калиевой и уран-калиевой природы участка в Центрально-Калымском районе. В

Карта поверхностного загрязнения цезием-137 по данным аэро-гамма-спектрометрической съемки в районе Чернобыльской