Радіоактивність, основні закони радіоактивного розпаду

Лекція 1

Вступ

Науково-технічний прогрес неможливий без створення і впровадження нової техніки і технології. Техніка – рушійний фактор науково-технічного прогресу, технологія – виразник рівня її використання. Проблему ефективності геофізичних досліджень свердловин (ГДС) в цілому вирішують не окремі зразки хай навіть найкращої апаратури, а технологічні системи.

Мета курсу – вивчення сучасних методик та технологій підготовки, проведення та інтерпретація даних геофізичних досліджень свердловин.

Для вивчення даної дисципліни базовими є наступні дисципліни:

1. Загальна геологія;

2. Основи геофізики;

3. Теорія поля.

Відповідно до сучасних кваліфікаційних вимог до фахівців за напрямом підготовки “Нафтогазова справа” студент після опанування дисципліни повинен знати:

- фізичну суть гамма-каротажу, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу;

- фізичну суть нейтронних методів, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу;

- фізичну суть гамма-гамма-каротажу, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу;

- фізичну суть акустичного каротажу, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу;

- фізичну суть газового каротажу, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу;

- фізичну суть термометрії, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу;

- фізичну суть інклінометрії, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу;

- фізичну суть кавернометрії, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу;

- фізичну суть нахилометрії, методику проведення даного методу, а також принцип повірки апаратури даного методу.

Фізичні основи, методика підготовки та проведення вимірів інтенсивності природної радіоактивності. Метрологічне забезпечення апаратури гамма-методу

Радіоактивним каротажем називають геофізичні дослідження свердловин, які засновані на вимірюванні характеристик полів іонізуючих випромінювань (природних і викликаних штучно).

Найбільше розповсюдження в практиці ГДС одержали наступні види радіоактивного каротажу:

- гамма-каротаж, призначений для вивчення природного гамма-випромінювання гірських порід (ГК);

- гамма-спектрометричний каротаж (ГСМ);

- гамма-гамма-каротаж.

Радіоактивністю називається здатність нестійких ізотопів хімічних елементів самочинно перетворюватись в інші більш стійкі елементи з випромінювання альфа-, бета-, гамма-променів, та інколи і інших частинок.

Радіоактивність ізотопів, які знаходяться в природних умовах, отримала назву природної радіоактивності, а радіоактивний розпад ядер атомів при їх бомбардуванні елементарними частинками (електронами, протонами, нейтронами, альфа-частинками та іншими) – штучною радіоактивністю.

Процес перетворення одного ізотопу в інший називається радіоактивним розпадом. Радіоактивне перетворення протікає самочинно та ймовірність радіоактивного розпаду l_р за одиницю часу є сталою для кожного радіоактивного елементу. Відповідно, кількість актів радіоактивного розпаду dN за час dt визначається кількістю радіоактивних ядер N у даний момент часу t:

. (1.1)

Інтегруючи вираз (1.1), отримаємо:

, (1.2)

де lnC – стала інтегрування.

Використовуючи початкову умову t=0, N=N₀ отримаємо основний закон радіоактивного розпаду:

. (1.3)

Час розподілу t_р рівний величині, яка обернена сталій розподілу, і має розмірність часу.

Практично тривалість життя радіоактивного ізотопу більш зручно характеризувати періодом піврозпаду T_1/2. Період піврозпаду T_1/2 – це час, протягом якого розпадається половина початкової кількості атомів даної речовини.

Із співвідношення (1.3) отримаємо:

, (1.4)

звідси

. (1.5)

Активність радіоактивного розпаду a_p, яка часто в радіометрії свердловин називається абсолютною радіоактивністю, оцінюється кількістю розпадів, що проходять в одиницю часу (розп./с):

. (1.6)

Кількість радіоактивної речовини в системі одиниць СІ виражають в кілограмах (кг).

Для оцінки радіоактивності гірської породи q_п при радіометричних дослідження свердловин користуються об’ємними одиницями концентрації радіоактивних елементів. В системі одиниць СІ найбільш зручна еквівалентна частка одиниці – нанокілограм-еквівалент радію на кубічний метр породи – нкг·еквRa/м³ (10^-9кг·еквRa/м³).

При розпаді радіоактивних елементів випромінюються альфа-, бета-частинки та гамма-кванти, причому випромінювання гамма-квантів не є самостійним актом, воно супроводжується альфа- або бета-розпадом ядер елементів.

Альфа-промені – потік частинок, які є ядрами атомів гелію (⁴₂He), несуть подвійний додатній заряд 9,54·10^-10 електростатичних одиниць та володіють найбільшою масою (6,598·10^-12г) серед елементарних частинок. Швидкість альфа-частинок природних радіоактивних елементів становить – 1,39·10⁹-2,05·10⁹м/с.

Бета-промені – представляють собою потік частинок, які несуть одинарний від’ємний (електрони) або додатній (протони) заряд 4,77·10^-10 електростатичних одиниць і мають масу 0,9035·10^{-27 г. Швидкість бета-частинок коливається практично від нуля до 0,998 швидкості світла.}

Гамма-промені – це потік нейтральних частинок, які мають таку ж природу, що і радіохвилі, світло, рентгенівське випромінювання і відрізняються від них тільки більш високою частотою коливань (n>2,42·10¹⁸ с^-1).

Швидкість розповсюдження гамма-квантів стала, у вакуумі рівна швидкості світла c=300000м/с.

Енергія гамма-кванта виражається співвідношенням:

, (1.7)

де h – стала Планка, яка рівна 6,62·10^-34 Дж·с.

Довжина хвилі l, яка випромінює гамма-квант, обернено пропорційна частоті коливань:

. (1.8)

Природна радіоактивність гірських порід, в основному, обумовлена наявністю в них природних радіоактивних елементів – урану ²³⁸₉₂U і продукту його розпаду ²²⁶₈₈Ra, торію ²³²₉₀Th та радіоактивного ізотопу калію ⁴⁰₁₉K. Інші радіоактивні елементи (рубідій ⁸⁷₃₇Rb, самарій ¹⁴⁷₁₆₂La, лютецій ¹⁷⁶₇₁Lu та інші) характеризуються великими періодами піврозпаду, малими концентраціями в гірських породах, тому суттєвого вкладу в сумарну природну радіоактивність вони не вносять.

Найбільш високою радіоактивність відмічаються магматичні породи, найнижчою – осадові та проміжною – метаморфічні.

Пониженою радіоактивністю серед осадових утворень характеризуються хемогенні відклади (ангідрити, гіпси, кам’яна сіль, за виключенням калійної солі), а також чисті пісковики, піщаники, вапняки і доломіти. Максимальною радіоактивністю характеризуються глини, глинисті та бітумінозні сланці, фосфорити, а також калійні солі.

Високорадіоактивні мінерали зустрічаються і серед чистих незаглинизованих пісків, піщаників та вапняків, якщо дані породи збагачені моноцитом, карнотитом, глауконітом, польовими шпатами та іншими мінералами, які містять радіоактивні елементи.

У деяких випадках радіоактивність порід підвищується у результаті насичення їх пластовими водами, які збагачені ураном і радієм, наприклад, хлоркальцієвого та особливо сульфідно-барієвого типів.