Сторінка
3
Ядерна фізика в геології
Неважко припустити, що поклади мінералів, які мають природну радіоактивність, знайти нескладно. Методи їхнього виявлення зводяться до реєстрації їхніх випромінювань, причому для попередньої розвідки достатньо аналізу, проведеного з літака. Однак ядерна фізика допомагає вирішувати і складніші завдання, а саме — виявляти родовища мінералів, що не мають природної радіоактивності. У цьому випадку розвідка копалин проводиться нейтронами і у-квантами, а іноді й електронами.
Якщо породу опромінювати у-квантами, то відбуватиметься розсіювання й поглинання випромінювання породою. Поглинання у-квантів призводить до утворення нейтронів, реєструючи інтенсивність яких, можна зробити висновки про характер породи. Важливу інформацію несуть також інтенсивність розсіяних у-квантів і ступінь їхнього поглинання. Наприклад, за розсіюванням і поглинанням у-випромінювання судять про вологість і густину породи, за числом нейтронів, що утворюються — про вміст у породі Берилію, а у воді — дейтерію.
Що стосується опромінення нейтронами, то тут обсяг інформації, яку можна одержати, набагато більший, ніж у попередньому методі У породі нейтрони можуть зазнавати послідовних пружних і непружних зіткнень з атомними ядрами. Процеси, які відбуваються при цьому, істотно розрізняються, що дозволяє розробити методи розпізнавання великої кількості атомних ядер, а отже, точно визначати властивості копалин.
Розглянемо детальніше, які процеси відбуваються при взаємодії нейтронів із ядрами атомів.
У результаті непружних взаємодій ідуть реакції поглинання нейтрона з випромінюванням протона, α-частинки або антинейтрона. Це призводить до виникнення нових — радіоактивних — ядер і частинок. Нейтрон при цьому може або перейти до складу утвореного ядра, або позбавитися частини своєї енергії.
Пружне розсіювання призводить до уповільнення нейтрона (тобто він втрачає свою енергію поступово) у процесі переміщення в породі. У результаті нейтрон або перетворюється на тепловий нейтрон, або поглинається ядром атома Параметрами, що характеризують середовище у цьому випадку, виступають інтенсивність розсіяних нейтронів, час уповільнення швидкого нейтрона і відстань, яку він подолає за цей час.
Тепловий нейтрон (тобто нейтрон, кінетична енергія якого в результаті зіткнень зрівнялася з енергією теплового руху атомів) переміщатиметься у породі доти, поки не поглинеться атомним ядром. При цьому властивості середовища визначають інтенсивність теплових нейтронів, час життя й шлях, пройдений ними до поглинання. Часто ці дані використовуються для визначення вмісту в середовищі Гідрогену (вода, нафта) і солей.
У результаті поглинання повільних і теплових нейтронів відбувається випромінювання γ-кванта й утворення штучно-радіоактивних ядер. Параметрами, що залежать від властивостей середовища, є характер радіоактивності ядер (β, γ), період піврозпаду, інтенсивність випромінюваних частинок і їхня енергія
У силу того, що відстань, яку частинка проходить у породі, досить мала, необхідно, щоб джерело випромінювання, детектор і досліджуване середовище знаходилися на відстані не більше декількох десятків сантиметрів Тому основною областю застосування цієї методики є дослідження нафтових, газових, вугільних, рудних та ін. свердловин. Цей метод дослідження називається радіоактивним каротажем свердловин. Для його проведення в свердловину опускають глибинний прилад, що складається з джерела й детектора випромінювання, розділених екраном. Комбінуючи джерела (γ або n) і детектори (γ або n), можна моделювати і вивчати кожен з процесів взаємодії γ-випромінювання і нейтронів із ядрами. На основі цього виділяють n-n-каротаж, γ-γ-каротаж, γ-n-каротаж і т. ін. Існує також у-каротаж, за допомогою якого можна визначати фонову радіоактивність у-радіоактивних порід.
Як джерела γ-квантів використовують штучно-радіоактивні ізотопи Кобальту, Цезію та ін . як джерела нейтронів — Ро-Ве- або Pu-Be-джерела та імпульсні нейтронні генератори.
Використання каротажу дозволяє точно визначити вид копалини. Наприклад, у-у-каротаж виділяє вугільні шари, п-п- і n-γ-каротаж дають можливість виділяти гідрогенвмісні шари (тобто породи насичені водою або нафтою) і породи, що здатні посилено поглинати нейтрони (бор, хлор і ін ) Якщо ж два останні методи застосовувати разом, то можна розрізняти воду й нафту, тому що підземна вода звичайно сильно засолена (містить NaCl та інші солі)
Слід зазначити, що на корисні копалини багате дно морів і океанів. Розвідка них покладів стала набагато простішою та ефективнішою завдяки методам, що ґрунтуються на ядерних реакціях
Опромінення поверхні дна океану нейтронами надає ядрам атомів, що входять до складу ґрунту, наведеної радіоактивності. Виявляється вона за допомогою у-детектора. Ядерний склад породи при цьому визначається завдяки тому, що енергія у-квантів, які випромінюються різними ядрами, і період піврозпаду - індивідуальні характеристики атома певного виду Технічно це здійснюється за допомогою спеціального ядерного зонда, що являє собою запаяну вакуумну прискорювальну трубку, у якій здійснюється ядерна реакція генерування нейтронів 
Завантажити реферат