112
Ch−¬ng 5
C¸c ph−¬ng ph¸p phãng x¹ h¹t nh©n
C¸c ph−¬ng ph¸p phãng x¹ h¹t nh©n cã c¬ së vËt lý - ®Þa chÊt dùa trªn c¸c hiÖn
t−îng phãng x¹ tù nhiªn vµ kÝch thÝch nh©n t¹o trong c¸c líp ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng
khoan.
C¸c ph−¬ng ph¸p phãng x¹ h¹t nh©n ®−îc sö dông ®Ó nghiªn cøu l¸t c¾t ®Þa chÊt
kh«ng chØ ë c¸c giÕng khoan trÇn (ch−a chèng èng) mµ ë c¸c giÕng khoan ®∙ chèng
èng. §©y lµ −u ®iÓm næi bËt cña ph−¬ng ph¸p nµy.
5.1. C¬ së vËt lý - ®Þa chÊt
5.1.1. C−êng ®é phãng x¹ tù nhiªn trong ®¸
a. C¸c nguyªn tè ®ång vÞ phãng x¹ tù nhiªn
C¸c ®¸ ë vá qu¶ ®Êt cã chøa c¸c nguyªn tè ®ång vÞ kh«ng bÒn v÷ng, chóng lu«n
bøc x¹ ra c¸c tia α, β vµ γ. RÊt nhiÒu trong sè c¸c nguyªn tè ®ång vÞ phãng x¹ ®ã cã
hµm l−îng rÊt thÊp trong ®Êt ®¸ nªn trong thùc tÕ phÇn ®ãng gãp cña chóng vµo c−êng
®é bøc x¹ tù nhiªn lµ kh«ng ®¸ng kÓ. C−êng ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn mµ ta cã thÓ ®o
®−îc chñ yÕu lµ phÇn ®ãng gãp cña c¸c nguyªn tè trong c¸c dÉy phãng x¹ Uran
(U
238
92 ,U
235
92 ),Thori ( Th
232
90 ) vµ ®ång vÞ phãng x¹ cña Kali ( K
40
19 ), ngoµi ra cßn mét l−îng
nhá kh¸c nh− Rubi ( Rb
87
57 ) vµ c¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm kh¸c ( La
138
57 ,Lu
176
71 ).
C¸c ®ång vÞ phãng x¹ nµy cã ®êi sèng rÊt dµi bøc x¹ phÇn chñ yÕu c¸c tia
gamma tù nhiªn (B¶ng 5.1)
B¶ng 5.1
K Th U
Hµm l−îng t−¬ng ®èi trong vá qu¶ ®Êt
(Sè Clarke) 2,35% ∼ 12 ppm ∼ 3 ppm
Ho¹t tÝnh γ t−¬ng ®èi cña ®¬n vÞ träng
l−îng cña nguyªn tè 1 1300 3600
Chu kú b¸n r∙ (n¨m) 1,3.109 1,4.1010 4,4.109 (238U)
7,1.108 (235U)
Kali khi ph©n r∙ cã 11% sè ph©n r∙ b¾n ra gamma ®Ó biÕn thµnh argon 40Ar lµ
nguyªn tè bÒn v÷ng. V× thÕ Kali chØ cã mét phæ n¨ng l−îng gamma ®¬n 1,46MeV. C¸c
qu¸ tr×nh ph©n r∙ phøc t¹p h¬n gÆp ë c¸c nguyªn tè Uran vµ Thori hîp thµnh d∙y ®ång
vÞ. Mét sè nguyªn tè trong c¸c d∙y nµy cã bøc x¹ ra tia gamma tù nhiªn (chi tiÕt xem
gi¸o tr×nh th¨m dß phãng x¹).
Trong ®iÒu kiÖn giÕng khoan, c¸c tia phãng x¹ α vµ β cã kh¶ n¨ng ®©m xuyªn
kÐm nªn dÔ dµng bÞ hÊp thô hoµn toµn chØ cßn l¹i tia γ.
113
Tia gamma cã b¶n chÊt lµ bøc x¹ sãng ®iÖn tö (foton) cã thÓ ë d¹ng riªng rÏ (tia
γ b¾n ra tõ ®ång vÞ 40K) hoÆc ph¸t x¹ cïng víi c¸c tia α vµ β. Tia gamma cã kh¶ n¨ng
®©m xuyªn lín nªn hay ®−îc ®o vÏ trong giÕng khoan. Trong m«i tr−êng ®Êt ®¸, tia γ
cã thÓ bÞ khóc x¹, ph¶n x¹ vµ nhiÔu x¹. N¨ng l−îng cña chóng thay ®æi trong kho¶ng
réng 0,0019 - 9MeV.
b) Ho¹t tÝnh phãng x¹ tù nhiªn cña c¸c ®¸
Ho¹t tÝnh phãng x¹ cña c¸c ®¸ phô thuéc vµo thµnh phÇn kho¸ng vËt vµ nguån
gèc cña ®¸.
C¸c ®¸ x©m nhËp ph©n biÖt nhau theo møc ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn. C¸c ®¸
cã thµnh phÇn axit (granit, granodiorit,) cã c−êng ®é phãng x¹ cao h¬n c¶ v× cã chøa
Kali vµ c¸c nguyªn tè trong d∙y U, Th. Feldspat vµ Mica lµ c¸c kho¸ng vËt cã mÆt
nhiÒu trong ®¸ macma chøa nhiÒu K, trong ®ã cã thÓ cã tíi 0,02% lµ ®ång vÞ 40K.
C¸c ®¸ baz¬ vµ siªu baz¬ cã ®é phãng x¹ gamma tù nhiªn thÊp nhÊt.
C¸c ®¸ trÇm tÝch lµ s¶n phÈm phong ho¸ tõ ®¸ macma cã ®é phãng x¹ tù nhiªn
kh¸c nhau. NÕu s¶n phÈm bµo mßn phong ho¸ tõ ®¸ axit, c¸c ®ång vÞ phãng x¹ cã ®é
linh ®éng cao sÏ tÝch tô ë nh÷ng n¬i nhÊt ®Þnh. Th¹ch anh- mét trong nh÷ng kho¸ng vËt
chÝnh cña ®¸ axit sÏ kÕt tinh ë d¹ng s¹ch vµ kÕt thµnh ®¸ c¸t cã ®é phãng x¹ tù nhiªn
thÊp. Feldspat vµ mica lµ c¸c kho¸ng vËt cã chøa nhiÒu K nªn dÔ bÞ hÊp phô bëi c¸c
kho¸ng vËt sÐt, v× vËy mµ sÐt th−êng cã ®é phãng x¹ cao.
C−êng ®é phãng x¹ tù nhiªn cao ë c¸c líp sÐt còng cßn v× c¸c nguyªn nh©n
kh¸c n÷a. Trong qu¸ tr×nh l¾ng ®äng, sÐt hÊp phô c¸c ion cña c¸c nguyªn tè ®ång vÞ
phãng x¹ cã trong c¸c x¸c ®éng vËt cÊp thÊp. C¸c sÐt bÞ bitum ho¸, cã thÓ chøa tíi
0,01% Uran hay Thori. C−êng ®é phãng x¹ trong tr−êng hîp nµy lµ do sù tÝch tô c¸c ®ång
vÞ phãng x¹ cña c¸c d∙y Uran vµ Thori khi cã c¸c chÊt keo sinh ra tõ vËt chÊt h÷u c¬.
C¸c ®¸ cacbonat (v«i, dolomit,) cã ®é phãng x¹ thÊp nhÊt. ë c¸c ®íi x¶y ra
qu¸ tr×nh dolomit ho¸ do t¸c ®éng cña n−íc d−íi ®Êt ta thÊy cã sù t¨ng nhÑ ®é phãng
x¹ tù nhiªn do cã mét l−îng nhá c¸c ®ång vÞ phãng x¹ cã s½n trong n−íc.
C¸c ®¸ c¸t kÕt vµ cacbonat cã sè ®o ®é phãng x¹ tù nhiªn t¨ng dÇn theo hµm
l−îng sÐt chøa trong ®¸.
DÞ th−êng phãng x¹ tù nhiªn cã thÓ cao trong tr−êng hîp trong ®¸ cã hµm l−îng
c¸c chÊt phãng x¹ nh− c¸t chøa monazit vµ ®¸ v«i chøa Uran. Biªn ®é cña dÞ th−êng
thËm chÝ lín h¬n c¶ khi c¸t kÕt chøa glauconit.
Than vµ c¸c líp ®¸ thuû ho¸ (th¹ch cao, anhydrit, muèi má) cã ®é phãng x¹ tù
nhiªn thÊp nhÊt. ChØ khi c¸c ®¸ thuû ho¸ cã kÌm theo c¸c muèi Kali (Sinvin, carnalit,
kaimit, langbeinit, polyhalit) th× míi cã ®é phãng x¹ tù nhiªn cao.
Trong mét sè tr−êng hîp, c¸c m¹ch n−íc d−íi s©u cã nång ®é kho¸ng hoµ tan
cã tÝnh phãng x¹ ®−a lªn c¸c líp gÇn mÆt ®Êt vµ ë ®ã xuÊt hiÖn dÞ th−êng phãng x¹
(trong thùc tÕ ®∙ gÆp tr−êng hîp ho¹t ®é phãng x¹ tíi 10-8 gRatd/lit).
114
c) §¬n vÞ ®o ®é phãng x¹
C¸c ®¬n vÞ ®o ®é phãng x¹ tù nhiªn hay dïng trong §Þa vËt lý giÕng khoan ®−îc
tr×nh bµy trong b¶ng 5.2. Trong ®ã ®¬n vÞ γ API lµ ®¬n vÞ ®−îc dïng phæ biÕn
B¶ng 5.2
§¬n vÞ Ký hiÖu §Þnh nghÜa, néi dung C¸c thø nguyªn th−êng
dïng
Curie Ci
Lµ ®¬n vÞ ®o ho¹t ®é phãng
x¹, l−îng chÊt phãng x¹ cã
thÓ bøc x¹ tia gamma
3.7.1010 ph©n r∙ trong 1
gi©y, t−¬ng ®−¬ng víi ho¹t
®é phãng x¹ cña 1g chÊt Ra
mCi = 3,7.107ph.r∙/s
µCi = 3,7.104 ph.r∙/s
Gram Rat®/g®® gRa t®/g
L−îng c¸c chÊt phãng x¹
bÊt kú cã trong 1g ®Êt ®¸ cã
thÓ t¹o ra c−êng ®é phãng
x¹ b»ng 1g Ra
µµRa td/g = 10-12gR td/g
Microgram Ra
t®/tÊn ®® µgRa t®/tÊn ®®
L−îng c¸c chÊt phãng x¹
®o b»ng µg trong 1 tÊn ®Êt
®¸ cã thÓ bøc x¹ γ t−¬ng
®−¬ng víi 1 µg chÊt Radi
1 µgRa t®/t = 2.8g U/T hay
5.7g Th/T
Roentgen/giê R/h
Lµ ®¬n vÞ suÊt liÒu chiÕu.
Bøc x¹ Gamma hay
R¬nghen cña mét liÒu chiÕu
cã kh¶ n¨ng t¹o ra trong
1cm3 kh«ng khÝ kh« ë ®iÒu
kiÖn tiªu chuÈn (0C,
760mmHg) mét sè i«n cã
tæng ®iÖn tÝch b»ng 1 ®¬n vÞ
®iÖn tÝch trong 1 giê.
µR/h = 10-6 R/h (gamma)
γ API, GAPI γAPI (GAPI)
1/200 cña ®é lÖch gi÷a c¸c
®−êng cong Gamma trong
m«i tr−êng kh«ng cã phãng
x¹ vµ m«i tr−êng cã ®é
phãng x¹ cao chøa
0,0024%Th; 0,0013U vµ
4%K bao quanh giÕng
khoan chèng èng ®−êng
kÝnh 51/2inch
115
5.1.2. C−êng ®é phãng x¹ nh©n t¹o hay kÝch thÝch
Trong ®Þa vËt lý cã mét sè c¸c ph−¬ng ph¸p h¹t nh©n nghiªn cøu m«i tr−êng
qua ®é phãng x¹ nh©n t¹o b»ng c¸ch chiÕu x¹ (b¾n ph¸) c¸c h¹t nh©n trong trong m«i
tr−êng b»ng c¸c h¹t gia tèc.
Sù b¾n ph¸ c¸c h¹t nh©n bÒn v÷ng b»ng c¸c h¹t gia tèc (α, β, p, d) vµ b»ng
n¬tron hoÆc b»ng ph¸t x¹ gamma cã thÓ diÔn ra c¸c hiÖn t−îng sau:
- Ph¶n øng h¹t nh©n d¹ng A(p, q) B hÊp thô. Trong ®ã A lµ h¹t nh©n bÞ b¾n ph¸
b»ng h¹t p vµ bÞ hÊp thô, cßn B lµ h¹t nh©n t¹o thµnh vµ ph¸t x¹ h¹t n¨ng l−îng q.
VÝ dô ph¶n øng ph«ton - n¬tron: 9 Be(γ, n)8Be cã n¨ng l−îng En = 1,67 MeV.
- KhuyÕch t¸n cña c¸c h¹t dïng ®Ó b¾n ph¸ phô thuéc vµo tû sè khèi l−îng cña
h¹t nh©n/khèi l−îng h¹t b¾n ph¸ vµ gãc t¹o gi÷a h−íng ban ®Çu vµ sau t−¬ng t¸c. VÝ dô
n¬tron va ch¹m víi c¸c h¹t nh©n bÞ mÊt dÇn n¨ng l−îng vµ chuyÓn ®éng lÖch h−íng.
§Ó gi¶m n¨ng l−îng cña mét n¬tron tõ 2MeV ®Õn 0,025eV th× n¬tron cÇn va
ch¹m víi h¹t nh©n cña nguyªn tè cacbon 114 lÇn, cßn nÕu va ch¹m víi hydro th× chØ
cÇn 18 lÇn th«i. N¨ng l−îng cµng thÊp th× hiÖn t−îng khuyÕch t¸n n¬tron trong m«i
tr−êng cµng râ rµng. ë tr¹ng th¸i nhiÖt (En ≈ 0,025 eV) th× n¬tron lan to¶ trong m«i
tr−êng theo ®Þnh luËt khuyÕch t¸n.
Trong c¸c giÕng khoan th¨m dß t×m kiÕm c¸c kho¸ng s¶n kh¸c nhau (dÇu, than,
quÆng, ®¸ quý,) ng−êi ta th−êng dïng biÖn ph¸p chiÕu x¹ (b¾n ph¸) c¸c líp ®Êt ®¸
b»ng c¸c tia gamma hay chïm h¹t n¬tron ®Ó quan s¸t vµ ®o vÏ c¸c hiÖu øng do c¸c va
ch¹m cña chóng víi m«i tr−êng nghiªn cøu. V× vËy, ë ®©y ta chØ giíi h¹n xÐt t−¬ng t¸c
cña hai phÐp chiÕu x¹ võa nªu.
T−¬ng t¸c cña c¸c tia gamma víi m«i tr−êng
Khi chiÕu x¹ m«i tr−êng nghiªn cøu b»ng chïm tia gamma th× ta sÏ gÆp c¸c
t−¬ng t¸c gi÷a gamma víi m«i tr−êng g©y ra ba hiÖu øng quan träng sau ®©y:
a) HiÖu øng quang ®iÖn: Trong hiÖu øng nµy ph«t«n l−îng tö gamma tíi va ch¹m
kh«ng ®µn håi víi nguyªn tö mµ nã gÆp trªn ®−êng ®i. khi va ch¹m nguyªn tö bÞ giËt lïi
mét chót cßn l−îng tö gamma bÞ mÊt mét phÇn n¨ng l−îng. PhÇn n¨ng l−îng Êy lµm
nguyªn tö chuyÓn sang mét tr¹ng th¸i kÝch thÝch vµ nguyªn tö sÏ mÊt tr¹ng tr¹ng th¸i
kÝch thÝch b»ng c¸ch ph¸t ra mét electron quü ®¹o (th−êng lµ electron ë vµnh k) (h×nh
5.1) cã thÓ biÓu diÔn n¨ng l−îng häc toµn phÇn b»ng ph−¬ng tr×nh quang ®iÖn sau:
T = hν -βe (5.1)
Trong ®ã:
T lµ ®éng n¨ng cña electron ph¸t ra gäi lµ “quang ®iÖn tö”.
hν lµ n¨ng l−îng cña l−îng tö gamma tíi.
βe lµ n¨ng l−îng liªn kÕt cña quang electron.
116
Xung l−îng biÓu thÞ ë h×nh 5.1 ®−îc
b¶o toµn theo c¸ch toµn bé phÇn nguyªn tö
cßn l¹i bÞ giËt lïi.
H∙y chó ý x¸c suÊt ®Ó qu¸ tr×nh hÊp
thô quang ®iÖn x¶y ra vµ v× cÇn thiÕt ®−a
thªm c¸c ®Þnh nghÜa vÒ sè h¹ng aτ cm2 lµ
tiÕt diÖn trªn mçi nguyªn tö ®èi víi hiÖu
øng quang ®iÖn. Sè h¹ng aτ thay ®æi rÊt râ
rÖt theo n¨ng l−îng cña l−îng tö gamma tíi,
còng nh− nguyªn tö sè Z cña chÊt hÊp thô.
Thùc nghiÖm ®∙ chøng minh r»ng aτ gÇn nh− tû lÖ víi Z vµ gi¶m tû lÖ nghÞch
víi hγ:
)2.5(
4
const
h
Z
a==
γ
τ
Trong nghiªn cøu thùc tÕ ng−êi ta cßn dïngmét sè hÖ sè t¾t dÇn tuyÕn tÝnh,
t−¬ng ®−¬ng víi x¸c suÊt trªn mçi xentimet ®Ó t−¬ng t¸c x¶y ra. HÖ sè nµy b»ng tÝch
cña tiÕt diÖn aτ víi N lµ sè nguyªn tö trong mçi cm3. HÖ sè t¾t dÇn tuyÕn tÝnh τ ®èi víi
hiÖu øng quang ®iÖn lµ:
'21 )2.5()()( cmaNcm
ττ
=
−
3
cm
tö nNguyª
Víi c¸c biÓu thøc trªn, ta cã thÓ t×m sù biÕn thiªn cña τ trong kho¶ng gi÷a hai
chÊt hÊp phô kh¸c nhau ®èi víi l−îng tö gamma cã cïng n¨ng l−îng:
4
2
1
12
21
21
=Z
Z
A
A
ρ
ρ
ττ
Víi ρ - mËt ®é; A - nguyªn tö l−îng.
VÝ dô: MËt ®é cña ch× vµ nh«m: ρPb = 11,4(g/cm3); ρAl = 2,7(g/cm3).
Sè nguyªn tö Z cña chóng: 82 ; 13
Träng l−îng nguyªn tö cña chóng: 207,2 ; 27.
Thay c¸c gi¸ trÞ trªn vµo biÓu thøc cuèi cïng, ta nhËn ®−îc:
872
13
82
207*7,2
27*4,11 4
=
=
Al
Pb
τ
τ
e-quan
g
electron
N
g
u
y
ªn t
ö
Photon tíi
h
ν
H
×nh 5.1. BiÓu diÔn s¬ l−îc qu¸ tr×nh
q
uan
g
®iÖn