XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Радиоактивность горных пород и минералов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Как и остальные планеты земной группы, наша планета также богата разнообразием радиоактивных элементов. Эти элементы широко распределены в толще земной коры и глубоко в мантии Земли. Выделяясь в вулканическими газами при извержениях вулканов, скапливаясь на дне океанов, включаясь в процессы формирования горных пород, радиоактивные элементы скапливаются и даже образуют рудные массивы. Таковой является, например, урановая руда, содержащая в своём составе такой важный элемент современной энергетики как уран. Горные породы могут содержать и заметные количества другого достаточно распространённого элемента – тория. Есть и целый ряд других радиоактивных элементов, содержащихся в мизерных количествах в растениях, живых тканях животных и человека, в воде рек, озёр и морей. Элементы природного происхождения, содержащиеся в окружающей среде в малых количествах, не опасны для человека, это его естественная среда обитания. Тем не менее, содержание тех или иных радиоактивных элементов может колебаться, тем самым определяя допустимые условия безвредного существования человека.
Цель работы: измерить радиоактивность горных пород и минералов
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
Рассмотреть, что такое радиоактивность;
Измерить радиоактивность горных пород и минералов с помощью специального прибора;
Составить таблицу, исходя из полученных данных;
Сделать вывод.
Природная радиоактивность окружающей среды
Радиоактивность не была изобретена человеком. Она составляет часть природной окружающей среды: и земной поверхности, и горных пород, и атмосферы, и тела человека, и продуктов питания. С момента открытия природной радиоактивности Анри Беккерелем в конце XIX века ее свойства находят применения в различных сферах человеческой деятельности: индустрии, военно-промышленном комплексе, медицине, научных исследованиях и т.д. Уровень радиоактивности измеряется в беккерелях (Бк). Один беккерель соответствует количеству атомов, распавшихся за секунду.
Радиоактивность – самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения – радиоактивным распадом.
Радиоактивность горных пород и руд
Радиоактивность горных пород и руд определяется содержанием радиоактивных породообразующих минералов. В зависимости от качественного и количественного состава этих минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких пределах. Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию урана принято подразделять на следующие группы:
• породы практически нерадиоактивные (U <10–5 %);
• породы средней радиоактивности (U <10–4 %);
• высокорадиоактивные породы и убогие руды (U <10–3 %);
• бедные радиоактивные руды (U <10–2 %);
• рядовые и богатые радиоактивные руды (U> 0,1 %).
К практически нерадиоактивным относятся такие осадочные породы, как ангидрит, гипс, каменная соль, известняк, доломит, кварцевый песок и др., а также ультраосновные, основные и средние породы. Средней радиоактивностью обладают кислые изверженные породы, а из осадочных — песчаник, глина и особенно тонкодисперсный морской ил, обладающий способностью адсорбировать радиоактивные элементы, растворенные в воде. Радиоактивные руды (от убогих до богатых) встречаются на урановых или ураноториевых месторождениях эндогенного и экзогенного происхождения. Их радиоактивность изменяется в широких пределах и зависит от содержания урана, тория, радия и других элементов.
Способы измерения радиоактивности
Приборы, измеряющие радиоактивность — это приборы, предназначенные для измерения дозы излучения или величин, связанных с ней.
Радиоактивные и рентгеновские излучения при воздействии на органы чувств человека не видны, но они могут быть обнаружены с помощью специализированных приборов и приспособлений, основанных на физико-химических процессах.
Все приборы для измерения ионизирующих и радиоактивных излучений подразделяются на три категории: радиометрические (радиометры), дозиметрические (дозиметры), блоки и устройства электронной аппаратуры для ядерно-физических исследований (ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера, коронные и искровые счетчики).
Радиометр — это прибор, который способен измерить активность источников излучения и определить плотность потока ионизирующих частиц света. Он состоит из стеклянного сосуда, содержащего алюминиевую вертушку с горизонтальными ветвями и с газоразрядным счетчиком. Измерители радиоактивности (радиометры) делятся на радиометры загрязнения поверхностей и радиометры загрязнения воздуха.
Радиометр был изобретен в 1873 г. английским ученым В. Круксом, который доказал, что он может служить измерительным прибором для разных проявлений излучений.
Дозиметр (или рентгенометр) — это прибор, который измеряет дозы излучения и мощность доз. Он состоит из трех основных частей: детектора, радиотехнической схемы, регистрирующего (измерительного) устройства.
Дозиметры делятся на стационарные, переносные и индивидуального дозиметрического контроля.
Необходимо учитывать, что при любых измерениях радиации присутствует естественный радиационный фон. Поэтому сначала выполняют измерение дозиметром уровня фона, характерного для данного участка местности (на достаточном удалении от предполагаемого источника радиации), после чего выполняют измерения уже в присутствии предполагаемого источника радиации. Наличие устойчивого превышения над уровнем фона может свидетельствовать об обнаружении радиоактивности.
Ионизационная камера — это прибор, с помощью которого измеряются все типы излучений (радиационное, химическое и др.). Она может быть плоской, цилиндрической и сферической формы.
Ионизационные камеры в зависимости от назначения и конструкции могут работать как в импульсном, так и токовом режиме.
Пропорциональные счетчики позволяют определять энергию ядерных частиц и изучать природу их существования. Они наполняются газовой смесью неона с аргоном и работают при атмосферном давлении.
Счетчик Гейгера-Мюллера представляет собой газоразрядный прибор, который способен обнаружить и исследовать различного рода ионизирующие излучения, такие как альфа- и бета-частицы, гамма-кванты, световые и рентгеновские кванты, частицы высокой энергии в космических лучах и на ускорителях. Счетчик Гейгера-Мюллера был создан в 1908 г. учеными Г. Гейгером и И. Мюллером и основан на ударной ионизации, то есть на внезапном действии атомов или молекул с электрическим зарядом в вакууме, наполненным инертным газом.
Широкое применение счетчик Гейгера-Мюллера получил в ядерной технике и при поиске радиоактивных урановых и ториевых руд.
Позже, в 1912 г., английский ученый Ч. Вильсон разработал лабораторное устройство, с помощью которого возможно было как наблюдать, так и фиксировать движения радиоактивных заряженных частиц с небольшой скоростью. Оно было названо камерой Вильсона.
В 1932 г. советский физик П. Капица и американский ученый К. Андерсон на основе наблюдений за камерой Вильсона сконструировали более усовершенствованный прибор, внутри которого помещался крупный электромагнит со стальным сердечником, дававший возможность более точно определять энергию радиоактивных частиц.
В 1959 г. Ч. Вильсон также изобрел камеру для фиксации следов пролета заряженных радиоактивных частиц под названием «магнитный спектрограф».
Экспериментальная часть
Измерение радиоактивности горных пород проводилось с помощью счетчика Гейгера-Мюллера.
Рис.1. Счетчик Гейгера-Мюллера.
Исследовались такие виды горных пород, как: разные сорта песчаника, гранита, окаменевшая древесина, калийная соль и торий. Исследуемые образцы взяты с берегов горных рек Кия и Бирюса.
Рис.2. 1 – Галька; 2 – Гранит крупнозернистый
Рис.3. Калийная соль
Рис.4. 4 – Красный песчаник; 5 – Галька (слюдянистый гранит);
6 – Красный песчаник(плотный)
Рис.5. 7 – Скальная порода; 8 – Слюдянистый гранит
Основные результаты. Выводы
В таблице 1 представлены результаты измерений радиоактивности исследуемых пород.
Таблица 1.
|
№ опыта Образец |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Nср |
Примечание |
|
Фон |
17 |
20 |
20 |
20 |
21 |
20 |
|
|
Галька |
24 |
20 |
21 |
19 |
31 |
23 |
р. Кия 2020 г. |
|
Гранит (крупно- зернистый) |
15 |
21 |
12 |
17 |
19 |
17 |
р. Бирюса 2018 г. |
|
Калийная соль |
82 |
65 |
89 |
84 |
79 |
80 |
Монокристалл, искусственно выращенный методом Киропулоса |
|
Красный песчаник |
15 |
20 |
19 |
21 |
18 |
19 |
р. Бирюса (берег) |
|
Галька (слюдянистый гранит) |
21 |
16 |
26 |
19 |
14 |
19 |
Р. Бирюса (берег) 2018 г. |
|
Красный песчаник (плотный) |
18 |
16 |
18 |
23 |
15 |
18 |
р. Бирюса 2018 г. |
|
Скальная порода |
12 |
19 |
31 |
18 |
16 |
19 |
р. Бирюса (скала) |
|
Слюдянистый гранит |
20 |
13 |
19 |
23 |
33 |
22 |
р. Бирюса (скала) |
|
Песчаник (рыжий) |
17 |
18 |
18 |
21 |
15 |
18 |
р. Кия (берег) |
|
Песчаник (белый) |
14 |
15 |
17 |
10 |
21 |
15 |
р. Кия (берег) |
|
Окаменевшее дерево |
16 |
20 |
13 |
16 |
17 |
16 |
р. Кия |
|
Красная порода (полевой шпат) |
18 |
19 |
15 |
25 |
22 |
20 |
р. Кия |
|
Железистый песчаник |
18 |
12 |
17 |
13 |
18 |
16 |
р. Кия |
|
Галька с вкраплениями |
23 |
12 |
26 |
22 |
19 |
20 |
р. Кия |
|
Песок |
23 |
16 |
19 |
28 |
24 |
22 |
р. Кия 2020 г. |
|
Гранит, содержащий торий |
311 |
291 |
314 |
309 |
316 |
308 |
Горы Алтай |
Из таблицы 1 видно, что коренные породы – базальт и гранит, обладают наибольшей фоновой радиоактивностью. По-видимому, эти породы могут содержать такие элементы, как торий или уран.
Остальные породы имеют активность в пределах фона.
Таблица 2. Результаты по энерго-дисперсионному анализу состава концентрата переработки гранита
Processing option : All elements analysed (Normalised)
|
Spectrum |
In stats. |
C |
O |
F |
Na |
Cl |
K |
Ba |
W |
Th |
|
Spectrum 1 |
Yes |
9.4 |
12.1 |
40.4 |
4.6 |
8.7 |
9.5 |
9.2 |
5.5 |
0.7 |
|
Spectrum 2 |
Yes |
27.7 |
5.1 |
31.3 |
1.7 |
14.3 |
2.7 |
15.2 |
2.1 |
0.7 |
|
Spectrum 3 |
Yes |
6.0 |
7.8 |
38.6 |
3.7 |
14.6 |
5.1 |
19.7 |
3.8 |
0.7 |
|
Spectrum 4 |
Yes |
3.3 |
3.9 |
33.1 |
1.9 |
23.3 |
2.9 |
28.9 |
2.8 |
0.7 |
|
Max. |
27.7 |
12.1 |
40.4 |
4.6 |
23.3 |
9.5 |
28.9 |
5.5 |
0.7 |
|
|
Min. |
3.3 |
3.9 |
31.3 |
1.7 |
8.7 |
2.7 |
9.2 |
2.1 |
0.7 |
All results in atomic %
Данные таблицы 2 показывают, что в образце концентрата содержание тория – 0,7 атомного процента.
Заключение
Проведены исследования целого ряда горных пород.
Опытным путем выявлено, что наиболее радиоактивны породы, содержащие торий, уран и калий-40.
Были сделаны следующие выводы:
Граниты и базальты обладают повышенной радиоактивностью;
Особенно заметной радиоактивностью обладают граниты с повышенным содержанием тория;
Образцы песчаников, окаменевшие остатки обладают слабой радиоактивностью в пределах фона.
В основном, рассмотренные мной породы не являются опасными для здоровья человека, поскольку не превосходят среднего показателя фона, и могут использоваться в строительстве без каких-либо последствий.
В перспективе, мне хотелось бы провести мониторинг радиоактивности горных пород других регионов.
Список литературы
Wikipedia: https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоактивный_распад
BookOnLime: https://bookonlime.ru
Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского: http://www.vsegei.com/ru/public/sprav/geodictionary/article.php
Большая энциклопедия: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/094/880.htm
О спец. приборах: https://znaytovar.ru/s/Pribory-izmeryayushhie-radioaktiv.html