Princip radionuklidových metod

Radionuklidové metody využívají přeměn jader atomů, vzniku jaderného záření a jeho působení na hmotu. Přeměny jader atomů vznikají v důsledku vnitřní nestability jader atomů nebo kvůli působení externího záření na atomy hmoty. Při radioaktivním rozpadu dochází k přeměně jednoho prvku na jiný (mění se atomové číslo Z). Zákon radioaktivního rozpadu vyjadřuje exponenciální úbytek atomů mateřského prvku v čase. Lze ho zapsat jako N(t)= N(0)*e-^λ*t, kde N(t) je počet atomů v čase t, N(0) počet atomů v čase nula, e základ přirozeného logaritmu a λ rozpadová konstanta. Rychlost rozpadu charakterizuje poločas rozpadu, který nám říká za jaký čas se rozpadne právě jedna polovina atomů daného prvku. Ten lze zapsat vzorcem T1/2=ln2/λ.

Radionuklidy můžeme rozdělit na přirozené a umělé. Mezi přirozené patří jednak členy přirozených radioaktivních rozpadových řad. Izotopy ⁴⁰K, ⁴⁸Ca, ⁸⁷Rb, ¹⁷⁶Lu (mají první produkty rozpadu stabilní), jednak radioaktivní prvky s jednorázovým rozpadem. Mezi rozpadové řady patří uran ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th. Umělé radionuklidy vznikají ozářením látek neutrony, nabitými částicemi nebo zářením gama, jedná se například o ²³⁹Pu, ²⁴¹Am, ¹³⁷Cs aj.

Nejdůležitější radionuklidy pro geofyzikální měření jsou přírodní rozpadové řady draslíku (K), uranu (U) a thoria (Th). Zatímco K měříme při gamaspektrometrických měření přímo - sonda měří celkový obsah K a je kalibrována na obsah radiaktivního, který je zastoupen v celkovém K hodnotou 0,012%. Izotopy U a Th určujeme nepřímo a předpokládáme, že změřený prvek z dané rozpadové řady je v radioaktivní rovnováze se svým mateřským prvkem. Neboli, že koncentrace n-tého prvku v rozpadové řadě je ekvivalentní koncentraci původního mateřského prvku. Takto zjištěné hodnoty U a Th se označují jako ekvivalentní - eU, eTh.

Jaderné záření můžeme rozlišit na několik druhů, jež se liší typem částic a interakcí s hmotou.
Záření alfa je proud kladně nabitých částic se složením 2 protonů a 2 neutronů. Jedná se o atom helia, z něhož byl odstraněn elektronový obal. Energie záření alfa je diskrétní, tzn. dle hodnoty energie dokážeme rozlišit jednotlivé radionuklidy. Průchodnost záření alfa hmotou je malá. Ve vzduchu kolem 10 cm, v tuhých látkách okolo 0,01 cm.
Záření beta je proud záporně nabitých elektronů. Rychlost záření beta je blízká rychlosti světla, energie záření je spojitá (nelze rozlišit jednotlivé radionuklidy dle energie). Dolet částic beta o energii 1 MeV je ve vzduchu asi 4 m, ve vodě 4,38 mm, v horninách do 10 mm.
Záření gama je vysoce energetické elektromagnetické záření vlnového charakteru. Energie záření gama je diskrétní, dolet částic gama o energii 2,615 MeV je ve vzduchu kolem 700 m, v horninách okolo 0,5 m. Při průchodu hmotou gama záření interaguje s atomy hmoty. Pokud má záření nízkou energii dochází k fotoefektu - gama výráží elektron. Při středních energiích dochází ke comptonovu rozptylu - gama vyráží elektron, mění svůj směr, energii a pokračuje dál. Pokud má záření vysokou energii dochází k tvorbě páru elektron pozitron - gama dopadá do jádra atomu, energie se mění na pár elektron-pozitron. K reakci ovšem dochází jen pokud je energie gama záření vyšší než 1,02 MeV.

Průchodnost záření gama v horninách je sice pouze okolo 0,5 m, ale díky mechanickým, chemickým a plynným aureolám můžeme detekovat ložiska radioaktivních prvků až na vzdálenosti prvních stovek metrů. Typicky lze takto detekovat zvýšené koncentrace radonu nad ložisky uranu.

Neutronové záření je tvořeno elementárními částicemi bez náboje (neutrony), které vznikají při spontánním štěpení jader atomů a při jaderných reakcích. Stejně jako gama záření i neutronové záření interaguje s atomy hmoty. Při pružném rozptylu je neutron odchýlen působením jaderných sil ze své dráhy. Při nepružném rozptylu dochází k srážce s jádrem atomu, vzbuzení jádra a emisi gama kvant při přechodu jádra na stabilní energetickou úroveň. Průchodem hmotou se neutrony stávají tepelnými - jejich energie klesá. Na procesu zpomalení neutronů do energií tepelných neutronů se významně podílí vodík a tepelné neutrony se dále šíří difuzí.

Kosmické záření je tvořeno proudem nabitých částic přícházejících z kosmu. Jedná se především o protony a alfa záření, které při průchodu zemskou atmosférou dávají vznik sekundárnímu gama záření. Intenzita kosmického záření stoupá se zeměpisnou šířkou a nadmořskou výškou. Na hladině moře je dávkový příkon kosmického záření 32 nGy/h a na každých 1500 metrů nadmořské výšky se zhruba dvakrát zvětšuje. Při měřeních toto kosmické záření přístroji také detekujeme a je nutné ho odečítat jako pozadí.