Моделирование радиационных нарушений кристаллической решетки природных соединений, вызываемых атомами отдачи Кучеренко, Нина Львовна

Введение к работе

Актуальность темы. Вопросы взаимодействия атомных частиц с
твердым телом приобретают в последнее время большое значение в
связи с проблемами прогнозирования поведения техногенных
материалов и геологических объектов в условиях внешних и
внутренних радиационных воздействий. Решение этих проблем
требует создания количественных моделей радиационных
повреждений, так как прямые эксперименты или дороги, или
затруднены, а чаще невозможны. К таким "трудно наблюдаемым"
явлениям относится разделение четных изотопов урана, вызванное
естественной радиоактивностью ^SU. Решение большинства

вопросов, связанных с этим явлением, затруднительно в силу невозможности постановки "чистых" экспериментов для сложных природных кристаллов и для периодов времени, измеряющихся по крайней мере сотнями тысяч и миллионами лет.

U является дочерним продуктом * U. При а-распаде " U образуется ²³⁴Th, который, обладая высокой кинетической энергией (72 Кэв), смещает атомы кристаллической решетки, образуя в веществе разупорядоченные области, так называемые пики смещения по Бринкмену. Затем ²³⁴Th путем двух р-распадов превращается в ²³⁴U.

Размер, структура, форма этих разупорядоченных областей, а также вероятность выхода из них самого атома отдачи при распаде ²³⁸U, как было установлено впоследствии, определяют величину отношения активностей U/ U .

Таким образом, первопричиной разделения названных изотопов является альфа-распад ²³⁸U и образование в кристаллите областей

разупорядоченных атомов. Разупорядоченные области минералов при переходе в жидкости создают избыток ²³⁴U в природных водах и природных образованиях, в том числе в такой огромной системе как Мировой океан.

Изучение изотопных отношений химических элементов в минералах, горных породах, природных водах, живых организмах и других природных средах является весьма актуальным, поскольку открывает широкие возможности для познании геологических процессов, истории Земли и ее отдельных образований. Изотопный состав кекоторых элементов в минералах месторождений позволяет выяснить источник, из которого происходило накопление металлов, продолжительность этого процесса, решить другие актуальные задачи. Особое место занимают изотопные отношения в решении геохимических и петрологических проблем, связанных с генезисом различных магматических пород, образованием земной коры и гидросферы. В этом плане особенно актуальны исследования изотопных отношений радиоактивных элементов.

Среди прочих элементов уран интересен не только с экономической и военной точек зрения. Изотопные отношения являются индикаторами при изучении истории Земли и ее отдельных образований. Особое значение исследования изотопных отношений радиоактивных элементов приобретают и в связи с экологическими проблемами последних лет.

Открытие Чердынцевым В.В. и Чаловым П.И естественного разделения U и U [2], привело к необходимости исследования распространенности этого явления и его закономерностей. Результатом этих работ является создание новых мегодов, широко

применяемых в геохронологии и гидрогеологии, а также выявление ряда закономерностей самого механизма разделения изотопов. Однако, создание физико-химической модели механизма разделения четных изотопов урана представляет собой серьезную проблему из-за сложности и многофакторности природных процессов. Поэтому количественная оценка величины отношения изотопов в различных природных соединениях, а также выявление зависимости этого отношения от концентрации урана, наличия тяжелых примесей, объема разрушений требует исследований на новой основе, в частности, с привлечением методов компьютерного моделирования.

Цель работы:

Смоделировать процесс разделения изотопов ²³⁴U и ²³⁸U в природных кристаллах на основе механизма, предложенного с позиций физики радиационных воздействий [1], конкретно решить следующие задачи:

моделирование пиков смещения, образуемых атомом отдачи при альфа-распаде ²³⁸U, в различных природных соединениях для выявления их размеров, форм и структуры;

определение вероятности выхода атома отдачи из образованного им пика смещения в различных природных соединениях;

выявление различий пиков смещений в тяжелых и легких соединениях;

моделирование динамики накопления пиков смещений в кристалле, оценка отношения активностей ²³⁴Uf^3SU в разупорясоченных структурах кристаллической решетки.

Научная новизна:

1 .Количественно оценены параметры, определяющие механизм разделения четных изотопов урана с позиций физики радиационных воздействий.

2.Выявлены новые особенности разрушения кристаллической решетки ядром отдачи, следствием которых являются различные формы пиков смещения.

3.Определено влияние "тяжелых" примесей на форму и структуру радиационных нарушений, создаваемых ядром отдачи ²³⁴Th.

Практическая ценность определяется большой

распространенностью явления естественного разделения изотопов урана в природных системах, широким использованием закономерности! изотопного фракционирования урана в различных науках о Земле, в том числе и при поисках рудных проявлений. Определение различий радиационных разрушений ядром отдачи ²³⁴Th для природных соединений с тяжелыми примесями позволит обоснованно использовать эффект изотопного фракционирования урана для выявления неурановых рудных залежей.

Выявление новых закономерностей естественного разделения изотопов U и U расширит область их практического применения .

Автор защищает:

1.Новизну методики, используемой для исследования естественного разделения ²³⁴U и ^23SU;

2.Определение размеров пиков смещений, образованных атомом отдачи при распаде ^Z38U в различных соединениях;

3 .Оценку вероятности выхода атома отдачи из образованного им пика смещения;

4.Оценку избытка ²³⁴U в разупорядоченных структурах зерен минералов;

5. Определение различий в форме и объеме радиационных разрушений ядром отдачи ²³⁴Th для "легких" и "тяжелых" соединений, зависимость формы и структуры (плотности дефектов) пика смещения от наличия тяжелых примесных элементов.

Апробация работы. Работа выполнена в радиометрической лаборатории Института физики НАН КР в соответствии с планом научно-исследовательских работ. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ. Результаты исследований докладывались и обсуждались на:

1. Международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора Ф.И.Франкля "Проблемы механики и прикладной математики", Бишкек, 1995;

2. 3-ем Российском семинаре "Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов", Курган, 1996;

3. Международной конференции "Физика и промышленность "-Голицыно, 1996;

4. 9-й Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов, Томск, 1996;

5. 4-й научной Казахстанской конференции по физике твердого тела, Караганда, 1996;

6. The International conference "Advanced optical materials and devices", Riga, 1996.

Структура работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка цитируемой литературы. Полный объем работы 105 страницы, включая 10 таблиц,

26 рисунка и 3 приложения. Список цитируемой литературы содержит 83 наименования.