Спонтанное деление свойственно тяжелым ядрам конца Периодической системы и характеризуется определенным периодом полураспада для каждого радионуклида - Ts.
В природе спонтанное деление наблюдается у изотопов тория и урана. Деление тяжелых ядер под действием космических частиц и нейтронов составляет ничтожную долю по сравнению со спонтанным делением.
Величины скоростей спонтанного деления λs на несколько порядков ниже, чем скорости α-распада λα тех же самых изотопов урана и тория:
| |
238U |
235U |
232Th |
| λα, год-1 |
0,1551 · 10-9 |
0,9859 · 10-9 |
0,0494475 · 10-9 |
| λs, год-1 |
8,46 · 10-17 |
3,8 · 10-18 |
10-22 |
Таким образом, среди наиболее распространенных радионуклидов максимальная величина λs наблюдается у 238U. Поэтому подавляющая масса наблюдаемых в горных породах актов спонтанного деления ядер обусловлена делением 238U. Влияние 232Th ничтожно мало в связи с очень низкой величиной его Ts. В результате деления возникает большое количество осколков - изотопов криптона и ксенона, 90Sr, 87Rb, 129I, 99Тс и др. Их кинетическая энергия составляет от 30 до 105 МэВ, что вполне достаточно для образования треков в структурах минералов.
Первичные треки можно наблюдать лишь в электронный микроскоп. Для того чтобы можно было их наблюдать в оптический микроскоп, минерал подвергают травлению. При этом состав реагента, которым осуществляют травление, подбирают так, чтобы растворились лишь нарушенные зоны вокруг первичных треков без растворения остальных частей минерала. Зная концентрацию урана в минеральном зерне и подсчитав плотность треков спонтанного деления, можно определить возраст минерала, вернее, время последнего термального метаморфизма, так как треки при нагревании подвержены отжигу. Возраст рассчитывают по следующей формуле:
t = lg ( + 1),(12.9)
286
где λα и λs - константы скорости α-распада и спонтанного деления соответственно; N - число актов спонтанного деления в единице объема минерала (число треков); U - концентрация урана.
Треки спонтанного деления хорошо отличаются от других дефектов кристалла неядерного происхождения. Они имеют прямолинейную форму, ограниченную длину, беспорядочно ориентированы в минерале, подвержены отжигу.
Концентрацию урана удобно определять по трекам индуцированного деления урана. После отжига образец облучают тепловыми нейтронами и подсчитывают треки индуцированного деления 235U. Благодаря постоянству отношения 238U/ 235U, пo 235U рассчитывают концентрацию 238U. Метод пригоден для определения возраста по слюдам не древнее 300 - 350 млн лет, по цирконам - до 400 млн лет, по монацитам - не древнее 300 млн лет, а по апатитам и гранатам - 100 - 200 млн лет. В более древних минералах радиационные повреждения могут исчезать за счет слабого метаморфизма и наложенных процессов, не проявившихся минералогически.
Положительной стороной метода является его сравнительная простота и возможность анализировать очень малые количества минерала (доли миллиграмма). Нижний предел метода зависит от используемого материала. Лучшие результаты получены на кислых природных стеклах. Например, по обсидианам удается определить возраст от десятков тысяч до десятков миллионов лет.
Отжиг треков в ходе геологической истории минерала хотя и ограничивает возрастной предел, но зато дает возможность восстановить термическую историю минерала. Хорошее сочетание дают метод треков и аргоновый метод. Например, определение возраста слюд из пегматитов северной Карелии по трекам спонтанного деления, выполненное А.Н. Комаровым, показало около 700 млн лет, а по калий-аргоновому методу - 1760 млн лет. Расхождение цифр говорит о том, что возраст минералов 1760 млн лет, но около 700 млн лет назад произошел прогрев пород, уничтоживший ранее возникшие треки. Температура прогрева была не выше 900°С, иначе бы не сохранился аргон, и не ниже 400°С, иначе сохранились бы треки.
Треки деления иногда используются также для определения формы нахождения и концентрации урана в минералах, направления его миграции. Треки спонтанного деления дают картину распределения урана в сравнительно далекое время (не ближе 100 тыс. лет). Треки индуцированного деления показывают распределение урана в настоящее время. Несовпадение этих картин указывает на миграцию урана, происшедшую в сравнительно недавнее
287
время, и позволяет наметить характер и направление миграционных процессов.
Форма первичных сечений треков обусловлена структурными особенностями минерала и позволяет идентифицировать структурные особенности в пределах отдельных мелких кристаллов.
288
