Текст книги "Химия лунного грунта"

Автор книги: Сергей Викторов

Соавторы: Владимир Чесноков
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 4 страниц)

С. В. ВИКТОРОВ,
В. И. ЧЕСНОКОВ,
кандидаты физико-математических наук
ХИМИЯ ЛУННОГО ГРУНТА

ВВЕДЕНИЕ

Что собой представляет Луна? Этот вопрос с древнейших времен волновал человека. Однако в течение длительного времени ряд причин, в том числе и различные суеверия, связанные с Луной, мешали научному подходу к ее изучению. Широкие и разносторонние научные исследования Луны – ближайшего к нам небесного тела – начались сравнительно недавно. Истина давалась не сразу – каждое открытие порождало сразу же много новых вопросов.

Что касается размеров Луны, ее массы, средней плотности и ряда других параметров, то они, как оказалось, довольно точно определяются методами небесной механики. Методы радиоастрономии дают возможность оценить теплопроводность и плотность поверхностного слоя Луны. Однако химический состав вещества, слагающего лунную поверхность, удалось исследовать лишь в последние годы.

Существует целый ряд непрямых (неконтактных) методов исследования химического состава небесных тел. Одним из них является метод спектрального анализа, широко применяющийся в астрофизике. Свет, идущий к нам от Солнца и далеких звезд, несет богатую информацию о составе поверхностных слоев этих небесных тел и происходящих в них процессах. Однако этот весьма чувствительный метод астрофизики не может быть использован для исследования состава лунного грунта, поскольку Луна светит лишь отраженным от нее солнечным светом. Поэтому исследования химического состава лунного грунта стали возможными только в космическую эпоху, когда началось изучение Луны с помощью научных приборов, доставляемых автоматическими и пилотируемыми космическими аппаратами как на лунную поверхность, так и на орбиту ее искусственного спутника.

В данной брошюре будет рассказано о ядерно-физических методах исследования химического состава лунного грунта, используемых при работе космических аппаратов, а также о результатах исследования лунного грунта, полученных как с помощью этих, так и других методов. Но вначале вспомним, что знали о Луне в «докосмическую» эпоху и до непосредственных измерений на ее поверхности.

Видимая с Земли невооруженным глазом поверхность Луны уже в IV в. до н. э. навела ученых Древней Греции на мысль, что там есть горы и равнины. Первая из дошедших до нас научных работ о Луне относится к I в. н. э. Но естественно, что сведения о Луне, полученные лишь путем ее наблюдений невооруженным глазом, многого дать не могли.

Новый период в изучении Луны начался в XVII в. с изобретением телескопа. В 1610 г. Галилей, наблюдая Луну в телескоп, увидел на ее поверхности горы и «моря». «Морями» он назвал обширные темные области, которые показались ему большими водными бассейнами. С тех пор вот уже более трех столетий ведется изучение Луны с помощью оптических инструментов. Составляются все более и более подробные карты Луны. В конце XIX в. были получены первые фотографии Луны, и вскоре был выпущен первый ее фотографический атлас.

В первой половине XX в. началось изучение Луны астрофизическими методами, с помощью которых были выполнены обширные исследования отдельных образований лунного рельефа и других характеристик лунной поверхности. В середине нашего столетия пришел черед радиоастрономических методов. К этому времени были созданы мощные радиотелескопы направленного действия, обладающие высокой чувствительностью. Первая радиолокация Луны была осуществлена в 1946 г., и с тех пор радиолокационные исследования нашего естественного спутника проводились неоднократно. С их помощью была получена ценная информация о движении Луны и ее размерах, удалось определить среднее расстояние до Луны с точностью до нескольких сотен метров, уточнить ее массу и среднюю плотность.

В исследовании лунной поверхности с помощью наземных средств огромное значение отводится радиофизическим измерениям, большой цикл которых был осуществлен в СССР под руководством В. С. Троицкого. Полученные в результате радиофизических измерений данные позволили сделать вывод, что самый верхний слой лунного грунта является пористым или распыленным веществом с весьма низкой теплопроводностью. Были сделаны оценки плотности и температуры лунного грунта, теплового потока, идущего из недр Луны к ее поверхности, и ряда других параметров.

Эпоха изучения Луны космическими средствами началась 2 января 1959 г., когда в Советском Союзе был произведен запуск станции «Луна-1» с массой 360 кг – первого космического аппарата, отправленного в сторону Луны. Сблизившись с Луной 4 января, станция прошла от нее на расстоянии около 6000 км и стала первым в мире искусственным спутником Солнца. С помощью научной аппаратуры были получены данные о радиационной обстановке и газовой составляющей межпланетного вещества в окололунном пространстве.

Исследования, начатые «Луной-1», в этом же году были продолжены станциями «Луна-2 и -3». Научная аппаратура «Луны-2» – станции, впервые в мире достигшей поверхности другого небесного тела, – позволила установить, что на Луне отсутствует сколько-нибудь заметное магнитное поле, нет и радиационных поясов. С помощью аппаратуры, установленной на «Луне-3», были получены первые снимки обратной стороны Луны, не видимой с Земли. Сделанные на расстоянии 60–70 тыс. км от лунной поверхности, они дали первые представления о большей части этой стороны Луны.

Изучение Луны впоследствии было продолжено с помощью советских автоматических станций серии «Зонд» и «Луна», а также американских – серии «Пионер» и «Рейнджер». В результате проведенных научных исследований была получена ценная научная информация, в частности, она позволила советским ученым составить первую полную карту и первый глобус Луны. Однако вопросы о природе и прочности лунного грунта, о возможности мягкой посадки на ее поверхность и ряд других оставались открытыми.

Следующий этап исследования Луны начался в феврале 1966 г., когда была решена одна из важнейших проблем практической космонавтики – осуществлена мягкая посадка, на поверхность другого небесного тела. Станция «Луна-9», совершившая впервые в мире мягкую посадку на Луну, передала на Землю уникальные панорамы лунного ландшафта в районе посадки, а также произвела измерения интенсивности радиации, обусловленной воздействием космических лучей и излучением лунного грунта. Продолжительность активного существования станции на поверхности Луны составила 75 ч.

В декабре этого же года примерно в 400 км от места посадки «Луны-9» совершила мягкую посадку станция «Луна-13». С помощью аппаратуры «Луны-13» были проведены исследования физико-механических свойств лунного грунта. Кроме того, измерялся тепловой поток и корпускулярное излучение вблизи лунной поверхности.

В июне 1966 г. в США была запущена станция «Сервейер-1», также осуществившая мягкую посадку на поверхность Луны, а затем и ряд других станций этой серии, продолживших изучение лунной поверхности. Три последних аппарата этой серии («Сервейер-5, -6 и -7») имели в составе научной аппаратуры прибор для определения содержания ряда химических элементов в веществе грунта поверхности Луны. Этим было положено начало измерению химического состава лунного грунта непосредственно на поверхности Луны. Но прежде чем перейти к изложению методов измерений и полученных с их помощью результатов, кратко остановимся на существовавших тогда гипотезах о строении и составе лунной поверхности.

ГИПОТЕЗЫ ОБ ОБРАЗОВАНИИ, СТРОЕНИИ И СОСТАВЕ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИЯ

Является ли лунная поверхность твердой или предмет, помещенный на нее, будет проваливаться в многометровом слое пыли? Схож ли химический состав поверхности Луны с составом Земли, в котором преобладают окислы кремния, алюминия, магния, калия, кальция и железа? Какие вообще химические элементы и их соединения могут встретиться на Луне? Эти и другие чрезвычайно волновавшие ученых вопросы долгое время не получали однозначных ответов. Однако на основе наземных оптических, инфракрасных и радиолокационных измерений был выдвинут ряд гипотез относительно химического состава и физико-механических свойств слагающего лунную поверхность вещества и длительного процесса формирования лунного рельефа.

Большое распространение, например, получила гипотеза, в которой учитывался тот факт, что у Луны нет атмосферы, а следовательно, на ней отсутствуют процессы выветривания. Основываясь на этом, многие ученые (в частности, советские ученые А. В… Хабаков и Н. П. Барабашов) предполагали, что наблюдаемая нами поверхность Луны представляет собой совершенно свежую, ничем не покрытую и ничем не измененную поверхность тех магматических пород, из которых образовались верхние слои лунной коры. Развивая далее эту гипотезу, ученые основывались на данных геохимии и, в частности, приходили к заключению, что темные участки лунной поверхности («моря») сложены породами, бедными кремнием (например, базальтами), а светлые участки («материки») образованы породами кислого состава.[1]1
  В зависимости от того, какие химические элементы и в каком относительном количестве содержатся в горных земных породах, последние согласно геохимической терминологии подразделяют на следующие типы (составы): ультраосновные (дуниты), основные (например, базальты, габбро), кислые (например, граниты) и осадочные (глины, сланцы). Экспериментально установлено, что кислые породы чаще всего являются светлыми, а основные (особенно ультраосновные) – темными.


[Закрыть]

Кроме того, относительно гладкая поверхность «морей» и дна некоторых круглых кратеров (цирков), по мнению ученых, должна представлять собой излившуюся несколько позже и застывшую лаву (основного состава). Причем обильное выделение газов при излиянии этой лавы могло придать пористое строение теперешней (застывшей) ее поверхности (подобно пемзе и шлаку). В то же время аналогия с земной вулканической деятельностью приводила к предположению о возможном наличии на Луне рыхлых продуктов деятельности лунных вулканов, таких, как пепел, туф.

Однако поскольку наблюдаемые участки лунной поверхности в среднем темнее всех известных типов земных пород, то полная аналогия между лунными и магматическими земными породами оказалась невозможной. И для спасения рассматриваемой гипотезы понадобился ряд дополнительных предположений. В частности, было выдвинуто предположение о возможном изменении окраски минералов под действием солнечной радиации и космических лучей. Проведенные лабораторные исследования действительно показали, что некоторые земные минералы темнеют при их облучении. На основании этого было сделано заключение: что чем темнее та или иная деталь наблюдаемой лунной поверхности, тем она и старше. Кроме того, оценки показали, что за 1 млрд. лет космического облучения потемнение могло охватить слой лунной поверхности толщиной в несколько сантиметров.

В связи с этим привлекло к себе внимание интересное и еще малоизученное явление «защитной корки» на поверхностях отдельных скальных пород пустынных районов Земли. Она представляет собой темно-бурую. (или черную) пленку, состоящую из окисей марганца и железа, а также из кремния и образующуюся под действием длительного излучения Солнца. Указанное явление, по мнению советского ученого В. В. Шаронова, подтверждает возможность потемнения лунных пород в результате их длительной «обработки» солнечной радиацией.

Следует отметить, что наружный покров лунной поверхности независимо от его происхождения и состава действительно подвергается длительному воздействию различного вида облучений. Если первичная горная порода Луны содержала достаточное количество углерода, азота и кислорода, то облученный материал должен был обладать сильным поглощением в видимой области спектра. Именно этим обстоятельством, а также наличием очень пористой структуры пород можно объяснить низкую отражательную способность (альбедо) и малую теплопроводность вещества лунной поверхности. Кроме того, поскольку внешний покров Луны в силу этих обстоятельств должен быть химически неустойчив, то происходящие в нем химические реакции, могли бы, в частности, быть причиной исчезновения остатков атмосферы, наличие в отдаленные времена которой (как и гидросферы) предполагалось многими учеными.

Вместе с тем рассматриваемая гипотеза не могла полностью удовлетворить ученых, поскольку все ее предпосылки основывались на чисто внешней аналогии между земными и лунными породами. Кроме того, принадлежность к тому или иному типу пород определялась по их окраске, в то время как окраска пород столь чувствительна к внешним, весьма различным на Луне и Земле факторам, что путь прямых аналогий не мог привести к надежным результатам. Поэтому наряду с этой гипотезой выдвигались и другие.

Так, например, американский ученый Р. Кларксон предположил, что на Луне преимущественную распространенность имеют осадочные породы, поскольку, по его мнению, в некоторый период прошлого Луны на ней существовали настоящие моря и океаны. В связи с этим обсуждалась роль морского прибоя в разрушении кратеров, расположенных по окраинам морей, а на месте крупных цирков предполагалось существование в прошлом озер. Более темная окраска теперешних лунных «морей» и дна цирков объяснялась в рамках этой гипотезы с помощью существующих там осадочных пород типа глин, песчаников и сланцев. Однако большинство ученых восприняли предложение Р. Кларксона как слишком экзотическое, так как наличие в прошлом воды на Луне было весьма маловероятным.

Большее распространение получила гипотеза о том, что наблюдаемая с Земли поверхность Луны состоит из веществ, возникших в результате разрушения материнских коренных горных пород под действием различных внешних факторов: гипотетической атмосферы, солнечного облучения, перепадов температуры и, может быть, действия воды. Под влиянием этих факторов на Луне должны происходить окисление горных пород и гидролиз минералов, а также ряд других химических превращений. Для протекания этих процессов требуется наличие на Луне воды, свободного кислорода и углекислого газа, которые могли образоваться либо из гипотетической древней лунной атмосферы, либо в результате вулканической деятельности. Опять же наличие в далеком прошлом воды, а также атмосферы на Луне многие ученые считают очень маловероятным, но тем не менее как положительный момент следует отметить, что перепады температур на Луне действительно существуют и должны играть определенную роль в геохимической эволюции лунных пород.

Рассмотрим теперь ряд гипотез, которые основывались на предположении о наличии на Луне пылевого слоя. Согласно одной из них, предложенной американским ученым Т. Голдом, на Луне должен существовать значительный пылевой покров, возникший за счет разрушения горных пород под действием солнечного излучения (из-за разрушения кристаллической решетки минералов) и бомбардировки метеоритов (из-за измельчения коренных пород). В связи с этим лунная пыль по своему химическому составу должна быть в основном аналогичной горным породам, при разрушении которых она образовывалась, но, конечно, с учетом метеоритного вещества.

Предположение о том, что поверхность Луны покрыта пылью, позже подтвердилось. Однако относительно роли Солнца и метеоритов в образовании пылевого слоя на лунной поверхности до сих пор пока нет единого мнения. Интересно в связи с этим отметить схему образования метеоритно-пылевого слоя, предложенную американским ученым Г. Юри. По его мнению, Луна образовалась из холодного метеоритноподобного материала и никогда не была полностью расплавленным телом. Огромную роль в истории Луны сыграли, как считал Г. Юри, ее столкновения в далеком прошлом с гипотетическими планетоподобными телами – планетозималями, в результате чего должно было образоваться большое количество пылевого материала, а также воды и газов (причем процессы расплавления носили локальный характер). На формирование поверхностных слоев значительное влияние, по мнению американского ученого, оказывали метеориты, падение которых на Луну в период ее позднейшей истории сопровождалось взрывными явлениями и переплавлением вещества. В частности, Г. Юри полагал, что круглые лунные «моря» образовались в результате столкновений с планетозималями, и поэтому поверхность «морей» должна состоять из переработанного вещества крупных метеоритных тел, тогда как «материки» и валы кратеров – из горных пород, по составу близких к базальту.

Экспериментальные исследования химического состава лунной поверхности, проведенные в настоящее время, не подтвердили гипотезу Г. Юри – на Луне не обнаружены породы, сходные по своему составу с метеоритами. Однако возможная роль метеоритов в формировании рельефа лунной поверхности сейчас подробно обсуждается. В частности, получила известность «метеоритно-шлаковая» гипотеза строения и происхождения покрова Луны, предложенная и подробно разработанная советским астрономом Н. Н. Сытинской.

Как известно, при каждом падении метеорита на поверхность Луны возникает своеобразный взрыв. Если скорость метеорита (в момент столкновения) составляет несколько десятков километров в секунду, то выделяемое при этом тепло полностью обращает в пар не только сам метеорит, но и часть вещества лунного грунта, находившегося вблизи падения (причем масса испарившегося лунного вещества может в несколько тысяч раз превосходить массу метеорита). По мнению Н. Н. Сытинской, конденсация испарившегося материала должна происходить таким образом, что на месте падения метеорита образуется не пыль, а нечто похожее на гранулы пористой массы – ноздреватые, слипшиеся и спекшиеся образования темного цвета. По своему внешнему виду они должны напоминать шлаки, возникающие на поверхности лавы при ее извержении из земных вулканов (отсюда и название данной гипотезы).

Итак, мы рассмотрели несколько гипотез об образовании, строении и составе лунного грунта. Согласно им поверхность Луны может состоять из самых разнообразных горных пород – от основных до кислых и осадочных (и даже метеоритноподобных). Таким образом, определенного ответа на вопрос, какие химические элементы и в составе каких пород (в земных аналогах) могут встретиться на Луне, существовавшие тогда данные наблюдений и основанные на них гипотезы дать не смогли. Химический состав лунного грунта так и продолжал оставаться загадкой для ученых, решение которой стало возможным лишь после экспериментальных исследований, проведенных с помощью ракетно-космической техники.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВА

Прогресс ракетно-космической техники позволил осуществить желания многих ученых провести непосредственные исследования химического состава вещества лунной поверхности – «почвы» Луны. При этом стали возможны три вида исследований: 1) исследование общих, глобальных характеристик поверхности с помощью приборов, расположенных на искусственных спутниках Луны; 2) непосредственное изучение состава Луны с помощью приборов, доставленных на ее поверхность; 3) анализ образцов лунного грунта, доставленных на Землю.

Что же конкретно предстояло изучить? Во-первых, нужно было определить химический состав вещества лунной поверхности и сравнить его с составом Земли, метеоритов и Солнца. Во-вторых, предстояло исследовать роль внутренних (излияние лавы, движение коры) и внешних (удары метеоритов, солнечное облучение) процессов в создании современного рельефа лунной поверхности, и, конечно же, ученых прежде всего интересовало, похожи ли по своему составу лунные и земные породы.

Классификация типов земных пород, упомянутая выше (см. 1-ю сноску), исходит из различного содержания в этих породах наиболее распространенных химических элементов – кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, калия, кальция, титана и железа, которые называются основными породообразующими элементами (их суммарное содержание в любых земных породах достигает 99 %).

Определение концентраций основных породообразующих элементов позволяет однозначно отнести образец к типу каменных метеоритов или к какому-либо типу земных горных пород. Однако обязательно ли для этого измерять концентрации всех десяти перечисленных элементов? Ведь произвести химический анализ поверхности другого небесного тела – очень сложная научно-техническая задача. Нельзя ли упростить ее и свести число измеряемых элементов к минимально необходимому?

Для этого надо было выяснить, какие же химические элементы являются наиболее «представительными» в том или ином типе породы. Как оказалось, в ряде случаев существенную информацию может дать отношение концентраций различных элементов, среди которых наиболее «представительными» являются магний, алюминий, калий, кальций и железо. Другие элементы представлены в лунных породах в значительно меньших количествах.

Именно содержание этих элементов в лунном грунте и предстояло измерить в первую очередь. Естественно, что выбор метода измерений определялся требованиями, диктуемыми особенностями современного лунного космического эксперимента. На рассматриваемом этапе такой метод должен был обеспечить быстрое и многократное получение информации при полной автоматизации всех процессов анализа, причем в– таких условиях, когда анализируемая поверхность является абсолютно неподготовленной.

На Земле обычно процедура химического анализа состоит из нескольких этапов. Самый начальный – подготовка образца, который в зависимости от метода анализа либо взвешивают и измельчают, либо прессуют в таблетку, а иногда шлифуют или делают тонкие срезы. Идентичность подготовки всех образцов обеспечивает возможность достижения высокой точности анализов и является обязательным условием анализа в земных лабораториях. Совсем другое дело – анализ грунта непосредственно на Луне: грунт неровный, на поверхности видны комки слипшихся частиц, то и дело попадаются камни самых разных размеров (геологи называют это как «грунт в естественном залегании»). Поэтому надо было искать метод, не требующий подготовки образцов, и на его основе создать надежную и легкую аппаратуру с минимальным энергопотреблением.

Требования к этой аппаратуре были очень жесткими. Она должна была переносить весь комплекс вибрационных и ударных нагрузок в период старта ракеты с Земли и в момент доставки прибора на поверхность Луны, а также должна работать в условиях интенсивного космического облучения, глубокого вакуума и резких температурных перепадов (от –150 °C в течение двухнедельной лунной ночи до +130 °C в дневной период).

Учитывая все эти требования, рассмотрим теперь существующие методы химического анализа и обсудим вопрос о применимости того или иного метода при космических экспериментах непосредственно на поверхности Луны.

К классическим, «мокрым», химическим методам относят те, в которых используются специальные аналитические реакции: по результатам этих реакций судят о наличии (в том числе и количестве) или отсутствии искомого химического элемента. Иногда (при так называемом весовом анализе) определяемый элемент осаждается в виде практически нерастворимого соединения (или простого вещества), отделяется от раствора (фильтрованием, промывкой, сушкой) и взвешивается, а затем по весу осадка рассчитывается количество искомого элемента. Кроме того, можно использовать электролиз, когда определяемый элемент под воздействием постоянного электрического тока выделяют при определенных условиях на электроде. Объемный (титрометрический) анализ основан на применении водного раствора с точно известной концентрацией растворимых реактивов. Применяются также физико-химические способы анализа: колориметрия (изменение интенсивности окраски цветного соединения, получаемого по аналитической реакции), турбудиметрия, нефелометрия (изменение интенсивности света, проходящего через суспензию осадка, полученного в результате аналитической реакции, или рассеянного им), полярографические и адсорбционные методы.

Очевидно, что для проведения анализа грунта этими классическими методами непосредственно на поверхности Луны пришлось бы доставить туда целую лабораторию с хрупкими пробирками, колбами, мензурками, спиртовками, весами и т. д. На Земле каждый анализ проводит квалифицированный химик-аналитик в течение нескольких часов, на Луне все операции должен делать автомат, а они с трудом поддаются автоматизации. Поэтому классические методы с самого начала оказались непригодными для лунных исследований.

Широкое распространение как метод качественного и количественного анализа состава вещества в земных лабораториях получил спектральный оптический анализ. Этот метод подразделяется на два вида (в зависимости от характера используемых спектров). Для анализа спектральных линий излучения, называемых иногда эмиссионными, характерны следующие операции: 1) подготовка образца к анализу, 2) введение его в пламя или воздействие на него электрическим разрядом (для перевода в газообразное состояние и возбуждения свечения с появлением необходимых для анализа спектральных линий), 3) определение спектра и расшифровка соответствующих линий. При этом обычно применяют газовое пламя, дающее температуру до 3000 °C. Для другого вида спектрального анализа – по линиям поглощения – пользуются спектрографами со специальными осветительными системами и приемниками, причем объектом непосредственного исследования служат растворы.

Уже из перечисленного ясно, что оба эти вида не удовлетворяют требованиям к космическим экспериментам, так как требуют значительного энергопотребления и не поддаются автоматизации. Кроме того, оптические спектры весьма сложны при расшифровке, а их передача непосредственно на Землю или хранение на борту космического аппарата весьма затруднительны.

Используется на Земле и метод масс-спектрометрического анализа, в результате которого измеряют массы ионизированных атомов и молекул посредством разделения ионов (с разным отношением массы к заряду) в электрическом и магнитном полях. Масс-спектрометрический метод является наиболее полным и точным. К тому же он представляет собой самый прямой метод химического анализа вещества. В случае приемлемого решения проблемы перевода атомов грунта в ионизованное состояние и создания достаточно компактной аппаратуры применение масс-спектрометрического анализа было бы весьма перспективным при исследовании грунта на поверхности Луны. По-видимому, именно метод масс-спектрометрического анализа будет использоваться на последующих этапах освоения Луны, когда станет возможным, с одной стороны, посылать приборы большего веса, потребляющие большую мощность, с другой – будет достигнут существенный прогресс в создании точных масс-спектрометров.

Использование радиоактивности положено в основу метода химического анализа, называемого активационным. При этом используются ядерные реакции, в результате которых атомы исследуемого образца становятся радиоактивными, и по характеристикам их распада (период полураспада, тип радиоактивного излучения и его спектр) осуществляется идентификация элементов, присутствующих в образце. В качестве первичных частиц, вызывающих необходимую реакцию, употребляются нейтроны, а также (иногда) гамма-излучение и заряженные частицы (такие, как протоны и дейтроны). В качестве источников нейтронов применяются реакторы, ускорители различных типов и радиоактивные источники (последние, однако, дают небольшой поток нейтронов). Детекторами в этом методе химического анализа служат счетчики заряженных частиц. Хотя активационный анализ зарекомендовал себя как точный и быстрый метод химического анализа в промышленных и лабораторных условиях, его применение в космических экспериментах требует решения проблемы создания надежно работающего нейтронного источника большой интенсивности, а также преодоления трудностей при передаче и обработке сложных спектров ядерных излучений.

Рис. 1. Принцип работы прибора, основанного на методе рентгеновского флуоресцентного анализа: 1 – панели с радиоактивными источниками; 2 – исследуемый грунт; 3 – блок детекторов флуоресцентного излучения

Перейдем теперь к методу рентгеновского спектрометрического анализа химического состава и рассмотрим одно из перспективных его направлений – так называемый «радиоизотопный флуоресцентный анализ».

Если взять радиоактивный источник и с его помощью облучить какое-либо вещество (рис. 1), то под воздействием внешнего излучения произойдет перестройка внешних оболочек атомов. Сначала атомы перейдут в возбужденное состояние, характеризующееся избытком их энергии, но поскольку такое состояние неустойчиво, то через доли секунды атомы освободятся от избыточной энергии, испустив кванты рентгеновского излучения. Это явление называется флуоресценцией.

Примечательно, что энергия кванта для данного вида атомов строго постоянна: различные атомы испускают рентгеновские кванты разной, но характерной для них энергии. Например, энергия этих рентгеновских квантов для алюминия около 1,5 кэВ, кремния – 1,7 кэВ, калия – 3,3 кэВ, кальция – 3,7 кэВ, железа – 6,4 кэВ. Таким образом, определив энергию квантов, можно узнать, какие атомы содержатся в изучаемом веществе, а по интенсивности излучения данной энергии – найти количество атомов в данном веществе.

Для подсчета рентгеновских квантов и одновременно измерения их энергии используются специальные детекторы – пропорциональные счетчики. Попавший в такой детектор рентгеновский квант вызывает ионизацию газа, которым наполнен счетчик, и под действием высокого напряжения, приложенного к счетчику, в нем возникает электрический импульс. Если правильно подобрать величину высокого напряжения, а также давление и сорт газа, размеры детектора, то амплитуда электрического импульса будет пропорциональна энергии рентгеновского кванта (отсюда и название этого детектора).

Совокупность электрических импульсов позволяет получить спектр излучения исследуемого вещества (рис. 2). На этом рисунке мы видим несколько «горбов» – это и есть спектральные «линии» излучения. Спектральные линии теоретически должны быть очень узкими, но из-за специфичности данных детекторов они становятся «размытыми», хотя положение максимумов линий не меняется и соответствует теоретическим значениям.

Рис. 2. Пример спектра флуоресцентного излучения, полученного при лабораторных исследованиях в вакуумной камере

«Размытие» линий затрудняет их анализ: с помощью пропорциональных счетчиков нельзя определить в отдельности интенсивность двух близких по энергиям линий, поскольку они сливаются в одну. Алюминий и кремний (а также магний) дают одну общую «линию» в спектре горной породы, калий вместе с кальцием образуют другую «линию». Третья «линия» на этом рисунке принадлежит железу. Разница в энергиях между этими тремя «линиями» достаточно велика, так что они довольно легко различаются. Таким образом, полученный спектр дает возможность получить определенную информацию при использовании рентгено-флуоресцентного метода.

Каким же образом определяется интенсивность реальных спектральных линий отдельных элементов? Здесь на помощь приходит так называемый «метод фильтров». Дело в том, что поглощение рентгеновского излучения в каком-либо веществе зависит от энергии этого излучения весьма сложным образом: наряду с плавной зависимостью существуют и резкие перепады – скачки. Следовательно, взаимодействие рентгеновских квантов, незначительно отличающихся по энергии, с каким-либо веществом может весьма различаться для каждого из этих квантов. А это приводит к тому, что сильно отличается и вероятность прохождения этих квантов сквозь вещество. Например, если на пути рентгеновских квантов, соответствующих флуоресцентному излучению алюминия и кремния, поставить алюминиевую фольгу толщиной 10 мкм, то она пропустит 44 % излучения алюминия и лишь 0,008 % излучения кремния. Таким образом, пропуская линию алюминия в 5500 раз лучше, чем линию кремния, такая фольга будет «отфильтровывать» рентгеновское излучение. Схематически это изображено на рис. 3.