Физические и физико-химические свойства минералов радиоактивных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физические и физико-химические свойства минералов радиоактивных элементов

Введение

Минералы радиоактивных элементов обладают радиоактивностью и во многих случаях способностью люминесцировать. Эти их свойства, наряду с такими свойствами, как цвет, форма выделений, блеск, магнитность, твердость, удельный вес, растворимость и др., широко используются при диагностике. Ниже приводится краткая характеристика указанных свойств.

1. Радиоактивность

Радиоактивность - свойство ядра атома урана, так же как тория, радия и других радиоактивных элементов, непрерывно и самопроизвольно распадаться с последовательным превращением в другие элементы.

Установлены три главных ряда радиоактивных превращений: 1) ряд урана, 2) ряд актиния и 3) ряд тория. В урановых минералах, помимо урана, как правило, имеются элементы его ряда, последовательно образующиеся в результате радиоактивного распада и его производные, заканчивающиеся радиогенным свинцом.

С течением времени в урановых минералах между радиоактивными элементами ряда устанавливается так называемое радиоактивное равновесие, при котором число распадающихся в единицу времени атомов какого-либо радиоактивного элемента равно числу атомов этого же элемента, возникающих за единицу времени из материнского вещества (урана). При радиоактивном равновесии отношение весовых количеств каждого члена ряда к урану есть величина постоянная. В частности, отношение радия к урану при равновесии равно 3,4х10^-7. В соответствии с этим в минералогии радиоактивно-равновесными считаются такие минералы, в которых соблюдается указанное выше отношение радия к урану. Отсутствие равновесия в минерале указывает на избирательное выщелачивание урана или радия или на недавнее время образования минерала. Все геологически молодые вторичные минералы урана, особенно современные отложения сульфатов и карбонатов в горных выработках, радиоактивно неравновестны и содержат избыток урана по отношению к радию.

В процессе радиоактивного распада происходит выделение больших количеств энергии в форме различного рода излучений: б - частиц, в - частиц и г - лучей. Современные методы определения радиактивности, в частности урановых минералов, базируются на измерении ионизации воздуха, производимой б и в - частицами и г - лучами, а также - на прямом подсчете числа этих частиц.

В зависимости от того, какое излучение используется для измерения, различают б - , в - и г - методы. При этом на точность результатов большое влияние оказывает нарушение радиоактивного равновесия и наличие тория.

При избытке в минералах радия результаты радиометрического определения урана обычно бывают завышены по сравнению с результатами химического определения, а в случае недостатка - занижены.

Наибольшее искажение содержания получается при измерениях г - методом, так как практически все г - излучатели представлены в ряде уран - радий продуктами распада радия.

На результаты измерений в - методом сдвиг радиоактивного равновесия оказывает наименьшее влияние.

Содержание урана в неравновесных минералах и в минералах, содержащих примеси тория определяется с большой точностью комбинированным методом (в - г - метод).

При минералогических исследованиях радиометрические методы позволяют: урановый минерал радиоактивность

1) быстро производить оценку радиоактивности в минеральных соединениях урана, тория и радия, с выделением их из всех других существующих минеральных видов;

2) установить природу радиоактивности (уран, торий или радий) и выделить группы урановых, уран-ториевых, ториевых и радийсодержащих минералов.

2. Люминесценция

Под люминесценцией понимают свечение, испускаемое холодным (не раскаленным) веществом, в частности минералом, под влиянием внешних воздействий.

В зависимости от источника возбуждения различают катодолюминесценцию - явление свечения вещества под влиянием бомбардировки электронами, фотолюминесценцию - явление свечения вещества под влиянием поглощенной лучистой энергии ультрафиолетовых лучей и другие виды люминесценции.

По характеру свечения различают флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция - люминесценция, прекращающаяся сразу после удаления источника возбуждения; фосфоресценция - люминесценция, продолжающаяся после удаления источника возбуждения.

Свойством люминесценции обладают многие минералы, в том числе и урановые.

Катодолюминесценция свойственна минералам урана и минералам других групп: алмазу, шеелиту, апатиту, флюориту, кальциту, кварцу и др.

Фотолюминесценция в зеленоватых тонах, наблюдаемая в ультрафиолетовых лучах длинных волн (л ~ 300-400 мм), является характерным свойством урановых минералов, тогда как фотолюминесценция в коротковолновых ультрафиолетовых лучах, кроме урановых, распространяется также на ряд других минералов - шеелит, апатит, топаз, кальцит и др.

Из урановых минералов люминесцируют не все, а лишь соединения шестивалентного урана, в состав которых уран входит в форме уранила (UO₂)²⁺, обладающего свойствами двухвалентного катиона. Однако не все минералы, содержащие уранил, люминесцируют, так как большое влияние на люминесценцию оказывают сопутствующие ему другие катионы и анионы.

Из элементов анионного комплекса люминесценцию гасят или значительно ослабляют кремний и ванадий, поэтому силикаты и ванадаты не люминесцируют или люминесцируют слабо. Карбонаты, сульфат-карбонаты, фосфаты, арсенаты и сульфаты люминесцируют отчетливо.

Влияние катионов на люминесценцию урановых минералов различно. Катионы Na⁺, К⁺, Ва²⁺, Са²⁺, Mg²⁺ и Аl³⁺ являются активаторами люминесценции. В присутствии их упомянутые группы химических соединений (карбонаты, сульфат-карбонаты, фосфаты, арсенаты и сульфаты) сильно люминесцируют. При этом с увеличением атомного веса катиона, а также ионного радиуса и общей растворимости соединений, люминесценция ослабевает. Тяжелые катионы Cu²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Pb²⁺ и Bi³⁺ являются гасителями люминесценции во всех урановых минералах.

Увеличение отношения H₂O:UO₃ и SO₃:UO₃ в минералах влечет ослабление люминесценции до полного ее исчезновения.

Люминесценция урановых минералов обычно наблюдается в длинноволновых ультрафиолетовых лучах с л ~ 300-400 мм, при этом она характеризуется интенсивностью, цветом и строением спектра.

По интенсивности различают очень сильную, сильную, умеренную, слабую и очень слабую люминесценцию. Спектр люминесценции характеризуется зелеными и желтыми тонами различных оттенков; строение спектра полосчатое; он характеризуется пятью полосами в желто-зеленой и частично голубой части спектра.

Люминесценция отсутствует в урановых минералах, в состав которых входит четырехвалентный уран, а также в двадцати двух минералах шестивалентного урана, содержащих в своем составе, как правило, Pb, Cu, Mn, Fe или Bi. Для пяти минералов люминесценция не выяснена, остальные вторичные соединения обнаруживают люминесценцию того или иного оттенка и интенсивности.

3. Цвет и черта

Цвет минерала и отчасти цвет черты, зависящие от формы валентности входящего в их состав урана, а иногда от присутствия других элементов (Cu, Pb, Mn, Ta, Nb, Ti и др.), являются характерными признаками, позволяющими разделить урановые минералы на наиболее крупные группы.

Минералы, образованные одновременно четырех- и шестивалентным ураном (окислы) обычно черные или серые с черной и почти черной чертой. Минерал четырехвалентного урана (лермонтовит) имеет темный зеленовато-серый цвет. Минералы других редких элементов, содержащие в своем составе четырехвалентный уран (танталониобаты, титанаты, торо- и цирконосиликаты) обычно черные или темноокрашенные с цветной чертой. Минералы шестивалентного урана (гидроокислы, карбонаты, уранилсиликаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты, сульфаты) ярко и светло окрашены в желтые, бурые, красные или зеленые тона различных оттенков.

4. Форма выделений

Форма выделений - облик кристаллов и характер агрегатов иногда имеют для урановых минералов важное значение в качестве руководящего диагностического признака, как группового, так и индивидуального.

Различают урановые минералы кристаллические (группа уранинит - торианит, гидроокислы, карбонаты, силикаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты, сульфаты), метамиктные (торосиликаты, танталониобаты, титано-танталониобаты), аморфные и скрытокристаллические (настуран, хлопинит, урановые черни, ряд гидроокислов, некоторые силикаты и другие соединения).

Облик кристаллов как один из основных руководящих групповых признаков приобретает исключительно важное значение при диагностике темных и черных минералов урана. Среди них следует выделять, с одной стороны, более или менее удлиненно-призматические кристаллы ромбической или гексагональной сингоний и, с другой, кристаллы изометрических очертаний кубической сингонии. Пластинчатый и слюдоподобный облик кристаллов свойственны фосфатам, арсенатам и ванадатам (урановые слюдки). Игольчатая форма кристаллов характерна для силикатов и некоторых сульфатов. По облику кристаллов удается отличить карбонаты от сульфат-карбонатов.

Характер агрегатов (вкрапленники, друзы, прожилки, корочки, пленки) до известной степени, так же как и облик кристаллов, способствует разделению урановых минералов, так как во многом зависит от особенностей их генезиса.

5. Блеск

Блеск лишь для небольшой части минералов имеет руководящее значение при диагностике (ряд настуран - остаточные черни). Большинство же минералов урана обладает сходным блеском: первичные минералы - смоляным, алмазным и иногда жирным, вторичные, как правило, - стеклянным, реже восковым, перламутровым, матовым и редко (гидроокислы) алмазным.

6. Магнитность

Магнитные свойства, характерные для черных и темноокрашенных танталониобатов и большинства титанатов, дают возможность отделять их при помощи обычного электромагнита от группы немагнитных урановых минералов, в которую входят темноокрашенные гидроокислы, торосиликаты и единичные представители титанатов.

Окислы урана, благодаря наличию примесей, практически все электромагнитны. Фосфаты, арсенаты и остальные минералы шестивалентного урана магнитными свойствами не обладают.

7. Твердость

Твердость урановых минералов изменяется в весьма широких пределах от 1 до 6-7, что является дополнительным признаком. Однако только для группы окислов твердость приобретает руководящее значение, позволяя разделять настуран и остаточные черни, а также отражая различные стадии окисления настурана. Приближенное определение твердости производят при помощи эталонов десятибалльной шкалы Мооса. Более точное определение необходимо проводить с помощью микротвердомера.

8. Удельный вес

Удельный вес является одной из наиболее твердых и надежных констант в минералогии, однако для большинства урановых минералов используется лишь как вспомогательный диагностический признак. Это отчасти объясняется тем, что значения удельных весов для сходных минералов перекрываются (группа титанатов, танталониобатов, силикатов, арсенатов и др.) и тем, что минералы более легко разделяются по другим признакам, требующим для своего определения значительно меньшего количества чистого материала.

Как руководящий диагностический признак, удельный вес используется для выделения органических соединений урана (тухолит, карбуран, согренит).

Наибольшие колебания величины удельного веса свойственны минералам непостоянного химического состава - окислам, танталониобатам и титанотанталониобатам. У окислов, как доказано специальными исследованиями, удельный вес находится в зависимости от степени окисленности минерала, а у ниобатов он зависит от процентного содержания основных катионов и от степени гидратации минерала. У минералов шестивалентного урана, содержащих в своем составе цеолитную воду (фосфаты, ванадаты и др.) на значение удельного веса влияет главным образом количество воды (обратная зависимость).

9. Оптические свойства

Оптические свойства, в частности светопреломление и угол погасания, для многих прозрачных минералов урана являются руководящим признаком, позволяющим разбивать их на группы, или чаще выделять минералы однозначно (уранилсиликаты, фосфаты, арсенаты и др.).

Кроме того, для всех минералов, как прозрачных, так и непрозрачных, различные оптические свойства (для первых наблюдаемые главным образом в проходящем, для вторых - в отраженном свете) являются характерными константами, позволяющими проверять и уточнять диагностику минералов (дополнительные признаки).

10. Растворимость

Растворимость урановых минералов имеет большое значение для их определения и анализа. В зависимости от формы валентности урана и кристаллохимических особенностей, урановые минералы по-разному реагируют с теми или иными растворителями, что используется при разделении их методом фазового анализа.

Относительно легкая растворимость главной массы урановых минералов в кислотах положена в основу простейших химических методов определения в них урана и других элементов, а также метода отпечатков.

Размещено на Allbest.ru