Đề tài Các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự nhiên

Các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự nhiên Mục lục Mục lục 1 Mở đầu 3 Chương I Các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tù nhiên. 5 1.1 Các nguyên tè phóng xạ trong tự nhiên. 5 1.1.1 Đồng vị phóng xạ của Kali -40K. 6 1.1.2 Các đồng vị phóng xạ của Thori và Uran 232Th, 235U,238U 6 1.1.3 Đặc điểm của các dãy phóng xạ tự nhiên và hiện tượng cân bằng phóng xạ. §Æc ®iÓm cña c¸c d·y phãng x¹ tù nhiªn vµ hiÖn t­îng c©n b»ng phãng x¹. 8 1.2 Quy luật phân bố của các nguyên tố phóng xạ trên trái đất. 10 1.2.1 Quy luật phân bố của Uran và Thori trong vỏ Trái đất. 10 1.2.2 Quy luật phân bố của Kali và Rubidi trong đất đá: 13 1.3 Vai trò của bức xạ gamma trong địa vật lý. 14 1.3.1 Vai trò của bức xạ gamma. 14 1.3.2 Phông bức xạ gamma. 15 Chương II Suất liều bức xạ và ảnh hưởng của các đồng vị phóng xạ đến môi trường xung quanh. 17 2.1 Các đại lượng đo liều bức xạ dùng trong an toàn bức xạ. 17 2.1.1 Liều chiếu. 17 2.1.2 Liều hấp thô . 17 2.1.3 Suất liều hấp thụ 18 2.1.4 Liều tương đương. 18 2.1.4.1 Hệ số phẩm chất . 18 2.1.4.2 Liều tương đương. 19 2.1.4.3 Suất liều tương đương 19 2.1.4.4 Suất liều chiếu, mối quan hệ giữa suất liều chiếu và hàm lượng 20 2.1.4.5 Liều hiệu dụng tương đương. 20 2.2 Ảnh hưởng của các đồng vị phóng xạ đến môi trường xung quanh: 21 2.2.1 Ảnh hưởng của bức xạ đối với con người. 22 2.2.2 Độ trung bình phóng xạ có trong người. 23 2.2.3 An toàn phóng xạ. 25 Chương III Phương pháp thực nghiệm 30 3.1 Chuẩn bị mẫu và mẫu chuẫn 30 3.1.1 Cách tạo mẫu 30 3.1.2 Mẫu chuẩn 31 3.2 Phương pháp tính hàm lượng các nguyên tố 32 3.2.1 Phương pháp tuyệt đối 32 3.2.2 Phương pháp tương đối.
33 3.2.3 Sai sè trong xử lý số liệu thực nghiệm. 33 3.3 Hệ thống thiết bị đo. 34 3.3.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo. 34 3.3.2 Detector bán dẫn. 35 3.3.2.1 Nguyên tắc làm việc của detector bán dẫn. 35 3.3.2.2 Một số đặc trưng của detector bán dẫn. 36 3.3.3 Máy đo suất liều bức xạ. 388 Chương IV Các kết quả thực nghiệm39 39 4.1 Số liệu thực nghiệm.39 39 4.1.1 Số đếm đã trừ phông.39 39 4.1.2 Phổ bức xạ của các nguyên tố phóng xạ trong các mẫu đất. 400 4.1.3 Hàm lượng của các nguyên tè 238U, 232Th và 40K 400 4.1.4 Suất liều bức xạ. 411 Kết luận 455 Tài liệu tham khảo 466 Mở đầu Nhiều nghiên cứu ở trong nước cũng như nước ngoài đã sử dụng các kỹ thuật hạt nhân để đánh giá độ nhiễm bẩn phóng xạ tự nhiên. Đặc biệt đã có một bảng số liệu cho các loại đất đá về các đồng vị phóng xạ tự nhiên cho các nước khác nhau trong UNSCEAR - NewYork - 1988 bằng số liệu thực nghiệm chứa các mức trung bình của bức xạ vũ trụ và các trường bức xạ, các phóng xạ của khí Radon trên các địa dư hành chính của các nước trong những thời gian xác định. Tuy nhiên các số liệu luôn có sự biến đổi, vì các đồng vị này luôn luôn bị phân rã trong môi trường.Vì vậy nghiên cứu các số liệu này biến đổi theo thời gian, theo không gian cũng là những việc cần làm. Hơn nữa ở nước ta nghiên cứu này không được triển khai thường xuyên và cũng chưa ở một diện rộng, mới chỉ đo ở các vùng cục bộ. Do đó có thể nói chúng ta chưa có số liệu cơ bản ban đầu một cách đầy đủ, mà mới chỉ đo một vài điểm đặc trưng, đặc biệt chưa theo dõi suất liều trên cơ sở số liệu về hàm lượng phóng xạ tự nhiên ở trong thời gian từ năm 1980 đến 1998. Mục đích của khoá luận này tôi nghiên cứu cả hai phương pháp đo hàm lượng và suất liều trong cùng một không gian và thời gian ở một số địa điểm đặc trưng của khu đất Đại Học Khoa Học Tự Nhiên-Hoà Lạc, bằng hệ thiết bị detector bán dẫn siêu tinh khiết. Đây là các số liệu cơ bản ban đầu cả về hàm lượng lẫn suất liều được đo, qua đó chúng ta có thể đánh giá được các loại đất đá ở khu vực này, cũng như ảnh hưởng của suất liều đến môi trường xung quanh. Ngoài ra, việc nghiên cứu hàm lượng phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ giúp chúng ta tìm kiếm quặng phóng xạ cũng như việc tìm kiếm các nguyên tố cộng sinh với các nguyên tố phóng xạ. Hoàn thanh khoá luận này tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Đặng Huy Uyên, tập thể cán bộ trung tâm vật lý hạt nhân, đặc biệt là GS.TS Trần Đức Thiệp, PGS.TS Nguyễn Văn Đỗ và thầy Nguyễn Văn Khuê những người đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian vừa qua. Bản khoá luận này là kết quả của quá trình 4 năm học tập trong trường với sự giảng dạy của thầy cô giáo, là sự tổng hợp kiến thức của bản thân trong thời gian học, cũng như trong quá trình đi thực tập tại trung tâm Vật lý hạt nhân. Mặc dù đã cố gắng học hỏi, tìm tòi nghiên cứu các tài liệu, cũng như được sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giáo và sự giúp đỡ của bạn bè. Nhưng do thời gian hạn hẹp, khả năng và kinh nghiệm còn có hạn, nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự góp của quý thầy cô cùng tất cả các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội tháng 06 năm 2003 các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tù nhiên. Các nguyên tè phóng xạ trong tự nhiên. Trong tự nhiên có sẵn những đồng vị có tính phóng xạ, đó là các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Về nguồn gốc phát sinh, người ta chia chúng thành 3 nhóm: + Nhóm thứ nhất: Theo quan điểm hiện nay, các đồng vị thuộc nhóm nàyliên quan đến sự tổng hợp chúng khi hình thành thái dương hệ. Chu kỳ bán rã của các hạt nhân này vào cỡ tuổi trái đất(cỡ 5x109 năm). Nhóm này bao gồm các nguyên tè 238U,232Th,40K,87Rb,24Sn... và một số hạt nhân rất hiếm khác. + Nhóm thứ hai: Nhóm này sinh ra do sự phân rã và phân chia tự phát của nhóm thứ nhất. Chúng có chu kỳ bán rã từ bé hơn 1 giây đến 104
 105 năm. +Nhóm thứ 3: Bao gồm các hạt nhân phóng xạ tự nhiên còn lại, chúng sinh ra do những nguyên nhân ngoài trái đất như do tương tác của các tia vũ trụ có năng lượng cao với khí quyển, đó là các nguyên tố như:3H, 7Be, 10Be, 14C... và một số nguyên tố sinh ra do sự bắt notron hay có nguồn gốc từ các thiên thạch trong vũ trụ đi vào trái đất. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên tạo thành các dãy cơ bản là 238U, 235U, và 232Th. Chúng tạo thành các dãy tương ứng là Uran, Actino Uran và Thori. Các dãy cơ bản trên đều bắt đầu bằng đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn (238U: T1/2=4,5.109 năm, 235U: T1/2=7.108 năm và 232Th: T1/2=45.109 năm) và kết thúc bằng các đồng vị chì bền (Pb). Hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên trong đất đá được quy định bởi hoạt độ đá mẹ và tập hợp các quá trình tạo thành đất đá. Trong đó tồn tại các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã dài như 40K, 87Rb, 238U, 232Th. Các đặc trưng cơ bản như chu kỳ bán rã, hàm lượng trong các hợp chất tự nhiên của các đồng vị phóng xạ này được đưa ra ở bảng sau đây: Bảng 1: Chu kỳ bán rã và hàm lượng của một số đồng vị phóng xạ tù nhiên Đồng vị  Hàm lượng trong hợp chất tự nhiên của đồng vị (%)  Chu kỳ bán rã (năm)    40K  0,019   1,39.109    87Rb  27,85   5,0.1010    232Th  100   1,4.1010    235U  0,7   7,1.108    238U  99,28   4,5.109    Đồng vị phóng xạ của Kali -40K. 40K là đồng vị phóng xạ vừa phân rã +,vừa phân rã - đồng vị chiếm K. Khi 40K phân rã - sẽ biến thành 40Ca. Hạt nhân con được tạo thành ở trạng thái cơ bản. Xác suất của quá trình này là 89 %. Chỉ có 11% 40K phân rã + hoặc chiếm K trở thành 40Ar. Hạt nhân con 40Ar ở trạng thái kích thích khi trở về trạng thái cơ bản có năng lượng 1,46 MeV. Vì vậy bức xạ gamma 1,46 MeV là bức xạ đặc trưng của 40K. Chu kỳ bán rã của 40K là 1,39.109 năm. Từ khi hình thành trái đất đến nay lượng 40K đã giảm đi 8 lần. Các đồng vị phóng xạ của Thori và Uran 232Th, 235U,238U Cả 3 đồng vị phóng xạ trên đều là những đồng vị phân rã alpha. Các sản phẩm con cháu của 3 đồng vị trên đều không bền. Khi tạo thành chúng lại tiếp tục phân rã tạo thành 3 dãy tự nhiên. Cả 3 dãy phóng xạ trên đều được kết thúc bởi đồng vị phóng xạ chì bền. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy phóng xạ 232Th có số khối được mô tả theo công thức A=4n, với n là số nguyên biến đổi từ 52 đến 58. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 235U có số khối được mô tả theo công thức A= 4n+3, với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 58. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 238U có số khối được mô tả theo công thức A= 4n+2, với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 59. Dãy phóng xạ 232Th được bắt đầu từ 232Th và kết thúc bởi đồng vị chì bền 208Pb trải qua 6 phân rã  và 4 phân rã : 232Th
228Ra
228Ac
228Th
224Ra (1,4.1010 năm) (5,7 năm) (6,13 giê) (1,9 năm) (3,64 ngày)
220Rn  216Po  212Pb  212Bi  212Po (5,3 giây) (0,445 giây) (10,6 giê) (60,6 phót) (3.10-7giây) 208Tl  208Pb (bền) (3,1 phót) Dãy phóng xạ 238U được bắt đầu từ 238U và
kết thúc bởi đồng vị chì bền 208Pb trải qua 8 phân rã  và 4 phân rã : 238U
234 Th
234Pa
234 U
230 Th (4,5.109 năm) (24,1 ngày) (117 phót) (2,5.105 năm) (8,0.104năm) 226 Ra
222 Rn  218Po  214 Pb  214 Bi (11,6.103năm) (3,82 ngày) (3,05 phót) (26,8 phót) (19,7 phót)
214Po  210 Pb
210 Bi
210 Po
206 Pb(bền) . (1,6.10-4giây) (20,4 năm) (5 ngày) (138 ngày) Dãy phóng xạ 235U, gọi là dãy Actini, được bắt đầu từ 235U và kết thúc bởi đồng vị chì bền 207Pb trải qua 7 phân rã  và 4 phân rã : 235U  231 Th
231 Pa  227 Ac
223 Fr (7,1.108 năm) (225giê) (3,25 năm) (21,6 năm) (22 phót) 227Th  223Ra  219Rn
(18,2 ngày) (11,44năm) (4,0 giây) 215Po  211 Pb
211 Bi  211 Po
207 Pb(bền) (1,78.10-3giây) (36,1 phót) (2,16giây) (0,5 giây)   207Tl (4,79 phót) Đặc điểm của các dãy phóng xạ tự nhiên và hiện tượng cân bằng phóng xạ. Cả 3 dãy phóng xạ đều bắt đầu từ các hạt nhân phân rã , có chu kỳ bán rã rất lớn so với chu kỳ bán rã của các hạt nhân con cháu trong dãy. Do tuổi của các mẫu quặng rất lớn, cỡ tuổi của Trái Đất, do đó đến nay các dãy phóng xạ đều xảy ra hiện tượng cân bằng phóng xạ. Khi hiện tượng này xảy ra, hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố trong cùng một dãy đều bằng nhau. Ta có phương trình cân bằng phóng xạ sau: 1N1 = 2N2 =....= 1Ni Trong đó: i là hằng số phân rã phóng xạ của nguyên tố thứ i N1 là hoạt độ phóng xạ của nguyên tố thứ i Khi đó nếu biết hoạt độ phóng xạ của một nguyên tố nào đó trong dãy, sẽ suy ra được hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân khác, và do đó biết được hàm lượng của các nguyên tố trong dãy. Trong địa chất quan tâm đến hàm lượng của các nguyên tố U, Th, K. Trong cả 3 dãy phóng xạ tự nhiên các nguyên tố phóng xạ ở đầu dãy khi phân rã, hạt nhân con được tạo thành thường ở trạng thái cơ bản hoặc ở trạng thái kích thích thấp. Do đó, các bức xạ gamma do các nguyên tố đầu dãy phát ra có cường độ thấp. Các nguyên tố cuối dãy khi phân rã hạt nhân con được tạo thành ở trạng thái kích thích có năng lượng cao. Vì vậy, các nguyên tố này khi phân rã sẽ phát ra các bức xạ gamma có năng lượng lớn và cường độ mạnh. Cho nên có thể sử dụng các nguyên tố này để phân tích và xác định hàm lượng của Uran, Thori và Kali trong đất đá. Hoạt độ phóng xạ alpha của dãy 235U chỉ cỡ 5% hoạt độ phóng xạ alpha của dãy 238U. Cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố trong dãy phóng xạ 238U rất mạnh so với cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ trong dãy 235U và 232Th phát ra. Cả 3 dãy phóng xạ 238U, 235U, 232Th đều chứa 3 đồng vị phóng xạ của Radi là 226Ra, 222Ra và 224Ra. Các đồng vị phóng xạ này đều phân rã  tạo thành đồng vị phóng xạ của Radon. Các đồng vị phóng xạ của Radon là 222Rn, 219Rn và 220Rn. Khi đồng vị phóng xạ 219Rn tương tác với một proton tạo nên hạt nhân dật lùi và ở trạng thái đó nó có thể bay ra khỏi đất đá đi vào khí quyển. Đây là một trong những nguyên nhân gây ra tính phóng xạ của không khí. Quy luật phân bố của các nguyên tố phóng xạ trên trái đất. Nghiên cứu phân bố hay hàm lượng cả các nguyên tố phóng xạ trong các loại đất đá cơ bản của Trái Đất sẽ cho phép tìm hiểu vai trò của các quá trình hạt nhân trong lịch sử hình thành của Trái Đất và các quá trình biến đổi địa chất đã xẩy ra. Quy luật phân bố của Uran và Thori trong vỏ Trái đất. Trong đất đá Uran và Thori tồn tại dưới dạng UO2 và ThO2. Các loại đất đá khác nhau có hàm lượng Uran và Thori khác nhau. Hàm lượng trung bình của Uran và Thori cũng như tỷ số về hàm lượng của chúng là một trong những thông số đặc trưng cho từng loại đất đá và nguồn gốc của nó. Bảng dưới đưa ra hàm lượng trung bình của Uran và Thoritrong các loại đá macma và tỷ số về hàm lượng của Uran và Thori. Đặc trưng nổi bật của loại đá macma là tỷ số giữa hàm lượng của Uran và Thori (Th/U) luôn luôn lớn hơn 1, mặc dù hàm lượng của Uran và Thori trong các loại đất đá này là khác nhau. Tỷ số này biến thiên trong khoảng từ 2,7 đối với đá Peridiot đến 4 B¶ng d­íi ®­a ra hµm l­îng trung b×nh cña Uran vµ Thoritrong c¸c lo¹i ®¸ macma vµ tû sè vÒ hµm l­îng cña Uran vµ Thori. §Æc tr­ng næi bËt cña lo¹i ®¸ macma lµ tû sè gi÷a hµm l­îng cña Uran vµ Thori (Th/U) lu«n lu«n lín h¬n 1, mÆc dï hµm l­îng cña Uran vµ Thori trong c¸c lo¹i ®Êt ®¸ nµy lµ kh¸c nhau. Tû sè nµy biÕn thiªn trong kho¶ng tõ 2,7 ®èi víi ®¸ Peridiot ®Õn 45,0 đối với đá Granit có tính kiềm. Bảng 2: Hàm lượng trung bình (ppm) của Uran và Thori trong các loại đá macma. Loại đá  U  Th  Th/U   Loại đá xâm nhập:      Đá peridiot, peoxen  0,03  0,08  2,7   Đá gabro, đá diaba  0,6  1,8  3,0   Đá điorit  1,8  6,0  3,3   Đá plagionit  2,7  9,6  4,0   Đá granit  4,5  18,0  4,0   Đá granit có tính kiềm   6,0  25,0  4,05,0   Các loại phun trào:      Đá diaba, đá bazan  0,7  2,3  3,2   Đá andezit  1,2  4,0  3,3   Đá liparit  4,7  19,0  4,0   Đối với các loại đá trầm tích, tỷ số Th/U biến thiên trong khoảng rộng và có loại tỷ số nhỏ hơn 2. Đặc điểm này được thể hiện ở bảng 3 dưới đây: Bảng 3: Hàm lượng trung bình (ppm) của các loại đá trầm tích. Loại đá  U  Th  Th/U   Đá có nguồn gốc lục địa:      Đá cuội kết  2,4  9,0  3,7   Đá sa thạch  2,9  10,0  3,6   Đá alginit (sét kết)  4,0  11,5  2,4   Đá cuội kết thạch anh  6,3  31,0  5,1   Đá phiến sét chứa than  >1020  15,0  <1,0   Các loại đá silic:      Đá phiếm sét silic  2,8  6,2  2,2   Đá phiếm silic  1,7  2,2  1,2   Các loại đá cacbonat:      Loại đá  U  Th  Th/U   Đá vôi  1,6  1,8  1,1   Đá macma  2,8  2,5  0,9   Đá dolomit  3,7  2,8  0,8   Các loại đá chứa muối:      Đá thạch cao khan  1,0  1,0  1,0   Mỏ muối  0,9  1,0  1,1   Than đá  3,4  4,8  1,4   Đá phiếm dầu mỏ  <100  1015  <0,5   Quy luật phân bố của Kali và Rubidi trong đất đá: Trong điều kiện tự nhiên cả Kali và Rubidi đều có hoà trị 1, chúng tồn tại ở trạng thái liên kết ion và đều là các kim loại thuộc nhóm kim loại kiềm. Trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn c¶ Kali vµ Rubidi ®Òu cã hoµ trÞ 1, chóng tån t¹i ë tr¹ng th¸i liªn kÕt ion vµ ®Òu lµ c¸c kim lo¹i thuéc nhãm kim lo¹i kiÒm.40K chiếm khoảng 0,0119% lượng Kali tự nhiên, còn 87Rb chiếm khoảng 27,85% Rubidi tự nhiên. Hàm lượng trung bình của Kali và Rubidi cũng như tỷ lệ hàm lượng của chúng trong các loại đất đá khác nhau là khác nhau. Các số liệu cụ thể về hàm lượng của Kali và Rubidi cũng như tỷ số hàm lượng giữa chúng được trình bày ở các bảng sau: Bảng 4: Hàm lượng trung bình (ppm) của Kali và Rubidi trong một số loại đá macma. Loại đá  K  Rb  K/Rb   Đá Granit  37700  145  240   Đá Andehit  13300  31  430   Loại đá Bazan Kali  64050  430  140   Đá Bazan Olivin có tính kiềm  13800  33  418   Bảng 5: Hàm lượng trung bình (ppm) của Kali và Rubidi trong một số loại đá trầm tích. Loại đá  K  Rb  K/Rb   Đá phiếm  26000  140  186   Đá pha cát  10700  60  167   Đá vôi  2700  3  900   Đá trầm tích cacbonat  2900  10  290   Đá trầm tích pha cát  2270  110  227   Từ các số liệu ta thấy rằng 40K trong các loại đá trầm tích nhỏ hơn trong các loại đá macma. Vai trò của bức xạ gamma trong địa vật lý. Vai trò của bức xạ gamma. Cường độ bức xạ do một nguyên tố nào đó phát ra luôn tỷ lệ với hàm lượng của nguyên tố đó trong đối tượng nghiên cứu. Nếu phân rã phóng xạ của các nguyên tố phát ra các dạng bức xạ khác nhau (alpha, beta và gamma) thì hàm lượng của nó có thể được xác định dùa vào việc ghi nhận một trong số các loại bức xạ trên. Phổ bức xạ gamma do hạt nhân phóng xạ phát ra là phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng cho nguyên tố đó. Khả năng đâm xuyên của hạt alpha rất nhỏ, nên trước khi đo hoạt độ alpha cần phải tiến hành xử lý hoá học các mẫu.Việc xử lý mẫu để đo phổ gamma là rất phức tạp. Ngày nay trong địa vật lý hạt nhân phơưng pháp phổ alpha Ýt dược sử dụng để xác định hàm lượnh các nguyên tố. Bức xạ beta tuy có khả năng đâm xuyên lớn nhưng do phổ beta là phổ liên tục. Nên trong địa vật lý hạt nhân phương pháp phổ beta hầu như không được sử dụng để xác định hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ. Ngày nay với sự phát triển và ngày càng hoàn thiện của các thiết bị gamma, cho nên trong địa vật lý hạt nhân hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ Uran, Thori và Kali được xác định theo phương pháp phổ gamma. Các bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ phá ra do có phổ gián đoạn. Mỗi hạt nhân phóng xạ gamma đều phát ra một số vạch bức xạ gamma có năng lượng hoàn toàn xác định. Ngoài ra, các bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên lớn, do đó phương pháp gamma có tầm quan trọng lớn. Trong phòng thí nghiệm các mẫu đo phổ gamma không cần phải xử lý hoá học trước khi đo, chỉ cần xử lý sơ bộ như sấy khô và nghiền nhỏ. Với các thiết bị phổ kế gamma bán dẫn có độ phân giải cao, cho phép tách được hầu hết các đỉnh hấp thụ toàn phần của các vạch bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ có trong đất đá phát ra. Với việc trợ giúp của các phần mềm máy tính việc xác định diện tích của các đỉnh hấp thụ toàn phần cho độ chính xác rất cao. Như vậy, với phổ kế gamma bán dẫn có thể xác định hàm lượng phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ phát ra bức xạ gamma có trong mẫu đất. Phông bức xạ gamma. Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ trái đất đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên Uran, Thori, Kali và Rubidi với hàm lượng khác nhau. Trong đó Rubidi là hạt nhân phân rã beta mềm thuần tuý, có chu kỳ rất lớn. Hàm lượng của nó trong đất đá rất nhỏ. Vì vậy Trong tÊt c¶ c¸c lo¹i ®Êt ®¸ thuéc vá tr¸i ®Êt ®Òu chøa c¸c nguyªn tè phãng x¹ tù nhiªn Uran, Thori, Kali vµ Rubidi víi hµm l­îng kh¸c nhau. Trong ®ã Rubidi lµ h¹t nh©n ph©n r· beta mÒm thuÇn tuý, cã chu kú rÊt lín. Hµm l­îng cña nã trong ®Êt ®¸ rÊt nhá. V× vËy 87Rb Ýt được quan tâm trong địa vật lý hạt nhân. Bức xạ do 87Rb phát ra không đóng góp vào phông phóng xạ chung trên mặt đất. Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá và trong các vật liệu xây dựng đều nằm trong 3 họ phóng xạ Uran, Thori và Kali. 40K là nguyên tố phóng xạ kèm theo bức xạ gamma có năng lượng 1,46MeV. Các hạt nhân con cháu của Uran, Thori và Kali phân rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở các trạng thái kích thích, chúng phát ra các bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản. Các bức xạ gamma nhất là các bức xạ có năng lượng cao, có hệ số suy giảm trong đất đá rất nhỏ. Quãng chạy của các bức xạ gamma trong đất đá rất lớn. Khi được sinh ra từ các líp đất đá gần mặt đất, các bức xạ gamma có thể bay ra khỏi mặt đất tạo thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất. Ngoài ra phông bức xạ trên mặt đất còn do bức xạ vũ trụ gây ra. Thành phần phông phóng xạ gamma do tia vũ gây ra phụ thuộc vào chiều cao so với mực nước biển. Thành phần này thường rất nhỏ so với các bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ dưới mặt đất và vật liệu xây dựng xung quanh gây nên. Như vậy, khi nói đến phông phóng xạ có nghĩa là nó được tạo thành từ các nguyên tố có trong đất.