Cường độ bức xạ do một nguyên tố nào đĩ phát ra từ một đối tượng nghiên cứu đều tỷ lệ với hàm lượng của nguyên tố đĩ. Nếu phân rã phĩng xạ của các nguyên tố phát ra các dạng bức xạ khác nhau (alpha, bêta và gamma) thì hàm lượng của nĩ cĩ thể được xác định dựa vào việc ghi nhận một trong số các loại bức xạ trên. Phổ bức xạ alpha do hạt nhân phĩng xạ phát ra là phổ gián đoạn, cĩ năng lượng hồn tồn xác định đặc trưng cho nguyên tố đĩ. Cường độ bức xạ alpha được phát ra từ một đơn vị khối lượng mẫu, tỉ lệ thuận với hàm lượng của nguyên tố phân rã alpha. Do khả năng đâm xuyên của hạt alpha rất nhỏ, nên trước khi đo hoạt độ phĩng xạ alpha cần phải tiến hành xử lý hĩa học các mẫu. Cơng đoạn xử lý hĩa học mẫu để đo phổ alpha thường rất phức tạp. Ngày nay phương pháp phổ alpha ít được sử dụng để xác định hàm lượng uran, thơri trong đất đá [2,3].
Bức xạ bêta cĩ khả năng đâm xuyên lớn hơn so với alpha nhưng phổ bê ta do một nguyên tố phĩng xạ phát ra là phổ liên tục. Hiện nay, phương pháp phổ bê ta cũng hầu như khơng cịn được sử dụng để xác định hàm lượng của uran, thơri và kali.
Đa số các nguyên tố trong ba dãy phĩng xạ tự nhiên, hạt nhân con được hình thành ở trạng thái kích thích, chúng phát ra bức xạ gamma để trở về trạng thái kích thích cĩ năng lượng thấp và cuối cùng về trạng thái cơ bản. Phổ bức xạ gamma do nguyên tố phĩng xạ phát ra là phổ gián đoạn, cĩ năng lượng hồn tồn đặc trưng cho nguyên tố đĩ. Cường độ bực xạ gamma đặc trưng của mỗi nguyên tố phĩng xạ tỷ lệ thuận với hàm lượng của nguyên tố đĩ. Ngồi ra, bức xạ gamma cĩ khả năng đâm xuyên lớn nên trong địa vật lý hạt nhân bức xạ gamma được quan tâm đặc biệt. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của cơng nghệ, các thiết bị đo phổ gamma ngày càng hồn thiện cho nên hàm lượng của các nguyên tố phĩng xạ U, Th, K được xác định theo phương pháp phổ gamma. Trong phịng thí nghiệm hàm lượng các
nguyên tố phĩng xạ U, Th, K được xác dịnh bằng phổ kế gamma bán dẫn với máy phân tích biên độ nhiều kênh. Ngồi hiện trường, hàm lượng của các nguyên tố phĩng xạ U, Th, K thường được xác định bằng phổ kế gamma nhấp nháy với máy phân tích bốn kênh.
Các bức xạ gamma do các nguyên tố phĩng xạ phát ra cĩ phổ gián đoạn. Mỗi hạt nhân phĩng xạ gamma phát ra một hoặc một số bức xạ gamma cĩ năng lượng hồn tồn xác định đặc trưng cho nguyên tố đĩ. Ngồi ra, các bức xạ gamma cĩ khả năng đâm xuyên lớn, do đĩ phương pháp gamma nĩi chung cĩ chiều sâu nghiên cứu lớn. Trong phịng thí nghiệm, các mẫu đo phổ gamma khơng cần phải xử lý hĩa học trước khi đo, chỉ cần xử lý sơ bộ như sấy khơ và nghiền nhỏ để cĩ thể tạo ra mẫu đo hình học đo xác định.
Với các thiết bị phổ kế gamma bán dẫn cĩ độ phân giải cao, cho phép tách được hầu hết các đỉnh hấp thụ tồn phần của các vạch bức xạ gamma đặc trưng do các nguyên tố phĩng xạ phát ra. Với việc trợ giúp của máy tính, các chương trình xử lý phổ ngày càng hồn thiện, diện tích của các đỉnh hấp thụ tồn phần được xác định một cách nhanh chĩng với độ chính xác cao. Như vậy, với hệ phổ kế gamma bán dẫn cĩ độ phân giải năng lượng cao cĩ thể xác định được hàm lượng của các nguyên tố phĩng xạ phát ra bức xạ gamma cĩ trong mẫu.
Hầu hết các nguyên tố phĩng xạ trong hai dãy uran và thơri đều tồn tại ở trạng thái cân bằng. Ở trạng thái cân bằng phĩng xạ độ phĩng xạ của mọi nguyên tố trong dãy đều bằng nhau và bằng hoạt độ phĩng xạ của nguyên tố mẹ. Điều này cĩ nghĩa hàm lượng của nguyên tố bất kỳ trong dãy liên hệ đơn trị với hàm lượng của nguyên tố mẹ ở đầu dãy. Đối với dãy uran ở trạng thái cân bằng, tỉ số khối lượng giữa Bi214 và 238
U bằng 7,5.10-15. Cịn đối với dãy thơ ri ở trạng thái cân bằng, tỉ số giữa khối lượng của 208Tl và thơ ri là 1,37.10-16. Như vậy, dựa vào hoạt độ phĩng xạ của một sản phẩm phân rã trong dãy cĩ thể xác định được hàm lượng của hạt nhân mẹ. Trong thực tế, để xác định hàm lượng của uran và thơri theo phương pháp phổ gamma đều dựa vào diện tích đỉnh hấp thụ tồn phần của các vạch bức xạ gamma đặc trưng cĩ cường độ lớn và ở xa các vạch khác.