Физическая природа и источники радиационной опасности для человека, объектов и природной среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: «Физическая природа и источники радиационной опасности для человека, объектов и природной среды»

1. Радиоактивные превращения ядер

Радиоактивное излучение возникает при радиоактивном распаде ядер. По своей физической природе оно представляет поток элементарных частиц, которые двигаются от ядра, претерпевшего распад, а также квантов жесткого электромагнитного излучения. При этом существуют три основные вида радиоактивных превращений: a, g, b.

a---распад представляет собой испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов - ядра гелия. Она называется альфа-частица и обозначается символом a. При этом заряд исходного ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число - на 4:

_{A 4 A-4 226 4 222}

_ZX ₂ He + _Z-2 X. Например: ₈₈Ra ₂ He + ₈₆ Rn.

a---распаду подвержены, в основном, тяжелые радионуклиды, находящиеся в периодической системе элементов Менделеева после свинца.

Избыток энергии при a---распаде высвобождается в виде кинетической энергии a-частицы. Ее скорость составляет от 14 000 до 20 000 км/с, а кинетическая энергия - от 4 до 9 МэВ.

Ядра одних элементов имеют строго определенную энергию a-частиц. Это моноэнергетические излучения - ²²⁰Th (4,5 МэВ), ²²²Rn (5,49 МэВ), ²¹⁶Po (6,78 МэВ). Ядра других - испускают частицы различных энергий: так, ²³⁵U - 4,366 МэВ (18 %), 4,396 МэВ (57 %), 4,415 МэВ (4 %), 4,556 МэВ (4 %), 4,597 МэВ (5 %).

Важным показателем a- и g-радиоактивных распадов является выход на распад. Это доля a-частиц и g-квантов с данной энергией, покидающих ядро в результате радиоактивного распада.

b-распадами называются радиоактивные превращения атомных ядер, сопровождающиеся вылетом из него электрона или позитрона, а также нейтрино либо антинейтрино.

Существуют следующие виды b-распадов.

При одном из них в ядре происходит самопроизвольное превращение одного из нейтронов в протон. Процесс сопровождается тем, что ядро покидают электрон и антинейтрино. Заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число остается неизменным. Обычно такое преобразование характерно для атомных ядер, в которых преобладают нейтроны:

_{90 90}

⁰n p + е^- + v ^- Например: ₃₈ Sr ₃₉Y + e^- + v - .

Если в атомном ядре преобладают протоны, то b-распад может идти несколько иначе - происходит самопроизвольное превращение протона в нейтрон, а ядро покидают позитрон и нейтрино. При этом заряд ядра уменьшается на единицу. Такое превращение свойственно, в основном, при преобладании в ядре протонов:

_{22 22}

p n + е ⁺ + v Например: ₁₂ Mg ₁₁ Na + e ⁺ + v .

При преобладании в атомном ядре нейтронов над протонами в радиоизотопах некоторых химических элементов возможен так называемый К-захват. При этом ядро захватывает один из электронов с ближайшей к ядру К-оболочки, а один из протонов в нейтрон и испускает нейтрино. Как правило, возникшее ядро оказывается в возбужденном состоянии. Место захваченного электрона заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате чего возникает рентгеновское излучение.

Примером электронного захвата может служить следующая реакция:

 _{40 40}

₁₉ K + e^- ₁₈ Ar + v.

Особенностью b-распада является то, что энергия между b-частицей и антинейтрино (или нейтрино) распределяется неравномерно, поэтому b-частицы имеют различную кинетическую энергию - от 0 до некоторого максимального значения. Среднее значение энергии излучения обычно составляет 1/3 от максимальной. В справочниках приводятся значения этих энергий.

g- излучение. a- или b-распад обычно сопровождается переходом дочернего ядра в возбужденное состояние. Возврат к основному состоянию с наименьшей энергией сопровождается испусканием квантов электромагнитного излучения, с которым уносится избыток энергии.

Например, дочернее ядро ^{137 m} Ba (образующегося в результате b-распада ¹³⁷Cs) испускает один g-квант с энергией 661,6 кэВ, а ядро ^{134 m} Ba (продукт b-распада ¹³⁴Cs) проходит ряд промежуточных возбужденных состояний и поэтому испускает несколько g-квантов с различными энергиями (576, 602, 794 кэВ и т.д.).

2. Некоторые выводы из строения атома и атомного ядра

Явление радиоактивности связано с особенностями строения ядер некоторых химических элементов. Как известно, наименьшей частью химического элемента является атом, состоящий из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него по орбитам отрицательных электронов. Диаметр атома составляет ~ n * 10 - ¹⁰ м.

Электрон - это элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 а. е. м. (1 а. е. м. = 1,66 * 10 ^{- 27} кг). Она имеет элементарный отрицательный заряд 1,601 * 10 - ¹⁹ Кл. Количество орбит, по которым вращаются электроны, может быть произвольно, но они группируются в электронные слои. Слоев может быть семь: K, L, M, N, O, P, Q. Для каждого слоя может быть определено максимальное количество электронов в нем. Чем ближе электрон к ядру, тем выше энергия связи с ним, и наоборот. Поэтому сорвать электроны с орбит внешних электронных слоев значительно легче, чем с орбит внутренних электронных слоев. Этим и определяются свойства элементов - валентность, электропроводность и т.д. Число электронов в ядре равно количеству протонов - в нормальном состоянии атом нейтрален.

Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Диаметр ядра составляет 10 - ¹⁵ - 10 ^{- 14} м. В нем сосредоточена почти вся масса атома. Плотность вещества в ядре 2 * 10 ¹⁴ г/см ³, или 200 млн. т в 1 см ³.

Протон - элементарная, положительно заряженная частица атомного ядра, его масса составляет 1,67243 * 10 ^{- 27} кг, или 1,007593 а. е. м. Заряд протона положителен и равен 1,601 * 10 ^{- 19} Кл.

Символ протона - буква p (от греч. protos - первый).

Число протонов в ядре постоянно (Z) и соответствует порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Поэтому порядковый номер, или атомный номер, элемента является синонимом числа протонов (Z).

Нейтрон - другой вид элементарных частиц. Его нет только в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Масса нейтрона немножко больше массы протона и составляет 1,6747 * 10 ^{- 27} кг, или, 1 008982 а. е. м.

Символ нейтрона - латинская буква n. В ядре он относительно стабилен, в свободном состоянии ней устойчив.

Общее название протонов и нейтронов - нуклоны.

Массу ядра можно выразить через массу протонов и массу нейтронов:

A = N_p + N_n, или A = Z + N_n

Химические элементы записывают _ZX, а чаще X.

Существуют ядра одних и тех же химических элементов с различным массовым числом, но с одним и тем же зарядом. Это определено различным числом нейтронов. Они называются изотопы.

Большинство химических элементов является смесью изотопов.

Например,

_{16 17 18}

изотопы О ₂ ^__ ₈ О ₂, ₈ О ₂, ₈ О ₂.

Первый из них в природе представлен на 99,7575 %, второй - на 0,0392 %, третий - на 0,2033 %. Природный калий представлен тремя изотопами: ³⁹ К, ⁴⁰ К и ⁴¹ К, соответственно 93,08, 0,0119 и 6,91 %.

Причина явления радиоактивности, как уже говорилось, находится в строении ядер. Если рассчитать отношение числа протонов к числу нейтронов в ядрах изотопов химических элементов, то нетрудно убедиться, что с увеличением массового числа нейтроны начинают преобладать над протонами. Так, у скандия (заряд 21, массовое число 45) нейтронов на 3 больше, чем протонов, а у ²³⁸ U при 92 протонах 146 нейтронов. Это относится и к искусственным радионуклидам ( ¹³¹I, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr и др.) по сравнению с их стабильными изотопами. Причем для искусственных и некоторых естественных радиоизотопов отмечается и обратное явление, когда количество нейтронов меньше по сравнению с количеством протонов.

Очевидно, при нарушении отношения протонов и нейтронов в ядре изотопа по сравнению с оптимальным для данного химического элемента массовым числом может наступить вероятность такого расклада внутриядерных сил, при котором ядро не может существовать и должно потерять часть своей массы для возврата в устойчивое состояние. Потеря этой массы происходит обычно в виде испускания элементарной частицы или легкого ядра и выброса энергии в виде кванта электромагнитного излучения. Это явление носит название радиоактивного распада ядер. Характерной его особенностью является отсутствие факторов, способных повлиять на данный процесс.

По соотношению суммы масс протонов и нейтронов к измененной массе ядра рассчитывается дефект массы - показатель устойчивости ядер. Он как раз и зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в ядре. По нему установлено, а экспериментально подтверждено, что с 83-го порядкового номера элементов таблицы Менделеева (висмута) в природе нет стабильных химических элементов.

3. Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада

Радиоактивность - самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием одной или нескольких частиц. Таким превращениям подвержены только нестабильные, радиоактивные ядра (радионуклиды). Самопроизвольное превращение ядра называют также радиоактивным распадом. Радиоактивный распад сопровождается выделением энергии и возбуждением в веществе других процессов, при этом выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда. В процессе радиоактивного распада у ядра могут изменяться как массовое число А, так и атомный номер Z, но полное число нуклонов остается неизменным, хотя нуклоны одного вида способны превращаться в нуклоны другого вида (протоны - в нейтроны и наоборот).

Различают естественную и искусственную радиоактивность. Естественная радиоактивность наблюдается у существующих в природе изотопов, а искусственная - у изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Ядра, претерпевающие радиоактивные превращения, называют материнскими, а образующиеся в процессе радиоактивного распада - дочерними.

Радиоактивность - явление статистическое. Одинаковые радионуклиды распадаются независимо друг от друга за разное время. Однако наблюдение очень большого числа одинаковых радионуклидов показывает, что хотя нельзя указать, какие именно ядра распадаются за рассматриваемый промежуток времени, можно практически с полной достоверностью предсказать число ядер, которые испытают радиоактивный распад за этот промежуток времени. Чем больше исходное число радионуклидов, тем точнее это вероятностное предсказание.

4. Закон радиоактивного распада

Время, в течение которого претерпевает радиоактивный распад половина ядер данного радиоактивного элемента от первоначального его количества, называется периодом полураспада.

Для разных радионуклидов период полураспада различен, например для

²³⁸U - 4,5 млрд. лет, ¹⁴ С - 5730 лет,

²³² Th - 13 млрд. лет, ²²⁶ Ra - 1620 лет,

²¹⁴ Po - 160 мкс.

Закон радиоактивного распада записывается следующей формулой

N = N ₀ * е ^{(- 0,693 t/Т)},

где N - количество ядер по истечении времени t; N₀ - начальное количество ядер; t - время, в течение которого определяется количество распавшегося вещества; T - период полураспада данного радиоактивного элемента.

Если в начальный момент времени t=0 в радиоактивном препарате содержалось большое число N₀ радионуклидов данного типа, то спустя некоторое время t их число уменьшится и станет равным

N = N₀ e ^{- lt},

где l - постоянная распада, характеризующая вероятность распада ядра за единицу времени. Эта формула также выражает основной закон радиоактивного распада. Время t можно отсчитать от любого момента, принимаемого за начальный.

Время Т_1/2, в течение которого первоначальное число радиоактивных ядер (N₀) уменьшается в два раза (N = 1/2N₀), называется периодом полураспада. Величины Т _Ѕ и l связаны соотношением

ln 0,693

Т _1/2 = ------ = --------- .

l-- l

Периоды полураспада у различных радионуклидов изменяются в очень широком интервале: от долей секунды до миллиардов лет. Очевидно, что спустя время Т_1/2, 2Т_1/2, 3Т_1/2, 4Т_1/2 и т.д. в радиоактивном препарате будет оставаться соответственно 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и т.д. часть первоначального числа радионуклидов (рис. 1).

 N

0

Т_1/2 2Т_1/2 3Т_1/2 4Т_1/2 t

Рис. 1. Кривая радиоактивного распада.

Отметим, что для каждого радионуклида и постоянная распада l, и период полураспада Т_1/2 всегда имеют одно и то же значение. Это связано с тем, что процесс радиоактивного распада не зависит от способа получения радиоактивных ядер и от их общего количества, а также от внешних физических и химических условий (давления, температуры, химических реакций и т.д.).

5. Единицы радиоактивности. Удельная, поверхностная и объемная активность. Методики их расчета

радиоактивный ядро атомный распад

Количество радионуклида выражается обычно не в массовых единицах, а в количестве радиоактивных превращений в единицу времени.

Таким образом, активность А некоторого количества радионуклида - это частное от деления dN₀ на dt, где dN₀ - число спонтанных ядерных превращений в этом количестве вещества за интервал времени dt:

A = dN₀ / dt.

В СИ единицей активности является беккерель (Бк) - активность радионуклида в источнике (образце, пробе), если в нем происходит одно радиоактивное превращение в секунду. Производные единицы:

килобеккерель (1 кБк = 10 ³ Бк),

мегабеккерель (1 Мбк = 10 ⁶ Бк).

Внесистемная единица активности - кюри (Ки) - активность радионуклида, в котором происходит 3,7 * 10 ¹⁰ радиоактивных превращений за 1 с. Широко применяются производные единицы:

нанокюри (1 нКи = 10 ^{- 9} Ки),

микрокюри (1 мкКи = 10 ^{- 6} Ки),

милликюри (1 мКи = 10 ^{- 3} Ки).

Единицы активности кюри и беккерель связаны между собой следующим образом:

1 Ки = 3,7 * 10 ¹⁰ Бк,

1 Бк = 2,7 * 10 ^{- 11} Ки.

Применяются единицы удельной активности А _уд - Бк/кг и Ки/кг и объемной активности А _об - Бк/м³ и Ки/м³. Они выражают количество радионуклида в единице массы или объема вещества. Для оценки количества радионуклидов на единице площади пользуются поверхностной активностью А _пов (или плотностью загрязнения), которая выражается в Бк/м ², кБк/м ², Ки/км ².

Между активностью 1 г радионуклида и периодом его полураспада существует тесная связь (определенную роль здесь играет и массовое число радионуклида): чем меньше период полураспада 1 г чистого радионуклида, тем выше его активность:

А _с = 1,16 * 10 ²⁰ / А * Т,

где А - массовое число радионуклида, Т - период полураспада в часах, А _с - активность 1 г.

Так, активность 1 г:

²³⁸ U - 1,23 * 10 ⁴ Бк (3,3 * 10 ^{- 7} Ки);

²²⁶ Ra - 3,7 * 10 ¹⁰ Бк (1 Ки);

¹³⁷ Cs - 3,22 * 10 ¹² Бк (87 Ки).

Размещено на Allbest.ru