Радиоактивные превращения атомных ядер. Радиоактивные превращения Превращение ядер при радиоактивном распаде

Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении? Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых, удивительное постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На него не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание или увеличение давления.

Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых, очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счет их энергии нагревался калориметр. Кюри определил, что 1 г радия за 1 ч выделяет 582 Дж энергии. И эта энергия выделяется непрерывно на протяжении ряда лет.

Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы!

Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале XX в. она казалась фантастической и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов. Идея Демокрита многовековой давности об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.

Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Остановимся только на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди (1877-1956).

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число распадов в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле . Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается. Резерфорд предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то газ, который также является радиоактивным. Этот газ он назвал эманацией . Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она практически оказывается равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и нашел, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии газ был назван радоном и помещен в таблицу Менделеева под порядковым номером 86. Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий. Общий вывод, к которому пришли ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - α-частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-из лучением. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях».

После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь ос-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу. Заряд ядра определяет порядковый номер элемента в таблице Менделеева и все его химические свойства.

Примечание

Литература

Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 351-353.

Наименование параметра Значение
Тема статьи: Радиоактивные превращения
Рубрика (тематическая категория) Радио

К наиболее важным типам радиоактивных превращений (таблица 2) относятся a-распад, b-превращения, g-излучение и спонтанное делœение, причем в природе в земных условиях встречаются практически только первые три типа радиоактивных превращений. Отметим, что b-распады и g-излучение характерно для нуклидов из любой части периодической системы элементов, а a-распады свойственны достаточно тяжелым ядрам.

Таблица 2

Основные радиоактивные превращения (Наумов, 1984)

Тип превращения Z A Процесс Первооткрыватели
-распад -2 -4 Э. Резерфорд, 1899
-превращения 1 - -
- -превращения +1 Э. Резерфорд, 1899
+ превращения -1 И. Жолио-Кюри, Ф. Жолио-Кюри, 1934
К-захват -1 Л. Альварес, 1937
-излучение П. Виллард, 1900
спонтанное делœение К.А. Петржак, Г.Н. Флеров, 1940
протонная радиоактивность -1 -1 Дж. Черни и др., 1970
двухпротонная радиоактивность -2 -2 Дж. Черни и др., 1983

a - распад - это радиоактивное превращение ядер с испусканием a-частиц (ядер гелия):. Сегодня известно более 200 a- радиоактивных ядер.
Размещено на реф.рф
Все они являются тяжелыми, Z>83. Считается, что любое ядро из этой области обладает a-радиоактивностью (даже если она пока не обнаружена). a-распаду подвержены также некоторые изотопы редкоземельных элементов, у которых число нейтронов N>83. Эта область a-активных ядер расположена от (Т 1/2 = 5∙10 15 лет) до (Т 1/2 = 0,23 с). Энергии распадных a-частиц заключены довольно жесткие пределы: 4¸9 МэВ для тяжелых ядер и 2¸4,5 МэВ для ядер редкоземельных элементов, однако у изотопови вылетают a-частицы с энергиями до 10,5 МэВ. Все a-частицы, вылетающие из ядер заданного типа, имеют примерно равные энергии. a-частицы уносят практически всю энергию, выделяющуюся при a-распаде. Периоды полураспада a-излучателœей лежат в широком диапазоне: от 1,4∙10 17 лет для до 3∙10 -7 с для .

b-превращения . Долгое время был известен только электронный распад, который назывался b-распадом: . В 1934 ᴦ. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри при бомбардировке некоторых ядер был открыт позитронный , или b + -распад: . К b-превращениям также относят электронный захват : . В этих процессах ядро поглощает электрон из атомной оболочки, причем обычно из К-оболочки, в связи с этим процесс называют еще К-захватом. Наконец, к b-превращениям относят процессы захвата нейтрино и антинœейтрино :и . В случае если a-распад является внутриядерным процессом, то элементарные акты b-превращений представляют внутринуклонные процессы: 1); 2); 3); 4); 5).

g-излучения ядер . Суть явления g-излучения в том, что ядро, находящееся в возбужденном состоянии, переходит в более низкие энергетические состояния без изменения Z и А, но с испусканием фотонов, и в конечном итоге оказывается в основном состоянии. Поскольку значения энергий ядра дискретны, то спектр g-излучения также дискретен. Он простирается от 10 кэВ до 3 МэВ, ᴛ.ᴇ. длины волн лежат в области 0,1¸ 4∙10 -4 нм. Важно заметить, что для сравнения: для красной линии видимого спектра lʼʼ600 нм, а Еg= 2 эВ. В цепочке радиоактивных превращений ядра оказываются в возбужденном состоянии в результате предшествующих b-распадов.

Правила сдвига для Z и A, приведенные в таблице, позволяют сгруппировать всœе естественные радиоактивные элементы в четыре больших семейства или радиоактивных ряда (табл. 3).

Таблица 3

Основные радиоактивные ряды (Наумов, 1984)

Ряд А Начальный нуклид , лет Число превращений Конечный нуклид
Тория 4n 1.4*10 10
Нептуния 4n+1 2.2*10 6
Урана 4n+2 4.5*10 9
Актиния 4n+3 7*10 8

Ряд актиния получил свое название потому, что предшествующие три члена были открыты позднее его. Родоначальник ряда нептуния относительно мало стабилен и в земной коре не сохранился. По этой причине ряд нептуния сначала предсказали теоретически, а затем его структуру реконструировали в лаборатории (Г. Сиборг и А. Гиорсо, 1950г).

Каждый радиоактивный ряд содержит члены и с более высокими значениями заряда и массового числа, но они имеют сравнительно малые времена жизни и в природе практически не встречаются. Все элементы с Z>92 называют трансурановыми, а элементы с Z>100 - трансфермиевыми.

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Скорость распада определяется строение ядра, вследствие чего на данный процесс невозможно повлиять никакими физическими или химическими способами, не изменив состояние атомного ядра.

Радиоактивные превращения - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Радиоактивные превращения" 2017, 2018.

Радиоактивные превращения ядер

Строение вещества

Все в природе состоит из простых и сложных веществ. К простым веществам относятся химические элементы, к сложным – химические соединения. Известно, что вещества в окружающем нас мире состоят из атомов, которые являются наименьшей частью химического элемента. Атом – это мельчайшая частица вещества, определяющая его химические свойства, он имеет сложное внутреннее строение. В природе только инертные газы обнаруживаются в виде атомов, так как их внешние оболочки замкнутые, все остальные вещества существуют в виде молекул.

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая была развита Н Бором (1913 г.). По общепринятой модели строения атома в нем различают две области: тяжелое, положительно заряженное ядро, находящееся в центре, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и легкую электронную оболочку, состоящую из отрицательно заряженных частиц – электронов, с огромной скоростью вращающихся вокруг ядра.

Электрон (е –) – устойчивая элементарная частица с массой покоя равной 9,1·10 -31 кг или 0,000548 а.е.м. (атомная единица массы – это безразмерная величина атомной массы, которая показывает, во сколько раз атом данного элемента или частица тяжелее 1 / 12 части атома изотопа углерода-12; энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931 МэВ). Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества (q=1,6·10 -19 Кл), т. е. наименьшее количество электричества, встречающееся в природе. Исходя из этого заряд электрона принят за одну элементарную единицу электрического заряда.

В зависимости от энергии, которая удерживает электроны при вращении вокруг ядра, они группируются на разных орбитах (уровнях или слоях). Число слоев у различных атомов неодинаковое. В атомах с большой массой число орбит достигает семи. Их обозначают цифрами, или буквами латинского алфавита, начиная обозначение от ядра: K, L, M, N, O, P, Q. Число электронов в каждом слое строго определенное. Так, К-слой имеет не более 2 электронов, L-слой – до 8, M-слой – до 18, N-слой – 32 электрона и т. д.

Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки, которая не имеет строго определенных границ. Приблизительно линейные размеры атома составляют 10 -10 м.

Ядро – центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, которая заряжена положительно. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95 %). Суммарное количество электронов на орбитах всегда равно сумме протонов в ядре. Например, атом кислорода содержит 8 протонов в ядре и имеет 8 электронов на орбитах, атом свинца – 82 протона в ядре и 82 электрона на орбитах. Вследствие равенства суммы положительных и отрицательных зарядов атом представляет собой электрически нейтральную систему. На каждый из движущихся вокруг ядра электронов действуют две равные, противоположно направленные силы: кулоновская сила притягивает электроны к ядру, а равная ей центробежная сила инерции стремится "вырвать" электрон из атома. Кроме того, электроны, двигаясь (вращаясь) вокруг ядра по орбите, одновременно обладают собственным моментом движения, который называют спином, упрощенно представляемый как вращение подобное волчку вокруг собственной оси. Спины отдельных электронов могут быть ориентированы параллельно (вращение в одну и ту же сторону) и антипараллельно (вращение в разные стороны). В упрощенном виде все это обеспечивает устойчивое движение электронов в атоме.



Известно, что на связь электрона с ядром действует не только кулоновская сила притяжения и центробежная сила инерции, но и сила отталкивания других электронов. Данный эффект называют экранировкой. Чем дальше электронная орбита от ядра, тем сильнее экранировка находящихся на ней электронов и тем слабее энергетическая связь ядро–электрон. На внешних орбитах энергия связи электронов не превышает 1-2 эВ, тогда как у электронов К-слоя она во много раз больше и возрастает с увеличением атомного номера элемента. Например, у углерода энергия связи электронов К-слоя составляет 0,28 кэВ, у стронция – 16 кэВ, у цезия – 36 кэВ, у урана – 280 кэВ. Поэтому электроны внешней орбиты больше подвержены воздействию внешних факторов, в частности, излучений низкой энергии. При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить из одного энергетического уровня на другой или даже покидать пределы данного атома. Если энергия внешнего воздействия будет слабее энергии связи электрона с ядром, то электрон может только перейти с одного энергетического уровня на другой. Такой атом остается нейтральным, однако он отличается от остальных атомов этого химического элемента избытком энергии. Атомы, обладающие избытком энергии, называют возбужденными, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра, – процессом возбуждения. Поскольку в природе любая система стремится перейти в устойчивое состояние при котором энергия ее будет наименьшей, то и атом через некоторое время переходит из возбужденного состояния в основное (первоначальное). Возвращение атома в основное состояние сопровождается выделением избыточной энергии. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается излучением с длиной волны, характерной только для данного перехода с одного энергетического уровня на другой. Переходы электронов в пределах наиболее удаленных от ядра орбит дают излучение, состоящее из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей. При сильных внешних воздействия, когда энергия превышает энергию связи электронов с ядром, электроны вырываются из атома и удаляются за его пределы. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а “присоеди­ни­в­­ший” к себе один или несколько электронов – в отрицательный ион. Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией . Атом в состоянии иона существует в обычных условиях чрезвычайно короткий промежуток времени. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном (электроном, не связанным с атомом), и атом вновь становится нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизация) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов, численно приблизительно равна энергии, затраченной на ионизацию.



Протон (р ) – стабильная элементарная частица с массой равной 1,6725·10 -27 кг или 1,00758 а.е.м., которая примерно в 1840 раз больше массы электрона. Заряд протона положите­лен и по величине равен заряду электрона. Атом водорода представляет собой ядро, содержащее один протон, вокруг которого вращается один электрон. Если “сорвать” этот электрон, то оставшаяся часть атома и будет протоном, поэтому протон часто определяют как ядро водорода.

Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов, которое постоянно и определяет физические и химические свойства элемента. Например, в ядре атома серебра их 47, в ядре урана – 92. Число протонов в ядре (Z) называют атомным номером или зарядовым числом, оно соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Нейтрон (n ) – электрически нейтральная элементарная частица с массой незначительно превышающей массу протона и равной 1,6749 10 -27 кг или 1,00898 а.е.м. Нейтроны устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободные нейтроны распадаются на протоны и электроны.

Нейтрон, вследствие своей электрической нейтральности, не отклоняется под действием магнитного поля, не отталкивается атомным ядром и, следовательно, обладает большой проникающей способностью, что создает серьезную опасность как фактор биологического действия излучения. Число нейтронов, находящихся в ядре, дает только в основном физическую характеристику элемента, так как в разных ядрах одного и того же химического элемента может быть разное число нейтронов (от 1 до 10). В ядрах легких устойчивых элементов число протонов относится к числу нейтронов как 1:1. С увеличением атомного номера элемента (начиная с 21-го элемента – скандия) в его атомах число нейтронов превышает число протонов. В самых тяжелых ядрах число нейтронов в 1,6 раза больше числа протонов.

Протоны и нейтроны – составные части ядра, поэтому для удобства их называют нуклонами. Нуклон (от лат. nucleus – ядро) – общее наименование для протонов и нейтронов ядра. Также, когда говорят о конкретном атомном ядре, используют термин нуклид. Нуклид – любое атомное ядро с заданным числом протонов и нейтронов.

Обозначая нуклиды или атомы, пользуются символом элемента, которому принадлежит ядро, и указывают сверху массовое число – А, внизу – атомный (порядковый) номер – Z в форме индексов , где Э – символ химического элемента. А показывает число нуклонов, из которых состоит ядро атома (A = Z + N). Z показывает не только заряд ядра и порядковый номер, но и число протонов в ядре и соответственно число электронов в атоме, т.к. атом в целом нейтрален. N – число нейтронов в ядре, которое чаще всего не указывается. Например, – радиоактивный изотоп цезия, А = 137, следовательно ядро состоит из 137 нуклонов; Z = 55, значит в ядре 55 протонов и, соответственно, 55 электронов в атоме; N = 137 - 55 = 82 – это число нейтронов в ядре. Порядковый номер иногда опускают, так как символ элемента вполне определяет его место в периодической системе (например, Cs-137, Не-4). Линейные размер ядра атома равны 10 -15 -10 -14 м, что составляет 0,0001 диаметра всего атома.

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра силами, называемыми ядерными . По своей интенсивности они намного мощнее электрических, гравитационных и магнитных сил. Ядерные силы являются короткодействующими с радиусом действия 10 -14 –10 -15 м. Они проявляются одинаково между протоном и нейтроном, протоном и протоном, нейтроном и нейтроном. С увеличением расстояния между нуклонами ядерные силы очень быстро уменьшаются и становятся практически равными нулю. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т. е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное число протонов и нейтронов.

Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, необходимо совершить работу, т.е. затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра . При образовании ядра из нуклонов наоборот выделяется энергия связи.

m я = m p N p + m n N n ,

где m я – масса ядра; m p – масса протона; N p – число протонов; m n – масса нейтрона; N n – число нейтронов, то она будет равна 1,0076·2 + 1,0089·2 = 4,033 а.е.м.

Вместе с тем фактическая масса ядра гелия равна 4,003 а.е.м. Таким образом, фактическая масса ядра гелия оказывается меньше расчетной на величину 0,03 а.е.м. и в этом случае говорят, что ядро имеет дефект массы (недостаток массы). Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы (Dm). Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра из отдельных нуклонов. Связать массу с энергией можно с помощью уравнения, выведенного А. Эйнштейном:

где DЕ – изменение энергии; Dm – дефект массы; с – скорость света.

Учитывая, что 1 а.е.м. = 1,661 10 -27 кг, а в ядерной физике за единицу энергии принят электрон-Вольт (эВ), причем 1 а.е.м. эквивалентна 931 МэВ, то энергия, которая выделится при образовании ядра гелия будет равна 28 МэВ. Если бы существовал способ разделения ядра атома гелия на два протона и два нейтрона, то для этого потребовалось бы затратить не менее 28 МэВ энергии.

Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов, однако не строго пропорционально их числу. Например, энергия связи ядра азота – 104,56 МэВ, а урана – 1800 МэВ.

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи . Для гелия она составит 28:4 = 7 МэВ. Если не считать самых легких ядер (дейтерий, тритий), то энергия связи на один нуклон составляет для всех ядер примерно 8 МэВ.

Большинство химических элементов в природе представляют собой определенные смеси атомов с ядрами различных масс. Различие масс обусловлено наличием в ядрах разного числа нейтронов.

Изотопы (от греч. isos – одинаковый и topos – место) – разновидности атома одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов (Z) и различное число нейтронов (N). У них практически одинаковые физические и химические свойства, разделить их в природной смеси очень сложно. Число изотопов эле­ментов варьирует от 3 – у водорода до 27 – у полония. Изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильные изотопы со временем не претерпевают никаких изменений, если нет воздействия из вне. Нестабильные или радиоактивные изотопы за счет процессов, протекающих внутри ядра, со временем превращаются в изотопы других химических элементов. Стабильные изотопы встречаются только у элементов с порядковым номером Z≤83. В настоящее время известно около 300 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов. Для всех элементов периодической системы Д. И. Менделеева синтезированы радиоактивные изотопы, называемые искусственными.

Явление радиоактивности

Все химические элементы стабильны лишь в узком интервале соотношения числа протонов к числу нейтронов в ядре. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов, т. е. величина соотношения n:p близка к 1, для тяжелых ядер это соотношение снижается до 0,7. Если в ядре слишком много нейтронов или протонов, то такие ядра становятся неустойчивыми (нестабильными) и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и при этом испускаются заряженные или нейтральных частицы. Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а вещества, испускающие излучения, – радиоактивными.

Радиоактивность (от лат. radio – излучаю, radius – луч, aktivus – действенный) – это самопроизвольные превращения (распады) атомных ядер некоторых химических элементов в атомные ядра других элементов с испусканием особого рода излучения. Радиоактивность приводит к изменению атомного номера и массового числа исходного химического элемента.

Открытию явления радиоактивности способствовали два крупнейших открытия ХIХ века. В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, которые возникали при пропускании тока высокого напряжения между электродами, помещенными в запаянную стеклянную трубку, из которой был откачан воздух. Лучи были названы рентгеновскими. А в 1896 г. А. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают невидимые лучи, обладающие большой проникающей способностью, вызывающие почернение фотопластинки и свечение некоторых веществ. Это излучение он назвал радиоактивным. В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий, которые испускали подобные излучения, но интенсивность их во много раз превышала интенсивность излучения урана. Кроме того было обнаружено, что радиоактивные вещества непрерывно выделяют энергию в виде теплоты.

Радиоактивные излучения также называют ионизирующими, так как они могут ионизиро­вать среду, или ядерными, подчеркивая то, что излучение испускается ядром, а не атомом.

Радиоактивный распад связан с изменениями в атомных ядрах и выделением энергии, величина которой, как правило, на несколько порядков выше энергии химических реакций. Так, при полном радиоактивном распаде 1 г-атома 14 С выделяется 3 . 10 9 калорий, тогда как при сгорании этого же количества 14 С до углекислого газа выделяется лишь 9,4 . 10 4 калорий.

В качестве единицы энергии радиоактивного распада принимается 1 электрон-Вольт (эВ) и производные от него 1 кэВ = 10 3 эВ и 1 МэВ = 10 6 эВ. 1 эВ = 1,6 . 10 -19 Дж. 1 эВ соответствует энергии, приобретаемой электроном в элек­трическом поле при прохождении пути, на котором разность потенциалов со­ставляет 1 Вольт. При распаде большинства радиоактивных ядер высвобождаемая энергия составляет от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, протекающие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), – искусственной радиоактивностью. Однако оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

Виды радиоактивного распада

Ядра атомов устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента. При этом процессе испускаются ядерные излучения.

Существуют следующие основные типы ядерных превращений или виды радиоак­тивного распада: альфа-распад и бета-распад (электронный, позитронный и К-захват), внутренняя конверсия.

Альфа-распад – это испускание ядром радиоактивного изотопа альфа-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей двух протонов и двух нейтронов распадающееся ядро превращается в другое ядро, в котором число протонов (заряд ядра) уменьшается на 2, а число частиц (массовое число) на 4. Следовательно, при данном радиоактивном распаде в соответствии с правилом смещения (сдвига), сформулированным Фаянсом и Содди (1913 г.), образующийся (дочерний) элемент смещен влево относительно исходного (материнского) на две клетки влево в периодической системе Д. И. Менделеева. Процесс альфа-распада в общем виде записывается так:

,

где X – символ исходного ядра; Y – символ ядра продукта распада; 4 2 He – альфа-частица, Q – освобожденный избыток энергии.

Например, распад ядер радия-226 сопровождается испусканием альфа-частиц, при этом ядра радия-226 превращаются в ядра радон-222:

Энергия, выделяющаяся при альфе-распаде, делится между альфа-частицей и ядром обратно пропорционально их массам. Энергия альфа-частиц строго связана с периодом полураспада данного радионуклида(закон Гейгера-Неттола). Это говорит о том, что, зная энергию альфа-частиц, можно установить период полураспада, а по периоду полураспада идентифицировать радионуклид. Например, ядро полония-214 характеризуется значениями энергии альфа-частиц Е = 7,687 МэВ и Т 1/2 = 4,5×10 -4 с, тогда как для ядра урана-238 Е = 4,196 МэВ и Т 1/2 = 4,5×10 9 лет. Кроме того, установлено, что чем больше энергия альфа-распада, тем быстрее он протекает.

Альфа-распад – достаточно распространенное ядерное превращения тяжелых ядер (уран, то­рий, полоний, плуто­ний, и др. с Z > 82); в настоящее время известно более 160 альфа-излучающих ядер.

Бета-распад – самопроизвольные превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон внутри ядра, сопровождающиеся испусканием электроновили позитронов и антинейтрино или нейтрино n е.

Если в ядре имеется излишек нейтронов (“нейтронная перегрузка” ядра), то происходит электронный бета-распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, испуская при этом электрон и антинейтрино:

При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего ядра увеличивается на 1, а массовое число не изменяется, т. е. дочерний элемент сдвинут в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку вправо от исходного. Процесс бета-распада в общем виде записывается так:

.

Таким способом распада­ются ядра с избытком нейтронов. Например, распад ядер стронция-90 сопровождается испусканием электронов и превращением их в иттрий-90:

Часто ядра элементов, образующихся при бета-распаде, имеют из­быточную энергию, которая высвобождается испусканием одного или не­скольких гамма-квантов. Например:

Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный бета-распад, при котором ядро испускает позитрон и нейтрино в результате превращения протона в нейтрон внутри ядра:

Заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего элемента уменьшается на 1, массовое число не изменяется. Дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку влево от материнского:

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Напри­мер, распад изотопа фосфора-30 с образованием кремния-30:

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома “лишний” электрон (слабо связанный с ядром) или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару “позитрон-электрон”. Вследствие того, что частица и античастица мгновенно взаимоуничтожаются с выделением энергии, то образованная пара превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (e + и e -). Процесс превращения пары “позитрон-электрон” в два гамма-кванта носит название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение называется аннигиляционным. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую (излучение). Это подтверждается существованием обратной реакции – реакции образования пары, при которой электромагнитное излучение достаточно высокой энергии, проходя вблизи ядра под действием сильного электрического поля атома, превращается в пару “электрон-позитрон”.

Таким образом, при позитронном бета-распаде в конечном результате за пределы материнского ядра вылетают не частицы, а два гамма-кванта, обладающие энергией в 0,511 МэВ каждый, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц – позитрона и электрона E = 2m e c 2 = 1,022 МэВ.

Превращение ядра может быть осуществлено путем электронного за­хвата, когда один из протонов ядра самопроизвольно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (K, L и т. д.), чаще всего с К-оболочки, и превращается в нейтрон. Такой процесс на­зывают также К-захватом. Протон превращается в нейтрон согласно следующей реакции:

При этом заряд ядра уменьшается на 1, а массовое число не изменяется:

Например,

При этом место, освобожденное электроном, занимает электрон с внеш­них оболочек атома. В результате перестройки электронных оболочек испус­кается квант рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, т. к. количество протонов в ядре при электронном захвате уменьшается на единицу. Таким образом, этот тип распада приводит к тем же результатам, что и позитронный бета-распад. Характерен он, как правило, для искусственных радионуклидов.

Энергия, выделяемая ядром при бета-распаде конкретного радионуклида, всегда постоянна, но ввиду того, что при этом типе распада образуется не две, а три частицы: ядро отдачи (дочернее), электрон (или позитрон) и нейтрино, то энергия по-разному в каждом акте распада перераспределяется между электроном (позитроном) и нейтрино, т. к. дочернее ядро всегда уносит одну и ту же порцию энергии. В зависимости от угла разлета нейтрино может уносить большую или меньшую энергию, в результате чего электрон может получить любую энергию от нуля до некоторого максимального значения. Следовательно, при бета-распаде бета-частицы одного и того же радионуклида имеют различную энергию, от нуля до некоторого максимального значения, характерного для распада данного радионуклида. По энергии бета-излучения практически невозможно произвести идентификацию радионуклида.

Некоторые радионуклиды могут распадаться одновременно двумя или тремя способами: путем альфа- и бета-распадов и через К-захват, сочетанием трех типов распадов. В таком случае превращения осуществляются в строго определенном соотношении. Так, например, естественный долгоживущий радиоизотоп калий-40 (Т 1/2 =1,49×10 9 лет), содержание которого в природном калии составляет 0,0119 %, подвергается электрон­ному бета- распаду и К-захвату:

(88 % – электронный распад),

(12 % – К- захват).

Из описанных выше типов распадов, можно сделать вывод, что гамма-распада в “чистом виде” не существует. Гамма-излучение только лишь может сопутствовать различным типам распадов. При испускании гамма-излучения в ядре не изменяются ни массовое число, ни его заряд. Следовательно, природа радионуклида не изменяется, а меняется лишь содержащаяся в ядре энергия. Гамма-излучение испускается при переходе ядер с возбужденных уровней на более низкие уровни, в том числе и на основной. Например, при распаде цезия-137 образуется возбужденное ядро бария-137. Переход из возбужденного в стабильное состояние сопровождается испусканием гамма-квантов:

Так как время жизни ядер в возбужденных состояниях очень мало (обычно t<10 -19 с), то при альфа- и бета-распадах гамма-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Исходя из этого, процесс гамма-излучения не выделяют в самостоятельный вид распада. По энергии гамма-излучения, как и по энергии альфа-излучения, можно произвести идентификацию радионуклида .

Внутренняя конверсия. Возбужденное (в результате того или иного ядерного превращения) состояние ядра атома свидетельствует о наличии в нем избытка энергии. В состояние с меньшей энергией (нормальное состояние) возбужденное ядро может переходить не только путем излучения гамма-кванта или выброса какой-либо частицы, но и путем внутренней конверсии, или конверсии с образованием электрон-позитронных пар.

Явление внутренней конверсии состоит в том, что ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L- или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Такие электроны получили название конверсионных электронов. Следовательно, испускание электронов конверсии обусловлено непосредственным электромагнитным взаимодействием ядра с электронами оболочки. Конверсионные электроны имеют линейчатый спектр энергии в отличии от электронов бета-распада, дающих сплошной спектр.

Если энергия возбуждения превосходит 1,022 МэВ, то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться излучением пары «электрон–позитрон» с последующей их аннигиляцией. После того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома появляется «вакантное» место вырванного электрона конверсии. Один из электронов более удаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.

Свойства ядерных излучений

Ядерные (радиоактивные) излучения – это излучения, которые образуются в результате радиоактивного распада. Излучение всех естественных и искусственных радионуклидов делится на два типа – корпускулярное и электромагнитное. Корпускулярное излучение представляет собой поток частиц (корпускул), которые характеризуются опре­деленной массой, зарядом и скоростью. Это электроны, позитроны, ядра ато­мов гелия, дейтроны (ядра изотопа водорода дейтерия), нейтроны, протоны и др. частицы. Как правило, корпускулярное излучение непосредственно иони­зирует среду.

Электромагнитное излучение – это поток квантов или фотонов. Это излучение не имеет ни массы, ни заряда и производит косвенную ионизацию среды.

На образование 1 пары ионов в воздухе необходимо в среднем 34 эВ. Поэтому к ионизирующим излучениям относятся излучения с энер­гией от 100 и выше эВ (не относят видимый свет и УФ-излучение).

Для характеристики ионизирующих излучений используют понятия пробег и удельная ионизация. Пробег – минимальная толщина поглотителя (некоторого вещества), необходимая для полного погло­ще­ния ионизирующего излучения. Удельная ионизация – число пар ионов, образующихся на единицу длины пути в веществе под воздействием ионизирующего излучения. Отметим, что понятие пробега и длины пройденного пути – это не тождественные понятия. Если частицы движутся прямолинейно, то эти величины совпадают, если траектория движения частиц – ломаная извилистая линия, то пробег всегда меньше, чем длина пройденного пути.

Альфа-излучение представляет собой поток a-частиц, которые яв­ляются ядрами атомов гелия иногда называют дважды ионизированные атомы гелия). Альфа-частица состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов, заряжена по­ложительно и несет с собой два элементарных положительных заряда. Масса частицы m a =4,003 а.е.м. – это самая крупная из частиц. Скорость движения составляет (14,1-24,9)×10 6 м/с.В веществе альфа-частицы движутся прямолинейно, что связано со сравнительно большой массой и значительной энергией. Отклонение происходит только при лобовом столкновении с ядрами.

Пробег альфа-частиц в веществе зависит от энергии альфа-частицы и от природы вещества, в котором она движется. В среднем в воздухе пробег альфа-частицы составляет 2,5–9 см, максимальный – до 11 см, в биологических тканях – 5-100 микрон, в стекле – 4 . 10 -3 см. Энергия альфа-частицы находится в пределах 4-9 МэВ.Можно полностью задержать альфа-излучение листом бумаги. На всю длину пробега альфа-частица может создать от 116000 до 254000 пар ионов.

Удельная ионизация составляет примерно 40 000 пар ионов/см в воздухе, такая же удельная ионизация в организме на пути 1-2 микрона.

После расхода энергии альфа-частица затормаживается, процесс иониза­ции прекращается. В силу вступают законы, регулирующие процесс образова­ния атомов. Ядра атомов гелия присоединяют 2 электрона и образу­ется полноценный атом гелия. Этим объясняется факт обязательного присут­ствия гелия в породах, содержащих радиоактивные вещества.

Из всех типов радиоактивного излучения альфа-излучение наиболее сильно флюоресцирует (светится).

Бета-излучение – это поток бета-частиц, которые являются электро­нами или позитронами. Несут один элементарный электрический заряд, m b = 0,000548 а.е.м. Движутся со скоростями близкими к скорости света, т.е. (0,87-2,994)×10 8 м/с.

В отличие от a-частиц b-частицы одного и того же радиоактивного эле­мента обладают различным запасом энергии (от нуля до некоторого макси­мального значения). Это объясняется тем, что при каждом бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно две частицы: b-частица и нейтрино (n е). Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между b-частицей и нейтрино в различных соотношениях. Поэтомуэнергия бета-частиц колеблется от десятых и сотых долей МэВ (мягкое b-излучение) до 2-3 МэВ (жесткое излучение).

В связи с тем, что бета-частицы, испускаемые одним и тем же бета-излучателем, обладают различным запасом энергии (от минимума до максимума), то и длина пробега, и количество пар ионов не одинаковы для бета-частиц данного радио­нуклида. Обычно пробег в воздухе составляет десятки см, иногда несколько метров (до 34 м), в биотканях – до 1 см (до 4 см при энергии бета-частиц 8 МэВ).

Бета-излучение обладает значительно меньшим эффектом ионизации, чем альфа-излучение. Так, в воздухе на всем своем пути бета-частицы образуют от 1000 до 25 500 пар ионов. В среднем на весь путь в воздухе, или 50-100 пар ионов на 1см пути. Степень ионизации зависит от скорости частицы, чем меньше скорость, тем больше ио­низация. Причина этого заключается в том, что бета-частицы большой энергии пролетают мимо атомов слишком быстро и не успевают вызвать такой же сильный эффект, как медленные бета-частицы.

Так как бета-частицы обладают очень малой массой, то при столкнове­нии с атомами и молекулами они легко отклоняются от своего пер­воначального направления. Такое явление отклонения называют рассеянием. Поэтому определить именно длину пути бета-частиц, а не пробег, очень трудно, так как она слишком извилиста.

При потере энергии электрон захватывается либо положительным ио­ном с образованием нейтрального атома, либо атомом с образованием отри­цательного иона.

Гамма-излучение – это поток фотонов (квантов) электромагнитного излучения. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света – 3×10 8 м/с. Так как гамма-излучение является волновым, то характеризуется длиной волны, частотой колебаний и энергией. Энергия g-кванта пропорциональна частоте колебаний, а частота колебаний связана с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, т. е. частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от несколь­ких кэВ до 2-3 МэВ и редко достигает 5-6 МэВ.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизи­рующее действие, но обладают большой проникающей способностью. В воз­духе они могут проделать путь до 100-150 м. Через организм человека данное излучение проходит без ослабления.

Измерения

Понятие о дозе

Результат воздействия ионизирующих излучений на облучаемые объекты заключается в физико-химических или биологических изменениях в этих объектах. Примерами таких изменений могут служить нагрев тела, фотохимическая реакция рентгеновской пленки, изменение биологических показателей живого организма и т.п. Радиационный эффект зависит от физических величин X i , характеризующих поле излучения или взаимодействие излучения с веществом:

Величины X i , функционально связанные с радиационным эффектом η , называются дозиметрическими. Целью дозиметрии является измерение, исследование и теоретические расчеты дозиметрических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности, – радиобиологического эффекта.

Система дозиметрических величин формируется как результат развития радиобиологии, дозиметрии и радиационной безопасности. Критерии безопасности в значительной степени определяются обществом, поэтому в разных странах сформировались различные системы дозиметрических величин. Важную роль в унификации этих систем играет Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) – независимая организация, объединяющая экспертов в области биологического действия излучения, дозиметрии и

На предыдущем уроке мы обсуждали вопрос, связанный экспериментом Резерфорда, в результате которого мы теперь знаем, что атом представляет собой планетарную модель. так и называется - планетарная модель атома. В центре ядра находится массивное положительно заряженное ядро. А вокруг ядра обращаются по своим орбитам электроны.

Рис. 1. Планетарная модель атома Резерфорда

Вместе с Резерфордом в опытах участие принимал Фредерик Содди. Содди - химик, поэтому свою работу он проводил именно в плане отождествления полученных элементов по их химическим свойствам. Именно Содди удалось выяснить, что же такое a-частицы, поток которых попадал на золотую пластинку в опытах Резерфорда. Когда произвели измерения, то выяснилось, что масса a-частицы - это 4 атомных единицы массы, а заряд a-частицы составляет 2 элементарных заряда. Сопоставляя эти вещи, накопив определенное количество a-частиц, ученые выяснили, что эти частицы превратились в химический элемент - газ гелий.

Химические свойства гелия были известны, благодаря этому Содди и утверждал, что ядра, которые представляют собой a-частицы, захватили извне электроны и превратились в нейтральные атомы гелия.

В дальнейшем основные усилия ученых были направлены на изучение ядра атома. Стало понятно, что все процессы, которые происходят при радиоактивном излучении, происходят не с электронной оболочкой, не с электронами, которые окружают ядра, а с самими ядрами. Именно в ядрах происходят какие-то преобразования, в результате чего образуются новые химические элементы.

Первую такую цепочку удалось получить для превращения элемента радия, который использовался в опытах по радиоактивности, в инертный газ радон с испусканием a-частицы ; реакция в этом случае записывается следующим образом:

Во-первых, a-частица - это 4 атомных единицы массы и двойной, удвоенный элементарный заряд, причем заряд положительный. У радия порядковый номер 88, его массовое число составляет 226, а у радона порядковый номер уже 86, массовое число 222, и появляется a-частица. Это ядро атома гелия. В данном случае мы записываем просто гелий. Порядковый номер 2, массовое число 4.

Реакции, в результате которых образуются новые химические элементы и при этом еще образуются новые излучения и другие химические элементы, получили название ядерных реакций .

Когда стало понятно, что радиоактивные процессы протекают внутри ядра, обратились к другим элементам, не только к радию. Изучая различные химические элементы, ученые поняли, что существуют не только реакции с испусканием, излучением a-частицы ядра атома гелия, но и другие ядерные реакции. Например, реакции с испусканием b-частицы. Мы теперь знаем, что это электроны. В этом случае тоже образуется новый химический элемент, соответственно, новая частица, это b-частица, она же - электрон. Особый интерес в данном случае представляют все химические элементы, у которых порядковый номер больше 83.

Итак, можно сформулировать т.н. правила Содди, или правила смещения для радиоактивных превращений:

. При альфа-распаде происходит уменьшение порядкового номера элемента на 2 и уменьшение атомного веса на 4.

Рис. 2. Альфа-распад

При бета-распаде происходит увеличение порядкового номера на 1, при этом атомный вес не меняется.

Рис. 3. Бета-распад

Список дополнительной литературы

  1. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
  2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
  3. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
  4. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
  5. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. М.: Наука
  6. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука

  • экспозиционная доза
  • поглощённая доза
  • эквивалентная доза
  • эффективная эквивалентная доза

Радиоактивность

Это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных и субатомных частиц высоких энергий. При радиоактивных превращениях, в подавляющем большинстве случаев, ядра атомов (а значит, и сами атомы) одних химических элементов превращаются в ядра атомов (в атомы) других химических элементов, либо один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.

Атомы, ядра которых подвержены радиоактивному распаду или другим радиоактивным превращениям, называются радиоактивными .

Изотопы

(от греческих слов isos – «равный, одинаковый» и topos – «место»)

Это нуклиды одного химического элемента, т.е. разновидности атомов определенного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.

Изотопы обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Различают стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые со временем распадаются.

Известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных элементов .

Нуклид (от латинского nucleus – «ядро») – совокупность атомов с определенными значениями заряда ядра и массового числа.

Условные обозначения нуклида: , где X – буквенное обозначение элемента, Z – число протонов (атомный номер ), A – сумма числа протонов и нейтронов (массовое число ).

Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого атома – водорода, в ядре которого только один протон (а вокруг него вращается один электрон), имеется три изотопа.

Радиоактивные превращения

Могут быть естественными, самопроизвольными (спонтанными) и искусственными. Спонтанные радиоактивные превращения – процесс случайный, статистический.

Все радиоактивные превращения сопровождаются, как правило, выделением из ядра атома избытка энергии в виде электромагнитного излучения .

Гамма-излучение – это поток гамма-квантов, обладающих большой энергией и проникающей способностью.

Рентгеновское излучение – это так же поток фотонов – обычно с меньшей энергией. Только «место рождения» рентгеновского излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении через него «радиоактивных частиц» («радиоактивного излучения» или «ионизирующего излучения»).

Основные разновидности радиоактивных превращений:

  • радиоактивный распад;
  • деление ядер атомов.

Это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов «элементарных» (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивным (ионизирующим) излучением .

При распаде один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.

Для естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад.

Названия «альфа » и «бета » были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений.

Для искусственных (техногенных) радионуклидов, кроме этого, характерны также нейтронный, протонный, позитронный (бета-плюс) и более редкие виды распада и ядерных превращений (мезонный, К-захват, изомерный переход и др.).

Альфа-распад

Это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов.

Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия (4He).

В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее , так как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и номер элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше .

А льфа – распад – это характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д.И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для искусственных – трансурановых – элементов.

То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута.

Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория – радий, при распаде радия – радон, затем полоний и наконец – свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д.

Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек.

Бета-распад

Бета-распад – наиболее распространённый вид радиоактивного распада (и вообще радиоактивных превращений), особенно среди искусственных радионуклидов.

У каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп.

Пример естественного бета-активного радионуклида – калий-40 (Т1/2=1,3×109 лет), в природной смеси изотопов калия его содержится всего 0,0119%.

Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, т.е. все элементы от таллия до урана.

Бета-распад включает в себя такие виды радиоактивных превращений, как:

– бета-минус распад;

– бета-плюс распад;

– К-захват (электронный захват).

Бета-минус распад – это испускание из ядра бета-минус частицы – электрона , который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон.

При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. км/сек (9/10 скорости света) вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа – с большим номером.

При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в стабильный кальций-40 (стоящий в соседней клетке справа). А радиоактивный кальций-47 – в стоящий справа от него скандий-47 (тоже радиоактивный), который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47.

Бета-плюс распад – испускание из ядра бета-плюс частицы – позитрона (положительно заряженного «электрона»), который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон.

В результате этого (так как протонов стало меньше) данный элемент превращается в соседний слева в таблице Менделеева.

Например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) – натрий-23, а радиоактивный изотоп европия – европий-150 превращается в стабильный изотоп самария – самарий-150.

– испускание из ядра атома нейтрона. Характерен для нуклидов искусственного происхождения.

При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой, с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития – литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 – в стабильный гелий-4.

Если стабильный изотоп йода – йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп – йод-126. Это пример искусственного нейтронного распада .

В результате радиоактивных превращений могут образовываться изотопы других химических элементов или того же элемента , которые сами могут быть радиоактивными элементами.

Т.е. распад некоего исходного радиоактивного изотопа может привести к некоторому количеству последовательных радио-активных превращений различных изотопов разных химических элементов, образуя т. н. «цепочки распада».

Например, торий-234, образующийся при альфа-распаде урана-238 превращается в протактиний-234, который в свою очередь снова в уран, но уже в другой изотоп – уран-234.

Заканчиваются же все эти альфа и бета-минус переходы образованием стабильного свинца-206. А уран-234 альфа-распадом – опять в торий (торий-230). Далее торий-230 путём альфа-распада – в радий-226, радий – в радон.

Деление ядер атомов

Это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части , на два «осколка».

При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде.

Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8 -10 гамма-квантов!

Кроме того, разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией (скоростью), которая переходит в тепловую.

Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них.

Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.

Цепная реакция деления

Если позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв.

Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию («атомную энергию ») можно использовать для получения электроэнергии. Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях.

Характеристики радиоактивных превращений

Период полураспада (T 1/2 ) – время, в течение которого половина радиоактивных атомов распадается и их количество уменьшается в 2 раза .

Периоды полураспада у всех радионуклидов разные – от долей секунды (короткоживущие радионуклиды) до миллиардов лет (долгоживущие).

Активность – это количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений) в единицу времени (как правило, в секунду). Единицами измерения активности являются беккерель и кюри.

Беккерель (Бк) – это один акт распада в секунду (1 расп./сек).

Кюри (Ки) – 3,7×1010 Бк (расп./сек).

Единица возникла исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской премии французские учёные супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Закон радиоактивного распада

Изменение активности нуклида в источнике с течением времени зависит от периода полураспада данного нуклида по экспоненциальному закону:

A и (t) = A и (0) × exp (-0,693 t / T 1/2 ),

где A и (0) – исходная активность нуклида;
A и (t) – активность спустя время t;

T 1/2 – период полураспада нуклида.

Зависимость между массой радионуклида (без учета массы неактивного изотопа) и его активностью выражается следующим соотношением:

где m и – масса радионуклида, г;

T 1/2 – период полураспада радионуклида, с;

A и – активность радионуклида, Бк;

А – атомная масса радионуклида.

Проникающая способность радиоактивного излучения .

Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле – 0,04 мм).

Альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека. Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути, поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь.

Пробег бета-частиц в веществе из-за малой массы (~ в 7000 раз

Меньше массы альфа-частицы), заряда и размеров значительно больше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Проникающая способность также зависит от энергии.

Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2÷3 м , в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах – долями см.

В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1÷2 см.

Кратность ослабления n- и гамма-излучений.

Наиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и гамма-излучение. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности.

В качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.

По отношению к изотопу кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 Мэв) для 10-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из:

  • свинца толщиной порядка 5 см;
  • бетона около 33 см;
  • воды – 70 см.

Для 100-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из свинца толщиной 9,5 см; бетона – 55 см; воды – 115 см.

Единицы измерения в дозиметрии

Доза (от греческого – «доля, порция») облучения.

Экспозиционная доза (для рентгеновского и гамма-излучения) – определяется по ионизации воздуха.

Единица измерения в системе СИ – «кулон на кг» (Кл/кг) – это такая экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при создании которой в 1 кг сухого воздуха образуется заряд ионов одного знака, равный 1 Кл .

Внесистемной единицей измерения является «рентген» .

1 Р = 2,58 × 10 -4 Кл/кг.

По определению 1 рентген (1Р) – это такая экспозиционная доза при поглощении которой в 1 см 3 сухого воздуха образуется 2,08 × 10 9 пар ионов.

Связь между двумя этими единицами следующая:

1 Кл/кг = 3,68 ·10 3 Р.

Экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза в воздухе 0,88 рад.

Доза

Поглощённая доза – энергия ионизирующего излучения, поглощенная единичной массой вещества.

Под энергией излучения, переданной веществу, понимается разность между суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, попавших в рассматриваемый объем вещества, и суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, покидающих этот объем. Следовательно, поглощенная доза учитывает всю энергию ионизирующего излучения, оставленную в пределах этого объема, независимо от того, на что эта энергия потрачена.

Единицы измерения поглощенной дозы:

Грэй (Гр) – единица поглощённой дозы в системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.

Рад – внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует энергии излучения 100 эрг, поглощённой веществом массой 1 грамм.

1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.

Биологический эффект при одинаковой поглощенной дозе оказывается различным для разных видов излучения.

Например, при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение оказывается гораздо опаснее, чем фотонное или бета-излучение . Это связано с тем, что альфа-частицы создают на пути своего пробега в биологической ткани более плотную ионизацию, концентрируя таким образом вредное воздействие на организм в определенном органе. При этом весь организм испытывает на себе значительно большее угнетающее действие излучения.

Следовательно, для создания одинакового биологического эффекта при облучении тяжелыми заряженными частицами необходима меньшая поглощенная доза, чем при легкими частицами или фотонами.

Эквивалентная доза – произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения.

Единицы измерения эквивалентной дозы:

Зиверт (Зв) – это единица измерения эквивалентной дозы, любого вида излучения, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр

Следовательно, 1 Зв = 1 Дж/кг.

Бэр (внесистемная единица) – это такое количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе 1 рад рентгеновского или гамма-излучения.

1 бэр = 0,01 Зв = 100 эрг/г.

Наименование «бэр» образовано по первым буквам словосочетания «биологический эквивалент рентгена».

До недавнего времени при расчёте эквивалентной дозы использовались «коэффициенты качества излучения » (К) – поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе.

Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99) назвали – «взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы (WR)».

Их значения составляют соответственно:

  • рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны – 1 ;
  • протоны с Е более 2 Мэв – 5 ;
  • нейтроны с Е менее 10 кэв) – 5 ;
  • нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв – 10 ;
  • альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра – 20 и т. д.

Эффективная эквивалентная доза – эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе , полученной конкретным органом, тканью (с учётом их веса), умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска ».

Эти коэффициенты используются в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от воздействия излучения.

В НРБ-99 их называют «взвешивающими коэффициентами для тканей и органов при расчёте эффективной дозы» .

Для организма в целом этот коэффициент принят равным 1 , а для некоторых органов имеет следующие значения:

  • костный мозг (красный) – 0,12; Ÿ гонады (яичники, семенники) – 0,20;
  • щитовидная железа – 0,05; Ÿ кожа – 0,01 и т. д.
  • лёгкие, желудок, толстый кишечник – 0,12.

Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.

Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ используется та же единица – Зиверт (Зв).

1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение вели-чины поглощённой дозы в Гр эях (в биологической ткани) на взвешивающие коэффициенты будет равно 1 Дж/кг .

Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж .

Внесистемная единица – Бэр.

Взаимосвязь между единицами измерения:

1 Зв = 1 Гр * К = 1 Дж/кг * К = 100 рад * К = 100 бэр

При К=1 (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр :

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.

Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает приблизительно столько же энергии, что и биологическая ткань.

Поэтому оказывается, что при оценке доз можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1 рентген для биологической ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр – это одно и то же.

При экспозиционной дозе 12 мкР/час за год получаем дозу 1 мЗв.

Кроме того, для оценки воздействия ИИ используют понятия:

Мощность дозы – доза, полученная за единицу времени (сек., час).

Фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.

Естественный фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ.

Источники поступления радионуклидов в окружающую среду

1. Естественные радионуклиды , которые сохранились до нашего времени с момента их образования (возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни.

2. Радионуклиды осколочного происхождения , которые обра-зуются в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция).

3. Радионуклиды активационного происхождения образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы (чаще – нейтрона), в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.п.

Области применения радионуклидных источников

Источники ИИ находят применение в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях и медицине. Только в медицине используются приблизительно сто изотопов для различных медицинских исследований, постановки диагноза, стерилизации и радиотерапии.

Во всем мире во многих лабораториях используются радиоактивные материалы для научных исследований. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах применяются для производства электроэнергии для автономного энергопитания различной аппаратуры в удаленных и труднодоступных районах (радио-и световые маяки, метеостанции).

Повсеместно в промышленности используются приборы, содержащие радиоактивные источники для контроля технологических процессов (плотно-, уровне- и толщиномеры), приборы неразру-шающего контроля (гамма-дефектоскопы), приборы для анализа состава вещества. Излучение используется для повышения размера и качества урожая.

Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации

Радиоактивные частицы , обладая огромной энергией и скоростью, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации , к образованию «горячих» ионов и свободных радикалов.

Так как биологические ткани человека на 70% состоят из воды , то в большой степени ионизации подвергается именно вода . Из ионов и свободных радикалов образуются вредные для организма соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур).

Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно – на младенцев, детей и подростков. При воздействии радиации скрытый (инкубационный, латентный) период , то есть время задержки до наступления видимого эффекта, может продолжаться годами и даже десятилетиями.

Воздействие радиации на организм человека и биологические объекты вызывает три различных отрицательных эффекта:

  • генетический эффект для наследственных (половых) клеток организма. Он может проявиться и проявляется только в потомстве;
  • генетико-стохастический эффект , проявляющийся для наследственного аппарата соматических клеток – клеток тела. Он проявляется при жизни конкретного человека в виде различных мутаций и заболеваний (в том числе раковых);
  • соматический эффект , а точнее – иммунный. Это ослабление защитных сил, иммунной системы организма за счёт разрушения клеточных мембран и других структур.

Материалы по теме