Р а д и о а к ти в ный р а с п ад - э т о и с п у с ка ни е, в ыб р а с ы в а ни е с о гр о м ны м и с ко р о с т я м и из яд е р а т о м ов «эл е м е нт а р ны х» (а т о м ны х, с у б а т о м ны х )
ч а с ти ц, ко т о р ы е прин я т о н а зы ва т ь р а д и оак ти в ны м и ч а с ти ца м и и л и
р а д и оак ти в ным из лу ч е ни е м . При э т о м , в п одавляющ е м б ольш ин с т в е с лу ч а е в яд р о а т о м а (а з н а чит , и с ам а т о м ) о д ного химич е с кого эл е м е нта пр е в р а щ а е т с я в я др о а т о м а (в а т о м ) д р у г о г о х имич е с ко г о эле м е нт а и л и од ин и з о т о п д а нн о г о х имич е с ко г о эл е м е нт а пр е в р ащ а е т с я в д р у г о й из о т о п т о г о же эле м е нт а . Д л я естестве нн ы х ( п р и р о д н ы х ) р а д иону к л и д о в о с но в н ым и в и д а м и р а д иоак т и в но г о р а с па д а я вл я ют с я а л ь ф а - и б ет а- м ину с - р а с па д (хо т я в с т р е ч аю т с я и д р у г и е ) . Н а з ва ни я альфа и б е т а бы л и д а ны Э р н е с т о м Р е з е р фо р до м в 1 9 00 г оду при из у ч е нии р а д и оак ти в ны х из лу ч е ний . Д л я и с к у сс т ве нн ы х ( те хно г е нн ы х ) р а д иону к л и д о в к р о м е эт о г о х а р ак тер н ы т ак же н е й тр онн ы й , п р о т онн ы й , поз и тр онн ы й ( б ет а -п л ю с) и б о лее ред к и е в и ды р а с па д а и я дер н ы х п ре в р ащ е ний (м е з о нн ы й , К - з ахва т , из о м е р ный п е р ехо д , «о т кал ы в а ни е» и д р . ) .
АЛ Ь ФА -Р А С П АД a- р а с па д - в ыб р а с ы в а ни е (и с п у с ка ни е ) из яд р а а т о м а a- ч а ст и цы . a- ч а ст и ц а э т о2 п р о т о н а и 2 ней т р она, т о е с т ь ядро атома г е л и я с м а с с ой 4 ед ини ц ы и за р я д о м + 2 . С ко р о с т ь a -ч а с ти ц ы при в ы л е т е из яд р а о т 12 до 20 ты с . к м/ с ек.В вакуу м е a -ч а с ти ца м о г ла бы о б о г н у т ь з е мн о й ша р п о эква т о р у з а 2 с ек. Н ап р и ме р , п р и a - р а с па де у р ана в се г д а о б р азу етс я т о р и й , п р и a - р а с па де т о р и я - р а д и й , п р и р а с па де р а д ия - р а д он , за т ем по л он и й и након ец - св ин ец.
П р и э т о м из к о нк р ет но г о изо т опа у р ан а -2 3 8 об р азу етс я т о р ий-2 3 4 , за т ем р а д ий-2 3 0 , р а д о н -2 2 6 и т. д.
В Е Т А -Р А С ПАД b - р а с па д - и с пу с кани е о б ы ч н ы х э л е к тр оно в с за р я д о м -1 ( е - ) и л и поз и тр оно в - с за р я д о м + 1 (е + ) . Ско р о с т ь в ы л е т а b-ча с т иц из яд р а с о с т а вля е т 9 / 10 с ко р о с ти с в е т а - 2 7 0 0 0 0 к м/ с ек. Э т о с а м ый р а с п р о с т р а нѐн н ый в и д р а д и оак ти в ны х п р е в р ащ е ний , о с о б е н н о с р е д и и с ку с с т в е нны х р а д и о н у кл и до в . Н а б люда е т с я пр ак тич е с к и у в с ех из ве с тны х н а с е г од н я х имич е с к и х эл е м е нт о в .
Бе т а -мин ус р а с п ад – и с п у с ка ни е из яд р а эл е к т р о н а, о бр а з овав ш е г о с я в р е з ул ь т а т е с а м о пр о из воль н о г о п р е в р ащ е ни я од н о г о из н е йт р о н ов в пр о т о н и элек тр о н . При э т о м т яж ѐ л ый п р о т о н о с т а ѐ т с я в яд р е, а л ѐг к ий эл е к т р о н - ч а с ти ца - с о гр о м н о й с ко р о с т ью в ы л е т а е т из яд р а. П р о т о н ов в яд р е с т а ло н а од ин б ольше и я др о п р е вр аща етс я в я др о с о сед н е г о эле м е н т а с п р а в а - с бо льш и м но м е р о м.
Гамма –излучение . Это поток гамма-квантов, электромагнитное излучение, более «жёсткое « чем обычное медицинское рентгеновское, представляющее поток фотонов с меньшей энергией .
О т л ичи е g -из лу ч е ни я о т р е нтг е н ов с ко г о (как и в с лу ч ае b -из л у ч е ни я ) , т а кже т о л ько в « м е с т е р ожд е ни я» : яд р о а т о м а, а н е е г о элек т р о н н ы е о б оло ч к и .
59. Закон радиоактивного распада.
З а ко н р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а - ф изи ч е с к ий з ако н , о пи с ы в а ющ ий з ав и с им о с т ь и н т е н с и в н о с ти р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а о т в р е м е ни и
ко л ич е с т в а р а д и оак ти в ны х а т о м ов в о б р а з це. О т к рыт Фр е д е р ико м С о д д и и Э р н ест о м Р е з ер ф о р д о м , кажд ый из ко т о р ых впо с л е д с т в и и был нагр а жд е н Ноб е л е в с кой пр е м и е й. Закон о бн а р уже н эк с п е р им е нт а ль ным п у тѐм . П е р в ы е п у б л и кац ии о тн о с я т с я к 1 9 03 г оду : « С р ав нит е ль н ое из у ч е ни е р ад и о а к ти в н о с ти р а д и я и т о ри я» и « Р а д и оак ти в н ое пр е в р ащ е ни е». Фр е д е р ик Со д д и (« T he s t ory of a t o mi c en e rgy», 1 9 49 г оду ) до в оль н о о р иги н аль н о о тзы в а е т с я о з ако н е : С лед у ет о тмет и т ь , чт о закон п р ев р ащ е ний о д инако в дл я все х р а д ио э л е м е н т о в , я вл яя с ь с а м ы м п р о стым и в т о же вр ем я пр а кт и чески необъ я с н и мым. Э т от закон имеет вероят н ос т ную п р и р о д у . Е г о м о ж но п р е дст а в и т ь в в и де д уха р аз р у ше ния , ко т о р ы й в ка жд ы й д анн ы й м о м е н т нау г а д р а с щ е п л я ет оп р е д е л ѐ нно е ко л и честв о с ущ е ств у ю щих а т о м о в , н е забо т я сь об о т бо р е те х из н и х , к о т о рые б л и зки к св о е м у р а с па д у .
0
Е с л и в н а ч аль н ый м о м е нт в р е м е ни в вещ е с т ве с од е р жало с ь N р а д и оак ти в ны х а т о м ов, т о с п у с т я в р е м я t и х чи с ло N с т а н е т р ав ны м :г де - п о с т оя нн ая р а с п ада да нн о г о р а д и о н укл и да.П о с т оянная р а с па д а - э т о о тн ош е ни е дол и яд е р р а д и о н у кл и да, р а с п адающ и х с я з а инт е р вал в р е м е ни d t , к э т о м у инт е р ва л у в р е м е ни
П о с т оя нн ая р а с п а д а (р а д и оак ти в н ая п о с т оя нн ая и л и ко н с т а нт а ) - э т о д о ля а т о м о в , р а с пад а ющ и х с я в 1 с е кунду.
Ср е д н ее в р е м я ж и з н и р а д и о н укл и да с вя з а н о с п о с т оя нн о й р а с п ада λ с оо т н оше ни е м :
= 1 / λ
В р е м я, в т е ч е ни е ко т о р о г о чи с ло а т о м ов р а д и о н у кл и да в р е з уль т а т е р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а у м е н ьша е т с я в д в а р а з а, н а зы ва е т с я
п
е
р
ио
д
о
м
по
л
у
р
а
с
па
д
а
р
а
д
и
о
н
у
кл
и
да
T
1
/
2
.
Р а д и о а к ти в н о с т ь в е щ е с т в а A о пр ед е ля е т с я инт е н с и в н о с т ью и л и с ко р о с т ью р а с п ада е г о а т о м ов :
При э т о м ве л ичин а о пр е д е ля е т р а д и оак ти в н о с т ь в е щ е с т в а в н а ч аль н ый м о м е нт в р е м е ни . Из при ве д е нны х о пр ед е л е ний с л е дуе т , чт о ак ти в н о с т ь р а д и о н укл и да А с вя з а н а с чи с ло м р а д и оак ти в ны х а т о м ов в и с т о чни ке в д а н н ый м о м е нт в р е м е ни с оо т н о ш е ни е м :
60 . Активность –количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений)в единицу времени(как правило, в секунду).
Единицами измерения активности являются беккерельи кюри.
Беккерель (Бк) -это один акт распада в секунду (1 расп/сек). Единица названа в честь французского физика, лауреата Нобелевской премии АнтуанаАнри Беккереля.
Кюри (Ки) –активность 1 грамма радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Кюри (Ки) -3,7x1010Бк. Если радионуклиды распределены в объеме вещества, то используют понятие «удельная активность» (массовая или объѐмная) –активность единицы массы или объѐма вещества, измеряя ее в Бк/кгили Ки/кг; Бк/лили Ки/л.
Точнее, это активность радионуклида (или смеси радионуклидов) в единице веса или объѐма вещества.
В случае, когда радионуклиды распределены по поверхности почвы, используют понятие «поверхностная активность» –активность единицы площади, измеряя ее в Бк/м2или Ки/м2; Бк/км2 или Ки/км2.
61. Все атомные и субатомные частицы, вылетающие из ядра атома при радиоактивном распаде, т.е. радиоактивное или ионизирующее излучение при прохождении через вещество:
Во-первых, приводят к его ионизации, к образованию горячих (высокоэнергетичных) и исключительно реакционно-способных частиц: ионов и свободных радикалов (осколков молекул, не имеющих заряда);
Во-вторых, могут приводить к активации вещества, к появлению так называемой наведѐнной активности, то есть к превращению стабильных атомов в радиоактивные -появлению радионуклидов активационного происхождения.Поэтому основными характеристиками ионизирующего излучения являются энергия частиц, их пробег в разных средах или проникающая способность, а также их ионизирующая способность (особенно как опасность для биологических объектов).
Из-за своей массы и заряда a-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всѐ на своѐм пути. И поэтому a-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь. Из-за малых размеров, массы и заряда β-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем a-частицы, но естественно, что при попадании внутрь β-активные изотопы также гораздо опаснее, чем при внешнем облучении. В качестве защиты от n-и g-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и при этом речь ведут только о кратности ослабления, а не о полной защите. В любом случае следует помнить, что наиболее рациональной «защитой» от любого излучения является по возможности большее расстояние от источника излучения (естественно, в разумных пределах) и по возможности меньшее время пребывания в зоне повышенной радиации.
62. Поэтому основным показателем для характеристики влияния ИИИ является оценка той энергии, которую они теряют при прохождении через вещество (среду) и которая оказывается поглощѐнной этим веществом.
При измерении ионизирующих излучений используется понятие доза, а при оценке их влияния на биологические объекты используют дополнительные поправочные коэффициенты. Поглощѐнная доза (от греческого -доля, порция) –энергия ионизирующего излучения (ИИ), поглощѐнная облучаемым веществом и обычно рассчитываемая на единицу его массы. Грэй(Гр) -единица поглощѐнной дозы в системе единиц СИ. Рад-внесистемная единица поглощѐнной дозы. Поглощенная доза –универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля излучения со средой. Экспозиционная доза (для рентгеновского и g-излучения)-определяется по ионизации воздуха. Рентген (Р) -внесистемная единица экспозиционной дозы. Это такое количество g-или рентгеновского излучения, которое в 1 см3сухого воздуха (имеющего при нормальных условиях вес 0,001293 г)образует 2,082 109пар ионов, которые несут заряд в 1 электростатическую единицу каждого знака (в системе СГСЭ). Эквивалентная доза –доза, рассчитанная для биологических объектов (человека) с учѐтом коэффициента качества излучения КК. Равна произведению поглощѐнной дозы на КК. Эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощѐнная. За единицу эквивалентной дозы в системе СИпринят Зиверт(Зв). Эффективная эквивалентная доза –эквивалентная доза, рассчитанная с учѐтом разной чувствительности различных тканей организма к облучению. Она равна эквивалентной дозе, полученной конкретным органом (тканью, с учѐтом их веса), умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска».
63.
Расчет
индивидуальной дозы в общем случае
производят, исходя из следующей схемы,
иллюстрирующей основныеэтапы попадания
и распространения радионуклидов в
среде.
В целом, воздействие радиации на биологические объекты и, в первую очередь, на организм человека вызывает три различных отрицательных эффекта.
Первый –генетический эффект для наследственных (половых) клеток организма. Он может проявиться и проявляется только в потомстве. Это рождение детей с различными отклонениями от нормы (уродства разной степени, слабоумие и т. д.), либо рождение полностью нежизнеспособного плода, -с отклонениями, не совместимыми с жизнью.
Второй –генетический эффект для наследственного аппарата соматических клеток -клетоктела. Он проявляется при жизни конкретного человека в виде различных (преимущественно раковых) заболеваний. Третий эффект –иммунно-соматическийэффект. Это ослабление защитных сил, иммунной системы организма за счѐт разрушения клеточных мембран и других структур. Он проявляется в виде самых различных, в том числе, казалось бы, совершенно не связанных с радиационным воздействием, заболеваниях, в увеличении количества и тяжести течения заболеваний, в осложнениях. Ослабление иммунитета провоцирует возникновение любых заболеваний, в том числе и раковых. Таким образом, вследствие высокой радиочувствительностивнутренних органов и длительности процесса частичного выведения радиоактивных изотопов из организма, внутреннее облучение для человека более опасно, чем внешнее.
64. Следует обратить внимание на резкое несоответствие между полученной дозой, то есть выделившейся в организме энергией, и биологическим эффектом.
Одинаковые дозы, полученные человеком от внешнего и от внутреннего облучения, а также дозы, полученные от разных видов ионизирующего излучения, от разных радионуклидов (при попадании их в организм) вызывают разные эффекты!
При этом абсолютно смертельная для человека доза в 1000 рентген в единицах тепловой энергии составляет всего 0,0024 калорий.
Это количество тепловой энергии сможет нагреть только на 1°С около 0,0024 мл воды (0,0024 см3), то есть всего 2,4 мг воды. Со стаканом горячего чая мы получаем в тысячи раз больше.
При этом медики, учѐные, атомщики оперируют дозами в милли-и даже в микрорентгены. То есть указывают такую точность, которой на самом деле не существует.
65. Все ЧС классифицируются по четырем признакам:
1) сфера возникновения, которая определяет характер происхождения чрезвычайной ситуации;
2) ведомственная принадлежность, т.е. где, в какой отрасли народного хозяйства случилась данная чрезвычайная ситуация;
3) масштаб возможных последствий. Здесь за основу берутся значимость (величина) события, нанесенный ущерб и количество сил и средств, привлекаемых для ликвидации последствий;
4) скорость распространения опасности.
66. Граждане Республики Беларусь в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций имеют право:
на защиту жизни, здоровья и личного имущества в случае возникновения чрезвычайных ситуаций;
использовать в соответствии с планами ликвидации чрезвычайных ситуаций средства коллективной и индивидуальной защиты и другое имущество республиканских органов государственного управления, иных государственных организаций, подчиненных Совету Министров Республики Беларусь, местных исполнительных и распорядительных органов и других организаций, предназначенное для защиты населения от чрезвычайных ситуаций;
на информацию о риске, которому они могут подвергнуться в определенных местах пребывания на территории страны, и о мерах необходимой безопасности; на обращение в государственные органы, иные организации, а также к индивидуальным предпринимателям по вопросам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;
участвовать в установленном порядке в мероприятиях по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций;
на возмещение вреда, причиненного их здоровью и имуществу вследствие чрезвычайных ситуаций;
на бесплатное медицинское обслуживание, компенсации и льготы за проживание и работу в зонах чрезвычайных ситуаций;
на бесплатное государственное социальное страхование, получение компенсаций и льгот за вред, причиненный их здоровью во время участия в мероприятиях по ликвидации чрезвычайных ситуаций; на пенсионное обеспечение в случае потери трудоспособности в связи с увечьем или заболеванием, полученными при исполнении обязанностей по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, в порядке, установленном для работников, инвалидность которых наступила вследствие трудового увечья;
на пенсионное обеспечение по случаю потери кормильца, погибшего или умершего от увечья или заболевания, полученных при исполнении обязанностей по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, в порядке, установленном для семей граждан, погибших или умерших от увечья, полученного при выполнении гражданского долга по спасению человеческой жизни, охране собственности и правопорядка.
Граждане Республики Беларусь в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций обязаны: соблюдать законодательство в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;
соблюдать меры безопасности в быту и повседневной трудовой деятельности, не допускать нарушений производственной и технологической дисциплины, требований экологической безопасности, которые могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций;
изучать основные способы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, приемы оказания первой медицинской помощи пострадавшим, правила пользования коллективными и индивидуальными средствами защиты, постоянно совершенствовать свои знания и практические навыки в указанной области;
67. Государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций объединяет
республиканский орган государственного управления, осуществляющий управление в сфере предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной, промышленной, ядерной и радиационной безопасности, гражданской обороны (далее –республиканский орган государственного управления по чрезвычайным ситуациям),
другие республиканские органы государственного управления,
иные государственные организации, подчиненные Совету Министров Республики Беларусь,
местные исполнительные и распорядительные органы,
другие организации, в полномочия которых входит решение вопросов по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:
разработка и реализация правовых и экономических норм по обеспечению защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;
осуществление целевых и научно-технических программ, направленных на предупреждение чрезвычайных ситуаций и повышение устойчивости функционирования организаций, а также объектов социального назначения в чрезвычайных ситуациях;
обеспечение готовности к действиям органов управления по чрезвычайным ситуациям, сил и средств, предназначенных и выделяемых для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:
создание республиканского, отраслевых, территориальных, местных и объектовых резервов материальных ресурсов для ликвидации чрезвычайных ситуаций (далее –резервы материальных ресурсов для ликвидации чрезвычайных ситуаций, если не указано иное);
сбор, обработка, обмен и выдача информации в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;
подготовка населения к действиям в чрезвычайных ситуациях;
прогнозирование и оценка социально-экономических последствий чрезвычайных ситуаций;
осуществление государственной экспертизы, надзора и контроля в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:
ликвидация чрезвычайных ситуаций;
осуществление мероприятий по социальной защите населения, пострадавшего от чрезвычайных ситуаций, проведение гуманитарных акций;
реализация прав и обязанностей населения в области защиты от чрезвычайных ситуаций, а также лиц, непосредственно участвующих в их ликвидации;
международное сотрудничество в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:
69. К середине прошлого века человечество начало осознавать серьезность встающих перед ним экологических проблем, и возник естественный вопрос -сколько же времени у нас осталось, сколько лет пройдет, прежде чем трагические последствия нашего пренебрежительного отношения к природной среде станут очевидны? У нас уже не остается других тридцати лет для изучения и обсуждения экологических проблем. Мы должны либо создать устойчивое общество, либо превратимся в свидетелей угасания цивилизации на Земле. В 1983 г. Организация Объединенных Наций создала Всемирную комиссию по окружающей среде и развитию.
При этом были сформулированы следующие принципы устойчивогоразвития:
Люди имеют право на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;
Сегодняшнее развитие не должно осуществляться во вред интересам развития и охране окружающей среды на благо нынешнего и будущего поколений;
Защита окружающей среды должно составлять неотъемлемую часть процесса развития и не может рассматриваться в отрыве от него;
Экологические проблемы решаются наиболее эффективным образом при участии всех заинтересованных граждан. Государства развивают и расширяют информированность и участие населения путем предоставления широкого доступа к экологической информации.
70. Биосфера-область существования и функционирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы (аэробиосфера), всю гидросферу (гидробиосфера), поверхность суши (террабиосфера), и верхние слои литосферы (литобиосфера). Биосфера включает как живые организмы (живое вещество), так и среду их обитания и является целостной динамической системой, осуществляющей улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между организмами и средой.
71. Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены.
Исчерпаемостьпригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана.
По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой.
Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии.
Имеются два основных круговорота веществ: большой -геологический и малый -биогеохимический. Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты.
72. Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. В конечном счете, вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фото-синтезирующими организмами (автотрофами) в потенциальную -в органические соединения. Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии.
| 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 деление, 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 деление | 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-излучателей 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 антинейтрино :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 все 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
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.
Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении?
Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.
Во-первых
, удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения.
На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась.
На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и 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 калориметр нагревался.
Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж.
И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих 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 об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала.
И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.
Итак, при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов.
Остановимся на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди.
Резерфорд обнаружил, что активность
тория, определяемая как число а-частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле.
Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается.
Ученый предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ.
Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность.
Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем.
Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю.
Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом.
Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86.
Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий.
Общий вывод, который сделали 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-излучением.
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 α-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.
Итак, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц .
Правило смещения
Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения
, сформулированному впервые Содди.
При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и его масса М убывает примерно на четыре атомные единицы массы.
В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы.
Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху у символа.
Например, водород обозначается символом
Для α-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д.
При β-распаде из ядра вылетает электрон
В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:
Здесь обозначает электрон: индекс 0 вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы, электронное антинейтрино - нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, уносящая при β-распаде часть энергии.
Образованием антинейтрино сопровождается β-распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.
После β-распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы.
.
Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.
Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения.
Итак,
при радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.