Глава I. Общие сведения о радиоактивности и ионизирующем излучении

1. Понятие об ионизирующем излучении

В широком смысле под радиацией понимают все виды электромагнитного (γ и рентгеновские лучи, видимый свет, радиоволны и т.д.) и корпускулярного (потоки электронов, нейтрино и т.п.) излучений (табл. 2).

В нашем аспекте интерес представляет не любая радиация, а ионизирующая, которая, проходя через вещество, способна передавать ему свою энергию, разрывая химические связи внутри молекул и вызывая при этом образование ионов разных знаков или свободных радикалов. Следует отметить, что чаще под радиацией и понимают именно ионизирующее излучение.

Табл. 2. Некоторые виды ионизирующих и неионизирующих излучений

Излучение	Ионизирующее	Неионизирующее
Электромагнитное (фотонное)	γ и рентгеновское	Ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, СВЧ и радиоволны
Корпускулярное	Потоки α- и β-частиц, нейтронов, протонов, осколков деления ядер	Потоки нейтрино и антинейтрино

Согласно Федеральному закону № 3 «О радиационной безопасности населения» от 9.01.96. (см. прил. 1), ионизирующее излучение – это излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

2. Радиоактивный (ядерный) распад

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в ядре и, как следствие, атомной массой, называют изотопами. Для обозначения любых атомов, различающихся составом ядра по числу или соотношению нуклонов (протонов и нейтронов), используют понятие нуклид.

Атомные ядра изотопов различных химических элементов могут быть стабильными или неустойчивыми, то есть способными к распаду. Устойчивыми, стабильными являются лишь атомные ядра с энергией связи нуклонов большей суммарной энергии связи нуклонов в продуктах распада.

Примерно 90 % из 2500 ядер изотопов химических элементов, известных в настоящее время, нестабильны. Поскольку распад нестабильных ядер сопровождается испусканием различных излучений, он называется радиоактивным, а изотопы и нуклиды, способные к радиоактивному распаду, соответственно радиоизотопами и радионуклидами.

Радионуклиды содержатся в земной коре (терригенные), а также образуются под действием постоянно попадающего на Землю космического излучения (космогенные) или в результате человеческой деятельности (техногенные) (табл. 3).

Табл. 3. Важнейшие природные и техногенные радионуклиды,

обусловливающие радиационный фон на поверхности Земли

Природные радионуклиды		Техногенные радионуклиды
терригенные	космогенные
40K, 210Po, 222Rn, 220Rn (Tn), 226Ra, 232Th, 235U, 238U и др.	3H, 14C, 32P и др.	3H, 90Sr, 85Kr, 131I, 137Cs, 239Pu и др.

Причиной радиоактивного распада является нарушение баланса между числом протонов и числом нейтронов в ядре. Во всех стабильных ядрах (за исключением ) поле ядерного притяжения нейтронов компенсирует кулоновское отталкивание протонов. При нарушении требуемого баланса ядро обладает избыточной энергией, избавиться от которой оно может в результате перехода в состояние с меньшей энергией.

Ядра, содержащие избыточное число протонов или нейтронов, освобождаются от избытка энергии по-разному, в связи с чем различают 4 типа радиоактивного распада: α-распад, β-распад, спонтанное деление атомных ядер и протонную радиоактивность.

Для ядер, содержащих избыточное число протонов, характерен α-распад – вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается α-частица, при этом заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4.

С учетом законов сохранения электрического заряда и числа нуклонов общее уравнение α-распада имеет вид: . α-частицы – это ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов и имеющие скорость около 15000 км/с.

Рис. 1. Схема радиоактивного распада радия-226

Широко применяемым источником α-частиц является радий – . При распаде он превращается в радон: (рис. 1). α-распад может проходить в два этапа: сначала образуется дочернее ядро в возбужденном состоянии, которое затем, испуская γ-квант с энергией 0,186 МэВ^, переходит в основное состояние .

β-распад – самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Существует 3 типа β-распада: электронный распад, позитронный распад, электронный захват.

При электронном β-распаде заряд ядра увеличивается на 1 ( ), при позитронном уменьшается на 1 ( ); массовое число не меняется. При электронном захвате ядро захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (K, L, M и т.д.), чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват), и одновременно испускается γ-квант ( ). Причем в этом ядре количество протонов уменьшается на 1, а количество нейтронов увеличивается на 1.

γ-квант может выделяться не только при электронном захвате, но и при других видах β-распада. Так, может распадаться двумя способами: с испусканием β-частиц с максимальной энергией 1180 кэВ или с испусканием β-частиц с максимальной энергией 520 кэВ и последующим испусканием γ-кванта с энергией 661,6 кэВ возбужденным .

У некоторых тяжелых элементов (например, урана) под действием нейтронов возникает спонтанное деление атомных ядер – распад атомного ядра на 2 (реже 3 или 4), сопровождающийся вылетом вторичных нейтронов.

Рис. 2. Процесс деления ядра:

а) взаимодействие нейтрона с ядром; б) захват нейтрона ядром; в) колебание возбужденного ядра; г) образование осколков деления

Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет электронейтральным нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро (рис. 2, а). Временный захват нейтрона нарушает хрупкую стабильность ядра , обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения (рис. 2, б). Возникающие пространственные колебания нуклонов возбужденного ядра являются неустойчивыми. Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии (рис. 2, в). Их взаимное отталкивание приводит к искусственной радиоактивности изотопа , т.е. к его делению на ядра меньшей массы, называемые осколками деления (рис. 2, г).

Массы осколков деления отличаются друг от друга примерно в 1,5 раза. Большинство крупных осколков имеют массовое число в пределах 135-145, а мелкие от 90 до 100. В результате реакции деления ядра урана образуются два или три нейтрона. Типичными примерами таких реакций являются следующие ядерные реакции: (с образованием трех нейтронов); (с образованием двух нейтронов).

Относительная доля нейтронов в более легких, чем уран, осколках деления оказывается такой же, как и у урана. Однако у стабильных ядер легких элементов относительная доля нейтронов должна быть меньше. Поэтому осколки деления, возникающие в этих реакциях, содержат избыточное число нейтронов и являются радиоактивными.

Для нейтронно-дефицитных атомных ядер характерна протонная радиоактивность – самопроизвольный распад, сопровождающийся испусканием протонов. Экспериментально пока наблюдался только однопротонный распад.

Таким образом, радиоактивность (лат. radio – испускаю лучи, activus – действенный) – самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений.