6.1.3.2. Радіоактивність

Ізотопи кожного хімічного елемента розділяються на стійкі та нестійкі. Ядра нестійких ізотопів здатні спонтанно (самовільно) розпадатися, перетворюючись при цьому в ядра інших елементів. Такі ізотопи називаються радіоактивними, а явище спонтанного перетворення ядер радіоактивних ізотопів – радіоактивністю.

Можливість радіоактивного перетворення ядер нестійких ізотопів зумовлена внутрішніми причинами і супроводжується випромінюванням γ-квантів, α- і β-частинок. Умовно радіоактивність поділяється на природну і штучну, залежно від того, як утворено нестійкий ізотоп – штучно, чи він існує в природі.

Природна радіоактивність супроводжується α , β^- - розпадом та γ –випромінюванням:

1. α –розпад пов’язаний з викиданням частинок з ядра, які являють собою потік ядер гелію . У деяких важких ядрах два протони і два нейтрони вступають у взаємодію та виштовхуються з ядра. Первинне ядро випромінює α–частинку (ядро ) і перетворюється в нове ядро елемента, який стоїть на дві клітини ближче до початку таблиці Менделєєва:

.

2 . β^- -розпад. У деяких ядрах нейтрон спонтанно перетворюється в протон з випромінюванням електрона і антинейтрино. Утворюється нове ядро елемента, який стоїть у таблиці Менделєєва за елементом до випромінювання, тобто зміститься на одну клітинку до кінця таблиці Менделєєва. Виникаючий потік електронів називають β-випромінюванням:

.

3. γ –випромінювання. Надлишок енергії збуджених ядер радіоактивних елементів звільняється при розпаді у вигляді γ -випромінювання, яке супроводжує усі типи радіоактивності та являє собою електромагнітне випромінювання з дуже короткою довжиною хвилі (λ < 10^-11м).

Наприклад:

.

Три компоненти радіоактивного розпаду в магнітному полі повинні вести себе по–різному. Так, γ-кванти, як нейтральні частинки, в магнітному полі не будуть відхилятись, α- і β-частинки, що мають різні заряди, будуть відхилятися у протилежні сторони (рис. 6.1.17). Після відкриття радіоактивності такі траєкторії руху (треки) спостерігались у камері Вільсона, що й допомогло в поясненні природи цього явища.

Закон радіоактивного розпаду. Ізотопи кожного хімічного елемента розділяються на стійкі та нестійкі. Ядра нестійких ізотопів здатні спонтанно (самовільно) розпадатися, перетворюючись при цьому в ядра інших елементів.

Кількість радіоактивного препарату змінюється з часом за експоненціальним законом (рис. 6.1.18):

N = N₀e^-λt, (6.1.44)

де N – кількість атомів радіоактивної речовини, що залишилась на момент часу t; N₀ – початкова їх кількість (при t = 0).

Ця формула виражає закон радіоактивного розпаду, λ – постійна для даної радіоактивної речовини величина – називається сталою радіоактивного розпаду, вона зв’язана з періодом Т_1/2 піврозпаду формулою:

або (6.1.45)

Закон радіоактивного розпаду можна записати і так:

(6.1.46)

де dN – число ядер, що розпадаються за інтервал часу dt; N – число ядер, що не розпались на момент часу t; N₀ – число ядер у початковий момент (t=0); – стала радіоактивного розпаду.

Період піврозпаду Т_1/2 характеризує швидкість розпаду радіоактивного ізотопу, вимірюється часом, протягом якого число атомів ізотопу зменшується наполовину.

Періоди піврозпаду для природно-радіоактивних елементів коливаються в межах від 10^-4с до 10⁹ років.

Число ядер, які розпалися за час t :

. (6.1.47)

У випадку, коли інтервал часу , за який визначиться число ядер, що не розпалися, набагато менше періоду піврозпаду T_1/2, число ядер, що розпалися можна визначити за формулою:

.

Середній час τ життя радіоактивного ядра – це інтервал часу, за який число ядер, що залишились, зменшиться в e (≈ 2,7) раз:

. (6.1.48)

Число N атомів, що містяться в радіоактивному ізотопі:

,

де m – маса ізотопу; M – молярна маса; N_A – число Авогадро.

Характеристики радіоактивних джерел. Важливою характеристикою радіоактивного джерела є фізична величина – активність. Вона дозволяє судити про його радіаційну безпеку, про кількість радіоактивних ядер тощо.

Активністю нукліда (загальна назва атомних ядер, що відрізняється числом протонів Z і нейтронів N) в радіоактивному джерелі називається величина, яка вимірюється числом ядер, що розпалися за одиницю часу:

,

або

,

де dN – число ядер, які розпадаються за інтервал часу dt; A₀ – активність ізотопу в початковий момент часу.

Питома активність ізотопу:

_пит=A/m.

Одиниця активності в СІ – беккерель (Бк): 1 Бк – активність нукліда, при якій за 1 с відбувається один акт розпаду. Позасистемна одиниця активності – кюрі (Кu):

1 Кu = 3,7×10¹⁰ Бк.

Різні ядерні перетворення (ядерні реакції, радіоактивний розпад) супроводжуються випусканням різних видів радіоактивного випромінювання, яке несе в собі енергію і викликає іонізацію атомів середовища, через яке воно проходить. Найчастіше зустрічаються такі різновиди іонізуючих випромінювань як рентгенівське та g –випромінювання, потоки a-частинок, електронів, нейтронів, протонів. Дія всіх видів іонізуючого випромінювання їх дія на речовину характеризується дозою випромінювання. Розрізняють такі дози випромінювання.

1. Поглинута доза випромінювання.

Вважається, що зміни, які відбуваються в опроміненій речовині, повністю визначаються поглинутою енергією радіоактивного випромінювання.

Поглинута доза випромінювання – це фізична величина, яка вимірюється енергією будь-якого виду випромінювання, поглинутого одиницею маси опроміненої речовини.

Одиниця поглинутої дози випромінювання – грей (Гр):

1 Гр=1 Дж/кг – це доза випромінювання, при якій опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія будь-якого іонізуючого випромінювання в 1 Дж. Крім одиниці грей, використовують одиницю поглинутої дози випромінювання – рад:

1 рад = 0,01 Гр.

2. Експозиційна доза випромінювання характеризує іонізуючу здатність рентгенівського і g – випромінювання у повітрі. Експозиційна доза – фізична величина, яка вимірюється сумою електричних зарядів усіх іонів одного знака, створених іонізуючим випромінюванням в одиниці маси опроміненого повітря.

Одиниця експозиційної дози в СІ – кулон на кілограм (Кл/кг), позасистемною одиницею є рентген (Р) :

1Р = 2,58×10^-4 Кл/кг.

3. Біологічна (еквівалентна) доза характеризує дію іонізуючого випромінювання на організм людини.

При однаковій поглинутій дозі різних видів випромінювання біологічні наслідки опромінення живих систем різні (наприклад, a- випромінювання в 20 разів небезпечніше, ніж g -випромінювання, Q=20 – коефіцієнт якості випромінювання).

Біологічна доза – це фізична величина, яка визначається як добуток поглинутої дози на коефіцієнт якості випромінювання.

Одиниця еквівалентної дози в СІ називається зіверт (Зв). Позасистемною одиницею біологічної дози є бер (біологічний еквівалент рентгена): 1 бер – доза будь-якого виду іонізуючого випромінювання, що спричиняє таку ж біологічну дію, як і доза рентгенівського або g - випромінювання в один рентген.

Для рентгенівського випромінювання (Q=1) один рад поглинутої дози відповідає одному беру.

При кількісних оцінках дії радіаційного опромінення радіаційними приладами вимірюється, як правило, потужність дози випромінювання і потік радіаційного випромінювання.

Поглинута доза, утворена в речовині за одиницю часу, називається потужністю поглинутої дози і вимірюється в одиницях рад/с, Гр/с, рад/хв. тощо. Потужність D експозиційної дози вимірюється в СІ в амперах на кілограм (А/кг). Позасистемна одиниця потужності експозиційної дози – рентген за годину (Р/год).

Потік g - випромінювання – фізична величина, яка вимірюється енергією випромінювання, що проходить через поверхню детектора за одиницю часу. Детальніше зупинимося на методах визначення активності радіонукліда та коефіцієнта поглинання g–випромінювання.

Активність радіонукліда. Експериментально встановлено, що g- випромінювання не є самостійним видом радіоактивності. Воно супроводжує процеси a і b – розпадів і не викликає зміни заряду і масового числа ядер.

g- випромінювання випускається дочірніми ядрами, які в момент свого утворення виявляються збудженими. Надлишок енергії збуджених ядер звільняється у вигляді g –випромінювання, яке являє собою короткохвильове електромагнітне випромінювання з гранично малою довжиною хвилі l £ 0,01 нм і внаслідок цього – чітко вираженими корпускулярними властивостями, тобто є потоком частинок – g - квантів (фотонів).

На практиці зручно визначати активність радіоактивного нукліда за потоком g - випромінювання, враховуючи, що одному акту розпаду ядра відповідає виліт одного g – кванта (фотона).

Для потужності експозиційної дози g - випромінювання, як і для будь-якого електромагнітного випромінювання, має місце закон:

де а – активність радіонукліда; r – відстань від джерела випромінювання до детектора; К_g – постійна, яка визначає тип радіонукліда, рівна потужності експозиційної дози g - випромінювання від точкового джерела з одиничною активністю на одиничній відстані від нього. Наприклад, для радію-226

К_g=8,4×10⁶ мкР×см²/год×мKu.

Зменшення дози опромінення від радіоактивних речовин може бути досягнуто: 1) зменшенням часу перебування в зоні дії випромінювання; 2) збільшенням відстані від джерела випромінювання; 3) застосуванням захисних екранів.

g - випромінювання, будучи найбільш жорстким (короткохвильовим) електромагнітним випромінюванням, є найбільш проникаючим випромінюванням. γ - кванти, маючи нульову масу спокою, не можуть гальмуватися в середовищі. Тому при проходженні γ - випромінювання крізь речовину вони або поглинаються, або розсіюються нею. γ - кванти не несуть електричного заряду і тому не зазнають впливу кулонівських сил. Отже, вони викликають в основному тільки іонізацію і збудження атомів речовини, а тому радіаційна дія на біологічні об’єкти γ - випромінювання набагато менша, ніж корпускулярного (a-, β- випромінювання, потоків протонів, нейтронів).

Одним з ефективних засобів захисту від g - випромінювання є захисні екрани із речовин з великим поглинанням g - квантів.

Теоретичне вивчення процесів поглинання g- випромінювання речовиною показує, що ефективність цього поглинання залежить від енергії g- квантів і пропорційний атомному номеру Z речовини, що поглинає. Тому при радіаційному захисті використовують для захисних екранів відповідні матеріали (свинець, залізобетон).

Штучна радіоактивність. Деякі штучно одержані радіоактивні речовини зазнають β⁺ -розпаду. В ядрах цих атомів один із протонів перетворюється в нейтрон з випромінюванням позитрона і нейтрино. Новий елемент зміщується на одну клітинку до початку таблиці Менделєєва:

,

.

Ізотоп отримують бомбардуванням ядер алюмінію Аl α –частинками:

.

Ядерними реакціями називаються перетворення ядер при взаємодії з елементарними частинками або одне з одним.

Ядерна реакція протікає за такою схемою: ядро захоплює бомбардуючу частинку, поглинає її енергію, переходить у нестійкий стан та розпадається. Реакція, що протікає з поглинанням енергії – ендотермічна, з виділенням енергії – екзотермічна.

Вивільнення внутрішньоядерної енергії при екзотермічних ядерних реакціях. Характеристикою стійкості, стабільності ядер є не просто значення енергії зв’язку їх ядер, а значення енергії зв’язку на один нуклон, тобто величина , що має назву - питома енергія зв’язку ядра. Розраховані значення цієї величини наведені на рис. 6.1.19. Звідси видно, що елементи, розташовані у середній частині таблиці Менделєєва, мають більшу питому енергію зв’язку ядер, ніж легкі (Z<10) та тяжкі (Z>200) ядра. Тому, енергія звільнюється: 1) при з’єднанні легких ядер в більш масивне (реакція термоядерного синтезу); 2) при поділу важких ядер на більш легкі (наприклад, ланцюгова реакція поділу). Проаналізуємо ці реакції.

1. Термоядерний синтез легких ядер відбувається при температурах в десятки мільйонів градусів. Енергія, що виділяється при цьому (екзотермічна ядерна реакція) – це кінетична енергія утворених ядер і частинок. Реакція синтезу супроводжується γ –випромінюванням. Прикладами таких реакцій є:

виділяється 17,6 МеВ;

, виділяється 14,6 МеВ.

Енергія, що виділяється, дорівнює добутку величини дефекту маси ядерної реакції на квадрат швидкості світла:

.

Дефект маси ядерної реакції – це різниця між сумою спокою ядер і частинок до і після ядерної реакції, При ендотермічній ядерній реакції дефект мас від’ємний, Δm < 0 (поглинання енергії), при екзотермічній – позитивний, Δm > 0.