2.2 Естественная радиоактивность

Явление радиоактивности было открыто в 1896г. французским физиком Анри Беккерелем. Он обнаружил, что содержащие уран вещества испускают невидимые лучи, вызывающие потемнение фотопластинки и способные проникнуть через бумагу, дерево и другие плотные среды. Некоторое время спустя знаменитые французские физики Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри установили, что способностью испускать такие лучи обладают, кроме урана, ещё торий и полоний. Немного позднее (1898 г.) ими был открыт радий. Супруги Кюри выделили радий в чистом виде, который представлял собой мягкий серебристо-белый металл, похожий по своим свойствам на барий. Исследования показали, что интенсивность излучения, испускаемого радием, в миллионы раз больше, чем у урана. Беккерель и супруги Кюри показали сильное действие излучения радия на человеческий организм.

Способность некоторых элементов испускать, открытые Беккерелем, лучи супруги Кюри назвали радиоактивностью, а вещества, обладающие этой способностью, − радиоактивными веществами (от лат. radio − испускаю лучи).

В настоящее время излучения, возникающие при радиоактивном распаде, называют ионизирующими или ядерными излучениями. Первое из этих названий связано с одним из главных свойств данных излучений − способностью производить ионизацию в окружающей среде. Однако этой способностью обладают также и рентгеновские лучи, и, отчасти, ультрафиолетовые. Поэтому более точным является название «ядерные излучения».

Рентгеновские излучения – это электромагнитное излучение в целом не столь высоких энергий, как гамма-излучение. Будучи ионизирующим излучением оно способно вызывать радиационные поражения.

Ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) – вид электромагнитного излучения с длиной волн 180-400 нм. В спектре оно примыкает к фиолетовому концу области видимого света, т.е. к волнам оптического диапазона с наиболее высокой энергией. Действие УФ зависит от длины волн. Различают: УФ-А (400-313 нм), УФ-Б (313-289 нм) и УФ-В (289-180нм). Излучение УФ-В и в меньшей степени УФ-Б, умерщвляют живые клетки, например бактерии. В спектре солнечного света, достигающего поверхности земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением содержится только УФ-А и УФ-Б. Особенно вредное коротковолновое излучение УФ-В поглощается в стратосфере озоновым слоем. Излучение УФ-А вызывает загар, пигментацию кожи, УФ-Б также участвует в возникновение загара и в малых дозах активизирует дыхание, кровообращение, обмен веществ, функцию желез и улучшает общее состояние человека. Но в больших дозах может привести к тяжелым солнечным ожогам. Загар не что иное, как попытка организма защитится от вредного воздействия УФ-лучей и их опасных для здоровья дозировок.

Возможные последствия для здоровья, вызванные солнечными ваннами, лампами, «горное солнце» и соляриями (где участвует лишь УФ-А) – это образование морщин, складок и пигментных пятен на коже, ее преждевременное старение. Кожа становится сухой и истончается, теряет свою эластичность, на ней возникают роговые наслоения. Помимо этого, дело может дойти до рака кожи, как правило, в относительно безобидных формах, таких, как опухоль базальных клеток и рак шиповых клеток кожи. Изредка, однако, возникает злокачественный черный рак кожи (злокачественная меланома). Главное причина заболевания – чрезмерные солнечные ванны. Солнечный свет (УФ-Б) необходим маленьким детям для синтеза витамина Д. Отсутствие или не достаток этого витамина прежде часто вызывали рахит.

Из более чем 1700 нуклидов, известных в настоящее время, стабильным является только 271 нуклид. Остальные нуклиды нестабильны, т. е. радиоактивны; они претерпевают превращение путем одного или нескольких последовательных распадов, которые сопровождаются испусканием частиц или -квантов. Для обозначения генетической связи между двумя или более видами ядер, образующихся друг за другом в ряде распадов, используют понятия: «материнский», «дочерний», «внучатый» и т. п. нуклиды. Например, при распаде ²³⁸U образуются следующие нуклиды:

Радиоактивный распад имеет статистическую природу; атомные ядра превращаются независимо друг от друга; каждый радионуклид имеет характерную для него вероятность распада.

Для отдельного атома нестабильного нуклида нельзя предсказать момент времени его превращения. Вероятность распада обусловливается свойствами данного вида ядер, т. е. она не зависит от химического и физического состояния элемента.

2.3 Типы радиоактивного распада, виды и энергия излучения

Нуклид является стабильным в отношении радиоактивного распада, если его масса меньше суммы масс всех продуктов, образующихся при предполагаемом распаде. Поэтому радиоактивный распад возможен только в том случае, если сумма масс образующихся продуктов будет меньше массы исходного нуклида. Радиоактивный распад в общем виде можно представить следующим образом:

Дочерний нуклид

Испускае-мые частицы

Энергия

Материн-ский нуклид

А = В + Х + Q. (32)

Под энергией подразумевают кинетическую энергию испускаемых частиц и -квантов. Суммарная энергия Q, выделяющаяся при радиоактивном распаде, определяется разностью масс исходного нуклида и продуктов, образующихся после распада в основном состоянии:

Q=dmc²=(mA-mB-mX)c². (33)

Во всех случаях радиоактивного распада соблюдаются законы сохранения массы и заряда.

По типу испускаемых частиц различают следующие виды радиоактивного распада:

1) -распад;

2) -распад, который подразделяется на ^--распад, ⁺-распад и электронный захват (ЭЗ);

3) эмиссия 7-квантов, электронов конверсии и электронов Оже;

4) спонтанное деление.

Альфа-распад. Альфа-распаду подвержены ядра многих изотопов (тяжёлых) элементов − урана, радия, тория и др. Возможность α-распада связана с тем, что масса (а значит, и энергия покоя) α-радиоактивного ядра больше суммы масс (суммарной энергии покоя) α-частицы и образующего после α-распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α-частицы и дочернего ядра. Кинетическая энергия α-частиц у большинства α-радиоактивных ядер находится в небольших пределах 4 − 9 Мэв. Периоды полураспада, наоборот, изменяются очень сильно: от 10^-7 сек до 2∙10¹⁷ лет.

Бета-распад. В процессе β-распада из радиоактивного ядра самопроизвольно испускается электрон (электронный β-распад) или позитрон (позитронный β-распад), которые возникают в самый момент β-распада (их нет в ядре). Третьим видом β-распада является захват ядром электрона из электронной оболочки своего атома (е-захват). Во всех трёх случаях β-распад сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино. В результате β-распада заряд ядра повышается, β+-распада и е-захвата понижается на единицу. Массовое число ядра остаётся неизменным.

Электронный распад испытывают ядра с избытком нейтронов. Этому типу распада подвержены почти все искусственные и некоторые естественные радиоактивные элементы (С¹², К⁴⁰ и др.)

При электронном распаде вновь образующееся дочернее ядро сохраняет массовое число исходного элемента, а положительный заряд нового ядра в результате превращения нейтрона в протон оказывается на одну единицу больше заряда ядра исходного элемента.

Материнский и дочерний радионуклиды при электронном распаде представляют собой изобары, так как сумма протонов и нейтронов не изменяется.

Позитронный распад испытывают ядра с избытком протонов. Этому типу распада подвержены лишь некоторые искусственные радиоактивные изотопы, например ₆С¹¹, в ядре которого при 5 нейтронах содержится 6 протонов. У естественных радиоактивных изотопов позитронный распад не наблюдается.

Электронный захват. Радиоактивные изотопы избавляются от избыточных протонов путём электронного захвата, который наблюдается в случае, когда в ядре недостаточно энергии для позитронного распада. Такое ядро обычно захватывает электроны (е-захват) с ближайшего слоя (К-слоя, иногда L-слоя) и «лишний» протон, соединившись с эти электроном, превращается в нейтрон, испуская нейтрино. Следовательно, е-захват представляет собой процесс, прямо противоположный электронному распаду. В данном случае дочерний элемент так же, как и при позитронном распаде, смещается в периодической системе на одну клетку влево от исходного. На освободившееся в К-слое место перескакивает электрон с L-слоя, на место последнего с М-слоя и т.д. каждый перескок связан с высвобождением энергии, которая и высвечивается с квантами рентгеновского излучения.

Гамма-лучи представляют собой поток γ-квантов, т.е. коротковолновых электромагнитных излучений, испускаемых возбуждёнными атомными ядрами.

В процессе γ-излучения ядро самопроизвольно переходит из возбуждённого состояния в менее возбуждённое или основное. При этом избыток энергии освобождается в виде кванта коротковолнового электромагнитного излучения − γ-кванта. γ-кванты лишены заряда и поэтому не отклоняются электрическим или магнитным полем. Они распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника.

В большинстве случаев γ-источники испускают γ-кванты различной энергии, т.е. они бывают моноэнергетическими. Нуклиды, находящиеся в возбужденном состоянии, могут распадаться, испуская нейтроны или протоны.

Радионуклиды претерпевают самопроизвольный распад и становятся источниками излучений определенного вида и строго определенной для каждого атома энергии. Различают несколько основных типов радиоактивного распада и соответствующие им виды излучения.

1) Альфа ()-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия (два протона + два нейтрона). Возникает оно в результате альфа-распада, который характерен для радиоактивных изотопов с большим атомным номером. Испускание -частицы приводит к образованию нового химического элемента, у которого заряд ядра меньше на две единицы и массовое число – меньше на четыре единицы (рис. 5).

Рисунок 5. Альфа-излучение.

2) Бета ()-излучение представляет собой поток электронов или позитронов. Возникает оно в результате бета-распада ядра атома. Если в ядре есть избыток нейтронов, то один из них распадается с образованием протона, который остается в ядре, электрона, который испускается в виде бета-излучения, а также антинейтрино, не имеющего ни массы, ни заряда, но уносящего из ядра часть энергии. Антинейтрино очень трудно обнаружить, так как оно практически не взаимодействует с веществом (рис.6).

Рисунок 6. Бета-излучение.

Позитрон - античастица электрона образуется при распаде ядра с избытком протонов. Такой тип распада встречается гораздо реже, чем -распад.

3) Гамма ()-излучение представляет собой поток фотонов или квантов электромагнитного излучения. При наличии в ядре избытка энергии, например, после - или -распада, переход ядра из возбужденного состояния в стабильное может происходить путем гамма-изомерного перехода, т.е. с испусканием гамма-квантов. При этом атомный номер элемента и массовое число изотопа остаются прежними, меняется только энергетическое состояние ядра (рис. 7).

Рисунок 7. Гамма-излучение.

Наряду с понятием «ионизирующее излучение» используется термин «радиация». Эти понятия одинаковы по смыслу и являются синонимами.

Энергия излучения, выделяющаяся при радиоактивном распаде ядра атома, несоизмеримо больше энергии обычных химических реакций, которые протекают путем взаимодействия между орбитальными электронами атомов. Единицей измерения энергии ядерных изменений является электрон-вольт (эВ). 1 эВ = 1,610^-19 Дж.