3. Радиоактивность ядер

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Можно выделить несколько типов радиоактивности: - распад, - распад и захват, протонный распад, спонтанное деление, т.е. самопроизвольный распад тяжелого ядра на два ядра с почти одинаковыми массами и одновременным выделением нескольких свободных нейтронов.

Количество распадающихся атомов в образце пропорционально числу имеющихся (нераспавшихся) ядер и времени:

, (6 – 6)

где – коэффициент пропорциональности, названный постоянной распада. Знак минус превращает распавшихся в нераспавшихся ядер.

Решение дифференциального уравнения (6 – 6) дает закон радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону:

N = N₀·e^-λt (6 – 7)

Количество распавшихся ядер за время определяется выражением:

. (6 – 8)

Заменим постоянную распада периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер, тогда формула (6 – 7) примет вид: , логарифмируя которую, получим:

. (6 – 9)

Подставляя в закон распада (6 – 7), получим новый вариант выражения закона распада:

. (6 – 10)

Среднее время жизни ядра равно:

. (6 – 11).

Радиоактивные изотопы широко применяются в науке, технике, биологии (мутация), медицине.

4. Элементы дозиметрии

Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до появления на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли с состав Земли с самого ее рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствуют в микродозах радиоактивные вещества.

Число распадов в секунду в радиоактивном образце называется его активностью.

(6 – 12)

Единица измерения активности (в системе СИ) называется беккерелем (Бк). 1 Бк равен одному распаду в секунду. Внесистемная единица активности изотопа: кюри 1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк.

Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма. Альфа излучение, которое представляет собой поток тяжелых частиц – ядер атома гелия, задерживается, например, листком бумаги, картона и почти не проникает через наружный слой кожи образованный отмершими клетками. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие α-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с вдыхаемым воздухом; тогда они становятся чрезвычайно опасными. Бета излучение, представляет собой поток релятивистских электронов, обладает большей проникающей способностью: оно проникает в ткани организма на глубину 1-2 см. Гамма излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны менее 10^-10 м, проникающая способность γ-излучения очень велика: его может ослабить толстая свинцовая или бетонная плита.

Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество такой переданной организму энергии называется дозой. Дозу облучения организм может получить от любого радионуклида или их смеси независимо от того, находятся ли они вне организма или внутри его (в результате попадания с пищей, водой или воздухом). Дозы можно рассчитывать по-разному, с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей и в течение какого времени это происходило.

Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в грэях (Гр):

[D] = W/m, (6 - 13)

[Гр] = 1 Дж/кг

Внесистемная единица поглощенной дозы излучения рад. 1 рад = 0,01 Гр.

Можно оценить поглощенную телом дозу косвенным методом – по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем тело. В связи с этим вводят еще одно понятие дозы для рентгеновского и гамма-излучений – экспозиционную дозу излучения Х, которая является мерой ионизации воздуха рентгеновским и гамма-излучением.

За единицу экспозиционной дозы принят кулон на килограмм (Кл/кг). На практике используют единицу, называемую рентгеном (Р). Доза в 1 Р соответствует образованию 2,08·10⁹ пар ионов в 1 см³ сухого воздуха (при 0⁰ С и 760 мм рт.ст.); 1 Р = 2,58·10^-4 Кл/кг.

Единицей мощности экспозиционной дозы является ампер на килограмм (А/кг), а внесистемной единицей – 1 Р/с.

Поглощенная доза не учитывает того, что при одинаковой дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучения.

Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма: альфа- излучения считается при этом в 20 раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; ее измеряют в системе СИ в зивертах (Зв). 1 зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг (для рентгеновского, γ- и β- излучений:

H = D·k, (6 - 14)

где k – коэффициент качества, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма.

k = 1 для рентгеновского, гамма и бета излучений;

k = 20 для альфа с энергией меньше или равной 10 МэВ;

k = 3 для нейтронов с энергией менее 20 кэВ;

k = 10 для нейтронов с энергией 0,1 – 10 МэВ.

Внесистемная единица эквивалентной дозы: бэр (биологический эквивалент рада) 1бэр = 0,01 Зв.

Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах.

Просуммировав индивидуальные эффективные дозы, полученные группой людей, мы получим коллективную эффективную эквивалентную дозу, которая измеряется в человеко-зивертах.

Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и остаются радиоактивными и в отдаленном будущем, то коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования, называют полной коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Естественные источники радиации действуют на человека всю историю его существования. Так, например, в средних широтах на уровне моря человек получает эквивалентную дозу 0,37 мЗв, еще 0,3 мЗв добавляют природные бета и гамма- источники (U, Th) и продукты их распада в земной коре. Внутренние источники облучения в теле человека, поступающие в организм с воздухом, водой, пищей, добавляют еще 0,4 мЗв в год. 1,3 мЗв получает человек за счет радона 220 и радона 222 являющимися продуктами распада природного урана, который содержится в строительных материалах, бетоне, железобетоне, шлаке, кирпиче т.д. Итого, в год около 2,4 мЗв. За 70 лет около 170 мЗв. Предел 350 мЗв. Для измерения радиации используют приборы - дозиметры.