Практичне заняття № 3

Тема: Радіація та радіоактивне забруднення навколишнього середовища (2 год.)

Мета: Розширити знання студентів про будову атома та природні ізотопи, про радіоактивність. Розглянути типи ядерних реакцій та основні види випромінювання. З’ясувати чим відрізняється природна радіоактивність від штучної. Показати у чому полягає руйнівна дія радіації.

Питання до теми

1. Будова атома. Ізотопи.

2. Природа радіації.

3. Типи ядерних реакцій.

4. Основні види випромінювання.

5. Чим відрізняється природна радіоактивність від штучної?

6. У чому полягає руйнівна дія радіації?

7. Джерела іонізуючого випромінювання.

8. Біологічна дія радіації.

Методичні поради

Радіоактивність – це здатність ядер деяких хімічних елементів спонтанно перетворюватися в ядра інших хімічних елементів з виділенням енергії у вигляді іонізуючого випромінювання.

До основних видів радіоактивного розпаду відносять α-розпад, β-розпад, електронне захоплення і спонтанний поділ. Всі види радіоактивності супроводжуються виділенням енергії, головним чином у вигляді γ-випромінювання.

При α-розпаді ядро ізотопу випромінює α-частинку (ядро атома ⁴₂Не); заряд вихідного ядра при цьому зменшується на 2 одиниці, а масове число – на 4 одиниці. Утворюється ізотоп нового елемента. Зміщеного в періодичній системі на дві клітини вліво від вихідного елемента.

α-розпад характерний для важких елементів (урану, торію, плутонію та ін.):

При β^- - розпаді ядро випромінює β^- - частинку (електрон) завдяки перетворенню одного нейтрона ядра у протон за схемою:

Внаслідок β^- - розпаду заряд ядра зростає на одиницю, а масове число не змінюється. Утворюється ізотоп нового елемента, зміщеного в періодичній системі на одну клітину вправо від вихідного елемента, наприклад:

.

β^- - розпад характерний і для природних, і для синтетичних ізотопів, а особливо для елементів першої половини періодичної системи.

При позитронному β⁺ - розпаді ядро випромінює позитрон β⁺ . В основі цього виду розпаду лежить перетворення протона в нейтрон за схемою:

Внаслідок β⁺ - розпаду заряд ядра зменшується на одиницю, а масове число не змінюється; утворюється ізотоп нового елемента, зміщеного в періодичній системі на одну клітину вліво:

β⁺ - розпад характерний для ядер легких елементів із меншою кількістю нейтронів, ніж протонів, одержаних лише синтетичним шляхом.

Електронне захоплення полягає у захопленні ядром електрона з найближчих енергетичних рівнів, при цьому протон ядра перетворюється на нейтрон:

.

Внаслідок електронного захоплення заряд ядра зменшується на одиницю при незмінному масовому числі. Утворюється ізотоп нового елемента, зміщеного в періодичній системі на одну клітину вліво. Наприклад:

Електронне захоплення супроводжується рентгенівським випромінюванням.

Спонтанний (самовільний) розпад – це поділ важкого ядра з утворенням двох (рідше трьох або чотирьох) ядер ізотопів елементів середини періодичної системи. Поділ важких ядер супроводжується випромінюванням кількох нейтронів і виділенням величезної енергії ≈ 200 МеВ. Цей вид розпаду характерний для Урану і трансуранових елементів.

Ядерні реакції відбуваються при взаємодії ядер атомів із нейтронами, протонами, α-частинками, ядрами інших атомів, γ-випромінюванням, у результаті чого атоми одного елемента перетворюються в атоми іншого елемента. Бомбардуючи частинка повинна мати досить велику енергію (10¹⁰ еВ і більше) для подолання сил кулонівського відштовхування з вихідним ядром. Внаслідок зіткнення бомбардуючої частинки з ядром-мішенню утворюється проміжне, нестійке ядро, яке через ≈ 10^-7 с розпадається, перетворюючись на ядра нових ізотопів із випромінюванням елементарних частинок, γ-квантів та ін.

Поділ ядер Урану тепловими нейтронами супроводжується виділенням колосальної енергії:

В ході реакції поділу на один затрачений нейтрон припадає 2-3 нових, тому реакція ядер атомів Урану є ланцюговою, яка відбувається практично миттєво, як вибух; на ній базується дія атомної бомби.

Це відкриття (1939 р.) започаткувало атомну енергетику. Керовані реакції поділу ядер U, Pu використовується в ядерних реакторах і служать для виробництва електричної енергії. При розпаді 1 г урану виділяється 7,5·10⁷ кДж енергії, більше ніж спалювані 2 т високоякісного вугілля.

Важливим видом ядерних реакцій є термоядерні реакції синтезу більш важких елементів із ядер легких елементів. Ці реакції відбуваються за дуже високих температур понад 1 млн. градусів. Прикладом термоядерної реакції є синтез ядер Гелію з ядер Гідрогену:

Термоядерні реакції супроводжуються виділенням величезної енергії. Некеровані термоядерні реакції відбуваються при вибуху водневої бомби; використання їх для виробництва енергії – справа майбутнього.

Радіоактивність, яку виявляють ізотопи елементів, що існують у природі, називають природною радіоактивністю.

Природні джерела іонізуючого випромінювання:

• космічне випромінювання;

• природні натуральні джерела;

• технологічні природні джерела.

Штучні джерела іонізуючого випромінювання:

• уранова і радіохімічна промисловість, підприємства ядерної енергетики;

• ядерні вибухи при випробуванні ядерної зброї;

• застосування радіонуклідів у народному господарстві і в побуті;

• застосування радіонуклідів у медицині.

Це створює реальні умови для додаткового понад фонового опромінення. Нині головними джерелами радіоактивних забруднень біосфери є радіоактивні аерозолі, які потрапляють у атмосферу під час випробувань ядерної зброї, аварії на АЕС та радіоактивних виробництвах, а також радіонуклідів, що виділяються з радіоактивних відходів, відпрацьованих атомних реакторів, устаткування, заборонених на суші й у морі.

Під час аварій атомних реакторів, розгерметизації захоронень радіоактивних відходів радіаційний бруд розповзається на десятки й сотні кілометрів, внаслідок наземних ядерних вибухів – по всій планеті.

Теми рефератів та доповідей (до самостійної роботи):

1. Радіоактивне забруднення навколишнього середовища.

2. Вплив техногенних радіоактивних осадів на хід хімічних і біологічних процесів.

3. Способи та види дезактивації.